冯家山水库取水工程的水锤防护

杨玉思1，张世昌2，胡永龙3，付林2?
(1.长安大学环境工程学院，陕西西安　710061；
2.宝鸡市自来水公司，陕西宝鸡?721000；3.中国市政工程华北设计研究院，天津300074)　

　　摘　要：较详细地介绍了宝鸡市冯家山取水工程水锤防护的具体方法和成功经验，说明对大型供水管路进行正确理论分析和采取合理水锤防护措施的重要性。?
　　关键词：水锤；有压管道；排气
　　中图分类号：TU991.1　　
　　文献标识码：C　　
　　文章编号：1000-4602(2002)06-0070-03

1　工程概况

　　宝鸡市自来水公司冯家山水库取水系统主要由三部分组成：引水管道、水处理厂和输水管道。
　　该工程的引、输水管为重力流输水系统，管长分别为10.3、24.8km，基本上属于长距离、大管径(DN1200)输水系统，加上特有的U字型管路形状，必然造成管路上的排气困难和水力运行上的复杂状态。许多经验表明，不加分析地按常规运行操作这类输水系统极易产生水锤现象和造成爆管事故不断。
　　为保证系统安全运行，特对该引、输水管路系统进行水力瞬变过程分析计算，主要解决以下几个问题：
　　①　按常规操作运行管路系统的水力瞬变状态及可靠性分析；
　　②　采取防护措施的理论依据、防护作用；
　　③　采取防护措施后管路系统的水力瞬变状态及可靠性分析；
　　④　为该系统安全运行制定正确操作规程和运行管理方案。

2　无防护的非稳定流计算　

　　根据引水管道首末端高差、管长、管径等基本参数，得正常满管水流速为1.5m/s，当最下游阀门因检修等原因进行关闭时，按常规为匀速关闭，时间一般为3～5min，计算取中值，即4min完成全部关闭过程。经对该过程进行水力瞬变计算，得管路最大升压为0.99MPa，因末端高程为43m(距管路最低点)，故0.56MPa为水锤升压振荡值。根据材料力学及结构动力学的有关知识，振荡荷载的破坏力一般为静压力的2倍，故可认为总破坏力相当于静压力1.54MPa，引水管线所选管材的公称压力为0.8MPa，试验压力(静压)为1.2 MPa，显然这种常规操作产生的水锤压力超过管道强度0.3MPa，是可能造成爆管事故的。
　　同样条件下输水管经计算得正常流速为1.46m/s，最大关阀水锤升压为1.64MPa(同理相当于静压力2.62MPa)。因所用钢套筒水泥管使用压力为1.2MPa，试验压力(静压)为1.8MPa，故按常规方法关阀产生的压力值超过管道强度0.82MPa，同样可能造成爆管事故。

3　管路气爆型水锤升压估算　

　　由于该系统最大流速为1.51m/s，排气不畅造成气囊存在的最不利点位于距起点2.7km处，该处与起点位置高差为38m，如此处气囊突然运动，则可能产生约4.08m/s的满管流速，与前段水柱撞击后假定速度为1.51m/s的速度差为2.57m/s，按直接水锤公式计算，可得到其升压值为2.1MPa。
　　由此可见，该系统气爆型水锤的破坏力是巨大的，必须重点考虑其防护措施。

4　应采取的防护设施及作用分析

4.1　加强排气
　　大多数输水管爆管的主因是管道排气不畅(老式排气阀基本不排气或是仅在特定条件下少量排气)，从而无法保证设计意图的实现，造成管道大量存气。
　　在理论上，如果管道中的一个气囊两端压差为0.1kPa，其运动速度即可达10m/s以上，而水流速度波动为1m/s，则最大水锤升压(直接水锤)将近达到1MPa，因而管道排气不畅是极 其可怕的。
　　气缸式排气阀结构上完全不同于老式排气阀(双口排气阀及复合式排气阀)，除可保证排气畅通外，还具有缓闭防锤功能，是消除气爆型水锤的首选设备。?
4.2　过压保护，安装泄压阀
　　由于管路施工的条件限制，许多管段排气阀的安装尚难符合要求，因而建立在完全充实水柱条件下的水力瞬变计算值可能偏小(即可能产生较计算值更大的破坏性水锤压力)，而采用泄压阀就可消除过高的水锤压力峰值，从而消除其破坏作用。此外，因误操作而产生的超高压力，亦可通过泄压阀进行泄压保护。?
4.3　缓开缓闭检修阀、切换阀及泄水阀
　　由于阀门阻力系数与关闭角度(或行程)是非均匀的，一般关闭前65°阻力系数变化很小，后25°则阻力系数迅速增加，因而认为检修阀、切换阀及泄水阀等人工或自动开关的阀门应按如下操作规程进行。
　　关闭阀门：
　　前65°用1min匀速关闭；
　　后25°用5min匀速关闭。
　　开启阀门：
　　前25°用5min匀速开启；
　　后65°用1min匀速开启。?
4.4　采取防护措施后的稳定流计算
　　通过采取水锤防护措施前匀速关阀水力瞬变计算成果的分析可知，关闭阀门过程中的开启角前65°产生的水锤压力和管道流量变化不大，而后25°则压力变化极大，超过了管道强度。
　　根据非稳定流理论及水力瞬变分析和试算，得到适用该系统的阀门二阶段关闭规律，即前65°关闭时间为1min，后25°关闭时间为4min。
　　计算结果是引水管道最高水锤升压为0.70MPa(其中稳定压力为0.43MPa，振荡压力为0.27kPa的静压力)，相当于0.97MPa静压力。根据引水管强度，其承受静压力值为1.2MPa，故可保证系统安全运行。
　　按同样方式操作，输水管最高水锤升压为1.08MPa(其中稳定压力为0.66MPa，振荡压力为0.42MPa)，相当于1.50MPa的静压力，该输水管强度的静压值为1.8MPa，因而亦可保证系统安全运行。

5　引、输水管充水运行操作规程　

　　综合上述分析计算可见，按常规匀速关闭阀门极可能产生水锤破坏，后果是严重的，因此引、输水管道必须制定严格的操作规程以确保管道安全运行。?
5.1　管道充水及冲洗　
　　引、输水管道首次通水应先充水后冲洗管道，具体操作步骤如下：
　　①　检查管道各处阀门引水管上的各管连通阀、各泄水阀处于关闭状态，主管道上的各检修阀、排气阀、泄压阀前的检修阀应处于全部开启状态；
　　②　打开管道末端泄水阀；
　　③　缓慢打开管道进口闸板，向管道充水并控制充水速度，使管口处水深高于入口管底0.3～0.4m(充满度h/D=0.25)，理论充水时间为16h(实际估计为24h)；
　　④　充水开始后应注意观察管道末端泄水阀是否出水，当该阀出水后应缓慢关闭泄水阀；
　　⑤　当管道完全充满后检查各处排气阀，在确保各排气阀均排气完毕后再行冲洗管道；
　　⑥　冲洗管道，先将上游进口阀板全开，再缓开管道末端泄水阀(要求先开25°要大于5min，后开65°约1min)；
　　⑦　冲洗时间应小于2h，且在管道出水很清时停止冲洗；
　　⑧　停止冲洗、关闭阀门应按二阶段进行，前65°用1min，后25°用5min关完；
　　⑨　上述引水管充水、洗管基本上也适用于输水管，不同的是输水管入口阀门开度在整个充 过程中应保持20°，冲洗管道时阀门应全开。?
5.2　运行中的切换、检修
　　①　两条引水管应尽量独立运行，必须切换时应在双满管条件下进行，即如果一条管路是空的，应先充水、后切换，且切换时必须按前述的二阶段缓开缓闭。
　　②　引、输水管发生事故破坏时应同时(或先后)关闭事故点上游、下游最近处检修阀门，再打开泄水阀，开闭阀门均按二阶段缓闭缓开。
　　③　检修结束后应先关闭泄水阀，再缓开上游检修阀约20°充水，充水结束后按二阶段缓开下游检修阀，最后完全打开上游检修阀。
　　④　当引、输水管需要减少流量时(如冬季用水少)应先缓关引水管最末端检修阀门，再缓关输水管最末端阀门，如需增大流量则应先缓开输水管末端阀门，再缓开引水末端阀门。
　　⑤　如因水厂检修等原因造成引、输水停运，应首先按二阶段关闭引水管末端阀门，再同样关闭输水管末端阀门，恢复运行时也应按二阶段缓开。

6　实际运行情况　

　　采取防护措施前管路试运行2个月，曾出现3次爆管，分析原因主要是：
　　①　排气阀排气不畅(由长安大学环工学院给排水实验室检测两台双口排气阀和一台复合式排气阀的排气量甚少，大排气口气托现象严重，基本无排气作用，小排气口在压力较大或波 动时也易完全关死，使排气阀失去作用；
　　②　阀门按常规关闭及切换容易造成水锤升压过高。
　　采取水锤防护措施及按正确规程操作后，该系统从2000年6月开始运行至今，虽数次调节、切换、放水、充水，均未出现过任何事故且运行稳定。?

参考文献：

　　［1］金维，姜乃昌，汪兴华.停泵水锤及其防护［M］.［出版社不详］，1993.

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　　电　　话：13709199436　13060488208
　　收稿日期：2001-10-22