长距离浆体管道输送水锤现象及其防护分析

第１２卷　２０１２在　第７期　７月　中　国水运　Ｃｈ　ｉ　ｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｖｏ１．１２　ＪｕＩ　ｙ　Ｎｏ．７　２０１２　

长距离浆体管道输送水锤现象及其防护分析　

李　景，孙　萍　

（沈阳大学机械工程学院，辽宁沈阳ｌ１００４４）　

摘要：随着长距离浆体管道输送的日益发展，管道运行中的水锤问题也亟待解决。浆体水锤与清水水锤因输送物　

料的不同而存在较大差异，浆体水锤的研究分析较之更有难度，对浆体水锤的研究和防护分析也显得尤为重要。　关键词：长距离浆体管道输送；浆体水锤；清水水锤；防护分析　中图分类号：ＴＵ９９１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６－７９７３（２０１２）０７—０２６１－０２　

前言　

近几十年发展起来的长距离浆体管道输送技术以其独特　

的优点逐渐发挥着不可替代的作用，并与铁路、公路、水运　

和空运共同构成了当代的五大运输体系。我国的长输浆体管　

道在技术上的发展取得了很大的进步，但是在理论和设计等　许多方面还存在问题，而关于运输过程中的浆体水锤现象的　

预防以及防护问题就是其中之一。浆体水锤在浆体管道输送　过程中是经常发生的，它可能导致管道的振动、噪声、管道　

破裂、跑浆、泵和阀等设备的损坏，严重时会引起爆炸、泵　

站被淹等。我国有多例水锤事故发生，都给生产和生活带来　很大的影响和损失，国外也有大量的水锤事例，１９８５年发　

生于加利福尼亚的圣俄罗费尔核电厂的空泡溃灭水锤事故，　

就使得该核电厂被迫停堆。随着浆体管道输送的日益重要，　其安全运行则成为必须考虑的任务，对水锤现象的研究、分　

析、计算、预防和防护也尤为重要。　

一、浆体水锤原因　

浆体水锤（也称浆体水击）是发生于浆体管道输送过程　

中的一种压力波动，由于浆体流速的突变，造成的管道系统　内压强剧升和剧降的交替变化的现象。　

造成浆体水锤的原因很多，如关阀或开阀过快、泵的突　

然停止运行、管道内有异物堵塞管道、管道的自然落差较大　以及人员的操作失误等等，但是都可以归结为内部因素和外　

部因素两种。内部因素是流动浆体的可压缩性与惯性，可压　

缩性使浆体体积减小，惯性则为浆体水锤提供了能量。外部　因素大致为辅助浆体运输的设备造成的，阀的启闭、泵的启　

停、管道落差等都有可能造成水锤。　

以阀的启闭为例，如图１示。　

一门Ａ　

曩一　

图１水锤现象示意　

当缓慢地关闭阀门Ａ时，管道内浆体的流速变化较小，　

不会引起压强的剧变，此时无水锤现象。浆体水锤发生时的　压力用Ｊｏｕｋｏｗｓｋｙ公式表示　

：　ｇ　

式中：ｈ一水锤压力（Ｍｐａ）；　

Ｖ粒一管道内浆体流速（ｍ／ｓ）；　ａ　一浆体水锤波速（ｍ／ｓ）；　

ｇ一重力加速度（ｍ／Ｓ）。　从式中可以看出，浆体水锤压力与浆体流速成正比，浆　

体水锤波速会随着阀门前的水压的愈高而愈大，所以快速启　

闭阀门时，管道内浆体流速即有很大变化，继而产生压力的　

急剧升降。若快速的关闭阀门Ａ，为关阀水锤。同理，也存　在开阀水锤。。　二、浆体水锤分类　

（１）直接水锤和间接水锤，此为按关阀时间Ｔｓ分类。　

如上图１，当关闭阀门Ａ时，引起的水锤波动会向泵站处传　播，传播时间【２】为：　

：丝　（２）　

ａｍ　

式中：　一管道长度（ｍ）　当Ｔｓ≤Ｔ时，阀门Ａ处受直接的波动压力，不受水锤反　

射波的影响，此时的水锤为直接水锤。当Ｔｓ＞Ｔ时，阀门Ａ　

处的水锤为间接水锤。　（２）启泵水锤、关阀水锤和停泵水锤，此为按造成水锤　

现象的外部因素分类。如图１示，启泵前泵站出口管道处于　

充水状态，当突然启泵时，出１３管道内的滑水由突然静止转　向运动，由于清水的静止惯性，在其上游突然接受泵站开泵　后的正面冲击，从而产生正压水击［３１。因关闭阀门造成的水　

锤现象为关阀水锤，阀门的正常关闭一般不会引起水锤现象，　

但是如果阀门被突然闭合或打开或是遇到一些意外事故时，　

就会出现不同程度的关阀水锤。停泵水锤是指泵机组因突然　

的因素（如人员操作失误、外电网事故跳闸、自然灾害等），　造成的泵和管路中浆体流速发生递变引起的压力交替变化现　

象。　（３）真空不满流和弥合水锤，此为按水锤波动的现象分　

收稿日期：２０１２—０４—０１　作者简介：李景（１９９０一），女，沈阳大学机械工程学院硕士生，研究方向为长距离浆体管道输送技术。

　２６２　中国水运　第１２卷　

类。在长距离的管道输送中，如管线翻越山峰后，自然落差　较大，管流除克服满管流的阻力外还会有剩余的位能，如果　

不采取措施消能，管道内流体就会自动加流，形成真空不满　流【　。发生水锤时，有时管道内会出现空管段的现象，当空　

管段两端的水柱重新弥合时，两股水柱就会发生猛烈的撞击，　

因而造成压力剧变的弥合水锤。　三、浆体水锤压力增值的工程实例　从Ｈ．Ｅ．茹可夫斯基导出的一相流水击波传播速度计算　公式中推导出的两相流水击波传播速度公式ｌ３　为：　

厂—　一　・一　＋　（３）　

式中：ａｍ一浆体水锤波传播速度（ｍ／ｓ）；　Ｅ　一清水弹性模量，Ｅ　：２，１　００ＭＰａ；　

ｐ　一浆体密度（ｋｇ／ｍ。）；　Ｃｖ’＿一浆体体积浓度；　

Ｄ一管道内径与外径平均直径（ｍｍ）；　

Ｅ～管道材料弹性模量（ＭＰａ）；　６一管道壁厚（ｍｍ）。　浆体水锤发生后的压力增值『３】为：　

△Ｐ＝一Ｐ　ａ　Ａｖ（Ｐａ）　（４）　式中：△Ｐ＿一水锤后的压力变化（Ｐａ）；　

△ｕ一水锤后的流速变化（ｍ／ｓ）。　以某铁矿采用的型号为ＬＳＧＥ一３００的水隔离浆体泵为　

例计算发生水锤时的压力增值。　表１主要计算参数　

压力（ＭＰａ）　

浆体密度Ｐ　（ｋｇ／ｍ３）　

浆体体积浓度ｃ　

平均直径Ｄ（ｍｍ）　

管道壁厚８（ｍｉｌ１）　

材料弹性模量Ｅ（Ｍｐａ））　

浆体流速变化（ｍ／ｓ）　

根据公式（３）以及代入表中参数，　

有浆体水锤波传播速度为：　２１０ｏ＜１驴　ａ１ｎ　１．４８７（１—０－５＋　！ｏ０兰　３，６１６ｍ／ｓ　２ｌ００００＜２０＂　水锤后的压力增值为：　

ＡＰ＝一１．４８７×３，６１６×２．７６＝１４，８４０．４９Ｐａ　由此看出，浆体水锤会产生很高的压力增值，必须采取　

措施来对浆体水锤进行防护，否则会给管道设备带来极大的　危害。　

四、浆体水锤的防护分析　

浆体水锤产生的原因很多，针对不同情况下的浆体水锤　

需要采取不同的防护措施来减轻其危害。　（１）针对开阀与关阀水锤的分析。由式（４）可知，直　

接水锤的流速变化大于间接水锤的流速变化，所以直接水锤　对阀门和管道造成的压力升值和危害较高于间接水锤，故针　

对开闭阀水锤采取的措施是从减慢阀门的关闭速度出发。由　

上式计算结果，设水锤波传播速度ａ　＝３，６　１　６ｍ／ｓ，管道长　

度Ｌ＝４０ｍ，则根据式（２）得出水锤波传播历时　

２Ｘ４０　Ｔ＝—　＝０．０２２ｓ，则阀门的开闭时间就应该远大于此时间。　

（２）针对启泵水锤的分析。此种水锤是从高压转向正常　工作压力，泵站后的一段管线上一般都设有防护阀门，在管　

道被充满后开启此压水阀不会引起启泵水锤，所以，此防护　

阀门的开启不能过快而且要在管道将被充满后开启。　

（３）针对停泵水锤的分析。浆体水锤不能采用泄出浆体　降压的方法，一是因为泄出浆体会污染环境，二是因为浆体　

粒度一般较大会使阀门不灵活，故此方法不可取。针对浆体　水锤一般采用蓄能装置来缓解水锤压强。采用空气罐降低水　

锤压力的方法，其空气罐形式ｆ２ｌ如图２示。　

１一管道；２一联接阀；３一泄水阀；４一充气阀；５一安全阀　

图２实用空气罐示意图　

（４）针对真空不满流的分析。从产生真空不满流的原因　

出发，消除管道因自然落差较大而引起的多余位能可以预防　

其发生，适用于两相流管线的比较普及的方法是在管线中串　入孔板消能器，巴西萨马科铁精矿和我国平川均设计有此类　

孔板消能设备。　

（５）针对断流弥合水锤的分析。从减小管道因断流产生　的负压出发，在可能出现负压的管段安装排气阀或进气阀。　

另外，浆体水锤的防护还要结合具体的工程，根据实际，　

进行具体分析，通过对水锤的计算分析，得出最优防护措施，　使管道免受水锤危害，浆体安全可靠的输送到需求地点。　

五、结语　从上文的分析中可以看出，长距离浆体管道输送中水锤　

的危害是不容忽视的，必须引起重视。由上文可知，浆体水　

锤的分类以及产生的原因和部位有很多，浆体水锤引起的压　

力增值很高，所以针对不同的浆体水锤必须采取不同的有效　的防护方法。　

参考文献　【１】石桥多闻．赵洪宾，王永淳译．给水工程的事故与防止措施　

ｆＭ］．北京：中国建筑出版社，１９９８．　【２】费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学【Ｍ１．北京：清华大学　

出版社．１９８１．　

【３Ｊ３王绍周．粒状物料的浆体管道输送［Ｍ　Ｊ－北京：海洋出版社，　

】９９８．　４　％０　¨　一　耋耋　２