長距離壓力污水管道工程水錘防護技術探討

南京水務集團有限公司，江蘇 南京 210000

1 工程概況

南京市某污水管道工程，需要將某區域污水通過污水泵站調入污水處理廠，工程設計總規模為20萬m3/d，污水輸送距離為10km，一共設計兩條污水管線，左線為污水泵站至污水處理廠，采用一根DN1200壓力管，管道長度為10km；右線為兼顧當地片區地塊需求，在過高鐵段后設置消能井，將一根DN1200壓力污水管釋放為d1800重力管，因此右線采用一根DN1200壓力管（污水泵站至壓力釋放點）和一根d1800重力管（壓力釋放點至污水處理廠），壓力管道長度為7.5km，管線水力坡度為1.3‰。

該工程中污水壓力管的管材選用球墨鑄鐵管，設計流量為1.5m3/s，流速為1.33m/s，管壁厚度為13.6mm，管道采用聚氨酯涂層進行防腐，表面經過噴砂或拋丸處理，內涂層厚度不小于900μm，外防腐涂層厚度不小于700μm。

該工程中泵站內部安裝4臺潛水污水泵（包括1臺備用），每臺水泵的額定流量為1800m3/h，設計揚程為32m，額定軸功率為175kW，電機功率為220kW，額定效率77%，轉速為980r/min。集水池底標高為-4.52m，工程設計壓力管最高點標高為4.58m，靜揚程為9.1m，泵站內的水頭損失為4.5m，是典型的“長距離、大流量、低揚程”的污水管道工程。

2 水錘模型建立及基本參數

2.1 水錘模型建立

針對水錘造成的巨大危害，需要采取水錘防護措施，水錘計算可以為后續的水錘防護提供理論依據。其計算出的最大內水壓力可以作為設計或校核管道強度的依據，而計算出的最小內水壓力可以為防止壓力管道內產生負壓提供依據。結合該工程資料，利用Bentley HAMMER V8i水錘模擬軟件建立水錘計算模型。

2.2 水錘基本參數

水錘波速是分析水錘問題的一個重要參數，主要受管徑大小、管壁厚度及水的彈性系數等多種因素的影響。水錘波速的計算公式如下：

式中：L為管道的總長度，m；α為水錘波速，m/s。兩段管段的長度分別為7500m和10000m，則兩段管段的水錘相長分別為13.5s和18.0s。

3 穩態及停泵水錘計算結果

3.1 穩態計算結果

（1）泵站—壓力釋放點段管段中，管中高程最低點為K4+797，高程為-8.5m，此時穩態壓力水頭為17.61m；在K0+009點處，穩態時壓力水頭最高為19.30m，此時穩態水頭為19.30m，管中高程為0m；在管線末端點處，穩態時壓力水頭為0.12m，此時穩態水頭為4.50m，管中高程為4.38m。

（2）泵站—污水處理廠段管段中，管中高程最低點為K4+797，高程為-8.5m，此時穩態壓力水頭為20.29m；在K0+009點處，穩態時壓力水頭最高為22.01m，此時穩態水頭為22.01m，管中高程為0m；在管線末端點處，穩態時壓力水頭為0.50m，此時穩態水頭為3.50m，管中高程為3m。

3.2 停泵水錘計算結果

（1）無防護條件下，泵站—壓力釋放點段的水錘計算結果顯示，管道全線最大壓力水頭出現在K0+319點處，為142.30m，是水泵出口額定壓力的7倍左右，遠遠超過了《泵站設計規范》（GB 50265—2010）規定的1.5倍，因此如果沒有任何防護措施，發生事故停泵時，管道正壓過大，容易發生管道爆裂。最小壓力水頭出現在K4+798點處，為-3.61m，負壓值較高，最大空氣容積達89770L，易發生斷流彌合水錘現象，不利于管道的安全穩定運行。

（2）無防護條件下，泵站—污水處理廠段的水錘計算結果顯示，管道全線最大壓力水頭出現在K0+319點處，為144.45m，是水泵出口額定壓力的6.4倍左右，最小壓力水頭出現在K6+172點處，為-4.24m，負壓值較高，最大空氣容積達37974L，易發生斷流彌合水錘現象，不利于管道的安全穩定運行。

4 水錘防護計算

4.1 止回閥

止回閥是指依靠介質自身流動而自動啟、閉閥瓣，用于防止介質倒流的閥門。

未設止回閥時，停泵后，流量急劇下降，在6.8s時流量發生倒轉，在13s時倒轉流量達到最大值，為-2130m3/h，是穩態運行時的1.18倍，最終穩定在-980m3/h左右，水泵倒轉時間超過120s，不符合《泵站設計規范》（GB 50265—2010）的相關規定。設止回閥時，停泵后流量同樣迅速下降，在7.5s時，流量達到零點，不發生倒轉現象。

未設止回閥時，停泵4s后，壓力水頭達到最高值，為0.829MPa，之后便降低至穩定值。而設止回閥時，因止回閥的作用，水泵不發生倒轉現象，但停泵后止回閥處的壓力較高，最高達到1.85MPa，且壓力變化較劇烈，這表明僅依靠普通止回閥雖然能夠解決水泵倒轉現象的問題，但是會使水錘壓力升高，不能有效解決水錘問題。

針對上述情況，考慮采用兩階段緩閉止回閥，以防壓力太高或水泵倒轉流量過大。泵站停泵后，水流從正向流動變為逆向流動，為了減小關閉閥門帶來的水錘，采用兩階段關閉法逐步緩閉止回閥，可以合理設置兩階段的緩沖時間，通?？刂茷橄?0%左右快關，后10%左右慢閉，產生截流效應，達到降低動態水壓的目的。慢閉時間為50s時，閥后水錘壓力最小為0.825MPa，開始倒轉時間隨著慢閉時間增加逐漸減小，最大倒轉速度沒有受慢閉時間影響。綜合多個因素，選定慢閉時間為50s，即選用公稱通徑DN1200的兩階段緩閉止回閥，5s快閉90%止回閥，50s緩閉10%止回閥。

4.2 空氣閥

空氣閥具有自動開啟或關閉的功能，當壓力管內水錘發生負壓時，空氣閥開啟，使空氣進入管道；而當溫度或壓力變化，管內空氣需要釋放出來時，空氣閥也能夠將管內氣體及時排出，從而確保整個管道系統的安全運行?？諝忾y進氣量的計算公式如下：

式中：C為謝才系數，取值130m/s；S為管道坡度，取值1.3‰；D為管道內徑，該工程中采用DN1200的管道。經計算可得空氣閥進氣量為1600L/s。

空氣閥排氣量的計算公式如下：

式中：Q水為管道的水流量，取值1.5m3/s。由式（4）可得空氣閥排氣量為30L/s。

經計算，壓力值為1.4m時，150mm的吸氣口徑對應的吸氣流量為1926L/s，滿足排氣量1600L/s的要求；壓力值為138m時，6.3mm的排氣口徑對應的排氣流量為64L/s，滿足排氣量30L/s的要求。

4.3 兩階段緩閉止回閥與注氣微排閥聯用

將兩階段緩閉止回閥和注氣微排閥聯用于該工程管道布置中，進行水錘模擬計算，結果顯示，在止回閥和空氣閥聯用防護條件下，不管是左線還是右線，水錘正壓均顯著降低，停泵水錘最大水頭線幾乎與穩態水頭線吻合，同時停泵水錘負壓得到了有效控制，管段全線大多為正壓，最低負壓控制在-2m范圍內，符合設計要求。

5 結論

（1）通過無防護停泵水錘的模擬分析計算，發現穩態運行條件下，管道中無負壓出現，管道運行安全穩定。無防護條件下，管道全線最大壓力水頭是水泵出口額定壓力的6～7倍，管道正壓過大，易發生管道爆裂。最小壓力水頭超過-3m范圍，負壓值較高，易發生斷流彌合水錘現象，不利于管道的安全穩定運行。

（2）通過設止回閥的水錘防護分析計算，發現普通止回閥能阻止水泵倒轉，但是會使水錘壓力升高，不能有效解決水錘問題。采用兩階段緩閉止回閥，即5s快閉90%，50s緩閉10%，既能防止倒轉流量過大，又能減小閥后水錘壓力。

（3）針對空氣發的進、排氣量計算，對空氣閥合理選型，確定采用吸氣口徑150mm、排氣口徑6.3mm的注氣微排閥，能夠滿足進氣量1600L/s和排氣量30L/s的要求，在管線上合理選點分布，能夠較好地起到防止斷流彌合水錘的作用。

（4）選定兩階段緩閉止回閥和注氣微排閥聯用防護的方式，應用到該工程中，結果表明，水錘防護措施既顯著降低了水錘正壓，又消除了水錘負壓，起到了良好的保護管線作用。