管道泵停泵时的水锤效应的原理及预防

前言

每个行业都有自己的专业术语，离心泵行业也不例外。每个与泵打交道的销售人员、设计工程师、最终用户和维护人员都需要了解许多术语。如果你希望成为一名称职的泵行业专业人员，了解这些术语至关重要。

水锤是一个有许多名称的术语，例如流体锤、水力瞬变、流体瞬变或浪涌。它是移动的流体（通常是液体）被迫停止或突然改变其方向时发生的液压冲击的通俗表达方式。这种动量变化，通常发生在管道系统末端的阀门突然关闭并且压力波通过管道传播时。

任何使用阀门控制流量的管道系统都可能发生水锤。水锤现象是压力波动或高压冲击波在管道系统中传播的结果，在管道系统中，流体被迫改变方向或突然停止。冲击波通常也称为液压冲击或液压浪涌。由于巨大的冲击波，闭门关闭后立即听到管道上明显的砰砰声或敲击声。冲击波的速度取决于液体声速、密度和弹性模量、管道弹性模量、壁厚、泊松比和管道约束。

当一个打开的阀门突然关闭并导致水砰砰地进入时，可能会发生水锤。此外，突然关闭泵和回流到泵的反向流动可能会导致这种现象。由于水是不可压缩的，水的撞击会产生冲击波，冲击波以声速在系统中的阀门和相邻弯头之间传播，或在泵后的直管中传播。

图1：水锤发生示意图

水锤引起的原因

当管道系统的下游阀门突然关闭，因大量的水关闭前仍在移动，从而导致高压和冲击波。在家庭管道中，这表现为类似于敲击声的响亮的撞击声。如果压力足够高，水锤会破坏管道。有时，在水系统中安装空气收集器或竖管（顶部开口）作为阻尼器，以吸收流动水产生的潜在有害力。

水锤的其它原因包括泵故障和止回阀受到猛烈冲击而迅速关闭。为了克服这种情况，建议使用非冲击式止回阀，因为它们关闭时不依赖重力或流体流动。在垂直管道的情况下，一些建议包括采用包含气室的新管道设计，以减轻由于水流过大而可能产生的冲击波。

水锤的影响

流体动量变化对阀门产生的冲击力会产生可能超过系统工作压力十倍的压力峰值。这些突然停止的流体运动和冲击波导致的压力增加，可能会对整个管道系统造成相当大的损坏。这可能是由于单次冲击所造成的损坏，也可能是随着时间的推移累积而造成的。

忽视水锤可能最终导致流动系统发生灾难性故障。因此，在水锤的最初迹象出现后，有必要立即采取行动。否则，最终将导致广泛的系统损坏，并可能从流量系统传播到其它部件或基础设施。

水锤的长期后果包括：

1）泵和流体系统损坏，并伴随着振动和噪音的显著增加。

2）泄漏。水锤会损坏管路上附件和接头，导致泄漏。这些泄漏通常是逐渐开始的，随着时间的推移，严重程度会增加。较小的泄漏可能会在一段时间内不被发现，并损坏周围的设备。

3）管道破裂。破裂可能会损坏局部管道，并使整个系统和其它设备失效。

4）外部设备损坏。如果不加以检查和处理，泄漏液可能会导致电气设备故障、其它设备或基础设施的腐蚀。

5）后续事故风险。管道破裂还可能威胁操作人员和维护人员的健康和安全。根据行业和设施的不同，不受控制的泄漏也会增加滑倒、坠落和触电的风险。

6）停机损失。设备的损坏可能导致昂贵的维修或更换。由于需要停机进行进一步的维护、维修或设施建设，还可能导致额外的财务损失。

水锤的预防

预防水锤时的主要考虑因素之一是选择正确的止回阀类型。合适的阀门类型，如旋启式、活塞式止回阀、倾斜阀瓣，取决于重力和倒流，以便将阀门返回到关闭位置。这会使水猛烈撞击阀门机构，并在管道系统中产生传播的压力波。

另一方面，静音止回阀或弹簧辅助止回阀安装有一个内部弹簧，在反向流动之前，该弹簧会无声地将阀门转到关闭位置。因此，它消除了水锤的可能性。

解决水锤问题的另一个有效方法是在管道系统中增加气室。这些系统包括一段短管，通常位于三通接头中，带有一个空的/充气的腔室，作为水突然转向时膨胀的减震器。这减少了以其它方式指向管道的冲击程度。

几种防止水锤的实用方法：

1）安装缓冲（箱）罐

2）降低流速

3）降低阀门关闭速度

4）使用更坚固的管道

5）在系统中安装泄压阀

6）使用静音止回阀降低压力冲击程度