水錘效應(yīng)，毀壞供水管網(wǎng)的坑爹貨

? ? ? 水錘又稱水擊。是指水或其他液體輸送過程中，由于閥門突然開關(guān)、水泵驟然啟停等原因，流速突然變化且壓強(qiáng)大幅波動的現(xiàn)象。說的通俗些：突然停電或閥門關(guān)閉太快，由于壓力水流的慣性，產(chǎn)生水流沖擊波，就象錘子敲打一樣，我們稱之為水錘。

　　供水管道壁光滑，后續(xù)水流在慣性的“幫兇”下，水力迅速達(dá)到最大，所以容易造成破壞作用(如破壞閥門和水泵等)，這就是水力學(xué)中的“水錘效應(yīng)”，也叫正水錘;相反，閥門或水泵突然開啟，也會產(chǎn)生水錘效應(yīng)，叫負(fù)水錘。這種大幅波動的壓力沖擊波，極易導(dǎo)致管道因局部超壓而破裂、損壞設(shè)備等。所以水錘效應(yīng)防護(hù)是供水管道工程設(shè)計施工中必須要考慮的關(guān)鍵因素。

　　水錘產(chǎn)生的條件

　　1、閥門突然開啟或關(guān)閉;

　　2、水泵機(jī)組突然停車或開啟;

　　3、單管向高處輸水(供水地形高差超過20米);

　　4、水泵總揚(yáng)程(或工作壓力)大;

　　5、輸水管道中水流速度過大;

　　6、輸水管道過長，且地形變化大。

　　7、不規(guī)范的施工是給水管道工程存在的隱患

　　7.1如三通、彎頭、異徑管等節(jié)點(diǎn)的水泥止推墩制作不符合要求。

　　按照《埋地硬聚氯乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：φ≥110mm以上管道的三通、彎頭、異徑管等節(jié)點(diǎn)，應(yīng)設(shè)置水泥止推墩，防止管道推移，“止推墩混凝土不宜低于C15級，并現(xiàn)場澆筑在開挖的原狀土地基和槽坡上”。有些施工方對止推墩所發(fā)揮的作用，引不起足夠的重視，他們在管道旁釘個木樁或楔個鐵橛充當(dāng)止推墩，有時水泥墩的體積太小或未澆筑在原狀土上，有的止推墩的強(qiáng)度不夠，結(jié)果管道運(yùn)行中，止推墩無法發(fā)揮作用形同虛設(shè)，造成三通、彎頭等管件推移錯位后而損壞。

　　舉例說明：假設(shè)一條φ500×16.8mm的管線上有一個90°的彎頭，當(dāng)管道工作壓力0.4MPa時，那么90°彎頭處的推力就是：

　　T=1.57×dn2×Fwd×Sin(a/2)

　　=1.57×46.642×4×Sin(90/2)

　　=9658Kg

　　式中

　　dn :管道內(nèi)徑cm

　　Fwd:內(nèi)水壓力Kg

　　a:彎頭轉(zhuǎn)角

　　由此可見，當(dāng)φ500mm的管線運(yùn)行壓力0.4Mpa時，那么90°彎頭處就產(chǎn)生9.6T的推力，如果此處水泥止推墩的強(qiáng)度不夠，抗不住9.6T的推力而破碎，此處的彎頭在失去止推墩保護(hù)的前提下，也會跟著破損;在給水管道事故中，因止推墩不符合要求而導(dǎo)致管件破損的現(xiàn)象相對較多，對此,施工方應(yīng)給予高度的重視。

　　未安裝自動排氣閥或安裝的位置不合理

　　根據(jù)水力學(xué)的原理，起伏較大的山區(qū)或丘陵，在管道的高點(diǎn)，應(yīng)設(shè)計安裝自動排氣閥，即使是地形起伏不大的平原地區(qū)，也要在挖槽時，人為的將管線設(shè)計出起伏，呈循環(huán)上升或下降，坡度不小于1/500，在每公里的最高處設(shè)計1-2個排氣閥。

　　因?yàn)楣艿涝谳斔^程中，管道中氣體會逸出在管道高起部位積累起來，甚至形成氣阻，管道中水的流速發(fā)生波動時，隆起部位形成的氣囊將不斷被壓縮、擴(kuò)張，氣體被壓縮后所產(chǎn)生的壓強(qiáng)要比水被壓縮后產(chǎn)生的壓強(qiáng)大幾十倍甚至上百倍，此時，這段存在隱患的管道，可能會導(dǎo)致下列情況的發(fā)生：

　　⑴管道上游通水后下游滴水不見，這是因?yàn)楣艿纼?nèi)的氣囊阻斷水流，形成水柱分離。

　?、乒艿纼?nèi)被壓縮的氣體，壓縮到最大極限，急速膨脹，導(dǎo)致管道破裂。

　?、钱?dāng)高處水源的水，利用重力流按一定的速度向下游輸送時，急速關(guān)閉上游的閥門后，由于落差及流速的慣力，管道內(nèi)上游的水柱并沒有立即停止，它仍按一定的速度向下游流動，此時管道內(nèi)因無法及時補(bǔ)氣形成真空，造成管道被負(fù)壓吸癟而破損。

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　　水錘效應(yīng)的危害

　　水錘引起的壓強(qiáng)升高，可達(dá)管道正常工作壓強(qiáng)的幾倍，甚至幾十倍。這種大幅度的壓強(qiáng)波動，對管路系統(tǒng)造成的危害主要有：

　　1、引起管道強(qiáng)烈振動，管道接頭斷開;

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　　2、破壞閥門，嚴(yán)重的壓強(qiáng)過高造成管道爆管，供水管網(wǎng)壓力降低;

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3、反之，壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管子的癟塌，還會損壞閥門和固定件;

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4、引起水泵反轉(zhuǎn)，破壞泵房內(nèi)設(shè)備或管道，嚴(yán)重的造成泵房淹沒，造成人身傷亡等重大事故，影響生產(chǎn)和生活。

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　　消除或減輕水錘的防護(hù)措施

　　對于水錘的防護(hù)措施很多，但需根據(jù)水錘可能產(chǎn)生的原因，采取不同的措施。

　　1、降低輸水管線的流速，可在一定程度上降低水錘壓力，但會增大輸水管管徑，增加工程投資。輸水管線布置時應(yīng)考慮盡量避免出現(xiàn)駝峰或坡度劇變

　　減少輸水管道長度，管線愈長，停泵水錘值愈大。由一個泵站變兩個泵站，用吸水井把兩個泵站銜接起來。

　　停泵水錘的大小主要與泵房的幾何揚(yáng)程有關(guān)，幾何揚(yáng)程愈高，停泵水錘值也愈大。因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選用合理的水泵揚(yáng)程。

　　事故停泵后，應(yīng)待止回閥后管道充滿水再啟動水泵。

　　啟泵時水泵出口閥門不要全開，否則會產(chǎn)生很大的水沖擊。很多泵站的重大水錘事故多在這種情況下產(chǎn)生。

　　2、設(shè)置水錘消除裝置

　　(1)采用恒壓控制技術(shù)：

　　采用PLC自動控制系統(tǒng)，對機(jī)泵進(jìn)行變頻調(diào)速控制，對整個供水泵房系統(tǒng)操作實(shí)行自動控制。由于供水管網(wǎng)壓力隨著工況的變化而不斷變化，系統(tǒng)運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)低壓或超壓現(xiàn)象，容易產(chǎn)生水錘，導(dǎo)致對管道和設(shè)備的破壞，采用PLC自動控制系統(tǒng)，通過對管網(wǎng)壓力的檢測，反饋控制水泵的開、停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制流量，進(jìn)而使壓力維持一定水平，可以通過控制微機(jī)設(shè)定機(jī)泵供水壓力，保持恒壓供水，避免了過大的壓力波動，使產(chǎn)生水錘的概率減小。

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　　(2)安裝水錘消除器

　　該設(shè)備主要防止停泵水錘，一般安裝在水泵出口管道附近，利用管道本身的壓力為動力來實(shí)現(xiàn)低壓自動動作，即當(dāng)管道中的壓力低于設(shè)定保護(hù)值時，排水口會自動打開放水泄壓，以平衡局部管道的壓力，防止水錘對設(shè)備和管道的沖擊，消除器一般可分為機(jī)械式和液壓式兩種，機(jī)械式消除器動作后由人工恢復(fù)，液壓式消除器可自動復(fù)位。

　　(3)在大口徑的水泵出水管上安裝緩閉止回閥

　　可有效的消除停泵水錘，但因閥門動作時有一定的水量倒流，吸水井須有溢流管。緩閉止回閥有重錘式和蓄能式兩種。這種閥門可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)對閥門關(guān)閉時間進(jìn)行調(diào)整。一般在停電后3～7 s內(nèi)閥門關(guān)閉70%～80%，剩余20%～30%的關(guān)閉時間則根據(jù)水泵和管路的情況調(diào)節(jié)，一般在10～30 s范圍。值得注意的是，當(dāng)管路中存在駝峰而發(fā)生彌合水錘時，緩閉止回閥的作用就十分有限.

　　(4)設(shè)置單向調(diào)壓塔

　　在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。當(dāng)管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時，調(diào)壓塔向管道補(bǔ)水，防止水柱拉斷，避免彌合水錘。但其對停泵水錘以外的水錘如關(guān)閥水錘的降壓作用有限。此外單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對可靠，一旦該閥門失靈，可能導(dǎo)致發(fā)生較大的水錘。

　　(5)在泵站內(nèi)設(shè)置旁通管(閥)

　　在泵系統(tǒng)正常運(yùn)行時，由于水泵壓水側(cè)水壓高于吸水側(cè)的水壓，止回閥關(guān)閉。當(dāng)事故斷電突然停泵后，水泵站出口處壓力急劇降低，而吸水側(cè)壓力則猛升。在此差壓下，吸水總管中的瞬態(tài)高壓水即推開止回閥閥板流向壓水總管的瞬態(tài)低壓水，并使該處低水壓有所升高;另一方面，使水泵吸水側(cè)的水錘升壓也得到降低。這樣一來，水泵站兩側(cè)的水錘升、降壓都得到控制，從而有效地減少和防止了水錘危害。

　　(6)設(shè)置多級止回閥

　　在較長的輸水管路中，增設(shè)一個或多個止回閥，把輸水管劃分成幾段，每段上均設(shè)止回閥。當(dāng)水錘過程中輸水管中水倒流時，各止回閥相繼關(guān)閉把回沖水流分成數(shù)段，由于每段輸水管(或回沖水流段)內(nèi)靜水壓頭相當(dāng)小，從而降低了水錘升壓。此項防護(hù)措施，可有效的用于幾何供水高差很大的情況;但不能消除水柱分離的可能性。其最大的缺點(diǎn)是：正常運(yùn)行時水泵電耗增大、供水成本提高。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　某水廠改造工程: 設(shè)計水泵揚(yáng)程80m，地形高差68.4m，設(shè)計流量850m3/h，管口徑DN400，管長為6.0km,設(shè)計流速0.50—1.20m/s,C=980.4m/s,水錘波相長T為12.2s,Ts=2.25T=30s時，理論上，產(chǎn)生間接水錘的峰值為1.34Mpa,安裝多功能水泵控制閥后，產(chǎn)生的停泵水錘壓力峰值為0.98Mpa;安裝普通止回閥停泵水錘壓力峰值則為1.88MPa。據(jù)現(xiàn)場測試，安裝JD745X—10DN400多功能水泵控制閥，緩閉時間為30s時，停泵壓力峰值為0.95MPa，小于1.20Mpa，而原配置為電動蝶閥和微阻緩閉蝶閥，停泵壓力峰值為1.2～1.4MPa。停泵后水泵最大反轉(zhuǎn)速度為600r/min，與原配置相同。經(jīng)多處實(shí)踐使用證明，多功能水泵控制閥具有良好的水錘防護(hù)作用。