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(jīng)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(guān)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(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行上的復(fù)雜狀態(tài)。許多經(jīng)驗表明，不加分析地按常規(guī)運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)安全運行，特對該引、輸水管路系統(tǒng)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?guī)操作運行管路系統(tǒng)的水力瞬變狀態(tài)及可靠性分析；
　　②　采取防護措施的理論依據(jù)、防護作用；
　　③　采取防護措施后管路系統(tǒng)的水力瞬變狀態(tài)及可靠性分析；
　?、堋樵撓到y(tǒng)安全運行制定正確操作規(guī)程和運行管理方案。

2　無防護的非穩(wěn)定流計算　

　　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，當最下游閥門因檢修等原因進行關(guān)閉時，按常規(guī)為勻速關(guān)閉，時間一般為3～5min，計算取中值，即4min完成全部關(guān)閉過程。經(jīng)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(jù)材料力學(xué)及結(jié)構(gòu)動力學(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(guī)操作產(chǎn)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(jīng)計算得正常流速為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(guī)方法關(guān)閥產(chǎn)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(tǒng)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(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，必須重點考慮其防護措施。

4　應(yīng)采取的防護設(shè)施及作用分析

4.1　加強排氣
　　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)計意圖的實現(xiàn)，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(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，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(chǎn)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(chǎn)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(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，因而認為檢修閥、切換閥及泄水閥等人工或自動開關(guān)的閥門應(yīng)按如下操作規(guī)程進行。
　　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　采取防護措施后的穩(wěn)定流計算
　　通過采取水錘防護措施前勻速關(guān)閥水力瞬變計算成果的分析可知，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)閉時間為1min，后25°關(guān)閉時間為4min。
　　計算結(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)，相當于0.97MPa靜壓力。根據(jù)引水管強度，其承受靜壓力值為1.2MPa，故可保證系統(tǒng)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(wěn)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(tǒng)安全運行。

5　引、輸水管充水運行操作規(guī)程　

　　綜合上述分析計算可見，按常規(guī)勻速關(guān)閉閥門極可能產(chǎn)生水錘破壞，后果是嚴重的，因此引、輸水管道必須制定嚴格的操作規(guī)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(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；
　?、邸【徛蜷_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(yīng)注意觀察管道末端泄水閥是否出水，當該閥出水后應(yīng)緩慢關(guān)閉泄水閥；
　?、荨‘敼艿劳耆錆M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)；
　?、摺_洗時間應(yīng)小于2h，且在管道出水很清時停止沖洗；
　?、唷⊥Ｖ箾_洗、關(guān)閉閥門應(yīng)按二階段進行，前65°用1min，后25°用5min關(guān)完；
　?、帷∩鲜鲆艹渌⑾垂芑旧弦策m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(yīng)保持20°，沖洗管道時閥門應(yīng)全開。?
5.2　運行中的切換、檢修
　　①　兩條引水管應(yīng)盡量獨立運行，必須切換時應(yīng)在雙滿管條件下進行，即如果一條管路是空的，應(yīng)先充水、后切換，且切換時必須按前述的二階段緩開緩閉。
　?、凇∫?、輸水管發(fā)生事故破壞時應(yīng)同時(或先后)關(guān)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(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　當引、輸水管需要減少流量時(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。
　?、荨∪缫蛩畯S檢修等原因造成引、輸水停運，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)運行時也應(yīng)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(xiàn)3次爆管，分析原因主要是：
　?、佟∨艢忾y排氣不暢(由長安大學(xué)環(huán)工學(xué)院給排水實驗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(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。
　　采取水錘防護措施及按正確規(guī)程操作后，該系統(tǒng)從2000年6月開始運行至今，雖數(shù)次調(diào)節(jié)、切換、放水、充水，均未出現(xiàn)過任何事故且運行穩(wěn)定。?

參考文獻：

　　［1］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