王 娜（宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司，宁夏银川750004）



泵站压力管道的水锤研究

王 娜
（宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司，宁夏银川750004）

泵站停泵水锤是最具危害的一种现象，会使管道爆裂进而导致工厂停工等。因此，在泵站的设计中对于水锤的设计一直都较为重视。本文以某泵站工程为案例，首先论述了管材的选择过程；然后进行了水锤计算分析，从关阀模式选择、空气罐优化、空气阀的优化设计等来说明水锤的防护设计；最后总结了泵站压力管道水锤防护的几种措施。本文的研究内容对于提高泵站压力管道的防护具有重要的参考价值。

泵站；水锤分析；管材；管径；防护措施

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.028

1 前言

所谓水锤，又称水击，指的是压力管道中水流由于流速的变化而引起的剧烈的压力交替升降的现象。如水泵突然停电时造成开阀停车，管道中便会产生水锤现象。尤其是在阀门关闭太快、长距离输水管道、管道流速较大、水泵总扬程较大、供水地形高差超过20m时极易出现停泵水锤。

水锤的危害十分严重，如江西九江自来水公司第三水厂的水源泵站供水系统，自1999年建成以来，由于其受临近长江水位变幅较大和地形的限制，其管道存在两个较大的凸起（水泵出口垂直提升20m穿越井筒形泵房的第一凸起和跨越长江防洪大堤的第二凸起），而多次发生由于水锤导致管道破裂的事故。又如内蒙古达拉特电厂，自1996年运营以来，1号、2号输水管道先后发生16次大小不同的水锤事故，对于企业的正常发电运营造成了严重影响。再如武汉市阳逻电厂循环水系统，由于操作人员对系统的瞬变水力特性认识不足，1994年在停机和调整负荷时，出现了三次水锤事故，造成冷凝器、泵出口阀等设备破坏及泵房被淹事故。从上述三个案例可知，水锤的危害十分严重，其主要原因在于水流变化时，水压可能会上升到正常工作压力的数十至百倍，因而其具有非常大的破坏力，可能会造成泵房淹没、管道破裂等情况。

现有的文献对于水锤已进行了大量的研究，如吴迪等基于弹性力学，推导了内置软管时的管道水锤波速公式，认为内置软管道对于管道中的水锤波速影响较大。周龙才详细介绍了一种水锤计算分析软件的原理，以大亚湾引水工程为例说明对于长距离管道而言，水锤防护的要点在于负压防护。周龙才以武汉电厂取水泵站为背景，分析了钢管和玻璃钢夹砂钢管之间存在的局部管材突变对水锤防护的影响。张旭针对核电厂中的长距离管道水锤防护进行了研究，从技术和投资的角度综合来看，其认为采用玻璃钢管对于防护水锤效果较好。樊亮亮以长沙市岳麓污水处理厂污水管理工程为具体案例，介绍了水锤防护的相关工程措施，包括设置安全泄压阀、真空破坏阀、延时阀、流量控制阀等阀门。杨志峰以杭州萧山管道工程为例，详细说明了该工程防水锤措施的选择过程，包括设置防水锤空气阀和蓄能液压缓闭蝶阀。李曦淳以天津滨海新区中央大道海河管道工程为相关背景，采用Hammer计算软件模拟了管道瞬变流情形，介绍了水锤保护相关工程措施的选择过程。胡建永说明了空气阀在泵站阀防范水锤中的作用。

以上研究对于水锤的成因以及防护措施有重要的意义，但是以往的文献并未研究不同管材如铸铁管、玻璃钢管、钢筋混凝土压力管、聚氯乙烯管、橡胶管、石棉水泥管在不同管径下的水锤计算。

为了优化管道设计，本文以某具体工程案例为分析背景，从管材的选择、阀门的闭合、空气罐的优化、空气阀的优化等四个方面来论述泵站的水锤防护，以期为泵站管道的设计提供相关参考。

2 不同管材下的水锤分析

对于泵站而言，在设计阶段就要进行事故停泵水锤计算。如可研阶段采用简易图解法，施工图设计阶段采用特征线法等数值计算方法来进行计算。

以某泵站工程为案例进行分析，工程概况如下：采用一级泵站加压输水，渠底高程119m，设计水位127m，压力管线管道全长16km。

2.1 管材选择

对于薄壁管而言，其水锤波计算公式为：

式中c为水锤波速，K为水的体积弹性系数，ρ为水的密度，D为管径，δ为管壁厚度，E为管的弹性模量。

水锤的大小与水锤波速成正相关，因而可根据式（1）得到不同管材的水锤波速，具体结果见表1所示。

表1 不同管材下的水锤波速计算结果

从表1可知，水锤波在聚氯乙烯管和玻璃钢管中均较低，在钢管和铸铁管中较大。因此，在相同条件下，水锤波在聚氯乙烯管和玻璃钢管产生的波速较小，因而其影响也相对小一些，在管材选择方面优先选择这两种。

此外，考虑到本工程的管线较长，必须考虑负压保护。对于负压的保护，可以从壁厚考虑来保护负压。但是聚氯乙烯管和铸铁管均为标准化生产，其壁厚不能调整，而玻璃钢管为一种可设计的管道。因而考虑到施工的方便及管道的正负压影响，优先采用玻璃钢管。

2.2 水锤的计算分析

水锤计算相关参数：1）泵后缓闭式回阀参数：DN800蝶阀；2）水泵机组参数：采用OTS250-800A1 /2型水泵，Y4506-4630KW电机，设计流量为0.3m3/s，设计扬程为152m，额定转速为1200rpm；3）特征水位：出水管高程为238m，蓄水池管高程为126.3m；4）管道特征：设计流量为0.5m3/s，管道总长16km，极限水压力2MPa。

管路模型与沿程水头计算结果分别见图1、图2。

图1 管路模型

图2 沿程水头计算结果

2.2.1 关阀模式选择

（1）简单止回阀工况。在这种工况下，阀门在瞬间关闭，水泵出现事故而停泵产生水锤。计算结果表明最大压力在泵站出口处，如图3所示最大压力为2.5MPa，超过极限压力2MPa，且其发生的时间在72s左右。上述分析表明本工程在设计简单止回阀后无法控制水锤现象，会引发较大的水锤压力和水柱分离。

（2）在泵后设置缓闭式止回阀对前述泵站进行优化设计。分别计算（考虑闭合速度）15-251s、15-199s、15-150s、10-201s、10-151s等五种情况下管压。计算结果表明最大压力值出现在：15-150s。即止回阀关闭的速度与沿程最大压力值有直接关系。

图4给出了上述5种模式下泵站出口水头变化。结果表明：在停泵后130s内，闭合速度对于泵站出口的压力基本没有影响，但是要比设简单止回阀下降很多。在130s之后，止回阀关闭的快慢对于泵站出口压力产生显著的影响。综合上述计算结果，本工程应采取0-15s内阀门全开，15s后立即关闭81%左右，15-251s内慢慢闭合。

图3 泵站出口水头变化（简单止回阀）

图4 泵站出口水头变化（缓闭式止回阀）

2.2.2 空气罐优化

空气罐对于减缓水锤有重要的作用，但是其体积和直径如何设计是一个关键的问题。为此，分别取空气罐体积为15、20、25、30m3时进行计算。结果表明：在空气罐阻抗孔直径一定的情况下，随着体积的增大，水锤的上升压越小。在空气罐体积一定的情况下，随着阻抗孔直径的减小，减小了波动的衰减。综上所述，本工程采取阻抗孔直径为40cm体积为20m3的空气罐。

2.2.3 空气阀的优化设计

泵后设置空气罐时，发生停泵水锤时采用缓闭式止回阀方式。在桩号5800处仍然出现负压，因而需设置空气阀以减小该处负压。本文研究了设置3种不同的空气阀后的压力变化情况。结果表明：只在桩号6000附近有明显区别，即空气阀只对其附近有一定影响。因此，在确定空气阀时，主要选择依据为其对局部负压的影响。对比了40mm/ 4mm、50mm/5mm、60mm/6mm三种空气阀对局部负压的影响，结果表明采用50mm/5mm这种空气阀得到的负压最小。因此，采用进气孔直径为50mm，出气孔直径为5mm的空气阀，分别设置在桩号6051.7、6231.7、15703.4、15952.3等处。

3 水锤防护措施

水锤的防护措施除了管材的选择之外，还包括设置逆止阀、空气室等设备，具体内容详见表2。

表2 水锤一般防护措施

4 结语

（1）在泵站启动和关闭时，一般都会产生水锤，对泵站管道造成了严重危害。为了防治水锤的危害，本文以某具体工程为背景，分别从管材的选择、关阀模式选择、空气罐优化、空气阀的优化设计等四个方面来说明如何进行水锤的设计。

（2）本工程中，在泵后仅仅设置止回阀是不够的，此时停泵水锤会超过管道最大压力，极有可能导致爆管。因此对于大扬程泵站管道不应只设置简单止回阀，而应采用缓闭式止回阀。在闭合方式上，本工程应采取0-15s内阀门全开，15s后立即关闭81%左右，15-251s内慢慢闭合到100%。空气罐优化中发现随着空气罐体积的增大，水锤的危害逐渐减小。空气阀优化中发现空气阀应采用大孔进小孔出的设置原则可以有效减少负压的影响。

（3）本文最后总结了几种防护水锤危害的措施：设置缓闭式逆止阀，设置空气室，设置安全阀，设置合理的调节规律，缩短管道长度等。

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TU991.39

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1672-2469（2016）01-0085-04

2015-06-12

王 娜（1990年—），女，工程师。