压力管道水击危害及其防治.pdf

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1、第2 7卷第 1 期 2 0 ) 5年 2月 河 北 理 工 学 院 学 报 J o u r n a l o f He b e i I n s t i t u t e o f Te 。 h n o l o g y 文章编号：1 0 0 7 2 8 2 9( 2 0 0 6 )0 1 0 1 2 80 4 V0 L 2 7 No 1 F e b 2 o o 5 压力管道水击危害及其防治 陈责清 ，王维军 ，周红星。 ，任春立 ( 1 店山学院 科研生产处 ，河北 唐L b 0 6 3 0 o o ； 2 唐山学院 土术_丁程系，河北 唐山0 6 3 0 0 0 ) 关键词：压力管道；水击；振动；

2、破坏 摘要：对水击现象进行了分析，阐明了水击的机理，介绍了管道水击的几种类型和研究方 法，并结合实际工程中的一些水击事件，提出了防止水击发生的一系列措施。 中图分类号：T V 1 3 4 1 文献标识码：A 0 引言 在有压管道中，由于某种原因 ( 如阀门启闭，换向阀变换工位，水泵机组突然停车，管道中有气室 等) ，使水流速度发生突然变化，同时引起管道中水流压力急剧上升或下降的现象，称为水击 ( 或水锤) 。 压力管道系统的水击现象是一种典型的有压管道非恒定流问题。水锤引起的压强升高，可达管道正常工作 压强的几十倍至数百倍。另外，还会使管内出现负压。压强大幅波动，可导致管道系统强烈振动、产生噪

3、 声，造成阀门破坏、管件接头破裂、断开，甚至管道炸裂等重大事故。 1 管道水击发生的机理 管道水击现象可作如下描述：有压管道流体的流量突变一流速突变一由于流动的惯性造成压强大 幅波动一流体的压缩性和管道的弹性使波动在管道中以很快的速度往返传播。管道发生水击时，会导致压 力升高，又由于水击以波的形式沿管道迅速传递，从而会使管路发生强烈振动并伴有噪声。 以下面的简单管路阀门突然关闭为例进行水击现象分析。设有水平等径管路 O B ，如图1 所示。不计 摩擦损失。考虑水的可压缩性和管道的变形。相关参数如下：管长 ；直径 d ；管道截面积 ；流速 V o ； 进口0；阀门位置 B ；原始压力 P 。 ；

4、水击波的速度 C o ；受压缩水层 拍 。 流 向 C 目 图 l 水击压力分布 ( 1 )当水管 处阀门突然关闭时，紧贴阀门上的一层液体受阀门所阻，首先停止了流动，流速突变 为零； ( 2 )流速突变为零的水层出现能量的转换，流速动能转化为压力势能，压力升高而被压缩；同时腾 收稿 日期：2 0 0 5 0 3 2 7 基金项日：唐山重点实验室项目基金 ( 0 4 3 6 3 9 0 1 B一 1 )和唐山学院博士创新菇金 ( 0 3 0 0 I G )资助 作者简介：陈贵清 ( 1 9 6 4 ) ，男 ，唐山学院科研处教授，博士 维普资讯 http:/ 第 1 期 陈贵清， 等： 压力管道

5、水击危害及其防治 1 2 9 出 极小空间， 使相邻断面液体以 原流速继譬向阀门流动； 该层液体同 时受到在水流惯性作用下继续流来的 未变流速流体的压缩，共同导致压力升高P，液体被压缩，管壁同时膨胀； ( 3 )紧接第一个水层 6 6 停止流动，流体压缩、管道变形 、压力升高之后，这种状况依次向后传递， 使后面的各水层相继停止流动，遂造成整个管路液体被压缩、压力升高、管壁胀大的水击状况。 水击产生的外因是 ( 1 )泵站的启动和停止，( 2 )阀门的开启和关闭，( 3 )突然出现故障时，例如停 电、操作人员的误操作及机械故障等这几种工况；内因是液体的可压缩性和管中流体的惯性。水击发生时 同时出

6、现水击波，在发生部位水击以波的形式向外传播，尤如声波传播的情形，水击波是纵波。水击波的 压强增值在已知水击波传播速度 c 。 的条件下，压强增量P与流速增量 的关系为 P =一C 0 P 0 ( 1 ) 2 一些管道水击破坏现象 2 1 长距离输油管道水击 “ 大庆一秦皇岛输油管道”是由两条平行的 2 0 X 8的管线组成，全长9 7 4 k m， 沿线各站均有两个泵 房。密闭输油具有突出特点，它的应用已成为管道输送工艺的一个发展方向。采用密闭输油工艺就存在着 水击事故预测和保护的问题，由于对这一问题认识不够，改进后的密闭输油管线曾发生过严重水击事故， 造成原油大量泄漏。不仅影响到油厂的正常生

7、产，而且对泄漏地的生态环境造成了极其严重的破坏。 2 2 热水、蒸汽管道水击 哈尔滨市某工厂 4台S H L 1 01 3 一 A型蒸汽锅炉在并联运行期间突然发生水击，巨大的冲击力将连 接4台锅的蒸汽主管道 ( 管径 2 7 3 m m )一端的平封头冲掉。调查表明3 号锅炉有严重满水现象，致使水 从主汽阀溢出流至连接4台锅炉的主蒸汽管道，与另3台锅炉输出的蒸汽相遇发生水击。 实践证明：供热系统因水击而产生的增压波和减压波交替作用所造成的危害是十分严重的。管道系统 剧烈振动会使保温层脱落， 或产生噪音以及从补给水箱或高位膨胀管中大量冒水。特别是高温热水、蒸汽 为热媒的供热系统在停泵时所产生的水

8、击现象比低温水、蒸汽系统更具有破坏性。因此，对热水 、 蒸汽供 热系统水击问题应予以足够的重视。 2 3 电厂给水系统水击 湖南华能岳阳电厂引进英国G E C公司2台3 6 2 5 M W机组。自机组调试、移交生产以来，高、低压给 水系统多次发生水击现象，其中3台次造成停机，给电厂带来很大的经济损失。高压给水系统两次水击事 故造成停机均发生在 2 号机组。第一次发生在机组调试阶段，第二次发生在带负荷 3 4 0 M W运行时，锅炉 压力 1 6 1 M P a ，给水压力 1 9 1 M P a ， 5号高压加热器水位趣高，激发 6号高压加热器给水 自动跳旁路，紧接 着给水泵母管压力急剧波动，

9、 产生水击。引起锅炉给水管道大幅度摆动， 部分吊架拉坏，给水流量取样管 拉断2 根，给水疏水管拉断3 根，水大量外喷，水汽弥漫机房和锅炉区，机组被迫停运。 2 4 建筑消防系统的超压水击 在目前常见的各种消防系统中，尤以水消防系统最为经济可靠。常用的水消防系统主要由消火栓灭火 和自动喷水灭火两大系统构成。 分析国内外火灾实例，结合国外历经几十年的高层建筑火灾情况总结，不难发现这样一个事实：由于 火灾的发生有一个从产生到逐步发展扩大的过程，而消防灭火系统的设置是以建筑物的性质及高度等因素 来确定其危险等级后按相关标准配置的。由于起火范围尚处于可控制的范围内， 所以消防灭火设施无需达 到全部设计能

10、力， 从而产生一个消防灭火系统 “ 能力”的暂时过剩问题。反映在水消防灭火系统上，则 是系统产生了 “ 超压水击”现象。超压水击情况严重的话，它对消防灭火系统会产生极大的危害，甚至 可能造成整个系统的损坏， 无法实现灭火功能。故在水消防灭火系统的设计中，要正确地采取相应的对 策，以避免可能发生对水消防灭火系统产生损害的情况。 2 5 浆体管道水击 对于长距离水力输送固体物料 ( fi lm级)的管道，在规划设计及生产运行中，不仅耍考虑流量、压力 都不变的稳定流状态，还要考虑不稳定流时流量、流速变化状态。水击严重时可导致管道破裂，造成跑 维普资讯 http:/ l 3 O 河北理工学院学报 第

11、2 7卷 浆、 跑水，引起停产。 2 6 日本核电厂水击问题 2 0 0 4 年 1 1 月7日，日 本静冈县中部电力 ( 公司)滨冈核电厂发生管线破裂事故，在一号发电机组紧 急反应堆冷却系统中的 “ L ”形管线内发现一些积水，这些积水和水蒸气相遇时急速膨胀并产生强烈冲击 波，从而造成 “ 水击现象”使管线破裂。当场造成4 人死亡， 7人受伤。 3 管道水击的类型和研究方法 3 1 管道回流水击 某垂直输水系统 ，水泵出g l 与输出管末端中心高度差为4 2 m，每次停泵时，管中水流由于重力作用 回落给泵后止回阀所产生的水击压强是正常水压的十几倍 ，大大超过了正常设备管件的压力允许值，造成

12、止回阀闸板经常性破裂。而且止回阀一旦失去控制，管中回流使泵倒转，造成的问题更大。 3 2 弥合水击 对于使用快关式止回阀的管道系统 J ，当阀瓣关闭速度过快时，可能导致阀后水柱分离，从而产生 强烈的断流弥合水击，其危害可能更大。 3 3 非棱柱体管道水击 在水电站的输水系统中 ，存在许多非棱柱体管道，如尾水管、进水 V I 、渐变段等。对于这些特殊 管道的处理，常用的方法是等价管方法，即按照动能不变、动量不变、水击波传播时问不变的原则，将非 棱柱体管道等价成棱柱体管道，然后再计算。这会产生许多问 题：( 1 )水管的进V I 面积很小，出口面积 很大，和等价以后的截面面积相差很大。( 2 )调

13、压室的底部衔接常采用渐变段，等价以后 ，会影响调压 室的底板高程和顶部高程的设计。( 3 )管道转弯处在水力过渡过程中一般不允许出现负压，而等价管方 法改变了管道中水体惯性的分布，管道沿程的最小压力线也随之改变，从而影响了管道转弯点的设计。 3 4 考虑管道弹性时的水击问题 在常规水电站、火电站和核电站的钢管设计中_ 5 ，对水击压力的计算如管壁、支座的应力计算均未 考虑流体与结构的相互作用。原水击压力的计算是在非恒定流条件下做了如下假定：( 1 )水体为非粘性 流体；( 2 )水体是一元流，即t I _- f( t ， ) ， P = ( t ， ) ；( 3 )管参数不变，即不考虑变形和惯

14、性。 传统的水击计算没有考虑管道的变形。在假定管道为直管和刚性的情况下，利用管径、管壁厚度、管 壁的弹性模量等参数来计算水击波速，采用的计算公式为： 踊 ( 2 ) 口 = l ( 亡 + ) (2 ) 如果管道既不直也不全刚性，则上式的计算存在较大误差。可以肯定，由于瞬变流所产生的动水压力 作用在管道的方向变化处或管径变化处，如弯管、岔管、阀门、收缩管等处，则必然导致管道变形，同时 管道变形又反作用于流体， 从而导致动水压强改变。 基于以上考虑，美国学者 D C W ig g e r t 和 H a tfi e l d 于 1 9 8 7 年提出用特征线法来求解充水管道的流 固耦合振动问题。

15、针对液固耦合的一维波动方程这一具体问题 ，特征线法的基本思想就是将偏微分方程组 转化为常微分方程组，现在该理论已经很成熟。笔者应用此理论计算过柔性圆形、方形截面管道的液固耦 合振动问题 。 3 5 一种新的水击计算方法 传统的弹性水击模型，由于过于简化，误差较大。文献 7 提出了一种新的弹性水击 “e 指数”计 算方法，提高了计算精度，易于建模仿真，使用方便，还结合实际考虑了水流在管道中的摩擦力，实用性 得到了提高。 3 6 L B方法模拟水电站水击 L a tt i c e B o lt z m a n n( L B )方法 是一种可求解偏微分方程、模拟流动现象的计算技术。自8 0年代末 9

16、 O 年代初诞生以来，它以算法简单、并行度高、几何边界易处理等优点引起了人们的注意，并得到迅速发 展。目前， 它在非线性偏微分方程求解、多相流、多孑 L 介质流，特别是大规模j准流场的模拟等方而 示 维普资讯 http:/ 第 1 期 陈贵清， 等： 力管道水击危害及其防治 出较大的潜力，展示了广阔的前景。 方法由格子气自动机 ( L a t t i c e g a s a u t o m a t a )发展而来，是一种由分子运动论观点出发来模拟： 观 流动的方法，其理论背景是细胞 自 动机。 3 7 水击特征线计算中重分阻尼系数的时步处理法 由于特征线法采用得是差分计算，必须使用统一的时间步

17、长， 这在简单管中容易满足，但对于多管道 和不同特性的管道组成的复杂管道系统来说，就很难了。为此，文献 9 提出了一种简便的时步处理方 法一重分阻尼系数法，从理论和实际计算上更好地达到了时步一致的要求。 3 8 水击随机分析 水电站水击大小的不确定性取决于水击发生的条件及其影响因臻的随机性。文 1 0 把一些重要的 不确定性因素，如甩负荷前机组带负荷程度、阀门关闭历时、库水位等均考虑为随机变量，分别推导了简 单管年最大水压升压和年最大总内水压力概率分布的解析表达式，并通过算例得出了简单管水击极值的概 率分布规律。 3 9 水击压力测试 问题 水击试验装置包括管路水力系统和信号测试系统 1 。简

18、单管路的上游端是一恒压罐，管长 2 1 0 m 下 游设一具有快关特性的 Q y电磁阀。测试要求：( 1 )检钡 0 压力信号的压力传感器要有较高的固有频率，耐 冲击性，静态和动态性能指标应达到一定要求。( 2 )记录压力信号的数字波存或其它瞬态记录仅具有较 高的频率响应，捕把陕速动态信号能力要强，采集数据存储深度要大，可防止和剔除干扰信号。 ( 3 )可 实现多通道实时采集。测试步骤：( 1 )测压系统的标定。( 2 )水击信号粗描。( 3 )水击信号波形细描。 最后， 实际测试和理论模拟结果是相当吻合的，这也说明了测试手段的可靠性 、准确性 、 精密性。 4 防止管道水击的措施 4 1 增

19、设防止水击的设备 ( 1 )安装水击消除器。当管路中压力升高时弹簧受到压缩，于是打开了水的通路，水被排出而泄压， 因此降低了水击压力； ( 2 )在水泵出口处增设泄压阀，采用被动的泄压方法让水击产生的压力增值释放掉，从而达到保护 管道及水泵的 目的； ( 3 )在循环泵前、后的管路之间安装止回阀的旁通管，可防止由于突然停泵引发的水击 ； ( 4 )可适当增设缓闭单向阀， 延长阀全部关闭所需的时间； ( 5 )在较长管道中设置调压室，缩短管道长度，减小相长， 可以缓和水击； ( 6 )在管系上按规定安装排气阀， 避免管道产生集气； ( 7 )适当加大管径，限制管中流速可减小水锤强度。 4 2 建

20、立安全操作规程 ( 1 )合理延长管路阀门关闭时间， 缓慢操作，禁止突然关闭阀门； ( 2 )水泵启动、停车前完全关闭出水阀门； ( 3 )加强巡视，确保管道及设备工况良好； ( 4 )完善管理制度和严格执行操作规程、及时维修排除管系运行故障。 5 结语 压力管道系统的水击现象是难以避免的， 水击的危害性很大，为此在设计上考虑水击作用的影响是很 有必要的。另外， 很多事故是由于现场水泵或阀门操作不当造成的，因此管理 、 操作人员要严格执行操作 规程，将水击发生的频率和水击所造成的损失降至最低。 ( 下转第 1 3 5页) 维普资讯 http:/ 第 1 期 刘敏， 等： 地下导线起始方位角误差

21、对隧道贯通情度的影响 1 3 5 Un de r g r o un d Az i mu t h Ang l e I n flu e nc e d b y t he De fin i t e Di r e c t i o n Ac c ur a c y o f Tu nn e l s L I U Mi n， WANG Ti e s h e n g ( N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e c t ri c P o w e r ， Z h e n g z h o u

22、 He n a n 4 5 0 0 0 8 ， C h i n a ) Ke y wo r d s ：T ria n g u l a t i o n； s t a r t i n g a z i mu t h a n g l e ； a c c u r a c y； e r r o r Ab s t r a c t ：S e v e r a l v a l u a b l e e n g i n e e r s i t u a t i o n c o n c l u s i o n s r e l a t i n g t o t r i a n g l e me t h o d w e r e

23、 g i v e n， c o mb i n i n g t h e t r i a n g u l a r me t h o d t e c h n i q u e o f t u n n e l s u r v e y ， t h r o u g h a n a l y s i s i n g t h e i n f l u e n c e f a c t o r a b o u t t u n n e l d e fi n i t e d i r e c t i o n a c c u r a c y ( 上接第 1 3 l 页) 参考文献 ： 1 陈德亮 泵站 M 北京： 中国水利水电

24、出版社， 2 0 0 4 2 付六生 减少管路中回流水击现象 J 西南造纸， 2 0 0 1 ( 6 ) ： 6 3 雍歧卫等 泵一闷压力管道弥合水击的分析与控制 J 中国给水排水， 2 0 0 3 ， ( 1 2 ) ： 7 7 - 7 9 4 朱承军， 杨建东 非棱柱体管道的一维水击计算及分析 J 水利发电学报， 1 9 9 8 ( 2 ) ： 5 9 6 8 f 5 夏天泉 弹性管道系统液固耦含研究德必要性 D 水电站设计， 1 9 9 5 ( 1 2 ) ： 6 6 7 0 6 陈贵清 耦合系统的非线性振动研究 1 曲 南交通大学博士后出站报告， 2 0 0 3 7 孟安波等 一种新的

25、弹性水击计算方法 J 华北水利水电学院学报， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 4 4 4 7 8 程永光等 L a t t i c e B o l t z m a n n 方法应用实例一水电站水击计算 J 武汉水利电力大学学报， 1 9 9 8 ( 5 ) ： 2 2 2 6 9 万五一等 水击特征线计算中熏分阻尼系数的时步处理法 J 水利水电技术， 2 0 0 2 ( 3 ) ： 1 7 1 9 1 0 张芹芬等 简单管水击随机分析再控 J 水力发电学报， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 5 6 6 3 1 1 路胜 管道水击压力测试技术 J 。 液体工程， 1 9 9 3 ， 2 1 (

26、5 ) ： 2 9 - 3 2 The Ha r ms o f W a t e r Ha mme r i n Pr e s s u r e P i p e l i ne s a n d The i r Pr e v e nt i o n C H E N G u i q i n g ， WA N G We i - j u n ， Z HO U H o n g x i n g ， R E N C h u n 1 i ( 1 S c i e n t i f i c R e s e a r c h D e p a rt m e n t ， 2 C i v i l E n g i n e e r i n

27、 g D e p a rt m e n t ， T a n g s h a n C o l l e g e ， T a n g s h a n H e b e i 0 6 3 0 0 0 ， C h i n a ) Ke y wo r d s ：p r e s s u r e p i p e ； wa t e r h a mme r ； v i b r a t i o n； d e s t r u c t i o n Ab s t r a c t ： T h e p h e n o me n a o f wa t e r h a mme r i n p i p e s a r e a n a

28、l y z e d i n t h i s p a p e r T h e i r o c c u r ri n g me c h a n i s m i s i l l u s t r a t e d ， s o me k i n d s o f w a t e r h a mme r a n d r e s e a r c h me t h o d s a r e a l s o i n t r o d u c e d T h e n c o mb i n i n g w i t h s o me e n g i - n e e ri n g a c c i d e n t s ， a s e rie s o f me a s u r e s a r e g i v e n t o p r o t e c t t h e wa t e r h a mme r 维普资讯 http:/