楊玉思1，張世昌2，胡永龍3，付林2?
(1.長安大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，陜西西安　710061；
2.寶雞市自來水公司，陜西寶雞?721000；3.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究院，天津300074)　

　　摘　要：較詳細(xì)地介紹了寶雞市馮家山取水工程水錘防護(hù)的具體方法和成功經(jīng)驗(yàn)，說明對大型供水管路進(jìn)行正確理論分析和采取合理水錘防護(hù)措施的重要性。?
　　關(guān)鍵詞：水錘；有壓管道；排氣
　　中圖分類號：TU991.1　　
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C　　
　　文章編號：1000-4602(2002)06-0070-03

1　工程概況

　　寶雞市自來水公司馮家山水庫取水系統(tǒng)主要由三部分組成：引水管道、水處理廠和輸水管道。
　　該工程的引、輸水管為重力流輸水系統(tǒng)，管長分別為10.3、24.8km，基本上屬于長距離、大管徑(DN1200)輸水系統(tǒng)，加上特有的U字型管路形狀，必然造成管路上的排氣困難和水力運(yùn)行上的復(fù)雜狀態(tài)。許多經(jīng)驗(yàn)表明，不加分析地按常規(guī)運(yùn)行操作這類輸水系統(tǒng)極易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象和造成爆管事故不斷。
　　為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，特對該引、輸水管路系統(tǒng)進(jìn)行水力瞬變過程分析計(jì)算，主要解決以下幾個(gè)問題：
　　①　按常規(guī)操作運(yùn)行管路系統(tǒng)的水力瞬變狀態(tài)及可靠性分析；
　　②　采取防護(hù)措施的理論依據(jù)、防護(hù)作用；
　　③　采取防護(hù)措施后管路系統(tǒng)的水力瞬變狀態(tài)及可靠性分析；
　　④　為該系統(tǒng)安全運(yùn)行制定正確操作規(guī)程和運(yùn)行管理方案。

2　無防護(hù)的非穩(wěn)定流計(jì)算　

　　根據(jù)引水管道首末端高差、管長、管徑等基本參數(shù)，得正常滿管水流速為1.5m/s，當(dāng)最下游閥門因檢修等原因進(jìn)行關(guān)閉時(shí)，按常規(guī)為勻速關(guān)閉，時(shí)間一般為3～5min，計(jì)算取中值，即4min完成全部關(guān)閉過程。經(jīng)對該過程進(jìn)行水力瞬變計(jì)算，得管路最大升壓為0.99MPa，因末端高程為43m(距管路最低點(diǎn))，故0.56MPa為水錘升壓振蕩值。根據(jù)材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的有關(guān)知識，振蕩荷載的破壞力一般為靜壓力的2倍，故可認(rèn)為總破壞力相當(dāng)于靜壓力1.54MPa，引水管線所選管材的公稱壓力為0.8MPa，試驗(yàn)壓力(靜壓)為1.2 MPa，顯然這種常規(guī)操作產(chǎn)生的水錘壓力超過管道強(qiáng)度0.3MPa，是可能造成爆管事故的。
　　同樣條件下輸水管經(jīng)計(jì)算得正常流速為1.46m/s，最大關(guān)閥水錘升壓為1.64MPa(同理相當(dāng)于靜壓力2.62MPa)。因所用鋼套筒水泥管使用壓力為1.2MPa，試驗(yàn)壓力(靜壓)為1.8MPa，故按常規(guī)方法關(guān)閥產(chǎn)生的壓力值超過管道強(qiáng)度0.82MPa，同樣可能造成爆管事故。

3　管路氣爆型水錘升壓估算　

　　由于該系統(tǒng)最大流速為1.51m/s，排氣不暢造成氣囊存在的最不利點(diǎn)位于距起點(diǎn)2.7km處，該處與起點(diǎn)位置高差為38m，如此處氣囊突然運(yùn)動(dòng)，則可能產(chǎn)生約4.08m/s的滿管流速，與前段水柱撞擊后假定速度為1.51m/s的速度差為2.57m/s，按直接水錘公式計(jì)算，可得到其升壓值為2.1MPa。
　　由此可見，該系統(tǒng)氣爆型水錘的破壞力是巨大的，必須重點(diǎn)考慮其防護(hù)措施。

4　應(yīng)采取的防護(hù)設(shè)施及作用分析

4.1　加強(qiáng)排氣
　　大多數(shù)輸水管爆管的主因是管道排氣不暢(老式排氣閥基本不排氣或是僅在特定條件下少量排氣)，從而無法保證設(shè)計(jì)意圖的實(shí)現(xiàn)，造成管道大量存氣。
　　在理論上，如果管道中的一個(gè)氣囊兩端壓差為0.1kPa，其運(yùn)動(dòng)速度即可達(dá)10m/s以上，而水流速度波動(dòng)為1m/s，則最大水錘升壓(直接水錘)將近達(dá)到1MPa，因而管道排氣不暢是極 其可怕的。
　　氣缸式排氣閥結(jié)構(gòu)上完全不同于老式排氣閥(雙口排氣閥及復(fù)合式排氣閥)，除可保證排氣暢通外，還具有緩閉防錘功能，是消除氣爆型水錘的首選設(shè)備。?
4.2　過壓保護(hù)，安裝泄壓閥
　　由于管路施工的條件限制，許多管段排氣閥的安裝尚難符合要求，因而建立在完全充實(shí)水柱條件下的水力瞬變計(jì)算值可能偏小(即可能產(chǎn)生較計(jì)算值更大的破壞性水錘壓力)，而采用泄壓閥就可消除過高的水錘壓力峰值，從而消除其破壞作用。此外，因誤操作而產(chǎn)生的超高壓力，亦可通過泄壓閥進(jìn)行泄壓保護(hù)。?
4.3　緩開緩閉檢修閥、切換閥及泄水閥
　　由于閥門阻力系數(shù)與關(guān)閉角度(或行程)是非均勻的，一般關(guān)閉前65°阻力系數(shù)變化很小，后25°則阻力系數(shù)迅速增加，因而認(rèn)為檢修閥、切換閥及泄水閥等人工或自動(dòng)開關(guān)的閥門應(yīng)按如下操作規(guī)程進(jìn)行。
　　關(guān)閉閥門：
　　前65°用1min勻速關(guān)閉；
　　后25°用5min勻速關(guān)閉。
　　開啟閥門：
　　前25°用5min勻速開啟；
　　后65°用1min勻速開啟。?
4.4　采取防護(hù)措施后的穩(wěn)定流計(jì)算
　　通過采取水錘防護(hù)措施前勻速關(guān)閥水力瞬變計(jì)算成果的分析可知，關(guān)閉閥門過程中的開啟角前65°產(chǎn)生的水錘壓力和管道流量變化不大，而后25°則壓力變化極大，超過了管道強(qiáng)度。
　　根據(jù)非穩(wěn)定流理論及水力瞬變分析和試算，得到適用該系統(tǒng)的閥門二階段關(guān)閉規(guī)律，即前65°關(guān)閉時(shí)間為1min，后25°關(guān)閉時(shí)間為4min。
　　計(jì)算結(jié)果是引水管道最高水錘升壓為0.70MPa(其中穩(wěn)定壓力為0.43MPa，振蕩壓力為0.27kPa的靜壓力)，相當(dāng)于0.97MPa靜壓力。根據(jù)引水管強(qiáng)度，其承受靜壓力值為1.2MPa，故可保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。
　　按同樣方式操作，輸水管最高水錘升壓為1.08MPa(其中穩(wěn)定壓力為0.66MPa，振蕩壓力為0.42MPa)，相當(dāng)于1.50MPa的靜壓力，該輸水管強(qiáng)度的靜壓值為1.8MPa，因而亦可保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

5　引、輸水管充水運(yùn)行操作規(guī)程　

　　綜合上述分析計(jì)算可見，按常規(guī)勻速關(guān)閉閥門極可能產(chǎn)生水錘破壞，后果是嚴(yán)重的，因此引、輸水管道必須制定嚴(yán)格的操作規(guī)程以確保管道安全運(yùn)行。?
5.1　管道充水及沖洗　
　　引、輸水管道首次通水應(yīng)先充水后沖洗管道，具體操作步驟如下：
　　①　檢查管道各處閥門引水管上的各管連通閥、各泄水閥處于關(guān)閉狀態(tài)，主管道上的各檢修閥、排氣閥、泄壓閥前的檢修閥應(yīng)處于全部開啟狀態(tài)；
　　②　打開管道末端泄水閥；
　　③　緩慢打開管道進(jìn)口閘板，向管道充水并控制充水速度，使管口處水深高于入口管底0.3～0.4m(充滿度h/D=0.25)，理論充水時(shí)間為16h(實(shí)際估計(jì)為24h)；
　　④　充水開始后應(yīng)注意觀察管道末端泄水閥是否出水，當(dāng)該閥出水后應(yīng)緩慢關(guān)閉泄水閥；
　　⑤　當(dāng)管道完全充滿后檢查各處排氣閥，在確保各排氣閥均排氣完畢后再行沖洗管道；
　　⑥　沖洗管道，先將上游進(jìn)口閥板全開，再緩開管道末端泄水閥(要求先開25°要大于5min，后開65°約1min)；
　　⑦　沖洗時(shí)間應(yīng)小于2h，且在管道出水很清時(shí)停止沖洗；
　　⑧　停止沖洗、關(guān)閉閥門應(yīng)按二階段進(jìn)行，前65°用1min，后25°用5min關(guān)完；
　　⑨　上述引水管充水、洗管基本上也適用于輸水管，不同的是輸水管入口閥門開度在整個(gè)充 過程中應(yīng)保持20°，沖洗管道時(shí)閥門應(yīng)全開。?
5.2　運(yùn)行中的切換、檢修
　　①　兩條引水管應(yīng)盡量獨(dú)立運(yùn)行，必須切換時(shí)應(yīng)在雙滿管條件下進(jìn)行，即如果一條管路是空的，應(yīng)先充水、后切換，且切換時(shí)必須按前述的二階段緩開緩閉。
　　②　引、輸水管發(fā)生事故破壞時(shí)應(yīng)同時(shí)(或先后)關(guān)閉事故點(diǎn)上游、下游最近處檢修閥門，再打開泄水閥，開閉閥門均按二階段緩閉緩開。
　　③　檢修結(jié)束后應(yīng)先關(guān)閉泄水閥，再緩開上游檢修閥約20°充水，充水結(jié)束后按二階段緩開下游檢修閥，最后完全打開上游檢修閥。
　　④　當(dāng)引、輸水管需要減少流量時(shí)(如冬季用水少)應(yīng)先緩關(guān)引水管最末端檢修閥門，再緩關(guān)輸水管最末端閥門，如需增大流量則應(yīng)先緩開輸水管末端閥門，再緩開引水末端閥門。
　　⑤　如因水廠檢修等原因造成引、輸水停運(yùn)，應(yīng)首先按二階段關(guān)閉引水管末端閥門，再同樣關(guān)閉輸水管末端閥門，恢復(fù)運(yùn)行時(shí)也應(yīng)按二階段緩開。

6　實(shí)際運(yùn)行情況　

　　采取防護(hù)措施前管路試運(yùn)行2個(gè)月，曾出現(xiàn)3次爆管，分析原因主要是：
　　①　排氣閥排氣不暢(由長安大學(xué)環(huán)工學(xué)院給排水實(shí)驗(yàn)室檢測兩臺雙口排氣閥和一臺復(fù)合式排氣閥的排氣量甚少，大排氣口氣托現(xiàn)象嚴(yán)重，基本無排氣作用，小排氣口在壓力較大或波 動(dòng)時(shí)也易完全關(guān)死，使排氣閥失去作用；
　　②　閥門按常規(guī)關(guān)閉及切換容易造成水錘升壓過高。
　　采取水錘防護(hù)措施及按正確規(guī)程操作后，該系統(tǒng)從2000年6月開始運(yùn)行至今，雖數(shù)次調(diào)節(jié)、切換、放水、充水，均未出現(xiàn)過任何事故且運(yùn)行穩(wěn)定。?

參考文獻(xiàn)：

　　［1］金維，姜乃昌，汪興華.停泵水錘及其防護(hù)［M］.［出版社不詳］，1993.

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　　電　　話：13709199436　13060488208
　　收稿日期：2001-10-22