水錘效應，毀壞供水管網的坑爹貨

? ? ? 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、水泵驟然啟停等原因，流速突然變化且壓強大幅波動的現象。說的通俗些：突然停電或閥門關閉太快，由于壓力水流的慣性，產生水流沖擊波，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)，這就是水力學中的“水錘效應”，也叫正水錘;相反，閥門或水泵突然開啟，也會產生水錘效應，叫負水錘。這種大幅波動的壓力沖擊波，極易導致管道因局部超壓而破裂、損壞設備等。所以水錘效應防護是供水管道工程設計施工中必須要考慮的關鍵因素。

　　水錘產生的條件

　　1、閥門突然開啟或關閉;

　　2、水泵機組突然停車或開啟;

　　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規(guī)程》規(guī)定：φ≥110mm以上管道的三通、彎頭、異徑管等節(jié)點，應設置水泥止推墩，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，有的止推墩的強度不夠，結果管道運行中，止推墩無法發(fā)揮作用形同虛設，造成三通、彎頭等管件推移錯位后而損壞。

　　舉例說明：假設一條φ500×16.8mm的管線上有一個90°的彎頭，當管道工作壓力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 :管道內徑cm

　　Fwd:內水壓力Kg

　　a:彎頭轉角

　　由此可見，當φ500mm的管線運行壓力0.4Mpa時，那么90°彎頭處就產生9.6T的推力，如果此處水泥止推墩的強度不夠，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致管件破損的現象相對較多，對此,施工方應給予高度的重視。

　　未安裝自動排氣閥或安裝的位置不合理

　　根據水力學的原理，起伏較大的山區(qū)或丘陵，在管道的高點，應設計安裝自動排氣閥，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計1-2個排氣閥。

　　因為管道在輸水過程中，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、擴張，氣體被壓縮后所產生的壓強要比水被壓縮后產生的壓強大幾十倍甚至上百倍，此時，這段存在隱患的管道，可能會導致下列情況的發(fā)生：

　　⑴管道上游通水后下游滴水不見，這是因為管道內的氣囊阻斷水流，形成水柱分離。

　　⑵管道內被壓縮的氣體，壓縮到最大極限，急速膨脹，導致管道破裂。

　　⑶當高處水源的水，利用重力流按一定的速度向下游輸送時，急速關閉上游的閥門后，由于落差及流速的慣力，管道內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，此時管道內因無法及時補氣形成真空，造成管道被負壓吸癟而破損。

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　　水錘效應的危害

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

　　1、引起管道強烈振動，管道接頭斷開;

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　　2、破壞閥門，嚴重的壓強過高造成管道爆管，供水管網壓力降低;

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3、反之，壓強過低又會導致管子的癟塌，還會損壞閥門和固定件;

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4、引起水泵反轉，破壞泵房內設備或管道，嚴重的造成泵房淹沒，造成人身傷亡等重大事故，影響生產和生活。

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　　消除或減輕水錘的防護措施

　　對于水錘的防護措施很多，但需根據水錘可能產生的原因，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。輸水管線布置時應考慮盡量避免出現駝峰或坡度劇變

　　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程有關，幾何揚程愈高，停泵水錘值也愈大。因此，應根據當地實際情況選用合理的水泵揚程。

　　事故停泵后，應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生。

　　2、設置水錘消除裝置

　　(1)采用恒壓控制技術：

　　采用PLC自動控制系統(tǒng)，對機泵進行變頻調速控制，對整個供水泵房系統(tǒng)操作實行自動控制。由于供水管網壓力隨著工況的變化而不斷變化，系統(tǒng)運行過程中經常出現低壓或超壓現象，容易產生水錘，導致對管道和設備的破壞，采用PLC自動控制系統(tǒng)，通過對管網壓力的檢測，反饋控制水泵的開、停和轉速調節(jié)，控制流量，進而使壓力維持一定水平，可以通過控制微機設定機泵供水壓力，保持恒壓供水，避免了過大的壓力波動，使產生水錘的概率減小。

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　　(2)安裝水錘消除器

　　該設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現低壓自動動作，即當管道中的壓力低于設定保護值時，排水口會自動打開放水泄壓，以平衡局部管道的壓力，防止水錘對設備和管道的沖擊，消除器一般可分為機械式和液壓式兩種，機械式消除器動作后由人工恢復，液壓式消除器可自動復位。

　　(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。這種閥門可以根據需要在一定范圍內對閥門關閉時間進行調整。一般在停電后3～7 s內閥門關閉70%～80%，剩余20%～30%的關閉時間則根據水泵和管路的情況調節(jié)，一般在10～30 s范圍。值得注意的是，當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)設置單向調壓塔

　　在泵站附近或管道的適當位置修建，單向調壓塔的高度低于該處的管道壓力。當管道內壓力低于塔內水位時，調壓塔向管道補水，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閥水錘的降壓作用有限。此外單向調壓塔采用的單向閥的性能要絕對可靠，一旦該閥門失靈，可能導致發(fā)生較大的水錘。

　　(5)在泵站內設置旁通管(閥)

　　在泵系統(tǒng)正常運行時，由于水泵壓水側水壓高于吸水側的水壓，止回閥關閉。當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，使水泵吸水側的水錘升壓也得到降低。這樣一來，水泵站兩側的水錘升、降壓都得到控制，從而有效地減少和防止了水錘危害。

　　(6)設置多級止回閥

　　在較長的輸水管路中，增設一個或多個止回閥，把輸水管劃分成幾段，每段上均設止回閥。當水錘過程中輸水管中水倒流時，各止回閥相繼關閉把回沖水流分成數段，由于每段輸水管(或回沖水流段)內靜水壓頭相當小，從而降低了水錘升壓。此項防護措施，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。其最大的缺點是：正常運行時水泵電耗增大、供水成本提高。

　　應用實例

　　某水廠改造工程: 設計水泵揚程80m，地形高差68.4m，設計流量850m3/h，管口徑DN400，管長為6.0km,設計流速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，產生間接水錘的峰值為1.34Mpa,安裝多功能水泵控制閥后，產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。據現場測試，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速度為600r/min，與原配置相同。經多處實踐使用證明，多功能水泵控制閥具有良好的水錘防護作用。