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输水管线水锤产生及防护研究进展

文档作者：倪木子夏圣骥文档来源：同济大学		点击数：	更新时间： 2022年01月23日
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第49卷第10期
2013年10月
甘肃水利水电技术
GANSU W AⅡ R Rl OURCES AND HYDROP0WER TECHNOL0GY
Vo1．49．No．10
Oct．，2013
· 设计与研究·
输水管线水锤产生及防护研究进展
倪木子．夏圣骥
(同济大学环境科学与工程学院，上海200092)
摘要：输水工程中常会发生水锤，浅述了水锤的危害，分析了水锤的成因，介绍了目前常见的多种水锤防护措施及研
究进展，并侧重探讨了它们在长距离输水工程中的应用情况。
关键词：水锤；输水工程；水锤危害；水锤成因；水锤防护措施
中图分类号：TU991．39 文献标志码：A 文章编号：2095—0144(2013)10—0011-03
1 前言
管道在输水过程中．阀门突然关闭、水泵突然停
车等原因．使水的流速发生变化，从而引起压强急剧
升高和降低的交替变化，这种变化以一定的速度向
上游或下游传播，并且在边界上发生反射。由于水
流具有动能和一定程度的压缩性，因此在极短的时
间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高和过
低的冲击⋯。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹
如锤子敲击管道一样，故称为水锤[2]。
2 水锤的危害
随着国民经济高速发展和需水量的增加，各地
兴建了许多大型的长距离输水工程，此类输水工程
管线长、输水量大、运行工况复杂，容易发生水锤现
象；同时水锤一旦产生，危害很大。此外，在一些工
业循环供水系统和高层建筑供水系统中。由于供水
要求高或供水扬程大等特点，其管线可能产生的水
锤危害也不容忽视。总的来说。水锤的危害可分为
管线及配件破坏、水泵破坏和其他破坏等。
水锤压力过高，会引起管道强烈振动，管道接头
断开，阀门损坏，严重时甚至造成爆管；水锤压降过
低会损坏管道接头。导致接头泄露。破坏管道护衬材
料，使用寿命减短。水锤还会使水泵的密封破坏，使
叶轮形成气蚀，给叶轮造成极大的损害；同时破坏泵
体减震装置，使泵的噪声增大，效率降低，增加了泵
的电耗成本：有时还会使叶轮反转，损坏连接轴、电
机及其他水泵。水锤引发的倒流流量过大时，会使
吸水井水位骤升淹没泵房；管网管线的水压、水量降
低，无法达到正常供水要求。在某些特殊工程，如火
力发电厂循环供水系统中，水锤会造成冷却塔凝汽
器顶部的局部断流．并且产生较高的升压，对凝汽器
顶部的冷却水管产生损害[3]。
3 水锤成因分析
根据水锤波理论。水锤现象的实质是管道内水体
流速的改变。导致水体的动量发生急剧改变而引起
作用力变化的结果。因此凡是能使管道中水的流速
改变的因素都是产生水锤的原因，其中阀门关闭、突
然停泵和管路中有空气是水锤形成的最主要因素。
3．1 阀门关闭时产生水锤
阀门突然关闭时，靠近阀门处水的流速骤降为
零，压力骤然升高，使这部分水体受到压缩，管道发
生膨胀：同时后面的水由于惯性仍以原来的流速向
阀门处运动，流速迅速降至零，水压力升高，又出现
水体压缩和管壁膨胀。这样的过程依次向管道起点
处传播，当这种升压过程传播到管道起点处时，管道
中水的流速变为零．管道中水体的动能全部转化为
水压缩和管道变形的弹性势能。此时，在管道进口
处首先泄压，这种过程又向阀门处传播，管道中的压
力恢复。水继续向管道入口处运动，因阀门关闭，无
水补充，因此阀门处压力降低，水体膨胀，管壁收缩。
这种运动达到管道入口处时。水流速为零。此时管
道处于收缩状态．这时管道外的压力大。水体必然向
管道内充填．使水的体积和管道复原到最初状态。
以后将重复增压一复原一降压一增压运动。水锤以水
锤波的形式从阀门传到管道进口处，再从管道进口
处传到阀门。并反复地进行着，直至阻力作用使这种
能量消耗殆尽[4]。
收稿日期：2013—08—05
基金项目：国家科技支撑项目(2012BAJ25B05—03)
作者简介：倪木子(1991一)，男，安徽无为人，硕士研究生，主要从事饮用水处理及供给研究；夏圣骥(1978一)，男，江苏东台人，副
教授，博士，主要从事饮用水处理及供给研究。
2013年第1O期 甘肃水利水电技术 第49卷
3．2 突然停泵时产生水锤
突然停泵后．压水管道中的水在惯性作用下。继
续做减速运动，但由于管道侧压力高，水很快出现倒
流；同时为避免叶轮倒转损坏设备．水泵出口处常安
装有止回阀，这样，倒流的水将会在止回阀前产生很
高的升压，形成水锤。而在一些地势起伏大的输水
管线中。突然停泵后，管线驼峰点将变成分水点．管
内水流在重力作用下分别向两侧流动．从而在局部
造成压力下降。研究表明，压力下降到一i0 m水柱
时，液体就会局部汽化 ]．进而产生空穴流和水柱分
离等气液两相瞬变流的情况．在这一过程中随着气
泡的溃灭、液柱的分离和再弥合的撞击，压力会骤然
升高，形成危害极大的断流弥合水锤。
3．3 管道中有空气时产生水锤
输水管道中常常会有空气，一般情况下，管道中
存在的少量气泡能随水流前进，并不足以产生较大
的水锤危害。但在长距离输水管线的驼峰点。空气
容易而形成大气囊：先是迫使水流在狭窄的管道中
以较大的流速通过；之后．在空气不断增加和前后压
力的作用下，气囊迅速径向发展直至阻塞水流。形成
“类闭阀”水锤；最后，前后压力增大到一定程度，气囊
开始向下游流动变形，使水流重新开通，很快空气又会
重新向高处聚集，再次形成气囊 6]。这种由气囊导致
水流的反复阻塞和开通的气阻水锤与开(闭)阀水锤
非常类似，但阀门关闭再打开需一定时问．而且能够
人为控制；气囊则会在压力复杂变化的管道中迅速
形成和破灭，产生的水锤波则不断叠加，危害更大。
4 水锤的防护措施
对水锤防护的研究由来已久，主要的两个思路
分别是消除水锤产生的条件和缓解水锤的压力[，]：
水锤防护的装置有阀门类、补水设备类等多种，近年
来，针对长距离输水管线的特点和实际工程防护中
存在的问题，也出现了不少新技术和组合工艺。
4．1 补水补气类
双向调压塔。双向调压塔是一个接到管路上的
开敞式水塔，管道中压力降低时，调压塔迅速给管道
补水，以防止或减小负压，避免出现水柱分离；水锤
压力上升时管道中的水倒流入调压塔。可以减小水
锤压力[8]。双向调压塔工作可靠，完全可以保障沿线
安全，但长距离输水工程往往流量很大。所需塔高和
塔容也会非常大，严重受到地形、工程投资的约束，
因此很少使用。可以考虑采用高度低很多的单向调
压塔，结合安装与水泵并联的旁通管，起到类似双向
调压塔的效果。最近，一种新型的箱式双向调压塔
在具有传统双向调压塔优点的同时，大幅降低高度，
· 12 ·
一般仅2 5 m．从而降低了工程造价，提高了使用范
围[ 。
空气罐。空气罐是一个上部为压缩空气、下部为
水的压力容器。一旦发生事故停泵，管道中压力降低
时，与管道连接的空气罐内空气迅速膨胀，下部的水
在空气压力作用下迅速补充给主管道以减少负压，
防止产生水柱分离r8]。空气罐工作可靠，水锤防护效
果好，其缺点罐体较大，辅助设备复杂昂贵，只适用
于小流量输水工程。目前国内使用经验不多，国外应
用较广．在高层建筑供水系统中有较好的前景。
空气阀。空气阀原理很简单，就是通过进气和
排气来维持管道内压力稳定，避免水流中断，也是最
早使用的水锤防护设备之一。其具有安装容易、价
格低廉等优点，现在几乎所有的输水工程都会使用
到空气阀。GB 50013—2006(室外给水设计规范》中
也规定：“输水管线竖向布置平缓时，宜间隔1 000 N1
左右设一处通气设施”；但对于长距离管线，大量布
置的空气阀不仅会给检修维护工作带来不便，还有
计算表明，管线中第一个空气阀受后面水流影响，最
大进气量可能过数百方。当局部管线起伏很小，大量
积气无法有效排除时还会诱发新的水锤[103。因此，
需要严格计算阀的规格、数量和安装位置，慎重选
用，新型的全压高速排气阀也可以提高防护性In]。
单纯使用空气阀的水锤防护效果有限，实际工程中
可以在泵后设置单向调压塔。并在管线最高点安装
排气阀进行组合防护I8]。
4．2 泄压保护类
水锤消除器也是最早使用的水锤防护设备之
一
， 其主要原理是依靠挤压活塞、膨胀内胆、泄压放
水等措施来降低管道压力。目前主要有下开式停泵
直接水锤消除器、自动复位水锤消除器、自动复位的
下开式水锤消除器、气囊式水锤消除器四种。水锤
消除器的压力适应范围较小，对大流量管线的调压
效果也不好，长距离输水工程中已不再使用。
减压恒压阀。减压恒压阀的工作原理是当阀后
压力超过预先设定的值时，阀门的过流面积减小，局
部损失增大，阀后压力慢慢降低到设定值；当阀后压
力低于设定值时，阀门的过流面积增大。局部损失减
小。阀后压力逐渐升高到设定值r12]。减压恒压阀结
构合理，安全可靠，故障率低，稳压效果好，既可减静
压也可减动压，在长距离输水工程不便于设置调压
池的塬坡段。有很广泛的应用价值口引，超压泄压阀也
有类似的防护效果。
4．3 控制流速类
缓闭止回阀。缓闭止回阀是一种通过延长闭阀
第10期 倪木子，等：输水管线水锤产生及防护研究进展 第49卷
时间，降低倒流流速来减小停泵水锤的止回阀。目
前常用的有自动保压重锤式和蓄能罐式两种缓闭止
回阀[33。缓闭止回阀仅对停泵水锤有较好的防护效
果．对于长距离管线中常出现的断流弥合水锤的防
护则十分有限，必须和调压塔、空气阀等措施组合使
用。
快闭止回阀。快闭止回阀的原理是：在停泵时，
阀板几乎同时关闭(一般为0．25 S以内)，依靠阀板支
撑住回流水柱，使其没有冲击位移，从而避免产生停
泵水锤，常见的有升降式和旋启式两种。快闭式止回
阀结构复杂，生产要求高，国内工程中使用较少。两
种止回阀相比，前者用水锤发生时的缓冲来降低水
锤。而后者则是在水锤还来不及产生时即行关闭从
而防水锤-14]，后者更加可靠。随着生产工艺的进步，
快闭止回阀将逐渐取代缓闭止回阀成为主流。
水力控制阀。水力控制阀一种采用液压装置控
制开关的阀门，利用水泵出口与管网的压力差来实
现自动启闭。阀门上一般装有活塞缸或膜片室，控
制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从
而有效消除水锤[】 。水力控制阀是一类兼具电动阀、
缓闭止回阀和水锤消除器功能的新型阀门．在实际
工程中的推广应用值得期待。
4．4 其他防护措施
惯性飞轮。惯性飞轮安装在水泵机组转动部分，
可以避免停泵时水泵转速的急剧下降，防止水柱分
离，从而降低水锤压力[53。安装惯性飞轮的缺点明
显，要使管线不出现负压，水泵机组的转动惯量至少
需要加大50倍[10]，但过大的转动惯量又会给水泵启
动带来困难。目前只在一些小流量短距离供水系统
中有使用。
PLC自动控制系统。通过检测管网压力，反馈控
制水泵的开、停和转速调节，进而控制流量使压力维
持一定水平。控制微机设定机泵供水压力，保持恒压
供水。避免过大的压力波动『15]。PLC控制系统可以从
根本上减小水锤产生的概率，是水锤防护研究的未
来的方向。
对于长距离输水工程．利用减压水池对管线进
行压力分级也是一个很好的防护思路。根据水锤发
生机理．缩短管道长度可以使管道进水口反射回来
的水锤波较早地回到管道末端，从而减小水击压力。
将长管线“化整为零”在技术上易于实现，且不依赖
于人为操控而具有较高的工程可靠性。减压水池将
长距离管道分成几个较短的管道，简化了输配水条
件，降低了水锤发生的可能性。同时，管道分段减压
不但能够有效降低管道静水压力降低管材耐压等级
和工程造价，而且能够有效防止因地形高点引发的
断流弥合水锤[坫]。
5 结语
水锤对输水系统危害巨大．在实际工程中应就
不同水锤的成因特点，采取有针对性的防护措施。
面对越来越复杂的输水工程．传统、单一的水锤防护
已难有很好的效果，必须综合采用各项措施取得最
好的防护效果。同时，在设计阶段就应考虑到水锤
因素，运行期间加强操作规范和设备维护，从而降低
水锤发生的可能性，确保输水系统的安全稳定。
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