断流弥合水锤

长输管道因为泵站或阀门工况的改变造成不稳定流动时可能产生液柱分离现象和断流弥合水锤现象，一方面液柱分离造成的低压：可能使管道失稳变形（压瘪）；另一方面断流弥合水锤造成的高压可能击破管道。断流空腔弥合水锤过程中的液柱分离及弥合水锤，对长输管线工程和其他各种工业管道工程的危害是巨大而惊人的，容易造成管道爆裂、设备损坏，甚至会淹没泵站，造成巨大经济损失，发生事故后不仅要耗费巨大的人力财力进行维修，而且耽误工程进度；盲目选用水锤防护设备和制定不合理的水锤综合防护措施，不仅达不到预期的水锤防护效果，甚至可能使断流空腔弥合水锤变得更严重。 2100433B

按照波动现象，水锤可以分为水柱连续的水锤现象（无水柱分离）和伴有水柱分离的水锤现象（断流空腔再弥合水锤现象） 。所谓伴有水锤分离的水锤现象，是有压管流出现大空腔时的一种水锤现象。当水锤波在有压管流中传播时，水体质点做周期性的疏密变化，使水体中的质点群时而受拉，时而受压。由于水体承拉能力极差，概括讲，当它承受不住这种拉力时，水柱就会断裂而彼此分离开（特别在含有杂质、小气泡的水体中或在管线纵坡面上作折线变化较大的诸固定点处，如“驼峰”、“膝部”和小丘顶端等），产生一些大空腔或“空管段”，使水流的连续性遭到破坏从而造成水柱分离现象；在密封非常完好的管段中，大空腔或空管段内呈现很高程度的真空。当空管段消失（空腔溃灭）即两股水柱重新弥合时，空腔内的水蒸气迅速凝结，于是两股水柱互相猛烈碰撞，因而造成升压很高的“断流空腔再弥合水锤”（简称断流弥合水锤“）。它是水泵供水系统中最具有危害性的一种水锤撞击波动。

近年来我国分布在地形复杂、地势起伏较大的地区的长输管线工程逐年增多，这种情况在我国西北、西南地区尤为突出，此类工程管线长、地形起伏大，在泵站启停、机组调速、各中间站的流程切换或分输站的启停、事故工况停机以及调节阀动作失灵、误关闭等操作过程中，极易产生水锤增压波和减压波以较大的速度向上下游传播，产生液柱分离和弥合水锤现象，造成危害很大的断流空腔弥合水锤危害，影响管道的安全常运行。

水锤波中的减压波向下游传递，使管线沿线压力降低，当压力下降到一定值后，输送液体中的溶解气体会逸出形成小气泡，当管内压力进一步降低到液体饱和蒸气压且持续时间足够长时，管内液体就会汽化产生蒸气，蒸气与己形成的气泡相结合，形成较大的气囊在管内上升，气囊随着液体流动，气囊会聚集在管道高程处，占据很大一段管道，甚至会把连续液柱隔破坏了液体的连续性，可能阻断整个管道流通截面形成断流空腔从而导致液柱分离，这个过程中的低压容易造成管道失稳变形。

水锤波中的增压波向上游传递，使管道沿线压力增大，使分离开的两液柱重新弥合即空腔溃灭时，将产生具有直接水锤特征的断流弥合水锤，当管道发生断流弥合水锤时，水锤波以高速沿管道传播，水锤波波峰过后，由于流动状态的不平衡，还会产生充装压力，水锤增压和充装压力叠加在管道剩余压力上，当叠加后的液体压力超过管道的最大允许工作压力，就有可能造成管道强度破坏，特别是那些稳定运行时动水压力接近于管道临界承受压力的位置（如山管道的低洋地段等），更容易引起管道超压，造成强度破坏。

全年基坑断流方式。其导流建筑物按全年设计频率的导流流量及相应水位设计。主体工程在围堰的保护下进行全年连续施工，直至建成。采用这种导流方式要预计发生超标准洪水时工程的损失并安排好防洪应急措施。对于土坝等不允许施工期间坝体过水的工程及拱坝等要求整体平起施工、整体挡水的上程，一般均应按全年基坑断流方式设计。

全年断流方式有主体工程能够全面施工，施工程序连贯，施工场地和附属设施布置紧凑，生产效率高，施工管理方便等优点。

对于大流量的河道，如采用这种导流方式，其导流建筑物特别是导流泄水建筑物规模较大，导流费用高，导流工程自身的施工工期长，施工难度较大 。

随着我国及国外水锤防护技术的发展，解决水柱分离升压问题，所使用的防护措施有多种，通常使用的水锤防护措施大致可分为以下3种类型：

（1）在水泵出口安装具有缓闭功能的止回阀；

（2）按规范规定的排气要求，安装排气阀，防断流弥合水锤；

（3）在水泵出口的汇水总管处及管线重要部位如易断流的高点安装具有超压泄压或防断流功能的设备如超压泄压阀，单、双向调压塔，箱式双向调压塔，气压罐等。通常单、双向调压塔受地形限制且造价高、空气罐维护成本高。

各类阀门的构造形式很多，如缓闭止回阀类型有十多种，是否都可用，各类阀门的优缺点，水锤防护效果如何，性能参数是否真实合理，都应加以分析研究，才更有利于压力管道安全运行和水锤防护。

针对特殊的长距离、高扬程、多起伏、大管径且管道首末端高中间低的输水工程，采用水泵出口处安装缓闭止回阀，管线每隔0.8～1km设置1个缓冲排气阀的情况下，在管线特殊部位安装箱式双向调压塔或者超压泄压阀的措施进行防护 。

主要符号

绪论

第一章 水锤基本概念与水柱分离问题

第一节 水锤波动性

第二节 水锤分类

第三节 水柱分离与断流再弥合水锤

第四节 停泵水锤特点

第二章 水锤基本理论

第一节 刚性水柱（锤）理论

第二节 弹性水柱（锤）理论

第三节 水锤压力波的反射和干涉

第三章 水锤基本微分方程式

第一节 水锤基本微分方程式的推导

第二节 水锤基本微分方程式的简化解

第三节 基本方程组的讨论和应用

第四节 水锤共轭方程式

第四章 水锤计算图解法

第一节 水锤波的传播和反射图式

第二节 边界条件

第三节 图解法举例

第五章 水锤数值解原理和电算方法

第一节 特征线方程式

第二节 边界条件方程式

第三节 简单管路暂态流动的计算程序

第四节 几种复杂管路的计算方法

第六章 停泵水锤计算原理

第一节 停泵水锤技术特征及基本方程式

第二节 停泵水锤计算综述

第三节 水泵一水轮机机组的惯性方程式与突然停泵后机组转速变化规律

第四节 叶片泵（离心泵）的全面性能曲线或四象限特性曲线

第五节 最低水头包络线与水柱分离

第六节 水柱分离与断流空腔的波动分析及物理——数学模型

第七节 水锤波在完全断流型大空腔边界处的反射

第八节 向水柱分离处注入空气时停泵水锤的计算原理

第九节 向水柱分离处单向注水时停泵水锤的计算原理

第七章 停泵水锤计算的数解综合法

第一节 数解综合方法与步骤

第二节 向水柱分离处注入空气时停泵水锤计算方法与步骤

第三节 停泵水锤计算举例

第八章 停泵水锤计算的图解法及简易图算解法

第一节 无阀管路停泵水锤图解

第二节 有止回阀管路停泵水锤图解

第三节 停泵水锤计算的简易图算解法

第九章 停泵水锤计算的电算法（I）

第一节 叶片泵全面性能曲线的改造

第二节 事故停泵时泵处的边界条件方程式

第三节 停泵水锤中泵处暂态参数的计算方法

第四节 无阀管路停泵水锤

第五节 有阀管路停泵水锤

第六节 有防止负压自动进气装置的管路停泵水锤

第七节 管路中发生断流（汽）的停泵水锤

第八节 不同型号泵并联工作的停泵水锤（I）

程序一 无阀管路停泵水锤计算源程序

程序二 有自动进气装置的管路停泵水锤计算源程序

程序三 考虑结点2发生断流（汽）的有普通止回阀管路停泵水锤计算源程序

程序四 不同型号泵并联，设置缓闭阀，并考虑断流（汽）管路停泵水锤计算源程序

第十章 停泵水锤防护措施

第一节 调压塔——双向调压塔

第二节 单向调压塔和单向调压池

第三节 注空气（缓冲）用阀

第四节 空气罐

第五节 停泵水锤消除器

第六节 蓄能式液控缓闭蝶阀

第七节 缓闭止回阀

第八节 采用转动惯量大的水泵机组或增装惯性飞轮

第九节 其他防护措施

第十节 防护措施的选择

第十一章 停泵水锤计算的电算法（Ⅱ）——专题

第一节 不同型号泵并联工作的停泵水锤（Ⅱ）

第二节 水锤过程中“阀门控制”的计算机动态模拟

第三节 伴有多处水柱分离的停泵水锤及其综合防护的计算机动态模拟

第四节 伴有多处水柱分离停泵水锤的分析与综合防护设计的工程实例

新程序一多台不同型号泵并联（两大一小）、无防护措施泵系统停泵水锤计算机

动态模拟电算源程序

新程序二多台同型号泵并联、四处同时单向注水并双阀控制的停泵水锤综合防护

计算机动态模拟电算源程序

主要参考文献