摘要：在压力管道系统中，由于闸或阀的错误操作、泵机组的意外断电、进出水池水位的大突变等意外事件以及水泵机组的非正常启停等，都会造成管道内流速剧烈变化，从而引起动量交换，致使水体冲量改变，对管壁、水泵以及阀门等附件产生巨大的冲击力，在水体惯性和可压缩性、管壁弹性以及系统阻力作用下，管道内水的压力和密度不断交替变化，直至稳定，工程上称这一水力过渡过程状态为水击（或水锤）现象。
关键词：水锤；管道；应力计算；影响
对电厂动力管道设计中可能发生水锤效应的管道进行介绍和分析。通过理论和软件计算说明了水锤效应对管道布置的影响及解决方案，可得出：于有水锤效应的管系，在水锤冲击力附近，设置导向和轴向限位，以减少水锤冲击力造成的振动和冲击，通常是最简便易行的措施。通过增加“π”形管道布置，可以增加管道柔性，也可以减少水锤冲击力对设备的危害，但不能消除水锤冲击力造成的振动和邻近管道的位移。工艺工程、仪表等专业在进行工艺流程设计和仪表装置设计时，对于可能出现水锤冲击力的管道，应充分考虑减小水锤冲击力的各种措施，以减少配管专业、土建专业在管道布置时的布置难度。
1水锤效应形成因素分析
水锤效应分为正压水锤和负压水锤，当阀门突然闭合或由于某种原因管道突然堵塞时，入水口处水体静止而后方水体由于惯性作用持续向前移动，形成水流冲击波对管道内部及阀门造成巨大压力并产生破坏的现象，称为正压水锤效应，相反由于惯性作用阀门出水口处水体由于惯性作用持续向前运动造成管道内部出现真空状态并造成压力急剧降低的现象，称为负压水锤效应。水锤发生的物理原因主要是水体惯性以及水体的压缩性，是流体的一种不稳定流动状态。
2水锤的影响因素分析
近年来，北方中大型城市缺水严重，不得不采用长距离调水来满足人民日常生活需要。例如南水北调工程、引滦入津工程，引黄济青工程、引黄入晋工程等等。而重力流引水由于可随地形条件进行铺设，造价低，施工方便，渗漏损失小通常作为国家的优先选择方案。随着城乡建设的发展和人均生活水平的提高，我国输水管道网线趋于完善，向偏远山区，城市周边农村地区输水管道线路日益增多。而这一类型管道面临着管道长、起伏多、扬程大等自然环境影响，管道也面临着出现死角，穿越山川、公路、河流且地形起伏大等自然因素，故水锤现象容易发生，管道炸裂现象频出。在长距离供水管道的沿途布有加压泵站，其涵盖一定数量的闸门，单级双吸离心泵，偏心半球阀，防倒吸阀等精密装置。当突然发生停泵，输水中断，阀门快速闭合等紧急情况时，由于管道线路较长，水体根据惯性作用继续向前移动，使管道中出现剧烈的加压或令管道呈真空状态造成管道内部低压状态。
波速是水锤的重要影响因素之一。流体自身的体积受到管道的压力及流体中的自由气体影响较为严重。因为管道与外界联通，不可避免会显现管道存气征象，当管道有分歧含气量时，水锤波速也会产生响应转变，含气量在一定范围内增添时水锤波速在管道中会显现较强的降落趋向，但随着含气量延续增添波速再也不降落甚至会显现上升趋向。
温度是水锤效应的另一个影响因素。当冷凝水的温度略低于蒸汽温度时会对水锤的形成造成最大的影响。管道内的低温冷凝水与蒸汽混合是非常危险的。但这样的情况又是非常普遍的，像在冷凝水回收系统中或类似的系统，这种是一种非常难以解决的水锤形式。
3管道水锤效应计算示例
3.1管道布置方案及相关参数
以某装置在换热器入口管道上快速切断阀引起的水锤效应为例进行计算。计算参数：管道材质为A312TP347，管径250mm，管壁厚度为33mm，操作温度为235℃，设计温度266℃，操作压力为19．64MPa，设计压力为21．6MPa，介质密度取863．7kg/m3计算。该管Z轴方向铺设长度约为12m，快速切断阀位于中部，介质流向沿Z轴负方向。计算模型见图1（管道计算示例轴测图，下称管道轴测图）。
图1 管道计算示例轴测
计算水锤效应工况：图1中10660点为换热器入口管嘴根部，410点红圈和715点红圈分别为主路快速切断阀和旁路快速切断阀，两者互为备用。当快速切断阀关闭时，会导致流体流速的瞬时急速变化，引发水锤效应，造成管道的剧烈振动，并可能超出换热器管嘴的受力范围。本文引入工艺专业采用PIPENET软件计算得出的最大水锤冲击力F3和F4；F3=75360N，为主阀常开，旁路阀常闭时，切断主阀产生的冲击力；F4=39146N，为主阀常闭，旁路阀常开时，切断旁路阀产生的冲击力。计算采用的软件为CAESAＲII2014版。
图2和图3分别是操作温度下OPE和水锤冲击力F3下的管道示例轴测（图2和图3中管道节点位置同图1所示）。通过图2和图3的对比，可以直观的反映由于水锤冲击力引入造成的快速切断阀下游管道，沿Z轴方向的位移变大。表1对比了节点600（即图2和图3中弯头）处位移，由表1可知弯头处位移沿Z轴负方向的位移增大超过1倍，弯头处角位移Ｒy也有较大变化。
图2 操作温度下OPE（W+T1+P1+H）管道轴测
图3 水锤冲击力F3下OPE（W+T1+P1+H+F3）管道轴测
由换热器入口附近管道位移的增大，可推断换热管嘴所受力变大。表2为有无水锤冲击力下换热器管嘴受力的变化对比。管嘴沿Z轴负方向的受力增大了约2倍，超出了换热器管嘴的受力范围，沿X轴负方向的受力增大了约1倍；弯矩Mx、My、Mz均急剧增大，从数值来看Mx、My两个方向的弯矩都很大，其中Mx超出了管嘴的受力范围，My增大了约2倍。由表1、表2的对比，可以确定关闭快速切断阀所引发的水锤效应，对管道和设备造成了剧烈振动，有引发管道和设备损坏的危险，需对现有管道布置进行改进，以消除水锤效应的危害。
3.2管道布置改进方案
为使管嘴受力在允许范围内，综合考虑配管及土建专业的实际情况，提出两种管道布置方案。方案Ⅰ，增加节点600至换热器管嘴处的管线柔性，以抵消水锤冲击力带来的影响。具体措施为，管嘴附近增加弹簧，管道向上增加“π”字形管道。方案Ⅱ，在快速切断阀下游增加限位，以阻挡水锤冲击力，确保管嘴受力在允许范围以内。
4减小水锤压强的措施
4.1工艺工程专业
1）缩短压力管道的长度，使从进水口反射回来的水锤波能较早地回到压力管道末端，从而减少水锤值。2）减小压力管道中的流速。减小流速可减小压力管道中单位水体的动量，从而减少水锤压力。在部分管道输送中要求的流量是一定的，要减低流速势必要加大管径，增加管道造价。因此用加大管径的方法降低水锤压强，往往是不经济的，但管径增加值处于合理的范围内是可以接受的。
4.2仪表专业
延长有效的关闭时间T，可使管道内水体动量的变化率减小，从而降低水锤的压力。但快速切断阀、泵等一般有相应的切断时间或泵转速变化率等要求，故只能在合理范围延长有效关闭时间。
结论
对于地面起伏大地形复杂的输水线路一定要根据当地的环境严谨的计算研究水锤分析情况，当地形起伏过大时，提前铺设管道支撑结构改变管道的铺设幅度，避免因角度过大引起的爆管，对可能发生的水锤现象提前防护，从而来保证人民的日常用水需求，避免因为停水带来不必要的经济损失，避免因为管道爆裂导致的水资源浪费。
参考文献：
[1]李爱茹，董文明.浅谈“水锤效应”的危害与消除措施[J].科技信息，2016（09）：731.
[2]唐寅.水锤的研究与防护[D].武汉科技大学，2016.
论文作者:李继超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/18
标签：管道论文; 冲击力论文; 水体论文; 效应论文; 压力论文; 换热器论文; 位移论文; 《电力设备》2018年第17期论文;