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管道的水击现象及其防护


管道的水击现象及其防护
摘要:水击是指压力瞬变过程,是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。 本文介绍了水击现象的定义、理论、形式和形成原因。概述了水击现象的危害并 论述了管道水击的防护措施。 关键词:管道 水击现象 危害 防护措施

1 水击现象
在日常生活中,我们碰到的水流不稳定现象很多。当我们快速关闭水龙头或 关闭闸阀和水轮机导水叶

时,在关闭过程中,随着阀门开度的减少,管道中的流速 也逐渐减小,由于水流的动量快速变化,在闸阀的上游部分将产生压力升高;而在 下游部分(如在尾水管中)产生压力降低。当开启阀门或水轮机导水叶时,管道中 的流速逐渐增大,在导叶上游部分产生压力降低,而在其下游部分(如在尾水管中) 产生压力升高。特别是在水电站或水泵站的有压引水系统中,通常用导叶或阀门 调节流量,以达到适应水电站出力变化或水泵站供水量变化的生产要求。这种调 节往往是快速的,因此必然引起有压引水管道中的流速发生急剧变化 ,伴随着将 产生管道中液体内部压强迅速交替升降的水力现象。 这种交替升降的压强作用在 管道、阀门或其他管道元器件上好像锤击一样,故称这种有压非恒定流为水击现 象,简称水击。交替升降的压强称为水击压强[1]。

1.1 水击现象的定义
水击是指压力瞬变过程, 是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。当 由于某种原因引起管路中流速突然变化时,例如开关阀门过快、突然断电停泵, 都会引起管内压力突然变化,造成水击。当急剧变化的压力波波前通过管路时, 产生一种声音,犹如用锤子敲击管路时发出的噪音,故水击亦称水锤[2]。

1.2 水击理论
1.2.1 弹性水击理论 考虑液体的压缩性和管材的弹性,在管道各个截面上液体的流速是位置与时 间的函数,V=f(x,t)。弹性水击理论适用于长距离和液体流速较大的管道,实践证 明,这个理论与实际情况相符。 1.2.2 刚性水击理论 忽略液体的压缩性与管材的弹性,把管道内的液体视为一条整体的“刚性水 柱” ,在管道各个截面上的液体流速只是时间的函数,而与位置无关,V 一 f(t)。刚 性水击理论仅适用于液体流速变化相当缓慢或长度很短的管道,当管道直径相同 时,液体在管道任何截面与时间的流速都相同[3]。

1.3 水击现象的形式
在有压管道系统中,常见的水击现象一般分为: 直接水击:当阀门的关闭时间小于或等于一个相长时 ,也就是水击波从阀门 处向水箱方向传播再以常压恢复波形式返回到阀门之前 ,阀门就已关闭,这种水

击称直接水击。 间接水击:当阀门的关闭时间大于一个相长时,也就是水击波从阀门处向水 箱方向传播再以常压恢复波形式返回到阀门之前 ,阀门尚未完全关闭,这种水击 称为间接水击。 正水击:当管道阀门迅速关闭时 ,管道中流速快速减小 ,压强会显著增大,这 种水击称为正水击。 负水击:当管道阀门迅速开启时 ,管道中流速快速增大 ,压强会显著减小,这 种水击称为负水击[4]。

1.4 水击现象的形成原因
管道发生水击现象,既有外因也有内因。 外因是管道发生水击的条件,内因是 管道发生水击的根据,外因通过内因而起作用。 1.4.1 水击现象的内因 由于水和管道都不是刚体,而是弹性体,因此在很的水击压强的作用下产生 两种形变,即水的压缩及管壁的膨胀。 而管道中水流速度又不是同时变化,形成一 种弹性波(又称水击波)进行传递。从上述的分析不难看出,引起管道水流速度突 然变化是水击发生的条件,水流具有惯性和压缩性是发生水击的内在原因[4]。 1.4.2 水击现象的外因 瞬时关闭阀门或突然断电停泵,是管道发生水击的主要原因。当管道中流动 的液体因以上原因受到外力作用时,流动速度发生变化,引发水击。 外力与惯性力 是水击的外在原因。当瞬时关闭阀门(或突然停泵)时,流体与阀门(或泵)相互作 用。阀门(泵或停止流动的液体)以外力作用于流体,流体则以惯性力作用于阀门 (泵或停止流动的液体)。外力与惯性力是一对作用力与反作用力,大小相等、方 向相反作用在同一条直线上。

2 水击现象的危害
如果管道内的水击强度较弱时,就会出现噪音,是因为管道内和其他设备的 轻微碰撞;水击严重时因流体在管道内产生瞬变压力的同步和叠加 ,以致造成管 道破裂发生泄露现象;也会导致管件、 阀门以及泵机组设备的破坏,从而影响输送 过程的安全和稳定,甚至会伤及人体,由此可见水击的破坏性直接影响到石油的 正常输送。假如水击现象连续产生,就会使得管道和管道内的设备一直处于不稳 定的环境下工作,虽然泄压系统会在一定程度上确保管道系统的稳定性 ,但是由 于管道系统内的压力一直是不断地发生变化中,油田的化工流体具有腐蚀性也会 给设备带来损伤,致使管道和设备一直处于疲劳运行的状态下更容易遭受破坏[5]。 下面是一些管道水击破坏现象。

2.1 长距离输油管道水击
“大庆—秦皇岛” 输油管道是由两条平行的 720×8 的管线组成,全长 974km, 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 SHL10-113-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 273mm)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 日本核电厂水击问题
2004 年 11 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 管道水击的防护措施
由于水击可能对管道或设备等造成很大破坏, 因此有必要根据具体情况采取 相应的措施来消除水击或减少水水击压力。

3.1 增设防止水击的设备
(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。

3.2 建立安全操作规程
通过完善的管理制度和严格的执行操作规程,对管道和设计加以合理优化设 计,并在运行过程中及时有效的进行保护和维修 ,把水击影响掌握在可控范围之 内。 (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[6]。 如果能做好以上防护措施,就可以最大限度地避免水击现象的发生。

参考文献
[1]王树人等.水击理论与水击计算[M].背景:清华大学出版社,1980 [2]袁恩熙.工程流体力学[M].北京:石油工业出版社,2010:174 [3]赵竟奇.管道产生水击的原因分析[J].油气储运,1999,18(5):35 [4]王文婷,路宏. 浅析压力管道中水击现象的危害及预防[J].内蒙古石油化工,2013, (8 ) : 93 [5]黄小军.压力管道系统的水击危害及其防治研究 [J]. 中国石油和化工标准与质量,2012, (8) :109 [6]陈贵清等.压力管道水击危害及其防治[J].河北理工学院学报,2005,27(1):129~131


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