城市长途供水管线水锤防治方面的设计及运行管理问题初探

　　摘要：本文结合工程实例，针对长途供水管线上频繁产生的水锤, 分析采用何种合理的水锤预防及控制措施,为今后的类似工程设计和运行管理提供良好的建议。

　　关键词：长输管线,水锤,调流,设计优化,监测

　　1、前言

　　随着近几年工业化发展进程加快，越来越多的长途供水管线应运而生。在西北等山区丘陵地区的长距离重力式供水系统比较普遍，并积累了一定的实际运行经验，但随着全国范围类似工程项目的集中性、大规模的上马，表现出许多共性问题。许多输水项目投入运行后，运行工况远远达不到设计要求，时常出现许多爆管事件，给当地用户和供水企业均造成经济上和管理上的困扰。

　　尽管在供水系统管理中，我们形成了深厚的理论基础，但仍不断地出现山区丘陵地区长距离重力式供水系统问题，这说明将此类理论与实践完全地优化成熟还需要许多的技术总结。这些项目具体工程特点又各有差异，相应的技术总结仍显苍白，远不具备指导性。这就迫切需要通过更多的工程实例进行总结，从而达到有效地指导供水系统项目的设计与运行管理的目的。

　　本文旨在结合实际工程运行情况，通过初步分析供水管线安全运行的各类影响因素，提出针对管线不安全事故的重点预防及控制措施，为今后的类似工程设计和运行管理提供良好的建议。

　　2、某西北地区输水管线概况及存在问题

　　某西北地区输水管线主要为工业生产用水管线,工程等级为二级，配水能力为1000m3/h，年供水量为600万立方。该工程按地势环境复杂。全段长度为6.8公里，其中上段管线从净水厂至下段交接地点长度约8公里，设计压力1.0Mmpa，上段总高差约81米，最大差约93米，主要采用DN600球墨铸铁管;下段管线从交接地点到用水户，设计压力1.6Mmpa，下段相对净水厂清水池最大高差约150米，管线末端相对清水池高差约为130米，管线主要采用DN600*10螺旋缝焊接钢管。

　　其无限制流状况下的理论工况为：

　　该工程建成运行初期，曾出现多次不同程度的爆管现象，主要表现为多次弯道、坡道变化处排气、阀门、管件等爆管或减压阀前管线压力突增波及上游管线安全。针对该现象也曾组织专家及设备厂家进行过实地的调研，最终解决了爆管问题，实现了安全稳定运行。输水管道常见的事故是爆管，引起爆管的原因主要有：温度应力、管材质量、施工质量、地质构造和水锤等。而造成该工程故障频发的两个主要原因为：①工程设计存在缺陷，在原设计中未能充分考虑在非稳定流状态下管线产生的沿程最大压力及其波动所产生的水锤影响，水锤是造成本工程频发故障的主要原因;②本工程减压阀是在静压状态可调的，而非在动态，所以在动态下调整可能产生阀前水锤，几次故障原因之一为减压阀突然关闭或调压失灵产生。

　　3、水锤产生成因

　　水锤的产生是因压力管道中流速剧烈变化，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象称为水锤现象。此时液体显示出它的惯性和可压缩性。需要指明的是因流速的变化而产生的压力变化，其传递形式是以机械波的形式传递的。

　　机械波的特点：机械波的传递是需要质点作为媒介的。各质点仅在它们各自的平衡位置附近振动，并没有在波动传播方向流动或继续前进。即波动是运动状态的传播过程而不是运动质点的流动。

　　水锤的约克夫斯基公式：∆H=∆V*C/g

　　其中：∆H表示压力升高。

　　∆V表示水流速度的变化率。

　　C表示水锤波的波速。

　　g表示重力加速度。

　　上述公式基本上解释了水锤，即压力波产生的原因和影响其大小的因素主要有两种，水流速度的突然变化以及水锤波的波速。

　　水流速度的突然变化，即是产生水锤的根本原因。只要水的流速发生变化，系统压力必然发生变化。

　　水锤的大小与水锤波的波速成正比。即水锤波速愈大，在同样水流速度变化的工况下，水锤就愈大，即压力变化也愈大。水锤波在系统起到很重要的作用。在理论的情况下，机械波(此时即压力波)在水中传递的速度为1450m/s。在实际当中，该波速要小于理论值，它与管道的弹性有关系，管道弹性越强波速则越小。在钢管中一般为800~1200m/s，在砼管中一般为600~800m/s，在塑料管中则为250~500m/s。管径越大，波速则越慢。管壁越厚，刚性越强，波速就越快，反之则波速越慢。根据上述的理论公式，我们可以简洁地得到如下的结论：

　　减缓水在系统中的流速变化，降低机械波的传递速度，系统中因事故工况而产生的压力变化就会减弱，水锤就可以得到控制。其控制目标主要为：尽量让压力降低，使系统在较低的压力下工作;系统流量不超过设计流量。

　　系统中出水口流量变化情况、排气设施是否完备、阀门关闭速度、各类压力波预止阀等防护手段是否合理都将导致水锤的产生。

　　4、输水项目针对水锤方面的设计和运行环节存在问题

　　在实际工程当中，无论水泵流还是重力流，常常在设计和运行环节存在问题。未对水锤进行有效的防范。

　　(1)设计环节

　　相对于水泵长输供水，重力流供水相对传统，小规模工程较为普遍，主观上似有简易的错觉。因此在初期的工程当中，明显地感觉到“功课不足”。主要表现为：设计过程中对设计基础资料掌握不够，仅对单一设计流量下的工况进行了分析，缺乏对用户不同阶段的实际需水量变化的充分验算，为出现离奇突发爆管事件埋下了伏笔。

　　加之许多设计人员水平良莠不齐，对国内外各类安全阀和消能设施、经济流速等的选用缺乏系统深入的实践，理论理解教条单。受时间、投资与地形的限制，在设计当中习惯于水泵输水计算(阻力为主导因素，决定扬程)，设计人员往往并不熟练掌握重力流水力计算(水头为主导因素，决定阻力与流量)，在下坡段局部突起部分，可能会出现半管流、虹吸等不利工况，而在设计阶段并未被发现，使得实际运行过程当中出现流量变化的随机性。

　　(2)运行管理环节

　　主观上比较轻视，系统当中无监测，“盲运行”情况非常普遍。过分依赖于供水系统的减压设置，对管道与阀门的液力特性和水锤发生原理的本质理解不够，造成操作失误，引发水力激荡，甚至管线的破坏。对长距离输水管线无控制地变流量输水，使得管道长期处于压力骤变的状况之下。

　　4、防范和控制措施

　　(1)、建设初期合理确定设计用水水量，应重视不同流量需求工况下的设计优化。

　　在西北地区某项目中，未端用户的昼夜流量实际变化较大，但由于在设计阶段未对该情况进行充分的分析，仅进行了单一的工况计算，造成该系统运行期间多次爆管。一些工业用水大户对流量对管线设计的影响并不会过深了解，为确保自身的远期用水需求会虚报用水量。管线设计标准过高，管径过大，不仅仅是增加工程投资，还会因安全阀门及计量设备偏大等原因造成运行管理隐患。

　　工程建设初期，建设和设计单位以及用水单位应花大量的时间充分研究、划分与分析运行初期、远期的不同流量需求，对运行高峰期以及可能的昼夜流量情况充分掌握。设计单位应对压力工作曲线计算中的最不利工况及最不利点充分核算。

　　长距离输水无论是重力流供水还是水泵供水，单从安全的角度上讲，宜采用恒定流的供水方式，即从甲地到乙地供水周期稳定，流量尽可能保持不变。当然，目前更着重于项目的“经济效率”，越来越多的系统末端直接对用户，流量多变化。在设计阶段应充分考虑此种流量变化因素，通过各类设施实现系统的调节功能，尽可能通过调流阀门或出水口调流池等方式解决管线流量多变问题。

　　(2)、合理选择安全设施。

　　目前控制供水管线安全运行的物化解决方案主要有开放式水塔、调节水池、压减阀、安全泄压阀、压力波动预止阀、调压阀、空气压力罐、爆破膜片等多种形式。其形式选择受工况、占地、造价等影响较大。设计单位应针对不同流量变化下的各类安全阀选择计算进行一些修正。对不同输水管线工况、独立的自流管道进行补充计算。应针对减压阀、消能池、调流阀等不同阀体，在不同工况下的工程设计方案进行充分的论证。

　　调节水池是一种传统但比较偏于安全运行的方式，通过开放式水池将水流态与压力趋向平稳，可避免因水柱分离形式而产生的压力波动，但其占地和工程投资较大。对重要的长距离输水管线存在着管内运行因素复杂难控制等不利情况，设置调压水池可缓解管内非稳定流态的影响，确保上下流管道稳定。

　　压减阀可有效降低管线压力，使阀体前后压力通过导阀动作将管线内压力明显降低，同时工程投资和占地远远优于调节水池，但并不是说其就是完全安全的阀体选择对象。当下游出水量变化频繁时会引起减压阀频繁关启，在其瞬间关闭时会在阀前产生较大的压力波动，会直接引起上段管线压力突然增大，或会在下游因突然断流造成部分管段形成负压。目前许多工程在选择减压等阀体时不做慎重的重核计算，不考虑不同阶段流量变化，造成无法实现减压目的，有时设置不当造成了上下游管线压力波动。例如陕西一供水项目的阀门开始运行至今数年间一直没有达到设计流量，致使阀门一直出现令人担忧的震动和噪声。而另一项目由于用户用水工况复杂造成减压阀前压力变化频繁，直接影响到供水安全。

　　所以说，对压减阀的选择及设置位置应进行慎重选择：①建议设置减压阀时尽量设旁通压减阀，考虑到许多下游用户在不同阶段可能有不同的供水量要求，带旁通的压减阀可选用不同规格;②对于非稳定流的封闭管线，可选择多喷头式减压阀，也可选择阀后压力范围较宽的减压阀，可减少因阀后压力不稳定造成的活塞频繁动作重而可能发生的故障;③为了减少减压阀工作时的气蚀现象，建议将阀前与阀后的压差设定在2倍范围以内。

　　为了防止减压阀前及管线的可能产生的水锤对管线的破坏，建议慎重选购一些压力波能量释放设施。可在水锤吸纳器、压力波适放器、快开阀、爆破阀、气压调节室等设施中对比选择出适用于各个项目的泄压装置。

　　(3)、运行管理阶段应加强流量控制及实时监测。

　　长输封闭管线在运行中应尽量减少下游非稳定流状况发生。供水双方运行管理部门应调整运行管理方式，避免管道内流量变量频繁。供水方在上游加强清水池管理，确保制水稳定。用水方在下游对每日用水量采取措施，尽量保证管道稳定出流，避免频繁开关阀门，确保出口阀门开关时缓慢操作。对管线上阀门开关进行双方沟通共同控制。

　　压力的连续检测可为运行管理提供有效的分析数据。对减压阀及管线压力、排气阀及其它重要阀体工作状况、清水池、用户末端阀门等方面应进行实时监测。对布置较为复杂又相对重要的管线尽量增设监测系统。目前，西北地区供水管线的在线监测系统建设发展并不均衡，在许多地区重视程度有等提高。实现对管线系统的监测、控制的重要途径之一就是自动化监测系统的建设，该系统的建立有利于更清晰地客观分析管线隐患，取得第一手的资料用于预防和控制。值得从理论到实践的具体分析与总结，并得出完整的方案措施。目前有一种高密度波动数值的集中传输系统，有别于“管理式”常规的监测系统，值得供水企业进一步研究和尝试其运行价值。该系统数据的取得，有利于建立事故预案系统，即在事故发生时，紧急有效地启动，达到减少损失、报警等功能。

　　随着输水项目的大力发展，关于输水管线安全运行综合测控管理系统以及事故预案，将成为一大课题，其应用十分广泛。一旦建立起相应的全套机制，可以与工程结合普遍推广。

　　5、结束语

　　虽然长距离输水管线中的水锤研究已经多年，已形成了比较成熟的理论体系，传统的解决方法较为完整，但仍然有许多项目因管线工况复杂暴露出不能单一灵活防范的矛盾。在实际工程应用中，由于受工况复杂和主观重视不够，近几年周边依然不断出现此类爆管事件，这给供水行业带来一定的不利影响。借以上工程实例，初步总结产生长输供水管线安全隐患的成因及防止措施，希望对设计及运行管理单位有一定的借鉴作用。当然这也是一种初步的探讨，还需要我们更深入的研究，希望更多的企业参与其中，以总结更好的与实践结合更密切的优化设计和运行管理成果。

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