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水利

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浅谈水锤现象及防护措施

  1引言
  在压力管路中,由于流速的剧烈变化而引起一系列急骤地压力交替升降的水力撞击现象称为水锤现象。水锤现象是一种物理过程的波动,水流本身的特性对其起着主要作用,其他方面如:管材、设备(水泵、阀门)选型以及管路布置等也会影响水锤。
  由于水锤的水力撞击的突发性、反复性等特点,强度大的水锤甚至能破坏管网系统。因此,设计中必须考虑到水锤的防护。
  2水锤分类
  水锤可以按照特点、成因、过程以及现象等方面进行如下分类:
  a.按成因可分为:事故水锤、启动水锤和关阀水锤。
  事故水锤:是在泵后的阀门位于开启状态时,水泵机组突然断电而停机时发生的,此时比较容易发生较大事故,也叫作停泵水锤。
  启动水锤:泵启动后,出水管上的阀门打开,而此时出水管尚未满管,这时往往会产生水锤。
  关阀水锤:关阀只是一种统称,也可以是阀门故障或管道堵塞等原因而造成的意外,系统上表示为阀门关闭,此时也容易发生水锤。
  b.其中关阀水锤又可以按过程分为:间接水锤和直接水锤。而这种分类方法和水锤相有关。
  水锤相:水锤波在长度为L的管路中传播和反射的总历时,可用μ表示:
  μ=2L/c
  其中:
  L——管路长度,m;
  c——水锤波传播速度,m/s.
  水锤相历时未完阀门已关闭会产生直接水锤,此时水锤压力的最大值出现在阀门处,该水锤压力等于直接波的压力值,与反射波、管线的长度及阀门关闭时间无关。
  反之,则称为间接水锤,这种水锤比较复杂,也是最经常发生的。
  c.按水锤水力特点可分为:刚性水锤和弹性水锤。
  刚性水锤理论不考虑水流阻力及水和管材的弹性,假定水锤的发生仅与流速的改变有关。运用该理论计算水锤比较简单,但计算结果偏大。
  弹性水锤理论则相反。
  对高水头、长管路系统进行水锤计算时,应当采用弹性水锤理论。
  d.按水柱现象分为:连续水柱和不连续水柱,此时也会相应产生两种水锤。其中,不连续水柱之间会有空气段,若空气段两端的水柱突破空气段汇合时产生水锤,此时的升压将很高,而且也是水泵供水系统中最具有危害性的水锤。
  3水锤的计算
  水锤发生的过程中,能量的转化十分复杂,水锤的计算也比较复杂,但都基于水锤的两个基本微分方程,可表示如下:
  gэHэX+vэvэxэvэtf2dvv=0
  gэHэx+эHэt+vsinα+c2gэvэx=0
  式中:
  v-管道中的流速,向下游为正;
  H-压力水头;
  x-距离,以音遣进口为原点,向下游为正;
  t-时间;
  c,g-水锤波速和重力加速度;
  d,α-管道直径和纵坡;
  f-达赛一维斯巴哈(Darcy-Weisbach)摩阻系数。
  目前,计算水锤的方法主要有三种:数解综合法、图解法以及电算法。其中:
  数解法运用弹性水锤理论、水泵特性曲线以及管路中断流弥合水锤等方面的概念、理论与公式,概念性很强,影响因素多,计算过程复杂。
  图解法有两种:传统图解法是将水锤基本微分方程式变换为对管路上两个点的两个代数方程(共轭方程),按照作图法进行计算。这种方法在管路中发生水柱分离现象或管路情况复杂时很难适应。
  另一种图解法是用时间t为横坐标,水头H为纵坐标,在坐标系上绘出管路的H-t线。这种方法便于解决断流弥合水锤问题。
  电算法也叫特征线法,借助特征线法将水锤的两个基本微分方程转化为特定形式的全微分方程组,再利用有限差分方程和管路系统边界条件方程编制源程序用电算求数值解。这种方法采用计算机进行计算,避免了前面两种方法在计算精度等方面的不足。目前运用此法进行水锤分析计算的软件主要有:Bentley公司研发的Hammer、PIPE2010以及FLOWMASTER等。
  目前,重要系统普遍都采用电算法来进行水锤分析与防护设计。
  另外,针对关阀水锤,可按照儒可夫斯基公式计算出直接水锤的压强:
  Δp=ρC(ν0-ν)
  ρ——水的密度;
  ν0——关闭阀门前管中流速;
  ν——关闭阀门后管中流速;
  C——水击波波速。
  当阀门完全关闭时,ν=0,得直接水锤压强的最大值Δp=ρ·C·ν0,在实际的工程设计中,对于重要的且有可能发生直接水锤的系统,可以根据该值选择阀门。
  其中:
  C=14251+E0ED姨δ(m/s)
  E0——水的弹性模量,E0=2.04×105N/cm2;
  D——管道内径;
  δ——管壁厚度;
  E——管材的弹性模量
  各种管材的弹性模量E如下:
  铸铁管:87.3×105N/cm2;
  钢管:205.8×105N/cm2;
  钢筋混凝土管:206×105N/cm2;
  石棉水泥管:32.4×105N/cm2;
  木管:6.86×105N/cm2。
  4影响水锤效应的因素
  不考虑人为操作的因素,影响水锤效应的主要因素有管材、管道布置方式、介质流速、泵后阀门、水锤消除装置以及水泵转动惯量。其中,管材、介质流速、泵后阀门的质量以及水泵的转动惯量影响水锤的形成及压力大小,而管道布置方式和水锤消除装置则影响着水锤造成的危害。
  (1)管材。根据直接水锤压强的计算公式可以看出:管材对水锤的影响主要是弹性模量对水击波波速的影响,弹性模量越小,水击波波速就越小,进而水锤压力也越小。从上述E可以看出:管材越软,弹性模量越小。因此,较软的管材有助于减小水锤压力。
  (2)管道布置方式。管道布置分为架空布置和埋地敷设,架空管道仅靠支架的作用,稳定性差,抗水锤能力小,一旦发生水锤容易对系统形成破坏并形成次生灾害;而埋地管道受到管道基础及覆土的牵制作用,抗水锤的能力较大,水锤对系统形成的直接破坏以及次生灾害相对较弱。另外,管道会有高低起伏,高点容易形成负压而产生不连续水柱,具有潜在的水锤危害。
  (3)介质流速。根据直接水锤压强的计算公式可以得出:在水击波波速一定时,介质流速越小,水锤压力就越小。在同样的水流量和同样管材的情况下,管径加大一号,对水击波波速C几乎无影响,但是却能大大降低管道内的介质流速。以钢管为例,当管径从DN50扩大到DN65时,根据理论计算,此时管道内介质的流速降低至原来流速的60%,直接水锤压力可以降低40%。DN50扩至DN65也是所有钢管口径中对直接水锤压力的降低贡献最大的。
  (4)切断阀门。不同种类的阀门结构不同,其过流特性也不相同,对关阀形成的水锤影响也不同。有研究表明:当阀门关闭时间较短时,管路系统最大水锤压力与阀门的类型有关,从大到小依次为蝶阀>球阀>闸阀>止回阀,最大水锤压力出现的时刻基本相同;当阀门关闭时间较长时,最大水锤压力与阀门类型的关联性不大。
  (5)泵后止回阀。在水泵出口装设止回阀的目的是防止事故停电时出水管中的水倒灌以及管理维修上的方便。但止回阀的装设会增加管路的局部阻力,使能耗增加;且普通旋启式止回阀的阀板在阀体内摆动与碰撞易产生噪音、使阀体破裂、阀板脱落,而阀板突然关闭会导致关阀水锤。研究表明:无止回阀时虽然系统中的水锤最大压力不大,但是逆向流量很大;普通止回阀的存在有效地抑制了管路中的水倒流,但同时增大了水锤压力,可控缓闭止回阀可有效地结合二者的优点。
  (6)其余水锤防护装置的设置。例如:水力控制阀以及各种形式的缓闭式阀门可以控制流速变化速度,减弱水锤效应;调压塔通过补水(泄水)、空气罐通过补气(排气)等措施可以削减水锤压力;水锤消除器通过泄水或吸纳系统的水波来削弱至逐渐消除水锤效应。
  冀健红等人对停泵水锤的研究表明:泵端采用缓闭式蝶阀可以有效地控制泵端性能参数流量和转速变化幅度,最小水锤水头值降低;采用空气阀+缓闭式蝶阀则效果相反;采用单向调压塔+缓闭式蝶阀对停泵水锤的防护效果最为明显。
  (7)水泵转动惯量。水泵在配套电机不变的情况下转矩不变,增大水泵的转动惯量可以降低水泵的角速度,从而使水泵的转速越不容易改变,断电后转速下降得越慢,停泵形成的水锤压力越小。
  5水锤的防护
  根据影响水锤效应的因素,水锤的防护措施基本可以分为四大类:
  a.设备、管路选型
  1)选用弹性模量较小的管材,但必须同时考虑管材的强度以及安装的费用;
  2)尽量选用水锤效应较小的水泵;
  3)对于工程上可能要快速关闭的重要阀门,应根据厂家提供的流量特性系数来选择阀门的类型,尽量按照闸阀、球阀、蝶阀的顺序进行选择,并尽可能地适当延长泵后阀门的关闭时间;
  4)控制好管道内的水流速度,在可能的情况下,尽量减小管道内的水流速度。
  b.管道布置
  1)铺设管路时,减少管道局部突起,并在局部突起处设排气阀;
  2)调整管道的固定度,适当提高支架的安装密度,在管道的起始端、转角处加装支架。
  c.附加水锤防护装置
  系统设计中,可根据实际条件以及各种水锤防护装置的特点选择适宜的装置。
  d.系统操作和控制
  操作中:对于启停泵,一般采用先开泵后开阀、先关阀后停泵的控制方式。
  6小结
  在实际的工程运行中,管网水锤的情况会更加复杂,往往会产生次生灾害而影响对解决方法的判断,导致往往由于采取的防护措施不当而造成巨大的浪费和事故。因此,对水锤要防患于未然,在设计时就应充分考虑水锤,提前避免或采取相应的防护措施。
  本文针对影响水锤的因素提出了几种常用的防护措施供设计参考,实际工程中可能需要同时采取几种措施。当影响到工程造价时,须经过技术经济分析后再决定采取哪些措施。