西安水务（集团）规划设计研究院有限公司
摘要：科学技术发展迅速，随着我国工农业现代化步伐的加快，淡水资源供需矛盾日益突出，为了促进不同区域的发展，大跨江“南水北调工程”、“黄河吉庆”等一系列国家大型输水工程，小到每个小城镇的输水工程一个接一个。为了降低工程造价和成本，常根据自然地形采用重力流输输水体。在这种封闭输水过程中，往往存在气液两相流动，容易产生压力冲击，甚至断流架起水锤，对输水管道造成严重破坏，给人们的财产和健康造成巨大损失。因此，研究和总结输水管道水锤防护具有重要意义。
关键词：长距离重力流；输水管道系统；水锤防护研究
引言：
近年来，随着社会的发展，人们对水的需求不断增加。然而，淡水资源的分布在时间和空间上并不均衡，水污染问题日益严重。水资源供需矛盾逐步升级。为了解决这一问题，国内外建设了大量的长距离引水工程，将水资源从资源丰富的地区引到资源贫乏的地区。长距离调水工程有许多分支线，大流量，和其他特征，水转移系统水力过渡过程的现象，很容易导致水锤问题，不仅损坏的泵设备，而且管道破裂，导致严重损害整个调水工程。目前，引水工程的规模越来越大，引水系统变得越来越复杂，和水锤防护问题越来越突出，越来越多的科研设计和操作管理人员开始关注水锤防护问题。
1、重力流输水系统类别
重力水流输水是指整个输水过程中只依靠重力输送输水，最大限度地利用重力势能，这样可以节省泵房等施工管理费用，大大降低工艺运行费用。因此，在满足地形条件的情况下，应优先考虑重力流输水方式。从水力学角度看，重力流输水可分为无压流和有压流。
1.1无压力流动输水方式
输水过程中的水流形态与天然河流相似，水面自由。水体剖面和水体的流速受底部波动的影响较大。流动梯度与管道基本相同。
1.2加压水流输水
在自流输水过程中，随着管道距离的增加，水流压力从初始的不加压水流逐渐增大，在管道的末端系统存在动水压力和静水压力。当流体动力压力接近管道坡度时，可以忽略不计。当管道满的时候，静水压力是管道两端的高程差。
2、水锤产生的原因
水击本质上是由管道中水流速度的变化引起的。由于水流的惯性和可压缩性，水流速度在流动过程中的变化会引起水体总动量的急剧变化。这一变化会对管道内壁产生作用力，对管道产生较大的冲击力，破坏管道。水锤破坏力强，是工程最大的安全隐患。因此，在长距离输水工程中，有必要考虑如何降低水锤的压力，采取有效的防护措施。只有这样，才能确保输水工程安全有效运行，保护人民生命财产安全。在水锤引起的水锤安全事故中，负压引起的水锤损坏是泵站系统中最容易发生的。因此，我们应该关注这方面的问题，将水击压力降低到一个安全可控的安全范围。除了在管道中流量的快速变化会产生水锤外，还有一个原因，就是管道中的空气。空气占据了管道的一部分空间。当内部压力突然改变时，气柱会被压缩并迅速膨胀。此时，气柱将推动管道中的水流，形成气推水和水推空气的现象，称为水锤。当气体的压力被压缩时，释放出来的气体就会产生强大的力量，所以这个水锤是非常具有破坏性的，我们必须找到一种方法来尽可能地消除它。尤其是在第一次试水时，必须先将空气抽出，待排出的空气可充入水。
3、优化措施分析
3.1防止压力降低的措施
1）设置调压塔。由于本工程管道较长，且出现驼峰，当水击发生时，管道内会产生负压或水柱。设置调压塔，在塔水进入管道，管道或水进入调压塔缓解压力管道的变化，负压来填补的压力，水柱的水柱，防止管道压降太大或水柱打断，也为了避免中断的中断后的水柱当水柱上升的水锤压力。
本工程在管道驼峰处设置双向调压塔，在容易产生负压的管线处设置单向调压塔。2）设置注气阀微排气阀。考虑到泵启动时管道排气，结合防止管道瞬态汽化，本项目在局部高点设置了快、慢注废气微排气阀。在泵启动初期，管网中的大量空气通过低压气阀迅速排出。换句话说，当管道压力小于2m时，气阀可通过管道直径排出大量空气。当排气口大于2m时，根据过渡过程计算排气口直径。在系统管网正常工作状态下，注气微排气阀（低压排气量大）连续排尽管网集中的空气，保证管道的安全。当系统停止泵时，当管道内形成负压时，注气阀迅速、大量吸入，以抑制管道内的负压，避免管道爆炸事故的发生。为防止水锤在充水速度上产生过快，注气微排气阀配置防水水锤及降噪部件，具有快开慢关功能及附件。排气至设定的低压（2m），然后缓慢排放剩余的微量气体。由于排气速度过大，管道压力迅速上升，不会造成水锤和冲击。
3.2沿线管道纵向设计的水锤防护
只要水通过泵压输送，水锤就会在水管中产生。特别是在长距离输水过程中，管道中的水流速度变化频繁。水流速度的变化不可避免地会引起管道内压力的变化，这就决定了水锤不能完全消除。我们所能做的就是尽量减小管道内部压力的极端变化，从而降低水锤的破坏力。在实际输水过程中，输水管道是水与气的两相流，水与气共同运行。气体的存在更有利于水锤的形成，这是我们所不希望的。因此，应结合水管的纵向布置，在每一个缓驼峰处布置排气阀。在工程建设初期，最好对不同工况下的水流状态进行研究和计算，为后期排气阀的安装做好准备。在水管敷设中，水平段的排气问题尤为重要。没有天然的驼峰，没有安装排气阀的有利位置。因此，在施工时应将管道人工布置成一段设置高点，用来安装排气阀。根据以往经验，水平段应设置排气阀，间距为600 ~ 1000m。另外，由于管道内的水状态非常复杂，所以排气阀的选择和安装非常重要，它直接影响管道内的排气量。由于流态的复杂性，也造成了排气的难度，所以不仅要确定合理的排气阀数量，合适的位置，还要对排气阀的类型和性能高度重视。
3.3运行管理方面
不论是在我国还是在国外，很多水锤事故的发生大多是由于对设备的维修不到位，又或者是在进行操作时的错误。所以，对进行设备操作的工作人员需要进一步加强安全合理运行的教育，对设备的维护工作每天都要进行，操作仪器时要遵循运行规程等，比如：保证水泵系统设备完好；优化输水系统；严格按照规程操作。
3.4防止升压过高的措施
采用多功能液压控制阀。多功能水泵控制阀具有良好的除水锤效果。它结合了三种消除水锤的方法，即快速闭合、缓慢闭合和吸收。当泵停止时，在正水流逐渐降至零之前，迅速关闭主阀板——这是快速关闭的过程，减少了大量回水的产生。由于主阀板上有排水孔，允许一小部分水流通过主阀板回流，从而有效防止了泵的过度换向；当泵停止时，形成主阀板前后的压差。出口端压力高于进口端压力。出口端压力水通过旁通管进入控制室上室，推动隔膜压力板阀杆与慢闭阀板一起向下移动，缓慢关闭主阀板上的出料孔。当压力水向下推动膜片压板时，膜片控制室上室的容积不断增大，可以吸收部分回水——这就是吸收过程。无论泵是否正常停止或在一次事故中，泵控制阀可以快速关闭大约90%的开放程度在3 s在泵停止时，剩下的10%的开放程度可以慢慢被关闭，以便消除水锤的影响能达到最佳状态。2）设置超压安全阀。由于水锤过渡过程计算的一些局限性，超压安全阀作为二次保护的主要工具。一旦压力过大，超过规范的极限值，超压安全阀就会被感应打开，以保护系统安全。
结语
由于长距离管线具有管线长度长、流量大、扬程高、起落多等特点，使得停泵的水力过渡过程较为复杂。最显著的特征是水击可能发生在管道的局部高点或截面上。因此，有必要重视对停泵事故引起的水锤的分析和保护，并通过详细的数值计算，找到技术、经济、合理、方便的管理水锤停止泵的保护措施。通过仿真分析和工程实践表明，水锤泵安全阀能有效减少因水锤的正压引起的停泵，或用合适尺寸的水锤预防阀形成一套完整的关阀，能进一步提高停泵水锤保护等级，微排气阀和注气能有效消除泵的水力过渡过程，是停止水锤的桥梁。
参考文献：
[1]金锥，姜乃昌，汪兴华等.停泵水锤及其防护[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2004.