摘要：隨著人們生活水平的不斷提升，對供水系統(tǒng)運作穩(wěn)定性的要求也越來越高，而管道中的水錘現象則是對供水系統(tǒng)穩(wěn)定性產生直接影響的重要因素。本文主要結合廣西百色某供水系統(tǒng)中輸水管道的水錘現象進行研究，分析水錘產生的原因及類型，然后提出相應的控制策略。
 
　　關鍵詞：輸水管道；水錘；分析與控制
　　中圖分類號：tv697.1 文獻標識碼：a 文章編號：1674-0432（2013）-04-0275-2
　　1 工程概況
　　廣西百色市隆林縣者保鄉(xiāng)政府駐地供水工程采用二級加壓方案，總揚程達693m，一級加壓站工作揚程達到450m，二級加壓站為243m，提水流量為20立方米/小時，提水管為鍍鋅鋼管。由于該工程提水揚程高，提水鋼管水錘水擊影響嚴重，在施工過程中為減少水錘水擊的影響，采取了設置必要的逆止閥和管路鎮(zhèn)墩支墩等防護措施，對水錘水擊進行了有效的控制。該工程運行至今，工程運行狀況良好，未出現提水管路爆管、提水系統(tǒng)受損等現象。下文結合該工程實例對水錘現象進行分析，并提出相應的防護控制策略。
　　2 水錘分析
　　所謂水錘是指有壓輸水管道中水的流速突然發(fā)生變化，壓力水流由于自身的慣性產生水流沖擊波，這種沖擊波的力量類似于錘子的敲打，因此稱其為水錘。當水流沖擊波的力度達到一定程度時，會對管道中的閥門及水泵產生破壞。水錘會產生水錘效應，為減少水流阻力，通常輸水管道內部管壁十分光滑，一旦閥門突然關閉，水流會相對閥門、管壁產生壓力作用，后續(xù)水流受到慣性作用壓力會迅速增加，對輸水系統(tǒng)產生破壞。水錘效應也可以稱其為正水錘，而閥門突然打開也會產生具有一定破壞力的負水錘，不過與正水錘相比，前者的破壞性相對較小。
　　之所以會出現水錘現象，主要是由于液體具有可壓縮性的特性，受到慣性作用后改變管內水體的流速，水體動量發(fā)生變化導致其作用力發(fā)生改變。上述輸水工程中以下幾種現象是水錘發(fā)生的常見因素：首先在水泵的啟停階段，機組的轉速會迅速發(fā)生變化，或者機組出現運行失穩(wěn)、動力故障時；其次是水泵或者管道系統(tǒng)內部進入空氣導致泵內出現回流，線路分流或者激流等等。基于不同的劃分角度，水錘可以分為以下幾種：基于理論的角度，水錘可以分為鋼性與彈性兩種，基于關閥歷時與水錘的相位關系，可以分為直接與間接兩種；基于外部成因的角度，水錘可以分為啟動水錘、關閥水錘以及停泵水錘三種；其他基于水錘波動的現象來劃分，可以將水錘分為水柱連續(xù)與不連續(xù)的水錘等。
　　在輸水系統(tǒng)中，水錘的危害很大，因為水錘可以產生幾十倍于管道正常工作壓強的瞬時壓強，導致管道系統(tǒng)發(fā)生強烈振動，如果情況嚴重，還有可能對輸水系統(tǒng)的相關部件產生破壞，引起水泵反轉、降低管網壓力等等。
　　3 水錘現象的控制策略
　　3.1 鎮(zhèn)墩防護
　　鎮(zhèn)墩通常為大體積素混凝土構件，其主要作用是依靠自身重力保持管道的穩(wěn)定性，這種防護措施成本低，效果好，得到的應用也最為廣泛。在進行鎮(zhèn)墩設計時要注意幾點，首先要進行合理的抗滑穩(wěn)定計算，保證其在受到水錘壓力作用時其抗滑安全系數大于工程設計安全系數；其次，鎮(zhèn)墩的地基承載力要低于地基的運行承載力；在管道受力不對稱的位置，或者轉彎位置，不得出現鎮(zhèn)墩扭轉位移的問題；再次，如果鎮(zhèn)墩設置于陡坡上，如果基巖面以下有諸如斷層、裂縫等不利結構面，要滿足基面穩(wěn)定要求；最后，如果鎮(zhèn)墩較高，建基面與管道合力作用點距離比較遠，要注意進行抗傾覆驗算。
　　3.2 逆止閥與旁通管聯合防護法
　　采用逆止閥與旁通管聯合防護的方法，要將旁通管管徑控制停泵后的倒轉轉速確定下來，也可以將逆止閥、旁通管與蝶閥進行配套應用，即使將逆止閥關閉，由于設置有旁通管，所以倒流并未被完全切斷，倒流穩(wěn)定后，再用蝶閥把出水管道勻速關閉，此時倒流流量只有水泵額定流量的五分之一到三分之一，所以不會導致水管路出現大的壓力波動。有些管路系統(tǒng)設置有水泵提升裝置，從而導致水柱分離，此時需要把逆止閥和旁通管設置在水柱分離段的末端位置，此時逆止閥主要起到一個阻力作用，一旦出水管路發(fā)生倒流，管道中大量的動能被消耗掉，壓力脈沖被進一步削弱，所以不易出現水柱分離的現象，水柱彌合升壓的機率也降低了。
　　3.3 單向調壓塔防護
　　在管道系統(tǒng)易產生負壓的位置可以采用單向調壓塔進行防護。該措施包括一個水塔、輔助支管以及相關閥件等結構，利用逆止閥把水塔與泵站主管道連接起來，出水管道的壓力大小可以對逆止閥的啟閉狀態(tài)進行控制；起動水泵時逆止閥關閉，補水管向水塔補水直至達到正常水位，關閉補水管口的浮球閥后，水塔中水位保持不變；如果發(fā)生非常態(tài)停泵，出水管道壓力小于調壓塔正常水位以下，則逆止閥會處于開啟狀態(tài)，輔助支管會自動補水，即使管道內壓力下降，也不會發(fā)生水柱分離的現象。不過在實際工程中應用單向調壓塔需要注意：首先，只有管道位于塔內最高水位以下，調壓塔才能起到有效的保護作用，否則高于塔內水位仍可能出現水柱分離的現象，此時要結合管道的實際情況采取增設調壓塔的措施；此外，由于調壓塔可以在補水后迅速充分，為下次動作做準備，所以要保證補水管的直徑可以滿足補水要求，并且要保證水塔頂端球閥動作的可靠性。
　　3.4 其他防護措施
　　除上述方法外，還可以采取一些其他的防護措施，具體如下：
　?。?）防爆膜防護：這種防護措施主要是在管道上連接一根支管，用塑性金屬膜片將支管的端部密封好，一旦主管道中的壓力上升至警戒水平，膜片受到壓力作用會自動爆破，將一部分高壓水泄掉，保持主管道內的壓力均衡，起到防護水錘的效果，保證主管道的安全性。通常在一些流量小、揚程高的泵站，可以采用防爆膜防護作為其他防護措施的輔助方法。（2）慣性飛輪：慣性飛輪一般設置于水泵機組的主軸上，其主要作用是提高水泵機組轉動部分的轉動慣量，延長其正轉時間，從而防止管路中水流的速度及水壓發(fā)生急劇變化，對水錘壓力猛烈波動的情況進行改善，采用增設慣性飛輪的方法可以在一定程度上削弱管道負壓，防止出現水柱分離的現象。（3）緩閉止回閥：目前緩閉止回閥有兩種，即重錘式及蓄能式，根據輸水系統(tǒng)的實際需要，在一定范圍內調整閥門的閉合時間。與普通的止回閥相比，緩閉止回閥體現出以下特點：首先，啟動水泵后閥門打開的時間更短；其次，系統(tǒng)處于正常的運行狀態(tài)下，閥瓣的開啟角盡量加大，且要求其穩(wěn)定在全開位置；最后，在水泵突然停止時，由于緩閉止回閥具備良好的關閉特性，因此不僅可以有效的阻止水倒流，防止水泵發(fā)生反轉現象，保護水泵，而且可以在閥門關閉的最后階段實現緩閉，此時管道中的水錘可以得到有效緩解，保護管道。（4）內置式水錘消除器：內置式水錘消除器與下開式水錘消除器的工作原理相同，其根據管道的壓力變化對設備的工作狀態(tài)進行控制，可以多次、有效的消除管道停機水錘對系統(tǒng)的破壞；消除器的控制動力采用儲能壓力油，因此管內水質不會對消除器的工作可靠性產生影響。（5）液控緩閉蝶閥：該裝置最大的特點就是在斷電時，其關閉過程是根據設定好的時間、角度分階段關閉，可以有效降低管道中的壓力波動，消除危害，并且可以有效控制水泵發(fā)生反轉，提高了水泵及輸水管道的安全性與可靠性。
　　4 結語
　　本文分析了水錘的形成原因，結合筆者的實踐經驗，有針對性地提出了切實可行的水錘防護措施，以為同類工程提供參考借鑒。
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　　作者簡介：劉競艷（1980-），女，漢族，本科，就職于百色市水利工程管理站，研究方向：農村飲水安全工程和高效節(jié)水灌溉。