论文部分内容阅读
摘要：水锤是破坏市政输配水管网的重要原因之一，科学地估计它可能带来的危害，并从设计、施工和运行三个环节采取措施，避免或减少水锤带来的损失，对保证输配水系统的安全、稳定运行具有重要的意义。
关键词：水锤；防护措施
市政输配水管网是现代城市生活的命脉，因此对其供水安全性和稳定性方面的要求非常严格。随着城市用水的日益增加，输水管道越来越多、管线越来越长，且绝大多数是有压输配水管，一旦发生事故停泵、阀门快速关闭等，将会使管道系统中水流速度突然变化而引起剧烈的压力升高和降低的水力瞬变现象，并以波的形式在管中往返传播，这种水力冲击现象因其发出的声音如锤敲击管道，所以称之为“水锤”现象。
水锤现象是破坏管道的重要原因之一，对于它的研究最早于1858 年由Menabrea 开始进行，并由此奠定了弹性水锤的理论基础。此后关于水锤方面的研究成果如雨后春笋，本文所分析的市政输配水管网系统中水锤的发生与发展，并科学地估计它可能带来的危害，从而
及时采取措施，避免或减少水锤带来的损失，对保证输配水系统的安全、稳定运行具有重要的意义。
一.水锤的理论分析
水锤现象是由于管道中水流速度突然变化而导致管道内压力变化的水力瞬变现象，管道系统中压力变化量可以由下式计算：
△H=±ag△V （1）
假定水在管道中作不定常流动时，其运动方程和连续性方程如下
运动方程： （2）
连续性方程： （3）
式中：H 为测压管水头；
a 为水锤波传播的速度；
g 为当地重力加速度；
f、D 分别为管道的摩阻系数和直径；
V 为管内流速；
θ 为管道中
心线与水平面的夹角；
x、t 分别为水锤波沿管轴线传播的距离和时间。
在（2）式中用V|V|代替V2 保证了粘性阻力的方向始终与速度方向相反。
根据以上方程就可以分析管道内发生水锤时的压力变化规律和水动力学特性。如普通钢管的水锤传播速度a 大约为1km/s，而城市输配水管网中水流速度大约为3-4m/s，则由（1）式计算可知，发生水锤时，压力约为3-4Mpa，并以1km/s 的速度在管网内迅速传播，将对管道和设备造成极大的损害。利用（2）式和（3）式进行水动力学研究就可以根据管网的特点来了解究竟是管道中哪个部位是最薄弱或最危险的，从而决定采取何种措施来保护输配水管网。
二. 市政输配水管网中水锤产生的原因
造成水锤的内因是由于管道中水流自身的惯性。当水流速度发生变化时，管道中的水压就会升高或降低，从而产成水锤。市政输配水系统由水阀、水泵和管道组成，能够引起水流速度变化，发生水锤的原因很多：
（1）泵的正常或事故启动和停止；
（2）阀门的正常起闭和调节，阀门的事故开关和阀瓣的事故脱落；
（3）泵转轮和叶片的不稳定性振动；
（4）管道的事故堵塞或泄露；
（5）管道坡度不足或倒坡；
三. 水锤防护措施
由于水锤对管道的极大破坏性，同时发生水锤时产生的噪音会影响人们正常工作和学习，所以市政输配水管网水锤的防护工作是必须要加强的。从管网的设计、施工到运行阶段，都要采取一系列措施来消减水锤作用。
1 设计阶段水锤防护措施
在市政输配水管网的设计阶段水锤防护措施主要是为了克服地形等不利条件，避免全程或局部的水流速度过快，压力过大而采取的，主要的目的就是减小管网中水流速度或压力，从而消减水锤作用。目前常被采用的方法有以下几种：
（1）设置调压塔。从管路布置上考虑，由于管路坡度变化处容易形成真空，出现水柱分离，从而产生水锤，故在管路布置方面应力求平缓。若受地形条件限制，可考虑在管路的适合位置设置调压塔。
（2）设置减压阀、减压水池或放大部分管径，可有效降低输配管网中的水流速度，该方式可在一定程度上降低水锤压力。减压阀可降低管道正常压力，降低管材耐压等级。设置减压水池时要考虑安装流量控制装置，其计算参考文献[2]。
（3）设置空气缸。当发生水锤管道压力升高时，通过压缩空气可起到气垫作用从而消减水锤压力。
（4）采用缓闭止回阀，允许局部倒流。该措施可有效减弱停泵时产生的高压水锤。
（5）在止回阀附近安装水锤消除器；在水锤发生之前放水，可以有效消除水锤的破坏作用。
（6）采用多功能水泵控制阀；多功能水泵控制阀是通过一个双室膜片控制器利用液压原理来控制主阀板和缓闭阀板的缓开和缓闭动作，可有效消减水锤。
（7）进排气阀防护；输配水管道坡度小于1‰时，每隔0.5-1km 时设置进排气阀，设置位置应根据管路纵端面情况或水锤防护计算确定，其计算方法参见文献[3]。
（8）超压泄压阀防护；超压泄压阀的主要作用是当管道中发生水力瞬变流，某点的压力过高时，在此点的超压泄压阀自动打开，泄流掉一定流量，维持管道在此点的压力，当压力降到安全值后，超压泄压阀再自动关闭。
2 运行阶段水锤防护措施
在运行阶段水锤防护主要从容易引发水锤现象的三个方面着手：开关阀水锤防护、启泵水锤防护和停泵水锤防护。
（1）开关阀水锤防护措施：缓慢开启和闭合阀门是避免发生水锤的有效方法。
（2）启泵水锤防护措施：启泵水锤防护措施中最关键的步骤就是在启泵前排出管道内的空气。启泵前先打开除水泵出口處的所有阀门，再启泵。对于必须在空管状态下启泵的，可采用分阶段开阀启泵的方式：只开启水泵出口阀门，开度为15%-30%，然后启动水泵，到管道中充满水以后再开启所有阀门到需要的开度。
（3）停泵水锤防护措施：正常停泵时，为避免发生水锤，应先将水泵出口处阀门关闭的情况下停泵。
四. 结束语
水锤容易发生在市政输配水管网的输配水过程中，是一种破坏性极大的现象。因此，在市政输配水管网的设计、施工和运行过程中要充分考虑水锤对输配水管网的安全、稳定性的影响。理论上只要控制了输配水管网的水流速度和压力突变就可以消除这种现象，在实际操作过程中尤其应对管道的强度薄弱环节予以特别重视。人们在长期对水锤的预防和控制过程中积累了大量的经验，只有深入了解各种水锤防护装置的特性及其消锤原理，才能在对水锤进行详尽计算分析后根据水锤压力变化的特点及经济条件合理选用。
参考文献：
[1]R.W.AUGUS.Waterhammer pressure in compound and branched pipes [A].Proceedings of ASME[C].Jan，1978.340-401.
[2]金锥，姜乃昌，汪兴华，等.停泵水锤及其防护.第2 版.北京：建筑工业出版社，
[4]严熙世等.给水工程.建筑工业出版社，2005.
[3]于必录，杨晓江，等.泵系统过渡过程分析与计算.北京：水利电力出版社，1993.
关键词：水锤；防护措施
市政输配水管网是现代城市生活的命脉，因此对其供水安全性和稳定性方面的要求非常严格。随着城市用水的日益增加，输水管道越来越多、管线越来越长，且绝大多数是有压输配水管，一旦发生事故停泵、阀门快速关闭等，将会使管道系统中水流速度突然变化而引起剧烈的压力升高和降低的水力瞬变现象，并以波的形式在管中往返传播，这种水力冲击现象因其发出的声音如锤敲击管道，所以称之为“水锤”现象。
水锤现象是破坏管道的重要原因之一，对于它的研究最早于1858 年由Menabrea 开始进行，并由此奠定了弹性水锤的理论基础。此后关于水锤方面的研究成果如雨后春笋，本文所分析的市政输配水管网系统中水锤的发生与发展，并科学地估计它可能带来的危害，从而
及时采取措施，避免或减少水锤带来的损失，对保证输配水系统的安全、稳定运行具有重要的意义。
一.水锤的理论分析
水锤现象是由于管道中水流速度突然变化而导致管道内压力变化的水力瞬变现象，管道系统中压力变化量可以由下式计算：
△H=±ag△V （1）
假定水在管道中作不定常流动时，其运动方程和连续性方程如下
运动方程： （2）
连续性方程： （3）
式中：H 为测压管水头；
a 为水锤波传播的速度；
g 为当地重力加速度；
f、D 分别为管道的摩阻系数和直径；
V 为管内流速；
θ 为管道中
心线与水平面的夹角；
x、t 分别为水锤波沿管轴线传播的距离和时间。
在（2）式中用V|V|代替V2 保证了粘性阻力的方向始终与速度方向相反。
根据以上方程就可以分析管道内发生水锤时的压力变化规律和水动力学特性。如普通钢管的水锤传播速度a 大约为1km/s，而城市输配水管网中水流速度大约为3-4m/s，则由（1）式计算可知，发生水锤时，压力约为3-4Mpa，并以1km/s 的速度在管网内迅速传播，将对管道和设备造成极大的损害。利用（2）式和（3）式进行水动力学研究就可以根据管网的特点来了解究竟是管道中哪个部位是最薄弱或最危险的，从而决定采取何种措施来保护输配水管网。
二. 市政输配水管网中水锤产生的原因
造成水锤的内因是由于管道中水流自身的惯性。当水流速度发生变化时，管道中的水压就会升高或降低，从而产成水锤。市政输配水系统由水阀、水泵和管道组成，能够引起水流速度变化，发生水锤的原因很多：
（1）泵的正常或事故启动和停止；
（2）阀门的正常起闭和调节，阀门的事故开关和阀瓣的事故脱落；
（3）泵转轮和叶片的不稳定性振动；
（4）管道的事故堵塞或泄露；
（5）管道坡度不足或倒坡；
三. 水锤防护措施
由于水锤对管道的极大破坏性，同时发生水锤时产生的噪音会影响人们正常工作和学习，所以市政输配水管网水锤的防护工作是必须要加强的。从管网的设计、施工到运行阶段，都要采取一系列措施来消减水锤作用。
1 设计阶段水锤防护措施
在市政输配水管网的设计阶段水锤防护措施主要是为了克服地形等不利条件，避免全程或局部的水流速度过快，压力过大而采取的，主要的目的就是减小管网中水流速度或压力，从而消减水锤作用。目前常被采用的方法有以下几种：
（1）设置调压塔。从管路布置上考虑，由于管路坡度变化处容易形成真空，出现水柱分离，从而产生水锤，故在管路布置方面应力求平缓。若受地形条件限制，可考虑在管路的适合位置设置调压塔。
（2）设置减压阀、减压水池或放大部分管径，可有效降低输配管网中的水流速度，该方式可在一定程度上降低水锤压力。减压阀可降低管道正常压力，降低管材耐压等级。设置减压水池时要考虑安装流量控制装置，其计算参考文献[2]。
（3）设置空气缸。当发生水锤管道压力升高时，通过压缩空气可起到气垫作用从而消减水锤压力。
（4）采用缓闭止回阀，允许局部倒流。该措施可有效减弱停泵时产生的高压水锤。
（5）在止回阀附近安装水锤消除器；在水锤发生之前放水，可以有效消除水锤的破坏作用。
（6）采用多功能水泵控制阀；多功能水泵控制阀是通过一个双室膜片控制器利用液压原理来控制主阀板和缓闭阀板的缓开和缓闭动作，可有效消减水锤。
（7）进排气阀防护；输配水管道坡度小于1‰时，每隔0.5-1km 时设置进排气阀，设置位置应根据管路纵端面情况或水锤防护计算确定，其计算方法参见文献[3]。
（8）超压泄压阀防护；超压泄压阀的主要作用是当管道中发生水力瞬变流，某点的压力过高时，在此点的超压泄压阀自动打开，泄流掉一定流量，维持管道在此点的压力，当压力降到安全值后，超压泄压阀再自动关闭。
2 运行阶段水锤防护措施
在运行阶段水锤防护主要从容易引发水锤现象的三个方面着手：开关阀水锤防护、启泵水锤防护和停泵水锤防护。
（1）开关阀水锤防护措施：缓慢开启和闭合阀门是避免发生水锤的有效方法。
（2）启泵水锤防护措施：启泵水锤防护措施中最关键的步骤就是在启泵前排出管道内的空气。启泵前先打开除水泵出口處的所有阀门，再启泵。对于必须在空管状态下启泵的，可采用分阶段开阀启泵的方式：只开启水泵出口阀门，开度为15%-30%，然后启动水泵，到管道中充满水以后再开启所有阀门到需要的开度。
（3）停泵水锤防护措施：正常停泵时，为避免发生水锤，应先将水泵出口处阀门关闭的情况下停泵。
四. 结束语
水锤容易发生在市政输配水管网的输配水过程中，是一种破坏性极大的现象。因此，在市政输配水管网的设计、施工和运行过程中要充分考虑水锤对输配水管网的安全、稳定性的影响。理论上只要控制了输配水管网的水流速度和压力突变就可以消除这种现象，在实际操作过程中尤其应对管道的强度薄弱环节予以特别重视。人们在长期对水锤的预防和控制过程中积累了大量的经验，只有深入了解各种水锤防护装置的特性及其消锤原理，才能在对水锤进行详尽计算分析后根据水锤压力变化的特点及经济条件合理选用。
参考文献：
[1]R.W.AUGUS.Waterhammer pressure in compound and branched pipes [A].Proceedings of ASME[C].Jan，1978.340-401.
[2]金锥，姜乃昌，汪兴华，等.停泵水锤及其防护.第2 版.北京：建筑工业出版社，
[4]严熙世等.给水工程.建筑工业出版社，2005.
[3]于必录，杨晓江，等.泵系统过渡过程分析与计算.北京：水利电力出版社，1993.