基于水錘現象的建筑給水系統防護措施

邱榮華

（福建福大建筑規劃設計研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

基于社會經濟的快速發展與城市化建設進程不斷加快，建筑行業得以快速發展。 作為建筑施工中的重要組成部分， 建筑給水系統的設計與施工質量直接影響了建筑整體建設與使用質量[1]。 在建筑給水系統中，水錘現象時有發生，嚴重時會引發爆管漏水，影響給水系統的正常、安全運行。 因此，現階段， 如何合理選擇水錘防護措施成為建筑設計與施工人員研究的重點。 下文在分析建筑給水系統水錘現象的基礎上， 闡述了水錘特征值的計算方法， 并結合福安某私人住宅給水系統設計案例，對建筑給水系統防護措施進行深入探究，旨在為其他建筑技術人員選擇合理的給水系統水錘防護措施提供借鑒與參考。

1 建筑給水系統的水錘現象

水錘現象是當流體管道中流體因某些因素產生流速急劇變化而引起管道內流體壓力急劇變化，并伴有振動與沖擊噪聲，導致管道、閥門、設備損壞的現象。 雖然水錘現象的延續時間較短，但水錘的危害性極大，嚴重時會爆管漏水，造成停水事故，甚至會造成設備損壞，傷及操作人員等。

根據水錘現象產生原因劃分，可將水錘現象分為啟動水錘、關閉水錘和停泵水錘三種類型。其中，啟動水錘通常發生在壓力管道中沒有充滿水，而系統閥門開啟過快的情況下；關閉水錘發生在由操作人員操作失誤引發管道系統運行不暢的情況下；停泵水錘通常發生在操作人員失誤操作、 電源跳閘、正常操作但電源切斷等情況下[2]。

根據水錘分析理論劃分，可將水錘現象分為剛性水錘與彈性水錘。 其中，剛性水錘理論認為水錘現象的產生僅與流速變化相關；彈性水錘理論認為管材的彈性形變、水體的可壓縮性均是產生水錘現象的誘因[3]。

基于既有研究和實踐情況分析發現，在泵供水系統中，水錘現象時有發生，若水錘防護設備選擇不當，則對整個供水系統會造成嚴重危害。

2 水錘特征值計算

2.1 水錘波速

水錘波速計算公式見式（1）。

式中：K 表示液體體積彈性模量，單位為Pa；ρ 表示液體的密度，單位為kg/m2；E 表示管壁材料的彈性模量，單位為Pa；ψ 表示無量綱參數。

2.2 水錘的基本微分方程

水錘的基本微分方程能全面反映有壓管流中非恒定流流體流速與水頭的變化規律， 并為建筑給水系統水錘防護措施的選擇提供有力依據。 水錘的基本微分方程包括運動方程和連續方程，運動方程公式見式（2）。

式中：H 表示測壓管水力坡度線；x表示從任意點開始， 沿管道軸線方向的距離；V 表示流速；t 表示時間；D 為常數項；f 表示摩阻系數；g 表示重力加速度。連續方程公式見式（3）。

式中：a 表示水錘波速。

2.3 特征線方程求解方法

特征線方程求解是現階段解決水錘問題的常用計算方法，結合微分法則，整理得出特征線方程公式，見式（4）、（5）。

式中：C+表示正特征線方程；C-表示負特征線方程；A 表示管壁材料的彈性模量；dH、dt 分別表示H、t方向上的水錘特征；Q 表示水流量；dQ 表示水流量特征參數。

為便于計算， 建立有限差方方程， 公式見式（6）、（7）。

式中： Hpi、Qpi分別表示時段終了參數；B 表示積分初始點。

3 建筑給水系統水錘防護措施

3.1 合理選擇給水方式

給水方式是建筑內部給水系統的供水方案，對水錘現象的發生產生直接影響。為有效防護給水系統，需要設計人員根據建筑的層高、供水設備類型等，合理選擇給水方式。

以福安某私人住宅給水系統設計為例，設計人員以住宅實際需求為出發點，利用上述公式進行計算， 確定了建筑給水系統設計方案： 設置揚程為100 M、功率為30 KW、流量為10 L/S 的室內消火栓增壓泵；揚程為56 M、功率為37 KW、流量為40 L/S的自動噴淋增壓泵；揚程為48 M、功率為3.0 KW、流量為11 t/h 的生活給水變頻泵組；揚程為72 M、功率為4.0 KW、流量10 t/h 的生活給水變頻泵組，具體如圖1 所示。

3.2 氣壓水罐防護

為有效進行供水系統水錘防護， 需要避免出現水力過渡過程，并通過采取有效防護措施，消除水錘壓力，保證供水安全。 結合具體實踐情況分析，氣壓水罐防護是現階段有效進行供水系統水錘防護的方法。 氣壓水罐防護是一種內部充有一定量壓縮氣體的金屬水罐，將其安裝在水泵出口附近管線上，利用罐內原壓縮氣體的壓力， 對水錘現象進行防護的方式。 氣壓水罐有充氣分離型氣壓水罐和非分離型氣壓水罐。 無論在實際防護中應用哪種類型的氣壓水罐，都需要保證在罐內壓力最低時，罐內尚有一定量的水，以避免罐內空氣逸到供水管道內。

3.3 其他防護措施

（1）安裝水錘消除器。在實際施工中，施工人員可選擇應用自閉式、下開式、儲氣式等多種水錘消除器。 當供水系統中的壓力急劇增加時，可以泄出部分水體，降低水壓，減小水錘峰值。

（2）安裝液控緩閉蝶閥。 液控緩閉蝶閥可以對自動快關角度進行預設，其余部分緩慢關閉，有效消除了水錘的危害。 同時，液控緩閉蝶閥的應用還可以有效避免水泵機組發生大反轉，保障了水泵機組運行的安全性。

（3）安裝緩閉止回閥。 快關止回閥是引發水錘現象的重要因素之一，為避免管道內水體反向流速到達一定數值后止回閥快速關閉，可以安裝緩閉止回閥。緩閉止回閥有蓄能式、重錘式兩種。在緩閉止回閥的實際使用中， 需要根據管道水體流速等，對其關閉時間進行計算調整，并在閥門關閉70%時，對管線內狀況、水泵狀況進行分析，在此基礎上，確定剩余關閥時間。

（4）安裝泄壓閥。 泄壓閥包括泄壓倒閥、主閥、外裝部件。 在實際安裝中，通常將泄壓閥安裝在管道系統中的水泵房內便于泄水的位置。當給水系統的壓力大于泄壓閥設定數值時，倒閥動作，主閥進行泄壓； 當給水系統的壓力小于泄壓閥設定數值時，倒閥、主閥逐漸關閉，使給水系統壓力迅速恢復正常，有效防護水錘。

（5）安裝水泵旁通管。 旁通管與水泵并聯，設有單向閥。 在安裝水泵旁通管后，水流方向與給水系統管道的供水方向一致。 當停泵后，水泵運轉的速度瞬間減低， 給水系統管道中的水體流速減小，出水口處壓力降低， 但水泵吸水口處的壓力升高。若出水口的壓力小于吸水口處的壓力，則單向閥動作，組織水泵出水口處壓力的持續降低與水泵吸水口處的壓力持續升高，從而有效降低了管道系統水錘壓力，起到了水錘防護作用。

本案例設計中，在水池泵房內安裝了兩個泄壓閥：泄壓閥A，泄壓值設置為1.15 MPa；泄壓閥B，泄壓值設置為0.65 MPa。 同時，消防泵設緩閉止回閥、水錘消除器，具體如圖2 所示。

圖2 福安某私人住宅給水系統泄壓閥設置

4 結語

綜上所述，在建筑給水系統中，受水泵啟動、停電、停泵、閥門等多重因素影響，極易引發水錘現象，嚴重影響了給水系統的安全、可靠運行。為有效進行水錘防護，在分析水錘現象的基礎上，闡述了水錘計算的基本方程、水錘特征線法，并結合福安某私人住宅給水系統設計案例，對建筑給水系統的水錘防護措施進行深入探究。以期為其他類似建筑給水系統的水錘防護提供參考。