楊玉思1，張世昌2，胡永龍3，付林2?
(1.長安大學環境工程學院，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計研究院，天津300074)　

　　摘　要：較詳細地介紹了寶雞市馮家山取水工程水錘防護的具體方法和成功經驗，說明對大型供水管路進行正確理論分析和采取合理水錘防護措施的重要性。?
　　關鍵詞：水錘；有壓管道；排氣
　　中圖分類號：TU991.1　　
　　文獻標識碼：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，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，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行上的復雜狀態。許多經驗表明，不加分析地按常規運行操作這類輸水系統極易產生水錘現象和造成爆管事故不斷。
　　為保證系統安全運行，特對該引、輸水管路系統進行水力瞬變過程分析計算，主要解決以下幾個問題：
　?、佟“闯Ｒ幉僮鬟\行管路系統的水力瞬變狀態及可靠性分析；
　?、凇〔扇》雷o措施的理論依據、防護作用；
　　③　采取防護措施后管路系統的水力瞬變狀態及可靠性分析；
　　④　為該系統安全運行制定正確操作規程和運行管理方案。

2　無防護的非穩定流計算　

　　根據引水管道首末端高差、管長、管徑等基本參數，得正常滿管水流速為1.5m/s，當最下游閥門因檢修等原因進行關閉時，按常規為勻速關閉，時間一般為3～5min，計算取中值，即4min完成全部關閉過程。經對該過程進行水力瞬變計算，得管路最大升壓為0.99MPa，因末端高程為43m(距管路最低點)，故0.56MPa為水錘升壓振蕩值。根據材料力學及結構動力學的有關知識，振蕩荷載的破壞力一般為靜壓力的2倍，故可認為總破壞力相當于靜壓力1.54MPa，引水管線所選管材的公稱壓力為0.8MPa，試驗壓力(靜壓)為1.2 MPa，顯然這種常規操作產生的水錘壓力超過管道強度0.3MPa，是可能造成爆管事故的。
　　同樣條件下輸水管經計算得正常流速為1.46m/s，最大關閥水錘升壓為1.64MPa(同理相當于靜壓力2.62MPa)。因所用鋼套筒水泥管使用壓力為1.2MPa，試驗壓力(靜壓)為1.8MPa，故按常規方法關閥產生的壓力值超過管道強度0.82MPa，同樣可能造成爆管事故。

3　管路氣爆型水錘升壓估算　

　　由于該系統最大流速為1.51m/s，排氣不暢造成氣囊存在的最不利點位于距起點2.7km處，該處與起點位置高差為38m，如此處氣囊突然運動，則可能產生約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，按直接水錘公式計算，可得到其升壓值為2.1MPa。
　　由此可見，該系統氣爆型水錘的破壞力是巨大的，必須重點考慮其防護措施。

4　應采取的防護設施及作用分析

4.1　加強排氣
　　大多數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)，從而無法保證設計意圖的實現，造成管道大量存氣。
　　在理論上，如果管道中的一個氣囊兩端壓差為0.1kPa，其運動速度即可達10m/s以上，而水流速度波動為1m/s，則最大水錘升壓(直接水錘)將近達到1MPa，因而管道排氣不暢是極 其可怕的。
　　氣缸式排氣閥結構上完全不同于老式排氣閥(雙口排氣閥及復合式排氣閥)，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備。?
4.2　過壓保護，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水柱條件下的水力瞬變計算值可能偏小(即可能產生較計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，因誤操作而產生的超高壓力，亦可通過泄壓閥進行泄壓保護。?
4.3　緩開緩閉檢修閥、切換閥及泄水閥
　　由于閥門阻力系數與關閉角度(或行程)是非均勻的，一般關閉前65°阻力系數變化很小，后25°則阻力系數迅速增加，因而認為檢修閥、切換閥及泄水閥等人工或自動開關的閥門應按如下操作規程進行。
　　關閉閥門：
　　前65°用1min勻速關閉；
　　后25°用5min勻速關閉。
　　開啟閥門：
　　前25°用5min勻速開啟；
　　后65°用1min勻速開啟。?
4.4　采取防護措施后的穩定流計算
　　通過采取水錘防護措施前勻速關閥水力瞬變計算成果的分析可知，關閉閥門過程中的開啟角前65°產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，超過了管道強度。
　　根據非穩定流理論及水力瞬變分析和試算，得到適用該系統的閥門二階段關閉規律，即前65°關閉時間為1min，后25°關閉時間為4min。
　　計算結果是引水管道最高水錘升壓為0.70MPa(其中穩定壓力為0.43MPa，振蕩壓力為0.27kPa的靜壓力)，相當于0.97MPa靜壓力。根據引水管強度，其承受靜壓力值為1.2MPa，故可保證系統安全運行。
　　按同樣方式操作，輸水管最高水錘升壓為1.08MPa(其中穩定壓力為0.66MPa，振蕩壓力為0.42MPa)，相當于1.50MPa的靜壓力，該輸水管強度的靜壓值為1.8MPa，因而亦可保證系統安全運行。

5　引、輸水管充水運行操作規程　

　　綜合上述分析計算可見，按常規勻速關閉閥門極可能產生水錘破壞，后果是嚴重的，因此引、輸水管道必須制定嚴格的操作規程以確保管道安全運行。?
5.1　管道充水及沖洗　
　　引、輸水管道首次通水應先充水后沖洗管道，具體操作步驟如下：
　?、佟z查管道各處閥門引水管上的各管連通閥、各泄水閥處于關閉狀態，主管道上的各檢修閥、排氣閥、泄壓閥前的檢修閥應處于全部開啟狀態；
　?、凇〈蜷_管道末端泄水閥；
　　③　緩慢打開管道進口閘板，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)，理論充水時間為16h(實際估計為24h)；
　　④　充水開始后應注意觀察管道末端泄水閥是否出水，當該閥出水后應緩慢關閉泄水閥；
　　⑤　當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；
　?、蕖_洗管道，先將上游進口閥板全開，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　沖洗時間應小于2h，且在管道出水很清時停止沖洗；
　?、唷⊥Ｖ箾_洗、關閉閥門應按二階段進行，前65°用1min，后25°用5min關完；
　?、帷∩鲜鲆艹渌?、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充 過程中應保持20°，沖洗管道時閥門應全開。?
5.2　運行中的切換、檢修
　　①　兩條引水管應盡量獨立運行，必須切換時應在雙滿管條件下進行，即如果一條管路是空的，應先充水、后切換，且切換時必須按前述的二階段緩開緩閉。
　?、凇∫⑤斔馨l生事故破壞時應同時(或先后)關閉事故點上游、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　檢修結束后應先關閉泄水閥，再緩開上游檢修閥約20°充水，充水結束后按二階段緩開下游檢修閥，最后完全打開上游檢修閥。
　?、堋‘斠?、輸水管需要減少流量時(如冬季用水少)應先緩關引水管最末端檢修閥門，再緩關輸水管最末端閥門，如需增大流量則應先緩開輸水管末端閥門，再緩開引水末端閥門。
　?、荨∪缫蛩畯S檢修等原因造成引、輸水停運，應首先按二階段關閉引水管末端閥門，再同樣關閉輸水管末端閥門，恢復運行時也應按二階段緩開。

6　實際運行情況　

　　采取防護措施前管路試運行2個月，曾出現3次爆管，分析原因主要是：
　　①　排氣閥排氣不暢(由長安大學環工學院給排水實驗室檢測兩臺雙口排氣閥和一臺復合式排氣閥的排氣量甚少，大排氣口氣托現象嚴重，基本無排氣作用，小排氣口在壓力較大或波 動時也易完全關死，使排氣閥失去作用；
　?、凇￠y門按常規關閉及切換容易造成水錘升壓過高。
　　采取水錘防護措施及按正確規程操作后，該系統從2000年6月開始運行至今，雖數次調節、切換、放水、充水，均未出現過任何事故且運行穩定。?

參考文獻：

　?。?］金維，姜乃昌，汪興華.停泵水錘及其防護［M］.［出版社不詳］，1993.

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