水锤的产生和解决办法

水锤是通过管道系统中的流体传播的冲击波。



通常，压力波会在很短的时间内减弱或消散，但在这短暂的时间内，压力尖峰会造成巨大的破坏。

水锤可以通过砰砰声或砰砰声来证明，在极端情况下，这可能表明膨胀节、压力传感器、流量计和管壁正在发生广泛且代价高昂的损坏。

水锤也可能发生在多相流体中，多相流体是一种也夹带固体的液体介质。一个例子是砂浆或液体纸浆（基本上是水传输纸浆纤维）。关键是水是管道系统中的主要输送介质，水能非常有效地传递冲击波。

闪烁 VS。水锤

闪烁是另一种压力峰值事件。闪蒸发生在蒸汽冷凝水（液态水）在管道系统内积聚的蒸汽系统中。这种液态水可以突然从液体转变为蒸汽，随后的体积膨胀系数为 400-600 倍。闪烁需要以完全不同的方式处理。虽然控制同样重要，但出于本文的目的，我们将讨论仅限于液体介质和水锤噪声。

水锤产生的原因

水锤可能是由于阀门选择不当、阀门位置不当以及有时维护不当造成的。某些阀门，例如旋启式止回阀、倾斜盘式止回阀和双门止回阀，也会导致水锤问题。这些止回阀容易发生砰击，因为它们依靠反向流动和背压将阀瓣推回到阀座上，从而使阀门关闭。如果反向流动是有力的，如在正常向上流动的垂直线的情况下，圆盘可能会用很大的力猛烈撞击。由此产生的冲击可能会损坏制动盘的对齐方式，使其不再与座椅 360 度完全接触。这会导致泄漏，在最好的情况下，会破坏系统的效率。在最坏的情况下，这可能会对其他管道系统组件造成严重损坏。

局部的、突然的压力下降至少是一个烦恼，最多是一个严重的问题。某些步骤可以防止或减轻水锤现象。一是研究原因、后果和解决办法。

液压减震

水锤最常见的原因是阀门关闭过快或泵突然关闭。事实上，液压冲击是流体突然停止时管道系统中流体压力的瞬时升高。正如艾萨克牛顿爵士所观察到的，一个运动的物体往往会保持运动，除非受到另一个力的作用。流体沿其前进方向运动的动量将起作用以保持流体沿该方向运动。当阀门突然关闭或泵突然停止时，阀门或泵下游管道系统中的流体将被弹性拉伸，直到流体的动量停止。

突然阀门关闭最常与角行程类型的阀门相关联，更具体地说，是自动角行程阀门。一个简单的解决方案是更慢地关闭那些自动角行程阀门。这在很多情况下都有效，但不是所有情况。例如，紧急关闭阀需要快速关闭，因此这些类型的应用可能需要其他解决方案。本文稍后将提供有关阀门关闭时间计算的更多信息。

另一个最常见的水锤原因是泵突然关闭。将多个泵送入公共集管，如在冷却塔应用或矿山脱水中，要么需要缓慢关闭，要么需要在泵后立即安装在线静音止回阀。静音止回阀在减少甚至消除水锤方面非常有效。

预测水锤压力峰值

根据对管道系统和传输介质的详细了解，可以计算水锤压力峰值的大小。水锤的实际作用力取决于流体停止时的流速和停止流动的时间长度。例如，考虑 100 加仑的水以每秒 10 英尺的速度在 2 英寸的管道中流动。当流动被快速关闭的阀门迅速停止时，其效果相当于一个 835 磅的锤子猛烈撞击障碍物。如果在不到半秒的时间内停止流动（这可能是阀门的关闭速度），则可能会产生比系统工作压力大 100 psi 的压力峰值。

计算尖峰电位幅度的公式如下：

∆H = a/g * ∆V

∆H 是水头压力的变化

∆V 是流体流速的变化

a = 介质中的声速

g = 引力常数

一个例子是：

a = 4864 英尺每秒

g = 32.2 英尺每秒2

∆V = 5 英尺每秒

∆H 将为 756 英尺 (328 psi)

该值假设存在瞬时阀门关闭。

阀门关闭时间计算

水锤在工业环境中显然是一个严重的问题，例如在污水处理厂或市政供水系统中。与上面的例子相反，普通浴室水龙头通常基于半英寸的公称尺寸，水压范围在 60-80 psi 之间，每分钟输送约 8-10 加仑。水处理厂中的 6 英寸生产线每分钟可输送 900 加仑水，速度为每秒 10 英尺。一条 24 英寸的总水管每分钟可提供超过 12,000 加仑的水，足以在不到两分钟的时间内填满普通的后院游泳池。

阀门关闭时间的基本公式为：T=2L/a

T = 以秒为单位的最短时间

L = 截止阀与下一个弯头、三通或其他变化之间的直管段长度

对于具有 100 英尺直管段的 70°F (21°C) 的水：

T= 41 毫秒最短关闭时间

水锤的后果

水锤的后果从轻微到严重不等。一个常见的迹象是管道发出响亮的敲击声或敲击声，尤其是在水压源迅速关闭之后。这是压力冲击波以强力撞击关闭的阀门、接头或其他堵塞物的声音。这种有时震耳欲聋的噪音可能会引起极大的痛苦和担忧，尤其是当人们在附近工作时。

然而，重复发生的水锤不仅仅是一种烦恼。水锤还会严重损坏管道、管接头、垫圈和系统的所有其他组件（流量计、压力表等）。受到冲击时，压力峰值很容易超过系统工作压力的 5 到 10 倍，从而给系统带来很大的压力。水锤会导致系统接头处泄漏。还会引起管壁开裂和管道支撑系统变形。修理或更换损坏的管道部件和设备可能涉及高昂的成本。如果泄漏导致环境问题，成本可能是惊人的。

在大多数情况下，水锤被认为是一种安全隐患。水锤的极端压力会吹出垫圈并导致管道突然破裂。在此类事件附近的人可能会受到严重伤害。

水锤解决方案

有许多方法可以减轻水锤的影响，具体取决于其原因。减少由液压冲击引起的水锤的最简单方法之一是培训和教育操作员。了解正确打开和关闭手动或驱动阀门的重要性的操作员可以采取预防措施以尽量减少影响。对于角行程阀门，例如球阀、蝶阀和旋塞阀，尤其如此。

管道设计注意事项

水锤避雷器为水锤引起的压力峰值提供了一个缓解点。这些管道系统部件通过起到减震器的作用，降低了管道系统上的特征噪声和由此产生的应力。如果尺寸和安装正确，水锤避雷器可以成为有效的解决方案。

另一方面，应避免泵输出到长长的垂直管道中。应尽量减少垂直支腿，或应使用安装在尽可能靠近泵的静音止回阀。

另一个要尽量减少水锤的领域是在垂直管道中安装止回阀。摆动检查、倾斜盘和双门阀可以在垂直线上运行。但是，它们不会阻止在该方向上的反向流动。只有静音止回阀才能在此方向上工作。

由于旋启式止回阀、倾斜盘式止回阀和双门止回阀突然关闭而导致的液压冲击可以通过将这些阀门更换为静音或非紧急止回阀来补救。静音止回阀在阀门关闭件两端的压差降低时关闭，而不是因逆流而关闭。因此，它们不太可能突然关闭，从而导致水锤。当阀瓣上的压差接近阀门的开启压力时，阀门已完全关闭。这允许流体流动减速，这允许流体的动量在阀门完全关闭之前减小，同时仍确保流体流动不会反向。

系统设计人员必须熟悉最小化水锤的最佳实践和行业标准，例如在适当的时候使用缓闭阀，了解管道系统内的最佳阀门位置，并为高工作压力系统提供特殊的管道设计考虑因素。

当管道系统设计合理时，发生水锤的可能性会大大降低甚至消除。在现有系统中，可以通过多种重要方式限制水锤的破坏性影响，例如安装水锤避雷器、将止回阀移出垂直管线、安装静音止回阀作为主要防线和确保角行程阀门的操作程序具有缓慢的关闭速度。请注意，自动化系统中的关闭时间应至少为 T=2L/a 公式中计算值的 10 倍。

结论

水锤已经研究了很多年。一些创始研究可以追溯到 19 世纪后期。研究今天仍在继续。美国、英国和荷兰的许多主要大学以及备受推崇的阀门公司都撰写了关于各种类型止回阀及其安装动态特性比较的文章。

本文仅通过探讨我们通常所说的水锤现象的一些原因和解决方案来触及流体瞬变主题的表面。处理水锤问题的解决方案可能非常昂贵，而且一如既往，一分预防胜于一磅治疗。泵送入垂直管线或通用集管和快速阀门关闭都可以在开始时从流程中设计出来。一旦管道就位并且工厂流程正在进行中，面临的挑战是在特定限制条件下找到解决方案。

大多数在线静音止回阀制造商都非常了解水锤，并且有工程师可以提供帮助。当涉及到正确的解决方案时，它们可以成为最好的知识来源。