什么叫作水击
全国十佳少先队员-
１．什么叫作水击？
２．水击时伴随什么样的现象？
３．在收发油作业过程式中，有那些操作会引起水击？
４．给生产和设备带来什么样的危害？
５．防止和减少水击有哪些措施方法？
２．
1
水击及其危害
水击是压力管道中一种重要的非恒
定流。
当压力管道中的流速因外界原因而发生急
剧变化时，引起
液体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、
阀门或其他管路元
件上好像锤击一样，称为水击。
水击引发的压强的升高或降低，
有时
会达到很大的数值，
处理不当将导致管道系统
发生强烈的震动，
引起管道严重变形甚至爆裂。因此，在压力管道引水系统的设计中，
必须进行水击压力计
算，并研究防止和削弱水击作用的措施。
2
水击压力防护措施
为确保
管道安全运行，
除在设计中慎重考虑外，
更应加强管理，
制定和遵守严格操
作规程。
水击压力计算公式
表明：
影响水击压力的主要因素有阀门起闭时间、
管道长度
和管内流速，
因此，
可针对以上因素在管道
工程设计和运行管理中采取以下措施来避免
和减小水击危害。
（
1
）操作运行中应缓慢启闭闸门以延长闸门启闭时间，从而避免产生
直接水击并
可降低间接水击压力。
（
2
）由于水击压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制管内流速不超过最大
流速限制范围。
但有时管道中的流量是一定的，
管径一
般由动能经济计算确定，
减小流
速意味着加大管径。
用减小流速的办法降低水击压强，
往往是不经济的，
一般并不采用。
但在一定的条件下，
例如适当的加大管径可以
免设调压井时，
采用这一措施可能是合理
的。
< br>
（
3
）由于水击压力与管道长度成正比，因此在设计中可隔一
定距离设置具有自由
水面的调压井或安装安全阀和进排气阀，
以
缩短管道计算长度并消减水击压力。
减压阀
适用于引水管道较长
和不担任调频任务的中小型水电站是比较经济的。
但由于减压阀在
电站机组增加负荷时不起作用，
不能改善电站运行的稳定性，
电站在变动小负荷
（机组
额定出力
15
％以下）时减压阀不动作，因而恶化了机组的速动性，这种一般采用调压
井减小水击压强。
３．水击压力计算公式
水击压头
H=a•△V/g=
a•(V0－
V)/g
其中：
V0
－水击前的流速，米
/
秒
V
－水击后的流速，米
/
秒
g
－重力
加速度，米
/
秒
2
< br>a
－水击波传播速度，米
/
秒，
与管径、壁厚、管道材质、管道弹性模量、介质
密度、介质的体积弹性系数、管道的固定情况有关
可见，
对输送某种介质的某条
管道，
水击压头的大小与水击时管道流速的变
化量成正比（注意
流速应有方向性，假设某方向为正，即反方向应为负）
水击主
要原因为疏水不利，还有在设计蒸汽管网的时候，考虑的输送能力问题。
一般水锤现象出现在管道疏水端附近及长输管线的末端。
管道疏水设计的考虑不足，比如疏水管径过小，疏水阀形式选择不利都有可能造成水锤。
管道末端由于输送能力不足，末端全是冷凝水了，很容易产生水锤
。
水击基本方程的改进
摘要
本文首先指出了当前用于水击计算的数学模型中的连续性方程式在恒定流时不能成立的问
题并通过进一
步的理论推导得到了新的水击波速计算公式和新
的连续性方程新的水击波速计算公式表明
水击波速并非是一
<
/p>
个常量它的大小随流体动能沿程变化率与压强势能沿程变化率之比的变化而变化同时也随<
/p>
管道断面相对变化
量与压强相对变化量
之比的变化而变化新的连续性方程改善了老方程存在的不合理现象本
文还通过对水击
现象的计算比较进一步说明了老方程的确存在不合理现象而新方程
的计算结果是合理的最
后分析指出了当
前用于水击计算的连续性方程式在恒定流时不能成立的原因所在
二、水击计算的基本公式
1
、水击压力
由于液流速度的瞬时变化所引起的初始水击压力值
(
压力增值
)
可按下式计算
（
5-4-1
）
式中
ΔP——
-
由于液流速度的瞬时变化所引起的初始水击压力，
Pa<
/p>
；
ρ——
-<
/p>
液体的密度，
kg/m3
；
a
——
水击波在该管道中
的传播速度，
m/s
；
v0
——
正常输油时液体流速，
m/s
；
v--
一突然改变后的液体流速，
m/s
。
< br>
如阀门突然全部关闭，液体的流速立即降为零，此时的初始水击压力值为
(5-4-2)
用公式
(5-4-1)
、
(5-4-2)
可得出流速突然减小或突然降为零时所引起的压力增值。如起始流速
突然增大
，则可得出相应的压力降低值。
2
、水击波的传播速度
水击波的传播速度
a
可按下式计算
< br>
(5-4-3)
式中
a
——
压力波的传播速度，
m/s
；
E-
——
管材弹性模量，
< br>Pa
；
D
——
管道内径，
m
；
δ——
管壁厚度，
m
；
ρ——
液体密
度，
kg/m3
；
< br>k
——
液体的体积弹性系数，
P
a
；
C1
—
—
管子的约束系数，取决于管子的约束条件：一端固定，另一端自由伸缩，
C1=1-
μ/2
；
管子无
轴向位移
(
埋地管段
)
，
C1=1-
μ2
；管子轴向
可自由伸缩
(
如承插式接头连接
)
，
C1=1
；
μ——
管材的泊松系数。
表
5-4-1
常用材料的弹性模量和泊松系数
名称
E×
l09/Pa
μ
名称
E×
l09/Pa
μ
钢
206.9
≈0.30
聚氯乙烯
2.76
≈0.45
铜
110.3
≈0.36
石棉水泥
≈23.4
≈0.30
铝
72.4
≈0.33
混凝土
30
～
107.8
0.08
～
0.18
球墨铸铁
165.5
≈0.28
橡胶
≈0.07
≈0.45
表
5-4-2
几种液体的体积弹性系数
液体名称
体积弹性系数，
×
105/Pa
20
℃
30
℃
40
℃
50
℃
90
℃
水
丙烷
丁烷
汽油
煤油
润滑油
23900
1760
3560
9160
13600
15600
1370
3020
22150
1040
2510
12050
715
2130
7600
13800
21750
原油
15
℃密度
0.83
15
℃密度
0.90
7
℃
15300
19200
21
℃
13500
17350
38
℃
12250
15600
对于一般的
钢质管道，压力波在油品中的传播速度大约为
1000
m/s
～
1200m/s
，在水中的传
播速度大约为
1200m/s
～
1400m/s
。
几种常
用材料的弹性模量和泊松系数列于表
5-4-1
。
液体的体积弹性系数随其组成、温度和压力而不同。但在
< br>
以下，弹性系数随压力的
变化较小，随温度的变化较大。
表
5-4-2
列出了国外测定的几种液体的体积弹性系数。由表
5-4-2
可见，随着温度的升高，液体的体积弹性系数减小。
温度升高，液体的密度也减小，
意味着液体的可压缩性增大，压力波的传播速度减小。<
/p>
三、水击波的传播过程
现以等直径简单管道中的水击波传播过程为例，来说明阀门突然关闭时所引起的水击现象。
如图
5-4-1
所示，
液体自具有固定液面的大水池，沿长为
L
，直径为
d
的等直径管道流向大
气中，管道出口装有阀门。<
/p>
当阀门开启一定大小的正常情况下，管道中的流速为
v0
。如将阀门突然关闭，则阀门处的
液体流速从
v0
突然减少到零。
但由于惯性作用，
液体还企图以
v0
的速度流动，
因而将有一
惯性力作用于阀门。
根据作用力和
反作用力的关系，
阀门对液体也有一个大小相等方向相反
的反作
用力作用于液体并传递给管壁，
从而使这层液体被压缩，
密度增
加，
压力增高了
ΔP
，
同时管壁也发生膨胀。在分析水击现象时，尽管液体和管子的弹性都不大，即压缩性很小，
但绝对不能忽视。
水击传播的一个循环可分为四个阶段：
1
、水击波传播的第一阶段
——
管中
增压波从阀门向管道进口传播的阶段。
图
5-4-1
阀门瞬时关闭后一个周期内管内压力的变化过程
如图
5-4-1(a)
所示。设阀门在
t=0
时突然全部关闭。此时，紧靠阀门的一层液体在很短的时
间内，
首先停止流动，
速度由
v0
降到零，
产生水击增压
ΔP
，
使该层液体受压缩，
密度增加，
而管壁发生膨胀。此后，第二层液体相继停止流动，同时压力升高，液体受压缩，使密度增
加，管壁膨胀。这样，由于液体停止而形成的高低压区分界面，依次向上游传播。传播的速
度为
a
，实际上接近于液体中的音速。
当阀门关闭后
t1=L/a
时刻，压力波面传到了管道人口处。这时全管内液体都已停止流动，
液体处于
被压缩状态，压强增高了
ΔP
，密度增加，管壁膨胀。
2
、水击波传播的第二阶段
< br>——
管中减压波向下游传播的阶段
如图
5-4-1(b)
所示。
当<
/p>
t1=L/a
时，
压力波传到了管道人口
，
由于管道中的压力高于水池压力，
所以紧靠水池的一层液体将
以速度
v0
开始向水池流动，
而使水击
压力消失，
压力恢复正常，
液体密度和管壁也恢复原状。
从此刻开始，
管中的液体高低压分界面又将以速度
a
自水池向
阀门传播，直到
t2=
2L/a
时刻，高低压分界面又传到了阀门处，这时全管道内液体压力和体
积都已恢复原状，而且液体以
-v0
的流速向水池方
向流动。
3
、水击波传播的第三阶段
——
减压波向上游传播的阶段
如图
5-4-1(c)
所示。在
t2=2L/a
时，全管道恢复正常，但因液流的惯性作用，紧邻阀门的一<
/p>
层液体仍然企图以速度
v0
向水池方向流
动，而后面又没有液体补充，使靠近阀门的微小流
段内的液体发生膨胀，
因而该段的压力下降
ΔP
，
进
而使液体加倍膨胀，
管子处于收缩状态。
同样，
第二层、
第三层液体依次膨胀，
形成的减压波面仍以速
度
a
向水池方向传播。
当
t3=3L/a
时刻，减压波面传到管子人口处，这时全管道内液流流速为零
，压力降低了
ΔP
液体膨胀，
管子收缩
。
4
、水击波传播的第四阶段
——
增压波向下游传播的阶段
如图
5-4-1(d)
所示。在
t3=3L/a
时，减压波面传到了管道人口处，由于管道中的压力比水池
液面静压低
ΔP
，
因而
液体又以速度
v0
向管道中流动，
使紧
邻管道人口处的一层液体压力恢
复正常，
液体密度和管道也恢复
正常。
这种情况又依次以速度
a
向阀门
方向传播，
直到
t4=4L/a
时刻，
减压波面传到了阀门外，这时液体以
v0
的流速向阀门方向流动
。
图
5-4-2
阀门上游侧压力随时间的变化
在
t4=4L/a
时，
全管内的压力正常，<
/p>
但仍有一个向下游的流速
v0
，
呈现出开始关阀瞬间同样
的状态。这时，同样会由于液流的惯性作用而产
生一个增压波
ΔP
，从此又开始了压力传播
的第二个循环。
如果没有水流摩擦及因管壁和液体的变形所产生的能量损失，
这种水击现象
将会反复继续下去。
图
5-4-3
长输管道的水击压力传播
由以上分析
可以看出，在水击发生和发展过程中，其流速和压强沿管道每一瞬间都在变化，
而在阀门
处的
B
点，压强最先增高和降低，并且时间最长，变化最激烈。
图
5-4-2
表示阀门
B
处的水击压力随时间周期变化图。从图中可看出，从阀门开始关闭的时间起，在
t<2L/a
的时间内，
由上游反射回来的减压波，还没有到
达阀门处，因此阀门在
(0
～
2L/a
)
时间内，所
受的压力比静压高
。而在
t>2L/a
时，由上游反射回来的
减压波已经到达了阀门处，一直到
t=4L/a
为止，
因此阀门在
(2L/a
～
4L/a)
内所受的压力比静压低
，
并且在
t=4L/a
这一瞬向，
压
强水头又增高了
，回到了
t=0
的情况，以后即重复上述过程，呈周期性变化
。由于这些原
因，阀门处的压力增减幅度为
2ΔP
，因此阀门处的水击最为严重。
但实际上，
由于在传播过程中伴随有水力阻力和管壁变形，
发生能量消耗，
使水击压力逐渐
减少，延续
—
段时间后，会逐渐消失。
摘自
:
黄春芳编著《原油管道输送技术》，
中国石化出版社出版
黄春芳主编《输油工》
石油工业出版社出版
四、管道充装与压力波的衰减
1
、管道充装
由于稳态流动时摩阻损失引起的压力坡降的存在，
在管道水力瞬变过程中，
增压
波前峰经过后，管道容积和管内压力继续增加的过程称为管道充装，如
图
5-4-3
所示。该管道系统稳态时的压降由水力坡降线表示
。当管道下游产生扰动
(
阀门
关闭
)
，
阀门上游侧的液体停止流动，
产生瞬变增压力
Δ
H1
压力波沿管道向上游
传播。
在压力波沿管道传播过程中，
由于水力坡降的存在，
波前峰处的压力与下
游
扰动源
(
关闭的阀门
)
处的压力仍存在压力差。
有压差，
就会有剩余流动，<
/p>
并造
成下游管内压力上升
Δ
H2
。在
Δ
H2
的作用下，管壁发生膨胀，液体受到压缩，
又为流入的液体提供充装容积，
并使剩余流动不断减小。
考虑摩阻的影响，
关阀
后阀门上游侧压力的上升可分为两部分：①因突然关阀产生的直接瞬变压力
Δ
H1
；②因管道充装增加的压力
Δ
H2
。
由于摩阻的存在，
受减压波作用的管道，
减压波前
峰过后，
在管内也会存在剩余
流动，造成受减压扰动作用的管内
液体发生膨胀，压力进一步降低。
2
、压力波的衰减
< br>如前所述，
压力波在向上游推进的过程中，
所经之处液体
仍有剩余流动。
换句话
说，随着压力波沿管内传播，所经各点流
速变化
Δ
V
会小于扰动源处的变化值，
并且随压力波传播距离的增加，
Δ
V<
/p>
值会越来越小。
Δ
V
值小，沿线不同管道位
置处产生的瞬变压力也会减小。
如图
5-4-3
所示，
波前峰峰值压力曲线
已不再平
行于稳定时的水力坡降线。
这种压力波前峰值下降的现
象称为压力波的衰减。
压
力波传播过程中的能量损失也会使压力
波产生衰减，
但这种衰减与剩余流动产生
的衰减相比要弱得多。
只要管道存在摩阻损失，
就必然存在管道充装和压力波的
衰减过程。对于长距离管道，这两个问题显得比较突出和重要。