船舶管系“水錘效應”成因分析及消除措施

祁少云

（廣船國際技術(shù)中心）

0 前言

船舶建造是一個復雜的工程，船舶上存在著大量的管路，船舶管路中各使用終端存在用水量不確定、用水時間不確定的情況，船舶管路使用過程中，就會出現(xiàn)水錘效應。如果流速設(shè)計不當，容易對管道、供水設(shè)備、閥件造成嚴重損害。水錘效應是指管道內(nèi)壁光滑，液體正常流動，當突然打開或關(guān)閉閥門和換向時，管道內(nèi)流體在極短的時間內(nèi)由于流量發(fā)生突變，引起的壓強急劇升高或降低的交替變化對管道、閥件及泵等產(chǎn)生的強烈沖擊，產(chǎn)生猶如錘子敲擊管道、泵、閥件等產(chǎn)生噪聲的現(xiàn)象。突然打開閥門時管內(nèi)流體在慣性作用下壓力變?yōu)樨搲簽樨撍N；突然關(guān)閉閥門時管內(nèi)流體在慣性作用下壓力變?yōu)檎龎簽檎N。由于水錘的產(chǎn)生使管道壓力急劇增大有可能達到正常壓力的幾倍至幾十倍，有可能導致管路爆裂、閥件的閥盤和泵的葉輪補擊穿，反之壓強過低又會導致管道癟塌、閥件的閥盤變形和泵的葉輪被折彎。

1 水錘的產(chǎn)生原因及傳播

如圖1 管路A 端法蘭接閥件，B 端法蘭接水池。現(xiàn)以管路長度為L,閥件關(guān)閉前管路中液體流速為V0，閥門關(guān)閉前管路的壓力為p0，閥件關(guān)閉后液體在管路里傳播的時間為t 為例來闡述。當閥門突閉時，緊接閥門的管路法蘭A 處的液體流速降低為零，管路中的液體由于慣性作用仍以V0 向A 處流動，首先靠近閥件A 處lx 一段長度液體受到壓縮，在該段長度內(nèi)流速為零，壓力升高至p0+△p，由于管路lx 上游即B 方向未受閥門關(guān)閉影響，仍以速度v0 流向下游，使靠近lx 的另一段液體受到壓縮，直至爭端管路逐步被壓縮。壓力變化△p 成為水錘壓強，其前鋒的傳播速度c 稱為水錘波速。

（1）閥門K 突閉時，原以v0 作定常流動的液體，首先在緊鄰閥門的A 處停止流動，壓力突然由原來的p0 升高了△p，液體受到壓縮。閥門左側(cè)液體相繼停止流動，其壓力升高值△p 也就以速度c由A 處向B 傳播。直至 t=L/c 時刻,△p 傳到管道入口處B。此時，管路全部液體停止流動而處于被壓縮狀態(tài)，全管壓力升高了△p。

（2）t=L ／c 時刻，由于 B 處右側(cè)高于左側(cè)，致使液體由管口處反向流入水池，從而使 B 處液體的壓縮狀態(tài)解除，壓力恢復到原來的 p0。 B 處右側(cè)液體相繼流向水池而解除壓縮狀態(tài)。直至 t=2L／c 時刻，全管路壓力恢復到原來的壓力p0。

（3）t=2L／c 時刻，由于慣性，液體仍以速度c 由B 向水池傳播，從而壓力恢復到p? 后繼續(xù)下降△p，B 處右側(cè)的液體處于低壓膨脹狀態(tài)。至 t=3L/c時刻，全管路處于膨脹低壓狀態(tài)。

（4）t=3L/c 時刻，由于B 處左側(cè)液體壓力高于右側(cè)，致使液體以速度c 由水池處反向流入管道，B 處液體由膨脹低壓狀態(tài)解除,壓力升高而恢復到pO。液體由水池沿著管道相繼解除膨脹低壓狀態(tài)，至t=4L/c 時刻，全管路壓力恢復到p0，A 處液體再次開始被壓縮，壓力又升高并開始同1.1 向上游傳播。

此后，如上所述反復進行，直至因阻力作用而停止。水錘壓力△p 沿著管長來回傳播一次tr=2L/c成為水錘的一個相，兩個相為一個周期。

現(xiàn)在的商場、酒店等公共場所的洗手盆的水龍頭都為自動感應出水，水龍頭自動開啟時如仔細觀察會發(fā)現(xiàn)供水軟管會發(fā)生抖動，這是由于水龍頭突然開啟流量突增造成管道內(nèi)壓力突降，管道癟塌引起的抖動。當水龍頭突然關(guān)閉時，往往會聽見“咚”一聲，這是由于流量突降造成管道內(nèi)壓力突增，液體對閥件和管道的沖擊。當管路壓力過高時，水龍頭滴漏，管道會產(chǎn)生”嗡嗡”聲響，水龍頭滴漏時大時小，這是由于管道內(nèi)正壓、負壓交替變換，形成周期。根據(jù)這個周期可以找出產(chǎn)生水錘效應的長度，從而采取措施降低水錘的措施。以上現(xiàn)象在高層建筑的低層更明顯。

2 直接水錘和間接水錘

現(xiàn)實中啟閉閥門總需要一些時間，以ts 表示,tr表示水錘從閥門至產(chǎn)生水錘管道的末端的時間。按ts 與tr 的大小將水錘分為兩大類型。若ts≤t，則水池反射波達到管道末端之前，閥門已關(guān)閉完畢。管道末端的水錘壓力只受上游傳播的逆流波的影響，這種情況習慣上稱直接水錘。若ts＞tr，則在閥件開關(guān)變化終了之前，從水池反射回來的壓力波已影響管道末端的壓力變化，這種水錘現(xiàn)象稱為間接水錘。間接水錘就像是把一個直接水錘分成若干個小的直接水錘在關(guān)閥至閥完全關(guān)閉時間ts 沿管路發(fā)射向上游，工程上盡可能避免發(fā)生直接水錘。這就很好的解釋了為什么關(guān)閥過快會引起強烈的水錘沖擊,管路產(chǎn)生撞擊聲，而緩慢關(guān)閥門時水管路幾乎沒產(chǎn)生撞擊聲。

管路中存在空氣會加大水錘的沖擊力，水錘產(chǎn)生的更深層原因是由于液體的可壓縮性，用體積模量K0 來表示可壓縮性，數(shù)值越大可縮性越小，水的體積模量20.6x108pa，而空氣的等溫體積模量為1.01x105Pa 比液體小很多，簡單說就是空氣很容易壓縮，空氣的體積隨壓強變化很敏感。當水錘壓力波傳遞到時管路中存在的空氣段時（正常溶解在水中的空氣由于體積小，分布總勻，對水錘的壓力波的傳遞幾乎不產(chǎn)生影響），由于空氣的體積隨壓強的變化比較敏感，就會在原壓力波的基礎(chǔ)上繼續(xù)產(chǎn)生新的壓力波和原水錘壓力波進行疊加。這種疊加可能是正疊加或負疊加。正疊加對管路危害較大，因此管路中不能有空氣存在。

水池對壓力波的削減：水池對壓力的削弱作用與水池的大小有很大關(guān)系，由于目前無公式對此計算，因此無法在管路上精確設(shè)計一個水池來消除壓力波，僅在管路接近閥門處設(shè)置減速管路即設(shè)置一變大管段來削弱壓力波。

高層建筑由于供水管道往往很長，水錘傳播未到盡頭時閥件已經(jīng)關(guān)閉，水龍頭往往只需要承受直接水錘，且由于供水管道管徑遠遠大于水龍頭管徑，所以只有水龍頭處聽到錘擊聲，且只響一聲。船舶壓載管路由于管徑大、流量大，管道相對市政管道短，閥門關(guān)閉時有受到的為間接水錘，間接水錘沖出相對較小，所以閥門關(guān)閉時可見到閥門不停抖動。

水錘壓力波的傳播速度c

公式中：k0--水的體積模量 (k0=20.6X108Pa)

ρ-液體密度

根據(jù)上式可得c=1435m/s，這也是聲波在水中傳播的速度?？紤]水的壓縮性和管壁的彈性，對于薄壁（>20）圓管中發(fā)生水錘時理論計算公式：

d---管壁內(nèi)徑

E---管壁材料的彈性模量

B—管壁的影響系數(shù)

表1 幾種管壁材料縱向彈性模量E 值及值

表1 幾種管壁材料縱向彈性模量E 值及值

管材種類 E(Pa) k0/E鋼管 19.6X1010 0.01鑄鐵管 9.8X1010 0.02紫銅 1.2X1010 0.01黃銅 9.8X1010 0.02鋁合金 7.06X1010 0.02硬質(zhì)氯乙烯 19.62-39.24X1010 0.01

表2 幾種管子的管壁影響系數(shù)B

船舶供水管路材質(zhì)往往不同，這在特種船船舶中更雖明顯，鐵白銅管道由于管壁較鍍鋅管道光滑，水錘效應更加明顯。

4 管路水錘壓強

發(fā)生水錘時的壓強變化量?p，管路原壓強p0；水錘壓強為p0+?p，?p 隨時間而變化，工程上最感興趣的是最大水錘壓強Pmax=p0+?pmax。?p>0 的為正水錘（如閥門突然關(guān)閉）；?p＜0 時為負水錘（如閥門突然打開）。部分引用液體力學壓強計算公式如下：其中v1 表示水錘發(fā)生后管路內(nèi)液體平均流速。

管路直接水錘壓強增量公式1：

?pmax=ρc（v0-v1）；

管路直接水錘壓強公式2：

Pmax=p0+ρc（v0-v1）；

管路間接水錘壓強增量公式3：

管路間接水錘壓強公式4：

任務(wù)環(huán)：是任務(wù)實施的核心部分。威利斯把任務(wù)環(huán)分為任務(wù)、計劃和報告三部分。學生以小組形式試圖完成任務(wù)，在此過程中他們會遇到來自專業(yè)和語言方面的很多困難。解決方式是通過小組成員間的互助共同解決問題。如果這樣做仍然有困難，教師可以作為協(xié)助者，幫助他們完成任務(wù)。任務(wù)完成后學生可以以口語報告的形式匯報他們的任務(wù)解決過程和得出的結(jié)論。此時的汽車英語教師應該給予學生語言方面的指導，幫助他們改正語法詞匯方面的錯誤。但有時這樣做要花費大量的時間，過多同一主題的小組報告會使學生產(chǎn)生厭倦感。這時，教師就應該根據(jù)班級情況適時地組織一些其他的活動來幫助他們提高語言水平。

圖1 管路圖

圖2 同種管徑，閥前管路長度不同

圖3 同種管徑，閥前管道長度相同，彎管半徑不同

圖4 閥前管路長度相同，管徑部分不同

圖5 管徑相同，閥至總管長度不同

由于最大水錘對管路的沖擊力最大，破壞力最強，工程上只計算最大的水錘壓強，此時v1=0，以下是兩種情況下最大計算公式：

管路直接水錘壓強公式5：Pmax=p0+ρcv0；

4.1 水錘發(fā)生前管路壓力p0

分析：由式2、4 可知，當流速很小時，沖擊壓強取決于初始壓強。當管路發(fā)生水錘時調(diào)低p0，水錘的沖擊聲會明顯降低。這是目前船舶上常采用的一種方式，但這種方式會降低上建的管路水壓，存在廁所沖洗不干凈的情況。

4.2 水錘發(fā)生前管內(nèi)平均流速v0

分析：由于初期管路設(shè)計流速已經(jīng)確定，很難降低整個管路的流速，這時采用部分管路加大管徑，使發(fā)生水錘部分的水錘沖擊減弱。以船舶管路設(shè)計流速為3m/s 計算，得出?p=1.0x103x1435x3=4.3MPa，由此可見水錘的沖擊力之大。因此，在設(shè)計管路時流速不能超過3m/s，以便降低水錘的沖擊力。

4.3 水錘發(fā)生后管路內(nèi)平均流速v1

分析：水錘沖擊是一個連續(xù)的過程且無法消除，只能采用措施進行減弱。關(guān)閥速度減慢，使流速緩慢變化。當閥關(guān)一部分時管路的流速減慢，水錘減弱。當閥突然全關(guān)時v1=0 這時水沖擊力最大。

4.4 水錘發(fā)生時閥前的管路長度L

分析：由式3 及tr=2L/c 知在關(guān)閥速度一定時，tr 與 L 成正比。L 越大則 tr 越大。

4.5 開關(guān)閥的時間ts

分析：采用旋啟式閥件或減慢閥門關(guān)閉（開啟）的速度可使ts 變大，讓最大水錘分為若干個小水錘發(fā)射出去。目前船上發(fā)生的水錘現(xiàn)象大多是因為使用了小球閥而出現(xiàn)的，由于小球閥關(guān)閉的速度快，無緩沖。

4.6 降低水錘壓力波的傳播速度c

分析：降低水錘壓力波的傳播速度c 的有效措施可采用材料比較柔軟的管材，也可以在管路上安裝節(jié)流閥，節(jié)流孔板，撓性接頭等壓力緩沖附件，也可以在管路上安裝防水錘裝置。

水錘泵是把水錘壓力充分利用的案例，只需要水流落差在1.5 米以上，就可以通過管道和閥門利用水錘壓力將水提高至100 米左右；落差不能超過7 米，超過7 米時管道和閥門產(chǎn)生水錘瞬時壓強太大，容易對水錘泵產(chǎn)生損壞。

5 減弱管路水錘效應的幾種管路設(shè)計方案及措施

（1）圖2：由動量公式的沖擊力F=mv0=ρlsv0，由于ρ改變小，管路截面積一定，管路的長度對沖擊力起決定作用，因此A 型的防水錘效果會比B 型好。

（2）圖3：由管路可知管路A 為一倍彎，阻力系數(shù)ζ=2.0，管路B 為三倍彎，阻力系數(shù)ζ=0.5.A型管路的阻力大于管路,對流體的阻擋作用強于B 型。因此A 型的防水錘效果會比B 型好。

（3）圖4：A 型降低了部分管路流速，壓力波在擴大管段傳播時被削弱，管路產(chǎn)生了兩個壓力波。1、壓力波由閥傳至擴大管段及返回；2、壓力波由閥件至整條管路末端及返回。擴大管段能對壓力波的削弱，相當于把Pmax=p0+ρcv0，分為若干個壓力波，使得整個水錘被大大減弱。因此A 型防水錘效果好于B 型。

（5）在產(chǎn)生水錘效應閥件的增加節(jié)流孔板。

（6）水錘效應破壞性最大的地方為泵出口及操作閥件部位，在泵或水柜出口及需要操作的閥件附近增加水錘消除器，水錘消除器的原理是由氣囊或彈簧對液體流動起減速作用，從而減小水錘效應對管路、泵、閥件的破壞。

（7）采用水力控制閥，即采用液壓裝置控制閥門的開關(guān)，一般安裝于泵的出口，該閥利用機泵的出口與管網(wǎng)的壓力差來實現(xiàn)自動啟閉，閥門上一般裝有活塞缸或膜片室控制閥板啟閉速度，通過緩閉來減小停泵水錘的沖擊，從而有效消除水錘。

（8）采用快閉式止回閥，該閥結(jié)構(gòu)是在快閉閥板前采用導流結(jié)構(gòu)，停泵時，止回閥同時關(guān)閉，依靠快閉閥板支撐住回流水柱，使其沒有沖擊位移，從而避免產(chǎn)生停泵水錘對泵的沖擊，同時也要在止回閥下游安裝壓力泄放閥，在超過安全壓力時自動泄放，從而減小水錘對止回閥的破壞。

（9）在泵站附近或管路適當位置設(shè)置雙向調(diào)壓塔，調(diào)壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補水或泄掉管路中的過高壓力，從而有效避免或降低水錘壓力，這種方式比較安全可靠，但其應用受到泵站壓力和周邊空間位置限制。

（10）安裝泄壓保護閥，泄壓保護閥可以安裝在管路的任何位置，和水錘消除器的工作原理相似，只是設(shè)定動作壓力是高壓，當管路壓力高于設(shè)定保護值時，泄壓閥自動打開泄壓。

（11）在管路各峰點設(shè)置可靠的排氣閥，及時將管路中氣體排出，從而減小管路中空氣對水錘的影響。

某3000 噸船消防系統(tǒng)，管路材質(zhì)為鎳銅合金，船頭錨鏈沖洗閥開閉時，產(chǎn)生激烈的撞擊聲，船東對此意見很大，通過檢查發(fā)現(xiàn)消防泵開啟時只有錨鏈沖洗管路用水，且消防泵流量遠錨鏈沖洗管路用水量，結(jié)合水錘公式和實船情況，在消防總管靠近錨鏈沖洗管處增加節(jié)流孔板后，錨鏈沖洗閥開閉時，產(chǎn)生的撞擊明顯減小。

6 結(jié)束語

水錘效應的危害是極其嚴重的，但是水錘效應只和水本身的慣性有關(guān)，所以在管路中采取一系列的緩沖措施和安裝相應的水錘消除裝置，它的危害就可以控制在最小范圍內(nèi)，并且水錘效應正被人們認識和利用，其中水錘泵就是一種利用流水為動力，通過機械作用，產(chǎn)生水錘效應，將低水頭能轉(zhuǎn)換為高水頭能的高級提水裝置。