消除长距离输水管道水锤压力的措施

　　【摘 要】近年来我国城市建设发展迅速，水利工程建设也越来越多。特别是城市地下输水管路工程，所铺设的输水管道较长。这种长距离输水管路很容易产生水锤压力，对铺设的管路产生强大的压强，损坏输水管路设备。由于近年来水利工程爆管事故频发，对人民生命财产造成极大损失，因此这应该引起技术工程人员的高度重视。我们应该分析水锤压力的产生原因，采取合理措施消减水锤压力，保护输水管路设备。这方面的课题研究对保证水利工程的安全性和可靠性具有非常重要的意义。
　　【关键词】长距离 输水管道 防水锤
　　由于我国特殊的气候条件和地理环境的不同，导致我国水资源分布严重不均。这就需要进行长距离的输水工程来缓解水资源匮乏引起的问题。我们选择管道输水的方式，是因为这种输水方式具有很多优点，例如施工成本低，对环境要求不高，施工作业方便快捷等。但是，在长距离的输水过程中都普遍存在一个问题，就是水锤压力。它的产生严重影响着输水工程的质量安全，这里我们将详细进行分析。
　　1 水锤产生的原因及破坏形式
　　水锤的产生实质上主要是水流在管道内的流速发生变化造成的。由于水流具有惯性和可压缩性，在流动过程中水流速度发生变化就会引起水体的总动量发生急剧变化，这部分变化就会用力的形式作用于输水管路内壁上，对输水管路产生极大的撞击力，损坏输水管路。水锤的破坏力极强，是工程最大的安全隐患，因此在长距离的输水工程中，一定要考虑如何消减，水锤压力，采取有效的防护措施。只有这方面做好了，才能保证输水工程的安全有效运行，保证人民的生命财产不受损失。在水锤引起的输水工程安全事故中，由负压引起的水锤破坏是泵站系统中最容易出现的。为此，我们要着重考虑这方面的问题，把水锤压力消减到安全可控的安全范围之内。
　　除了管路内水流速度发生急剧变化能产生水锤外，还有另一个原因，就是输水管道内有空气。空气在管道内占用了一部分空间，当内部压力突然发生变化时，空气柱受到挤压会急剧膨胀，这时候空气柱会推动管道内水体流动，形成气推水、水推气的现象，这就是水锤。由于气体受力压缩后，释放时会产生很强的力，因此这种水锤的破坏力很大，我们要想办法尽量消除它。特别是在第一次试水的时候，一定要先将空气排出，排完气后才能充水。
　　水锤在输水工程中的破坏形式主要表现为水锤压力过高，导致水泵、阀门和输水管道被破坏；或者是水锤压力过低，引起输水管道失去平衡而被破坏。这两种情况都严重影响输水工程质量，破坏水泵机组的零部件。比如水泵反转速过高或与水泵机组的临界转速相重合，以及突然停止反转过程或电动机再启动，从而引起电动机转子的永久变形，水泵机组的剧烈振动和联结轴的断裂。另外水泵的倒流量过大会导致管网压力下降，水量减小，影响正常供水。
　　2 水锤的防护措施
　　2.1 沿线管道纵向设计的水锤防护
　　只要是通过水泵打压的方式进行输水的，在输水管道内都会产生水锤。特别是长距离的输水运输中，管道内的水体流速经常会发生变化。水流速度的改变也必然会引起管道内压力的大小变化，这就决定了水锤是不可能完全消除的。我们可以做的，就是尽量消弱管道内部的这种压力的极具变化，从而消减水锤的破坏性。在实际的输水过程中，输水管道内是水气两相流，它们混合在一起一块运行。而气体的存在更有利于形成水锤，这是我们所不希望的。因此，我们要结合输水管道的纵向布置情况，在每个较缓的驼峰处布置排气阀。最好在工程施工初期就研究计算好不同工况下的水流状态，为以后安装排气阀做好准备。在铺设输水管道时，水平段的排气问题尤为重要。这里没有先天的驼峰地势，没有制高点安装排气阀。因此，在施工时要人为的把管线布置成隔一段设置一个高点，用来安装排气阀。根据以往经验，水平段应该每隔600 1000m的距离设置一个排气阀。另外，由于水在管路内的状态十分复杂，因此排气阀的选择和安装非常重要，它直接影响管路内的排气情况。由于水流流态的复杂性，也就造成了排气的困难，因此不但要确定排气阀的合理数量，合适位置，还要对排气阀种类和性能高度重视。
　　2.2 停泵水锤防护分析
　　停泵时管路内水体流速发生极大变化，产生的水锤破坏力非常强，对水泵站和整个输水系统危害很大，并非常有可能引发安全事故。所以说，对停泵水锤的防护一定要做到位，全面考虑，根据实际情况制定具体有效的防护措施来消除或者降低停泵水锤。
　　（1）减压阀恒压阀防护。减压阀的优点是它能有效消减水锤的破坏，缺点是输水管道完全放空，再次启动充水时非常困难，用时较长，并且具有一定的危险性；恒压阀的优点是始终保持管道满管水流，再次运行时打开阀门即可，非常方便，但易产生关阀水锤。在实际运行时多采用关闭下游出口阀的方法。
　　（2）缓闭蝶阀防护。消减关阀水锤最简单有效的方法是延长阀门关闭时间，减缓水体流速的突然改变，让管道内压力平稳变化。这些方法包括：采用双速阀门；在阀门处布置旁通管；对阀门最后15%-20%开度提供缓冲保护；在某些情况下，可以考虑安装进气阀或液压气室。这种延长阀门打开和关闭时间的方法对大型阀门来说是简单易行的。对长管道的水锤危害问题应进行专门研究，综合采用多种手段，也许可能开发出某些特种阀类产品。
　　2.3 分段减压消能
　　在长距离的输水管道中，由于管道的长度很长，每一段的压力变化都不相同，因此要进行分段减压才能够有效消除水锤。具体方法是：按照工程所铺设的管道长度，将其截取成若干个不连续的部分，在每个管道的末端都安装闸阀和消能设备，通过减压设施的调节，可以有效保证各段管道所承受的压差不会过大，这样很大程度上消减了水锤的压力，进而减弱了水锤对输水管道的损害。比如在万家寨引黄工程的联接段，就是将整个输水管线划分为三个区段，使得每段管道的最大工作压力不超过1M Pa。
　　3 结语
　　综上所述，输水工程的主要投资集中在输水管道和泵房机组上。而输水过程中产生的水锤对这两方面的影响极大，控制不好很容易损坏输水设备，造成经济损失，严重时发生供水事故。因此，在长距离输水管道工程设计中，一定要全面考虑，采取安全可靠的措施来消减水锤压力、去除安全隐患。对于输水工程水锤的防治是没有终点的，是需要所有技术人员和水利工作人员的不断努力，提高自身知识水平，积累总结经验，努力提高实践作业效率，保证长距离输水工程的顺利开展。
　　参考文献：
　　[1] 迟宝明，卢文喜 等.水资源概论.长春：吉林大学出版社，2006.
　　[2] 金锥，姜乃昌，汪兴华 等.停泵水锤及防护，中国建筑工业出版社，2004.