（市政工程专业论文）长距离大管径平坦输水管道水锤防护研究.pdf

摘要 随着我国经济发展，越来越多的城市开始兴建长距离大型输水工程，在长距离输 水工程中，最常见而又最突出的问题就是长距离输水管线的水锤防护问题。因此，为了 保证供水系统的运行安全，需要对供水系统进行必要的水锤分析，根据水锤发生的实际 特点，选择安全可靠、有效经济的水锤防护措施。 以长距离大管径平坦管线的水锤防护为研究方向，本文在前人研究的基础上，总 结了气液两相流在输水管道中的各种流态以及流态间的相互转化，并对管道中气囊运动 的升压、危害以及管道最佳排气方式进行了探讨，对常用水锤防护设备的结构原理、性 能特点及选择的技术要点进行了更深一步的分析，探讨了长距离输水工程中水锤防护对 设备的要求，并提出了选择水锤防护措施时应注意的问题。 文中阐述了水锤数值计算中常用的特征线法，结合特征线法以及水锤防护设备的结 构及性能特点，分析了长距离输水管道中常用的水锤防护措施的边界条件，并提出了在 工程实际计算中，必须从设备性能的实际情况出发编制合理的边界条件，以几种排气阀 为例分析了不同类型排气阀性能的不同以及采用的边界条件的不同。结合各类边界条件 建立了水锤计算的基本数学模型，应用计算机语言编制水锤防护计算的可视化程序，利 用计算机进行模拟计算。 本文最后，分别以营口石门和葫芦岛龙源及辽宁大伙房长距离大管径输水管线为 例，进行了水锤防护模拟计算。根据水锤计算结果，对各种断流水锤防护措施进行了比 较，验证了不同水锤防护措施在水锤防护过程中的不同效果。这些防护措施不仅在这些 输水工程方案分析中起到了一定的积极作用，而且为类似工程水锤防护提供了参考价 值。 关键词：长距离大管径平坦管道、断流弥合水锤、箱式双向调压塔、水锤防护 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , l o n gd i s t a n c ea n dl a r g e - s c a l ew a t e rd e l i v e r y c a s c a d ep u m p i n gs t a t i o n sa l eb e g i nt ob eb u i l t i nt h el o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l yp i p ec o n s t r u c t i o n p r o j e c lt h em o s to u t s t a n d i n gp r o b l e mi sh o wt op r o t e c tt h ep i p e t h e r e f o r e ，i no r d e rt og u a r a n t e e s e c u r i t yo ft h er u n n i n go ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e m ，i ti sn e c e s s a r yt om a k ew a t e rh a m m e r a n a l y s i s a c c o r d i n gt oa c t u a lc h a r a c t e r i s t i co fw a t e rh a m m e ro c c u r ，t h es a f e ，r e l i a b l e ，e f f e c t i v e l y a n de c o n o m i cm e a s u r eo fp r e v e n t i n gw a t e rh a m m e ri sd e s i g n e d o nt h er e s e a r c ho fw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o ni nl o n gd i s t a n c ea n dh e a v yc a l i b r eo f f l o wf l a t w a t e rs u p p l yp i p e ，t h i sp a p e ro u t l i n e ss e v e r a lo fp a t t e r n so fg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wa n d p a t t e r nt r a n s f o r m a t i o no nt h eb a s i so fs o m e t h i n gs t u d i e df r o mt h ef o r e f a t h e r si nw a t e rp i p e l i n e a n dp r e s s e ra n dh a r mo ft h ew a t e rs u p p l yp i p ec l o g g e db yg a s t h e ng i v ead e e p e ra n a l y s i s a b o u tt h es t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt e c h n i q u ee s s e n t i a l so ft h e c o m m o np r o t e c t i v ee q u i p m e n t sf o rw a t e rh a m m e r a n dd i s c u s st h a tw h a te q u i p m e n t si s d e m a n d e di no r d e rt oa l l e v i a t ew a t e r - h a m m e ri nl o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l yp r o g r a m , a n d p o i n t so u ts o m ei t e m sr e q u i r i n ga t t e n t i o nw h e nc h o o s ep r o t e c t i n gm e a s u r e sf o rw a t e rh a m m e r i nt h ep a p e r , m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi sw i d e l yu s e di nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f w a t e rh a m m e ri ss h o w n t h ec a p a c i t yo fe q u i p m e n tt oa l l e v i a t ew a t e r h a m m e ri sc o n s i d e r e di n u s i n g “m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c s ”：b o u n d a r yc o n d i t i o n so fw a t e rp u m pu n d e rd i f f e r e n tw o r k c o n d i t i o n sa n dc o m m o nw a t e rh a m m e rp r o t e c t i v em e a s u r e sa r eg i v e n i t si m p o r t a n tt o d i s t i n g u i s ht h ec a p a c i t yd i f f e r e n c eo ft h ee q u i p m e n tf o rt h ep r o j e c td e s i g n e r f o re x a m p l e ， t h e r ei sd i f f e r e n tg a sv e n tv a l v e ，a n dt h e r ea r ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i cm e t h o d ，b u i l tu pt h ew a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e lc o m b i n e d 、惦t ha l lk i n d so fb o u n d a r yc o n d i t i o n s w r o t et h ev i s u a lp r o g r a mo fw a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o n w i t ht h ec o m p u t e rl a n g u a g e ，m a d eu s eo ft h ec o m p u t e rt oc a r r yo ns i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n f i n a l l y , t a k ey m g k o us h i m e na n dh u l u d a ol o n g y u a na n dd a h u o f a n gl i a o n i n gp r o v i n c e o fw a t e rh a m m e ro ft h ep i p e l i n e sa st h ee x a m p l e ，s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fw a t e rh a m m e r p r o t e c t i o n b a s e do nt h er e s u l to fc a l c u l a t i o n ，v a r i o u sp r o t e c t i v em e a s u r e so fw a t e rh a m m e ro f c a v i t i e sc o l l a p s i n gi sc o m p a r e dw i t h d i f f e r e n tw a t e rh a m m e rp r o t e c t i v em e a s u r e sh a v e d i f f e r e n te f f e c t si sv e r i f i e d i tw a sag r e a t l yh e l pt om a d ea l l e v i a t ew a t e rh a m m e rs c h e m ei n t h e s ep o w e r p l a n t ，a n di tc a nb ec h o s e nt os i m i l a rp r o j e c t k e y w o r d s ：l o n gd i s t a n c ea n dh e a v yc a l i b r eo ff l o wf l a tw a t e rs u p p l yp i p e ；w a t e rh a m m e r o fc a v i t i e sc o l l a p s i n g ；b o x t y p et w o - w a ys u r g et o w e r ；w a t e r h a m m e rp r o t e c t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：唧磅 岬年s 月弓) 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 铷一穆掳 娴年5 月岁j 日 i 一年5 刖1 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水锤现象综述 1 1 1 水锤的成因及分类 在压力管道中因流速剧烈变化引起动量转换，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。水锤也称水击，或称流体( 水力) 瞬变( 暂 态) 过程，它是流体的一种非恒定( 非稳定) 流动，即液体运动中所有空间点处的一切 运动要素( 流速、加速度、动水压强、切应力与密度等) 不仅随空间位置而变，而且随 时间而变【。外部的边界条件，如阀门或水泵的特点、管路布置特点和管材、水池中水 位高低及变化等等，均通过水流的物理性质而对水锤现象其作用的。 现在，国内外普遍将国内外管路系统所发生的多种多样的水锤现象，一律称为“泵 站管路系统水力过渡过程 ，这一名词不仅覆盖了所有水锤现象，而且科学地概括了在 泵站管路系统当中，从某一稳定状态过渡到另一稳定状态的过程中所发生的非稳定的一 切。 水锤发生的物理原因主要是液体具有惯性和压缩性。液体惯性维持原有运动状态， 流速突然改变导致液体压缩或膨胀而使得压强急剧变化；反之，液体两侧受力变化也可 导致流速改变。一般来说，输水管道系统中过渡过程的起因大体有：启泵和停泵，机组 转速发生变化或运行不稳定、动力故障，空气进入泵或管道系统，泵内发生回流，阀门 启闭，线路分流、集流等。其中以事故停泵引起的水锤尤为严重。 从不同的角度划分，水锤可分为以下四种： 1 按关阀历时疋与水锤相的关系，分为直接水锤和间接水锤 在水泵站中所发生的水锤通常是间接水锤，其过程十分复杂，或者先是间接水锤， 随后发生直接水锤。 2 按水锤成因的外部条件，可分为启泵水锤、关阀水锤和停泵水锤三种 启泵水锤常在管道首次或检修放空等管道中含有大量的气体的情况下充水，阀门开 启过快或管路排气不畅时发生；关阀水锤是关闭阀门过程中发生的水锤现象。通常，按 照正常的关阀程序操作，不会引起很大的水锤压力变化；停泵水锤是由于水泵机组突然 断电而造成开阀停车时，泵站及管路系统中所发生的水锤现象。事故停泵工况引起的水 第一章绪论 力过渡过程通常是严重的。根据调查统计，在城市供水及工业企业的给水泵站中，大部 分水锤事故都属于停泵水锤事故【。 3 按水锤水力特性，分为刚性水锤和弹性水锤理论 前者计算比较简单，计算结果偏大；后者计算虽复杂但结果比较符合实际，对于高 扬程长距离管路系统进行水锤计算时，应采用弹性水柱理论，以得到较为准确的结果。 4 按水锤波动的现象，分为水柱连续的水锤现象( 无水柱分离) 和伴有水柱分离 的水锤现象( 断流空腔再弥合水锤) 。 1 1 2 水锤的危害 泵站中发生水锤事故的现象是较为普遍的，其中以地形复杂、高差起伏较大的我国 西北、西南地区，尤为突出。根据以前各地区2 0 0 次以上有记录的水锤事故调查可看出： 泵站中多数水锤事故的结果是轻则水管爆裂，止回阀的上盖顶或壳体被打坏大量漏水， 造成暂时供水中断事故；重则酿成泵站被淹毁，泵船沉没等严重事故。个别的，还因泵 站水锤事故，造成冲坏铁路路基、损坏设备、伤及操作人员造成人身伤亡等次生灾害。 在农田灌溉泵站中，常常是扬程高、流量及功率较大，故其水锤危害及影响毫不亚于给 水工程系统，人们还特别将泵站水锤危害列为泵站三害( 即水锤、泥沙、噪声) 之首【l 】。 在有压管道泵站水力过渡( 水锤) 过程中，管道出现负压或压力降到饱和蒸汽压以 下而导致水柱分离，并在该处形成空气腔，它将连续的水柱截成两段，当分离开的两水 柱再重新弥合即空腔溃灭时，由于两股水柱间的剧烈碰撞会产生具有直接水锤特征的压 力很高的“断流弥合水锤”。弥合水锤升压很大，根据有关理论计算，排气不畅引起气 爆压力最高可达2 0 - 4 0 个大气压，其破坏力相当于静压4 0 8 0 个大气压，足以破坏任 何供水管道，它是水泵供水系统中最具有危害性一种水锤撞击波动，比常见的传统水锤 危害要严重的多。据原武汉水利电力学院的水锤专家们提供：生产实践中的长输水管路 中所出现的管路破裂，7 0 - - 8 0 与水柱分离有关1 2 。可见，断流弥合水锤的危害是很 大的，管线防护的重点将是断流水锤防护。 1 2 国内外水锤防护研究综述及发展概况 1 - 2 1 国外研究综述及发展概况 水锤的研究历史最早可以追溯到1 9 世纪关于波的传播理论的探讨。水力过渡最早 是从探讨声波在空气中传播和波在水中的传播以及血液在动脉中流动开始的。根据输水 方式的不同，可将水力过渡划分为：( 1 ) 压力管道水力过渡过程；( 2 ) 明渠水力过渡过 2 长安大学硕士学位论文 程；( 3 ) 明满交替水力过渡过程。但是，直到弹性理论、微积分学以及解偏微分方程的 方法建立以前，这些问题都不可能精确地获得解决【3 】。 拉格朗日( l a g r a n g e ) 4 1 对声波在空气中的波速作了理论分析以及实验测验。并于 1 7 8 8 年分析了可压缩与不可压缩的流动，发展了速度势的概念并推导出了明渠中波速的 正确公式c = , g h ，h 为水深。 欧拉( e u l e r ) 建立了更为详细的弹性波传播理论并导出波传播的偏微分方程。1 7 8 9 年，蒙吉( m o n g e ) 提出了偏微分方程的图解法，并提出了特征线法这个名词。 y o u n g 5 】研究了管道中压力波的传播。赫尔姆合尔茨( h e l m h o l t z ) 首先正确指出， 水在管道中的压力波速较其在无围限的水中高是由于管壁有弹性引起的。韦伯( w e b e o 研究了弹性管中的不可压缩流体的流动并做了决定压力波速度的试验，他建立了运动方 程和连续方程。1 8 0 8 年拉塞尔( r e s a l ) 1 6 j 发展了连续方程和运动方程，提出了二阶波动方 程。这些方程是我们研究的基础。 首先对水锤问题进行研究的是意大利工程师门那布勒( m e r l 2 l b r e a ) 0 7 1 。他在1 8 5 8 年发 表的文章中，不同于前人只注意波速，而把着眼点放在由波的传播所引起的压力变化上 面。他利用能量原理，考虑了管壁和流体的弹性，导出了波速公式，说明了水击的基本 理论，从此奠定了弹性水击的理论基础。 同一时期，美国、俄国和意大利的学者分别发表了比较系统的水锤理论的著作。1 8 9 3 年，w e s t o n 和c a r p e n t e r 8 】为建立管道水流流速减小和压力升高的理论关系做了许多实 验，但由于管道太短没有成功。1 8 9 8 年，美国工程师弗里泽尔( f r i z e l l ) p 】在美国土木工 程师协会会报上发表了论文“管道中流速变化所产生的压力 。文中弗里泽尔导出了水 锤波速和由于流速突然变化所产生的水锤压力的公式，并且指出如果管壁弹性模量是无 限大，水锤波速与声波在不封闭的水中的速度等。文中还讨论了分岔管，波的反射以及 连续波对速度的影响等问题。 1 8 9 7 年，俄国空气动力学家儒可夫斯基( j o u k o w s k i ) 【lo 】在莫斯科用不同管长和管径 的长管做了许多实验。根据实验和理论研究，他于1 8 9 8 年发表了题为“管道中的水锤” 的著名论文。文中建立了速度减小与压力升高的关系式，即著名的儒科夫斯基公式；讨 论了压力波沿管道的传播和压力波在出流端点的反射；对调压室、安全阀以及阀门关闭 速率等对水锤的影响也进行了研究；同时发现在关阀时间丁小于等于2 l a ( 其中为管 子长度，a 为波速) ，压力升高达到最大值。 3 第一章绪论 意大利工程师阿列维( a l l i e v i ) i 】稍后于儒科夫斯基，于1 9 0 2 年发表了关于水锤理论 的论文。儒科夫斯基的研究只解决了直接水锤的问题，阿列维则在理论分析的基础上， 解决了间接水锤的问题。他在计算公式中引进了迄今仍在使用的水锤常数。他推导了阀 门处压力升高的计算公式，做出了均匀开启或关闭阀门时，压力升高和下降的图表，便 于实际应用。儒科夫斯基和阿维列的理论在2 0 世纪2 0 年代以前获得了广泛应用。 从1 9 世纪初至2 0 世纪5 0 年代末，伍德( w o o d ) 0 2 】、洛威( l o w y ) 等人提出了图解法， 伯格龙( b e r g e r o n ) 、帕马京( p a r m a k i a n ) 等对图解法做了全面系统的发展。 2 0 世纪6 0 年代初期，美国著名流体力学专家斯特里特v l ( s t r e e t e r v l ) 教授连续发 表几篇论文【1 3 1 4 】，讲述特征线法进行水锤计算的问题。1 9 7 8 年怀利e b ( w y l i ee b ) 和斯 特里特v l ( s t r e e t e rv l ) 合著了( ( f l u i dt r a n s i e n t ) ) 1 5 】一书，书中主要讨论了瞬变流的发 生、发展的机理以及如何减少和防止由于瞬变流动造成的不利影响，并给出了用 f o r t r a n 语言计算瞬变流的方法和程序以及控制瞬变流的工程措施，该书于19 8 3 年 由清华大学译成中文版瞬变流。1 9 7 9 年，加拿大的m h c h a u d h r y 博士发表专著 ( a p p l i e dh y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) ，书中系统地介绍了水力过渡过程的基本原理、数学模型 与工程实用计算方法，以及水电站、核电站、水泵站、输油管道系统中的水力过渡过程、 计算方法、控制过渡过程的实例、电算程序，也涉及压力管道中的水柱分离与共振等问 题。 随着管道水锤研究工作的发展，此后，有许多关于水锤压力的书籍和论文不断发表， 许多学者和工程师在此方面都做出了贡献。在英国皇家学会流体工程分会的组织下，国 际上每隔几年召开一次国际压力涌波会议( i n t e r n a t i o n a lp r e s s u r es u r g ec o n f e r e n c e ) ，总 结和交流这方面的研究工作。我国从第四届( 1 9 8 3 年) 开始有学者参加该国际会议i l 6 。 1 2 2 国内研究综述及发展概况 我国在水锤研究方面起步较晚，目前对水击基本理论的系统论述的资料较少。2 0 世纪6 0 年代，王守仁和龙期泰等人做了大量试验，对后期水锤计算和防护奠定了基础， 特别是对下开式水锤消除器的研列r 7 1 ，为其7 0 年代的普及起到了很好的指导作用。 8 0 年代开始，有关水锤的专著才逐渐问世。1 9 8 1 年，清华大学的王树人主编的水 击理论与水击计算较系统阐述了水击的基本理论和基本方程式的推导，并给出了简单 的电算程序【1 引。其后，随着瞬变流 1 9 1 和实用水力过渡过程 2 0 1 两本书的中译版 的出版，我国关注水锤的科研人员日趋增多。刘竹溪、刘光临等人将计算机技术用于国 内的泵站水锤计算中，并发表多篇论文涉及到水泵的全面特性曲线的研究。刘光临等人 4 长安大学硕士学位论文 将特征线法应用于工程实际，通过对两阶段关闭蝶阀在事故停泵时的关闭过程进行了优 化 2 1 , 2 2 , 2 3 】，还对单向调压塔水锤防护进行了深入研究，提出了用单向调压塔防止“水柱 分离”的技术方案【2 4 1 。原西北建筑工程学院的金锥对断流弥合水锤进行了大量的实验和 理论研究，并将其成果收于停泵水锤及其防护【l 】一书中。奕鸿儒等人在泵站水锤的 试验和计算方面做了大量的工作，发表的论文对国内常用的两阶段关闭蝶阀、逆止阀和 微阻缓闭止回阀等在工程中的正确应用起到了指导作用 2 5 , 2 6 】，在系统总结前人成果基础 上，对进一步进行瞬变流的研究起到了积极的作用。液控缓闭蝶阀是我国科技人员8 0 年代开发的一种新型水锤防护设备，通过调节阀门的关闭时间和角度( 可分为快关和慢 关) ，来有效预防水锤的发生【2 7 】。长安大学的杨玉思经过多年苦心研究，1 9 9 8 年成功研 制出一款气缸式排气阀，极大改进了之前浮球式排气阀的缺点，并发表多篇论文对气囊 运动危害和排气性能要求做了系统总结。2 0 0 7 年初，杨玉思针对辽宁大伙房建设工程中 调压塔的高度问题，对调压塔塔高做了改进，研制出箱式双向调压塔这种新式的水锤防 护设备，并进行了初步实验研究，取得了各位专家的一致认可。 随着计算机的广泛应用，水锤及其防护问题的理论研究和实际应用两个方面都获得 了相当程度的进展，整个水锤研究体系日趋完善，研究范围也日益扩大。近年来，由于 管道系统中因出现水柱分离及其再弥合现象而造成的水锤事故时有发生。目前国内外有 关流体瞬变流的研究已深入到气液两相瞬变流水锤问题和有压管路中两相瞬变流的流 体一结构藕合作用( f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n 简称f s i ) 【2 8 2 9 , 3 0 3 1 1 。国内水锤专家们经过 多年努力，水锤研究水平己取得长足的进步，但与国外相比仍有较大差距，尤其是在管 网水锤分析方面。由于实际工程系统瞬变分析的计算模型、研究方法和应用软件均属知 识产权保护范围，开发研究有关计算软件是我们的重要任务。同时如何更加经济、有效 地防止水锤事故，根据实际情况寻找最优的防护对策将是一项长期地研究课题。 1 2 3 发展动态 综合研究国内外的水锤研究发展现状可以得出，目前国内外水锤研究的动态主要集 中在以下两个方面： 1 对水锤理论的进一步深入研究 国内外对于断流水锤的研究也有较大的进展，目前，由于城市管网爆管现象严重， 诸多研究人员都将管网的水锤防护作为管网防保管的技术核心。水锤研究的另一新领域 是对水锤防护设备的研发。近年来，水锤防护设备层出不穷，例如：水锤消除器、缓闭 止回阀、水锤吸纳器、超压泄压阀、液控蝶阀等等。虽然这些防护设备都还存在着一些 5 第一章绪论 问题，但随着研究的进一步深入，以及与机械加工领域的进一步结合，必将会有完善的 产品问世。 2 水锤的计算机模拟 随着计算机的快速发展，水锤的计算机数值模拟也成为水锤研究的新领域。早期的 水锤计算多采用图解法或数解法，从8 0 年代开始采用计算机模拟。目前，水锤计算软 件的制作是众多水锤研究人员较难突破的课题。国外水锤软件主要以美国h u m m e r 软件 为代表，国内尚未发现相关软件问世。 目前国内计算机模拟主要集中在两个方面。一方面是计算的准确度，研究人员主要 通过推导更加准确的边界条件，使计算结果与真实值更加接近；另一方面是对水锤的动 态模拟，研究人员通过对计算机领域的深入研究，使水锤计算结果以动态的图表过其他 形式更加直观、方便的展现在人们面前，而不再是复杂的计算数据，省却了大量的数据 分析时间，同时可以更加直观、快捷的判断计算结果与真实现象的符合程度。 1 3 本文研究的主要内容 本文针对长距离大管径较平坦输水管路的水力特点，在总结前人的研究成果基础 上，分析了长距离输水管线上气液两相流的特点和有压输水管道气囊升压机理，对排气 阀的工作原理和性能进行了深入研究，并对排气阀的选择进行了分析、评价。 系统阐述了水锤基本方程式及其特征线法，分析了各种水锤防护措施的工作机理， 建立其边界条件和求解的数学、水力学模型，并提出在以特征线法计算水锤升压时，必 须充分考虑到设备的性能，应该根据设备的具体性能来设计合适的边界条件。 以快速注气、恒速缓冲排气作为主要手段，提出长距离大管径平坦输水管道的各种 水锤防护措施，如：水泵出口设缓闭止回阀、管道设超压泄压阀或箱式调压塔、安装止 回阀等；并提出了水锤综合防护的计算机数值模拟的重要性。通过辽宁大伙房鞍山加压 泵站下游段、营口石门以及葫芦岛供水工程的水力过渡过程分析，结合恒速缓冲排气阀、 超压泄压阀、箱式调压塔等的特性，以特征线法为计算方法，充分考虑设备选择对水锤 计算以及实际水锤升压的影响，建立多级防护的水力计算模型和合理的求解方法，并通 过计算分析，提出水锤综合防护的最佳推荐方案。 6 长安大学硕士学位论文 第二章平坦输水管道断流水锤特点 2 1 平坦输水管道气水两相流态及转化 2 1 1 长直有压输水管道常见六种流态 在城镇有压输配水管道中，由于设计流速一般不大，管道中的气体多以气囊形式 存在于管子上部。在多起伏的管道中，气囊多存在于管道的凸起点；而在坡度小，较平 坦管道中，气体则以众多相互独立的大气囊形式分散存在。据美国著名水锤专家马丁教 授的研究理论，较平坦的供水管路呈现六种气液两相流状态【3 2 】。 ( 1 ) 层状流( 充水前期) 管中液相比例较小，气相和液相的流速都不大，这时气相和液相分别在管的上层 和下层流动，气、液间具有平滑的界面。 ( 2 ) 波状流( 充水中期) 液相比例加大气相比例减小，液相流速较小，气相流速较大，则下层液体在上层 流速较高气流作用下，呈现波状的界面，即为波状流。 ( 3 ) 段塞流( 充水后期) 液相比例继续加大，气相比例继续减小，管中形成液相和气相互相间隔的段塞状 流动，称为段塞流。气团与管壁间有一层液膜，液段中则夹杂着许多小气泡。 ( 4 ) 气团流( 充水后期) 液相流速较大，气相流速较小，气相形成长条形的气团，聚集在水平管上部，随 液相流一起流动。 7 第二章平坦输水管道断流水锤特点 ( 5 ) 泡沫流( 瞬间出现并迅速转化成气团流) 液相在强烈的扰动下与气相混合或气相从液相迅速析出时， 滥錾三一 ( 6 ) 环状流( 瞬间出现并迅速转化成波状流或段塞流) 气相流速很大，液相被气相吹铺成沿管壁周边的环状液膜， 运动。 形成泡沫。 气相在环膜中间高速 2 1 2 六种流态的产生阶段及相互转化 ( 一) 六种流态的产生阶段 层状流主要产生于通水开始阶段，管中水量较小，气液两相流速都较低。 随着管中水量的增加，管中气体压缩，液相流速变化不大，气相流速变大，此 时产生波状流。 当管中已充入大量的水，气相形成长条形的气团，聚集在水平管上部，形成段 塞流。 进一步开大阀门，液相流速变大，产生气团流。 当管中液相发生剧烈扰动时，气液发生混合或出现负压气体从水中析出时，产 生泡沫流。 环状流仅在气液两相非稳定流动的某些特殊情况下出现。 ( 二) 六种流态的相互转化 ( 1 ) 层状流一波状流一段塞流 8 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 气团流一段塞流 正互；3 ( 3 ) 泡沫流一气团流 ( 4 ) 环状流一波状流 匡重雪一匠三l 由以上六种流态的转化p 3 1 分析可以发现，在长距离输水管路中，段塞流是气液两相 流的最终转化形式。因此在长距离输水管路上选择某些水锤防护设备时必须考虑到长距 离输水管路中水的流态形式。 由于有压输水管道存气的主要形式是段塞流，即气体以不连续的多个或独立气囊存 在于管顶。其气囊长度和占过水断面面积取决于气体含量、管径大小及管道纵断面条件 等等。理论研究和实践表明，气囊沿管顶随水流运动，易在管道转弯凸起、变径、阀门 等处产生聚集，并产生压力振荡。由于管网水流速度和方向具有很大的随机性，气囊运 动引起的压力升高将在很大程度上取决于水流速度变化的剧烈程度。国外有关实验表 明，其压力可高达2 0 0 多米水柱【1 9 1 ，足以破坏一般供水管道。此外值得注意的是，长期 在管网中运动的气囊，其体积的大小随所到之处的压力大小变化。这进一步加剧了含气 水流的压力波动，造成管道爆裂增多。管道含气危害由含气量的大小、管道构造以及运 行操作等等因素有关决定，给有压输水管网造成了很大的危害。 第二章平坦输水管道断流水锤特点 2 2 有压输水管道气囊的危害 2 2 1 显性危害 ( 1 ) 排气不畅造成通水困难 在水气相间时，浮球式排气阀的大排气口的作用几乎为零，仅靠微孔排气，造成了 严重“气堵”，空气排不出，水流不畅，通水期间需进行人工压球辅助排气，还经常造 成管道的其他故障，通水短则数月，长则数年才能完成。典型的是我国华北某大城市重 力流输水管，采用的是日本进口排气阀，通水时每个阀门井派6 个人3 班倒进行人工辅 助排气1 3 4 1 。 ( 2 ) 排气不畅造成水阻增大，流量达不到设计值甚至接近于零 我国南方某沿海城市，供水管道长l l k m ，使用浮球式排气阀只能微量排气，造成 管道气阻，运行一段时间，流量降低1 8 ，后将其中7 台排气阀更换成气缸式，才通水 顺畅。西南某市，管径d n l 6 0 0 ，管长约1 5 k m ，沿线装2 1 台浮球式排气阀，试通水耗 时2 年多，输水量达不到设计要求，且运行不稳定，最后更换了1 1 台能大量排气的气 缸式排气阀，才通过验收。西北某大城市，因管道气堵，水厂供水必须每天进行人工排 气，后选用法国、德国的排气阀仍无法解决问题。华北某大城市和电厂也都出现过类似 的现象，后来通过采用气缸式排气阀解决了问题【3 4 1 。 ( 3 ) 排气不畅造成通水及运行期间爆管，供水系统无法正常运行 管道因排气阀只能微量排气而造成爆管的现象很多，根据有关理论计算，排气不畅 引起的气爆压力最高可达2 0 - - - 4 0 个大气压，其破坏力相当于静压4 0 - - - 8 0 个大气压，足 以破坏任何供水管道，工程上最强的球墨铸铁管被破坏都屡见不鲜，各类管道爆管事例 更是不胜枚举，典型的有，东北某市，输水管长9 1 k m ，几年运行爆管达1 0 8 次，沈阳 建工学院的专家经分析后结论为气爆。南方某市输水管仅长8 6 0 m ，管径d n l 2 0 0 ，运行 一年爆管达6 次之多；西北某市，管长1 0 2 k m ，管径d n l 2 0 0 运行两个月爆管3 次。结 论是因排气阀只能是微量排气引起的气爆破坏。后将排气阀更换成能保证大量排气的气 缸式排气阀，解决了爆管问题3 4 1 。 我国中原某市水源地由3 3 口水源井及3 7 k m 管道构成。管道直径d n 3 0 0 d n l 2 0 0 ， 试通水时由两口井向整个系统注水，其余井用阀门关闭，运行工况类似于树状给水管网。 设计运行压力0 2 o 3m p a , 分段试验压力0 7 5m p a ，合格后全线连通试通水7 次，历时 近三年，管道爆裂达1 1 5 处，工程主管和设计方曾多次到北京、上海、武汉、郑州等地 l o 长安大学硕士学位论文 找了几十位知名专家，没得到明确的答复，后经长安大学进一步实验，才认识到爆管的 真正原因是管道排气不畅。最后使该管道上的排气阀在性能上满足水气相问时高速缓冲 排气的要求。再次通水压力达0 4 2 m p a 时，管道安全运行，顺利通过了验收。由此可见， 因管道排气不畅造成的“气爆”破坏，不仅严重，还非常难以被人们甚至是专家所认识。 2 2 2 隐性危害 ( 1 ) 有可能使管道压力不稳，流量调节失准，管道自动控制失稳； ( 2 ) 管道漏水量增加； ( 3 ) 管道故障增多，长期不断的压力震荡造成管道接头及管壁疲劳，引起使用寿 命降低等问题； ( 4 ) 造成管道故障较多，增加了维护管理费用及意外赔偿损失；被迫采用加强管 道，增加工程造价。 2 3 有压输水管道气囊升压机理 如前所述，较平坦管道在充水和运行中可能有六种流态，但其中层状流，波状流仅 在管道充水的初始阶段存在，泡沫流，气团流以及环状流都存在时间较短，或称之为过 渡流态，故一般情况下管道存气多呈段塞流形态或其特例独立的大气囊形态。 管道气囊运动或断流水锤升压主要有三种工况【3 5 】： 2 3 1 气囊在管内运动工况 有压管道内气囊运动产生的压力升高往往类似于断流弥合水锤，其升压值与气囊所 占管道过水断面的大小及气囊两端压差有关。假定某管道中存有的气囊突然聚集，横断 面积为管道断面的1 4 ，聚集后气囊两端压差h 为0 0 1 m ，该管段局部阻力系数之和为1 ， 刚该气囊从静止突然启动，其运动速度v 可达1 2 8 m s ，由气囊运动引起的主管道水流 突然变化a v 为1 2 8 4 = 3 2 m s 。特别值得注意的是，气囊引起的断流弥合水锤升压极快， 往往在不到1 秒就迅速升压到最大值，假定此管段波速为1 0 0 0 m s ，由直接水锤公式可 得流速变化引起的水锤压力升降为3 2 0 m 水柱。足以对管道造成严重破坏。 2 3 2 气囊通过管道中连通阀门，管道出口等工况 著名美国水锤专家v l s t r e e t e r 在其所著瞬变流( h y d r a u l i ct r a n s i e m s ) - - 书中介绍 了一个算例：一条由水池接出的直径为l m 、长度为6 1 m 的单一管道，水池水位为3 0 m ， 距管道末端1 2 m 一段存有空气，管首端阀门在0 9 5 s 内打开，该管段开始时绝对压力为 1 0 2 k p a ，在接近2 5 s 时猛增至绝对压力2 3 3 1k p a ( 约2 2 3 米水柱) ，由此可见气囊运动 第二章平坦输水管道断流水锤特点 所引起管道压力振荡的严重程度。 2 3 3 断流弥合的水柱撞击工况 当管道流量调节过快或突然停泵等造成局部压力骤降，并出现断流空腔时，空腔两 端的水柱会在压力波反射后迅速回冲，弥合断流空腔，并引起较大的水柱撞击升压，称 之为断流弥合水锤。断流弥合水锤升压大小与其空腔内含气量及排出方式等有关，最大 日：f l a y 升压可按直接水锤计算公式，即 g 计算。 ( 2 1 ) 式中：h 一断流弥合升压( 米水柱) ； 卜波速，一般为8 0 0 1 3 0 0 m s ； r 重力加速度，9 8 1 m s 2 ； 么v 一流速变化( m s ) 2 4 各工况预防压力波动分析和最佳排气方式 2 4 1 管道初次充水 充水时管道内水力条件复杂，随着管道复杂程度的不同，气囊会在不同的位置聚集 和分散。尤其在逆坡处，气囊有可能随水流运动，也有可能静止在某一处或逆水流动。 压力输水管道的充水启动应编制运行操作规程。运行操作规程的编制要考虑输水管道稳 定流、非稳定流各种工况，并结合输水管道高差、距离长短、布置形式、管流形态和管 道各种附件的动作性能等因素，必要时可请有关专家指导或参加编制。 管道充水的流速控制相当重要，根据有关工程实际经验和相应理论计算，有压输水 管道充水时，充水流速控制在0 3 o 5 m s 效果较好。太低流速带不走管道存气，不利于 管道排气，也使通水时间过长；太高流速可能使管道充水速度大于排气速度，造成气堵， 引起压力振荡。 保证输水管道安全充水启动的关键是排气顺畅，要求管道上所安装的排气阀做到无 论管道处于何种流态，都能够打开大、小排气口高速排气。在水气相间时，仅微量排气 是不能满足较大管径输水管道充水启动要求的【j 6 1 。 2 4 2 运行阶段 压力管道或管网正常运行时，管道内气囊主要是以段塞流形式存在。在非稳定情况 下有可能出现泡沫流或气团流。在这两种流态下气体无法直接排出，并且这两种流态为 非稳定状态，很快会转化为段塞流。 由于管网中气囊随水流运行，较平坦管道中气囊运行速度大体与水流同速。当气囊 1 2 长安大学硕士学位论文 运动到排气口时要求排气阀能够快速打开高速排气，否则气囊将会运行到别处。不难理 解，管道中气囊排出的越早，运动的距离越短，管道越安全。因此，在这种工况下，排 气阀具有水气相间条件下大量排气功能是必须的，又由于正常运行的管道压力一般都大 于0 2 m p a ，排气阀在大量高速排气结束时，还应缓冲关闭，才能保证安全。 2 4 3 停泵( 或关阀) 突然停泵( 或关阀) 在其压水管路上可能产生两种断流空腔，即真空型或空气型， 真空型断流空腔产生的条件是断流发生处负压值接近水的饱和蒸气压，一般约1 0 r e 水 柱，且该处管道密封良好，无进气装置，这种空腔弥合时水柱撞击常为直接水锤，因撞 击升压很高，且管道过大的负压也会造成饮用水的污染问题，城市供水系统一般都不允 这种工况的存在。 有压供水管道出现空气型断流空腔时，可因其注排气装置性能的不同分为三种工 况： ( 1 ) 断流处仅装真空破坏阀( 或性能差的浮球式排气阀) 。此种情况相当于仅注气 不排气，断流空腔相当于空气缸，其缓冲能力的大小与气囊的大小，即注气量有关，其 断流弥合升压的大小可用空气罐体积公式计算，即： w = 三矿2 ( 门一1 ) 啦h 勺 2 ， 式中：y 水的密度( 采用y = o 0 0 1 k g f f c m 3 ) ； g 重力加速度( 采用g = 9 8 l c m s 2 ) ； v 管中水流速度( c m s ) ； a 水管断面面积( c m 2 ) ； n 气体膨胀多变指数( 空气采用1 2 ) ； w 空气体积； p l ，p 2 断流弥合时水柱撞击前后压力值( 单位为：9 8 1 k p a 或o 1 m p a ) 。由上 式可得： 纠 警+ t 6 他3 ， 由此可见，空气囊只有较大体积时，其缓冲作用才较为明显，当注入空气较少时， 1 3 第二章平坦输水管道断流水锤特点 特别是大管径的管路时，其缓冲作用几乎没有，故这种工况断流水锤升压应通过计算再 下结论，否则很难预测。 ( 2 ) 断流处安装在一定压力下起球的浮球式排气阀； 目前，工程中对浮球式排气阀起球压力( 浮球被空气冲起，堵住排气口，终止排气 的压力) 的要求大体上有三种，即o 0 6 m p a ，0 1 m p a ，0 4 m p a ，当断流空腔压力达到其 起球压力时，浮球将突然堵住排气口，引起较高升压，而剩余空气量也少于前一种工况， 故缓冲作用进一步降低，其断流弥合升压可能更大，尤其是当断流处有水气相间的段塞 流态时其效果可能更坏。 ( 3 ) 断流处安装水气相间条件下可大量并缓冲