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輸水管道工程水錘現(xiàn)象分析及防護(hù)設(shè)計(jì)

文檔作者：孟憲鋒１王瑞慧 1 盧書(shū)紅１孟曉琳２文檔來(lái)源： 1. 山東省濟(jì)南市山東黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 2. 山東省招遠(yuǎn)市山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月30日
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收稿日期：
2009-12-05
輸水管道工程水錘現(xiàn)象分析及防護(hù)設(shè)計(jì)
孟憲鋒
１
王瑞慧
1
盧書(shū)紅
１
孟曉琳
２
（
1. 250013
山東省濟(jì)南市山東黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院；
2. 265400
山東省招遠(yuǎn)市山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院）
［摘要］介紹了輸水管道輸送水的過(guò)程中引起水錘的幾種原因，以及產(chǎn)生水錘的初步分析計(jì)算，以便進(jìn)行泵殼、管道、支墩的強(qiáng)度計(jì)
算，以及選配管道、閥件，復(fù)核管道的穩(wěn)定性，選擇水泵出口閥門(mén)型式、關(guān)閥程序。最后提出幾種防護(hù)措施供選擇，以消除輸水過(guò)程
中水錘造成的破壞。
［關(guān)鍵詞］輸水管道；水錘；防護(hù)設(shè)計(jì)
［中圖分類(lèi)號(hào)］
Ｆ４０７
［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］
Ａ
［文章編號(hào)］
１００３－１３２４
（
２０10
）
－０２－００69－０4
0
引言
水錘又稱(chēng)水擊。水（或其他液體）輸送過(guò)程中，由
于閥門(mén)突然開(kāi)啟或關(guān)閉、水泵突然停車(chē)、驟然啟閉導(dǎo)
葉等原因，使流速發(fā)生突然變化，同時(shí)壓強(qiáng)產(chǎn)生大幅
度波動(dòng)的現(xiàn)象。長(zhǎng)距離輸水工程應(yīng)進(jìn)行必要的水錘
分析計(jì)算， 并對(duì)管路系統(tǒng)采取水錘綜合防護(hù)計(jì)算，根
據(jù)管道縱向布置、管徑、設(shè)計(jì)水量、功能要求，確定空
氣閥的數(shù)量、型式、口徑。
1
水錘發(fā)生的原因與分類(lèi)
1.1
引起水錘過(guò)程的原因
（
1
）啟泵、停泵、用啟閉閥門(mén)或改變水泵轉(zhuǎn)速、葉
片角度調(diào)節(jié)流量時(shí)；尤其在迅速操作、使水流速度發(fā)
生急劇變化的情況。
（
２
）事故停泵，即運(yùn)行中的水泵動(dòng)力突然中斷時(shí)
停泵。較多見(jiàn)的是配電系統(tǒng)故障、誤操作、雷擊等情
況下的突然停泵。
1.2
水錘破壞主要的表現(xiàn)形式
（
１
）水錘壓力過(guò)高，引起水泵、閥門(mén)和管道破壞；
或水錘壓力過(guò)低，管道因失穩(wěn)而破壞。
（
２
）水泵反轉(zhuǎn)速過(guò)高或與水泵機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速相
重合，以及突然停止反轉(zhuǎn)過(guò)程或電動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)，從而
引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的永久變形，水泵機(jī)組的劇烈振動(dòng)和
聯(lián)結(jié)軸的斷裂。
（
３
）水泵倒流量過(guò)大，引起管網(wǎng)壓力下降，水量減
小，影響正常供水。
1.3
水錘的分類(lèi)與判別
（
１
）按產(chǎn)生水錘的原因可分為關(guān)（開(kāi)）閥水錘、啟
泵水錘和停泵水錘；
（
２
）按產(chǎn)生水錘時(shí)管道水流狀態(tài)可分為不出現(xiàn)水
柱中斷與出現(xiàn)水柱中斷兩類(lèi)。前者水錘壓力上升值
△H
通常不大于水泵額定揚(yáng)程
H
R
或水泵工作水頭
H
０
稱(chēng)正常水錘；后者當(dāng)水柱再?gòu)浐蠒r(shí)，水錘壓力上升值
較高，常大于
H
R
或
H
0
，是引起水錘事故的重要原因，故
稱(chēng)非常水錘。
所謂水柱中斷，就是在水錘過(guò)程中，由于管道某
處壓力低于水的汽化壓力而產(chǎn)生，即，
P
i
/γ＋P
a
／ V≤P
s
/γ
。（
1-1
）。
式中，
P
i
/γ
———管道中某點(diǎn)的壓力，
MPa
；
P
a
/γ
———大氣壓力，
MPa
；
P
s
/γ
———水的飽和蒸汽壓力（絕對(duì)壓力），在常
溫下取
2~3 MPa
；
γ
———水的容重。
（
３
）對(duì)于關(guān)（開(kāi)）閥水錘，與關(guān)（開(kāi)）閥時(shí)間
T
。
直接水錘，
T
c
＜T
γ
。（
1-2
）。
間接水錘，
T
c
＞T
γ
。（
1-３
）。
式中，
T
γ
-
水錘相（
s
），見(jiàn)公式（
1-12
）。
1.4
水錘特征的計(jì)算
1.4.1
水錘傳播速度
α
對(duì)于均質(zhì)管道輸送清水，且不考慮水中所含空
２１
世紀(jì)建筑材料
21
st
CENTURY BUILDING MATERIALS
2010
年
4
月
April 2010
第
2
卷第
2
期
Vol. 2 No. 2
２１
世紀(jì)建筑材料
2010
氣時(shí)按下式計(jì)算。
α＝
E
0
/ρ
搖
姨
１＋
（
Ｅ
０
／ Ｅ
）（
Ｄ ／ Ｓ
）
Ｃ
１
（
m／ s
）
搖
姨
。
式中，
Ｅ
０
／ ρ
搖
姨
———聲音在水中的傳播速度
α
，一般取
1 435 m/s
；
E
0
———水的彈性系數(shù)，取
2.1×10
8
kg/m
２
；
ρ
———水的密度，取
10
2
kg
·
s
2
/m
４
；
E
———管壁材料的彈性系數(shù)；
δ
———管壁厚度（
m
）；
D
———管道內(nèi)徑（
m
）；
C
１
———不同壁厚，不同支承方式的系數(shù)。
α＝
１ ４３５
１＋
（
Ｅ
０
／ Ｅ
）（
Ｄ ／ δ
）
Ｃ
１
搖
姨
（
m/s
）。（
1-4
）。
（
１
）薄壁管道
＞25
。
①
管道只在上游端固定時(shí)，
C
１
=1-
μ
2
。（
1-5
）。
式中，
μ
———管壁材料的泊松比，對(duì)于鋼取
0.3
；對(duì)于混
凝土取
0.15
。
②
全管道固定并沒(méi)有軸向運(yùn)動(dòng)（如地下埋設(shè)管道）
C
１
=1-μ
２
。（
1-6
）。
③
管道采用膨脹接頭連接時(shí)，
C
１
=1
。（
1-7
）。
（
２
）厚壁彈性管（
D/δ≤25
）
①
只在上游端固定時(shí)，
C
１
=
2δ
D
（
１+μ
）
＋
D
D+δ
。（
1-8
）。
②
全管道固定，并沒(méi)有軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，
C
１
=
2δ
D
（
１+μ
）
＋
D
（
1-μ
２
）
D+δ
。（
1-9
）。
③
管道采用膨脹接頭連接時(shí)，
C
１
=
2δ
D
（
１+μ
）
＋
D
D+δ
。（
1-10
）。
對(duì)于鋼筋混凝土管：
α＝
1435
1+[
E
0
E
D
δ
搖
姨
（
１＋９.5 α
０
）］
Ｃ
１
（
m/s
） （
1-11
）。
1.4.2
水錘相
T
γ
T
γ
按下式計(jì)算：
T
γ
=
2L
α
（
s
） （
1-12
）。
式中：
L
———管道長(zhǎng)度（
MPa
）；
α
———水錘波速（
MPa/S
）。
1.4.3搖
管道慣性時(shí)間常數(shù)
T
ω
T
ω
（其意義為管道不計(jì)水頭損失時(shí)流速?gòu)?
υ
0
加速
到零的時(shí)間）按下式計(jì)算。
T
μ
=F
i
Q
0
gH
0
Σ
L
i
Ｆ
i
（s）
（
1-13
）。
當(dāng)管道面積及材料性質(zhì)沿
L
i
不變時(shí)，
T
ω
=
Q
0
L
gH
0
F
=
μ
0
L
gH
0
（
s
） （
1-14
）。
式中，
Ｑ
０
———管道初始流量（
m
３
/s
）；
Ｈ
０
———管道初始揚(yáng)程（
m
）；
μ
０
———管道初始流速（
m/s
）；
Ｆ
i
———管道面積（
m
２
）。
（注腳
i
代表不同管段和數(shù)值）。
1.4.4
管路常數(shù)
2ρ
2ρ
按下式計(jì)算，

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