浅析压力输水管道水锤现象的预控

浅析压力输水管道水锤现象的预控

姓名：张新华

单位：上海同盛水务有限公司

身份证号：310225197307272215

【摘要】：因启停水泵、启闭阀门和突发爆管事件等会使整体压力流体管道骤然发生急剧变化，特别是明装压力管道容易产生位移现象，若局部管段压强过高会引起管道破裂，而局部管道压强过低会收起“负压”对柔性大口径输高压管道伤害很大，特定条件下对阀门、管道和固定件损害很大，因此输水管道预防水锤发生对自来水行业的运行和管理极为重要。本文通过洋山深水港供水工程项目具有代表性的洋山港一期输水管网建设和运营、洋山港区港外供水管网建设和运营和洋山港三期供水扩建“高架曝气活性炭吸附池＋内压式超滤膜”新组合工艺建设和运营，这3个代表性项目的预防水锤预防和控制，分析水锤对输水管道和设备设施的影响，并探索实际运营过程中普通操作工人操作而引起的突发管段水锤的预防措施，对其它自来水行业输水管网的运行与管理提供参考。

关键词：水锤现象；输水管道；危害因素；预控措施

一、水锤简介

水锤又称"水击"。是指在密闭管路系统内，由于流体流量急剧变化而引起较大的压力波动并造成振动的现象，其瞬间压力可大大超过正常压力，并经常产生破坏性影响，由水锤产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍，这种大幅度压强波动，可导致管道系统产生强烈振动或噪声，并可能破坏输水管道、阀门等设备设施，对管道系统有很大的破坏作用。水锤效应有极大的破坏性:压强过高，将引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。在极短的时间里，水的流量从零猛到额定流量，由于流体具有动能和一定程度的压缩性，因此在极短的时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高和过低的冲击。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管道一样，故称为水锤效应。

二、洋山深水港供水基本情况

（一）洋山港一期输水管网建设和运营情况。港区由大陆供应淡水，从水源来自南汇自来水公司惠南水厂的清草沙水库淡水。清水供至临港新城供水管网并转输至港城专用增压泵站（即专供洋山深水港用水的增压泵站），经增压后通过沿东海大桥敷设的线路总长约32.4km 的 2 根 DN500 钢骨架聚乙烯复合管转输至洋山港区高位水库，供水规模为16000m3/d。给水泵站1处、DN100双向自动排气阀198套、陆上段倒虹管2处、洋山高位4000m3清水池2只、临港2000m3清水池1只，低点常态化压力0.58MPa，最高点压力0.03MPa，东海大桥箱梁内输水管道采用明敷及活动支架固定，2005年10月建设完成，运营至今。

（二）洋山港区港外供水管网建设和运营情况。港外市政给水管道全长128公里左右、管径最大为DN500、最小口径DN100、管材选用给水化工管道（钢骨架聚氯乙烯复合管）和球墨铸铁管，采用自重力双管环形供水，DN100双向自动排气阀16套，港区常态化压力0.43MPa，最高点常态化水压0.02MPa，用户单位共56家，没有居民用户。

（三）洋山港三期供水扩建“高架曝气活性炭吸附池＋内压式超滤膜”新组合工艺建设和运营情况。该工程为目前国内市政供水中规模最大的内压式超滤膜水厂，成为新工艺、新技术的示范工程，为今后的更大规模化市政净水工艺的运用提供了宝贵经验，设计了高位曝气活性炭吸附池，在活性炭吸附前曝气，使活性炭床处于富氧状态，提高活性炭床去除有机物的能力并延长了活性炭使用寿命，活性炭吸附池冲洗采用水冲洗，分经常性小流量冲洗和偶尔的大流量冲洗两种反冲洗模式，冲洗水泵置于叠合水池和超滤膜处理车间中间。活性炭反冲水泵自曝气活性炭反冲洗清水池吸水，排水舌阀排出的废水向下流至炭反冲洗废水池。二层的曝气活性炭反冲洗清水池和废水池有效容积130m3。柱状超滤膜采用海南立升公司的LH3－1060－V型内压式合金PVC超滤膜，中空纤维内径1.0mm，单支膜标准膜面积40m2。采用全量过滤运行模式，一级超滤膜设计回收率85％，二级超滤膜设计回收率75％，系统总设计回收率96％，DN50双向自动排气阀12套，DN100排气阀1套，DN100通天透气管1根，正反冲洗给水水泵及化学冲洗泵8只，气动蝶阀78套，气动调流蝶阀1套，制水设计总规模1.6万m3/d，2008年12月开始运营至2015年5月由于水源使用清草沙水库淡水符合原水要求后停用。

三、建设和运营期间水锤对管道的影响及解决的措施

（一）洋山港一期输水管网建设和运营期间的影响及解决的措施

（1）洋山港一期输水管网建设期间的影响及解决的措施。一是在做整体试压期间，由于试压泵的启停及爆管（输水管道软连接部件损坏），在东海大桥梯级箱梁内的明敷管道产成水锤现象，造成部分明敷管道产生位移和部分支架的损坏，经过分析：“是由于通水试压明没有安装双向自动排气阀，施工人员手工排气不净，而造成大桥梯极输水管道内高点及部分低点管道内包含了大量空气，致使输水管道产生较大的水锤现象，水锤现象致使部分管道产生剧烈震动和较大位移。”解决措施是：“试压期通水前需安装双向自动排气阀，在安装后整体试压顺利，存在问题得到解决。”

二是试运营期间，由于高压力大容量增压水泵的不当启停产生水锤现象，东海大桥梯级箱梁内的明敷管道瞬间振动加剧，高点明敷管道产生位移，经过分析：“是由于由于操作工启停水泵不当和高点双向自动排气阀排气和明气量不够，造成大桥梯极输水管道内高点及部分低点管道内包含了大量空气，致使输水管道产生水锤现象，水锤现象致使部分管道产生剧烈震动和位移。”解决措施是：“启动泵房增压水泵明采用手动阀压泵技术，并制订操作规程应用于今后泵房增压水泵的操作；把东海大桥相对高点DN50双向自动排气阀，改为DN100双向自动排气阀，在落实操作规程和改造排气阀口径后，运行稳定，存在问题得到解决。”三是运营期间，由于大桥输水管线抢（维）修的需要，维修人员启闭阀门过快和相对高点阀门关闭不当，致使产生局部水锤现象，造成部分高点输水管道产生负压，阀门低点处管道有吸瘪现象的发生。”解决措施是：“针对检修人员在大桥输水管道检修时，蝶阀启停要分二个段完成，首先是开关阀门听到有明显水流急剧通过阀门阀板时要停止操作2分钟以上，等水流稳定后再缓开闭阀板;东海大桥梯极输水管道相对高点前后没有自动排气阀的检修阀不能关闭，如要关闭需采用人工拆开伸缩节加大排气量后才能关闭，并制订操作规程应用于今后东海大桥输水管道的操作，自从落实该操作办法以来，大桥输水管线抢（维）修工作对生产运行没有造成影响。”

（2）洋山港区港外供水管网建设和运营期间的影响及解决的措施。主要是洋山港区二期工程港外市政供水管道总管管道冲洗消毒时出现的一个水锤破坏事故：当时的工况是“二期工程港外市政供水管道总管总长6公里，管径DN400，管道常态化压力0.43MPa，总管管材是球墨铸铁管，冲洗水量约1500吨，冲洗时间约20分钟，由于还要三期建设没有专设冲洗排放口，所以排放口预定为总管尽头DN400预留口处（排水流出不畅），当全开尽头检修蝶阀 5分钟左右时，由于排放口处排水疏导不畅，有大量水漫出地面，导致施工人员紧急急速关闭检修蝶阀，造成水锤破坏事故，1根DN400总管球墨出现爆管的情况”经过分析：“是由于施工人员启闭检修蝶阀过快，其它支管没有做过通水试验及排空空气程序，导致管道内还存有大量的空气，致使供水管道产生严重的水锤现象。”解决措施是：“制订操作规程，①通水试压试验和消毒排污时应严格按照规范要求，排空管道内空气；②蝶阀启停要分二个段完成，首先是开关阀门听到有明显水流急剧通过阀门阀板时要停止操作2分钟以上，等水流稳定后再缓开闭阀板;把此项操作规程落实到今后的建设、运营和抢（维）修后，洋山港区市政供水管道再也没有再出现过此类事故。”

（3）洋山港三期供水扩建“高架曝气活性炭吸附池＋内压式超滤膜”新组合工艺建设和运营期间的影响及解决的措施。主要是试运营时期，内压式超滤膜系统内膜组只过水不过空气，空气排空不净，制水量达不到设计要求，常规正反冲洗膜组组件时会产生水锤，造成膜组和架空管道震动和位移，局部工艺管道（给水UPVC管道）产生爆管的现象。解决措施是：“①由于原设计膜系统的出水水位低于膜组出水总管标高，易在出水管产生负压，析出空气，由于气囊的存在加剧了水锤的威胁,建议增设小而质量好的泄气阀门，在加药系统中使用的由以色列生产塑料泄气阀，在泵出水处设通天管增大排气量。②执行的运行程序在阀门启闭顺序上和时间上都与工艺要求不符。如在冲洗水泵运行时，下一个阀门还没有开启的情况下，前一个阀门已先行关闭，又如正冲洗时在水量严重不足的情况下，还不到要求的一半，连开阀的时间在内只有7～8秒钟，长期如此运行下来引起膜内结垢严重，管道空气积存，正反冲洗不畅，需修改正反冲洗程序；经整改措施落实后该系统消除了水锤危害，水源回收率达到了96%，制水总规模1.6万m3/d的设计和运营标准”

四、结语

水锤对输水管道危害巨大，但水锤总体上是可控的，在实际输水管道工程建设和运营中，应就不同水锤的成因特点，采取有针对性的防护措施和严格落实防水锤操作规程才能防止水锤对输水管道的危害。面对越来越复杂的输水工程，传统、单一的水锤防护已难有很好的效果，必须综合采用各项措施取得最适合的防护效果。同时，在设计阶段就应充分考虑水锤因素，运行期间加强操作规程和设备维护，从面降低水锤发生的可能性，确保输水系统的安全稳定。

参考文献

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