干货分享，一文知晓水锤现象，了解其产生原因及解决方案

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　　今天小编将为大家献上一篇干货，分别从产生原因、后果及解决方案层面，带大家深入走进管路中的水锤现象。

　　全文篇幅较长，请耐心查看，后续我们也将通过ifm Chat直播间为您详细讲解，轻松获取知识点，届时还可与讲师线上互动并了解应用不同原理的ifm压力传感器应对压力峰值的抵抗能力及其应用适应性。

　　文末也精彩不断，为您奉上ifm可极好抵抗压力峰值的压力检测能手。

　　何为水锤现象?

　　水锤是一种通过管道系统内的流体传导的冲击波。通常，当运动中的流体被突然强制停止移动时会发生水锤现象。流体突然停止流动时，其原有的运动惯量会导致管道系统内形成由介质传导的压力波，从而对封闭管道系统的所有物体造成明显作用力。

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　　通常，压力波会在短时间内衰减或消散，但在此期间其形成的压力尖峰却能造成巨大的破坏。水锤会伴随有砰砰声，其在极端情况下甚至会大范围波及连接接头、压力流量等传感器仪表和管道壁，最终造成代价高昂的损失。

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　　水锤现象不仅仅只发生在液体中，在夹带有固体的多相(液相、固相、气相)流体中，也可能产生，例如在砂浆或纸浆(基本上是由水输送纸浆纤维)中。这当中的关键在于水是管道系统中的主要运输介质，并且水能非常有效地传导冲击波。如果是气体或者油基介质，发生水锤的概率相对会低一些，因为气体和油具有一定程度的压缩性(空气/油分子间距比水分子要大，势能可以消耗一部分能量，传导性就比水弱)。

　　闪蒸(气锤)VS水锤

　　闪蒸(气锤)是一种不同形式的压力尖峰情形。它发生在蒸汽系统中，当其中蒸汽冷凝水(液态水)在管道系统内积聚的时候。这种液态水会突然从液体转化为蒸汽，同时体积扩大400-600倍。闪蒸(气锤)的应对方式完全不同。虽然它们在控制上具有同等的重要性，但本文仅讨论液体介质的水锤现象(不讨论蒸汽)。

　　水锤现象的原因

　　水锤的可能原因包括阀门选择不当、阀门位置不当，有时候是因为不恰当的维护行为。某些阀门如旋启式止回阀、旋转倾斜盘止回阀和双门止回阀等也是造成水锤问题的原因。这些止回阀容易猛关(Slamming)，因为它们的原理是靠回流和背压将阀瓣返推回阀座，从而关闭阀门。

　　若回流力过大，例如在流体流动方向垂直向上的管路中，则阀瓣很容易“猛关”复位关闭。相应产生的冲击可能会破坏阀瓣的对准，使其无法与阀座360度完全接触。这会导致出现泄漏问题，在最好的情况下也会影响系统的效率，而最差的情况则可能导致其他管道系统组件，例如传感器，密封件严重损坏。

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局部的突然压降轻则造成困扰，重则造成严重问题。采用特定的程序可以防止或减轻水锤现象。但首先要了解水锤的原因、后果及解决方案。

　　水锤现象的最常见原因是阀门关闭过快或泵突然关闭(比如断电)。实际上，水力冲击是由流体突然停止流动时管道系统中流体压力的瞬时提升所导致的。据艾萨克·牛顿爵士观察，运动中的物体倾向于保持运动，除非受到另一种外力影响。流体向前运动的惯量将使流体保持向同一方向流动。当阀门突然关闭或泵突然停止运行时，阀门或泵下游的管道系统中的流体就会弹性“拉伸”(流体会向前“冲”一会儿)，直至释放出流体的所有运动惯量。

　　注意看下图，与拉伸的弹簧被松开后类似，此时流体也会倾向于恢复到其正常的无应力状态(反向回弹)。这会导致流体在管道中回流，并可能以较大的破坏力重新回来撞击之前关闭的阀门。响亮的撞击声可以反映流体压力波的大小，并且压力脉冲可能接下来反复发生几次。

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　　突然的阀门关闭通常与直角旋转型阀门(典型的比如球阀、蝶阀、旋塞阀)相关，更准确的说就是自动直角旋转阀门(补充：清洗机等控制水比较多的小型设备多用电磁阀，属于直接截断式阀门，电动或气动控制，比直角旋转阀门更容易产生水锤)。

*电磁阀原理(图片来源于网络)

　　实际上，解决这个问题最简单的方法就是通过缓慢一点关闭这些自动阀门。这种方法在大多数情况下都有用，但也有例外。例如，急停关闭阀需要马上实现，绝对不能缓慢关闭，因此需要采用其他解决方案。后文我们将进一步介绍阀门关闭时间计算的相关信息。

　　水锤现象的另一个常见原因是泵的突然关闭(比如说突然断电)。对于用多个泵把多个支路集中输送到同一个集中口(“头”)的应用而言(例如在冷却塔或矿脱水应用中)，可以选择缓慢关闭泵，或者在泵后串联安装静音止回阀(缓冲止回阀)。静音止回阀在减少水锤现象方面极为有效，并且有时还能根本消除水锤问题。

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　　水锤现象的后果

　　水锤会导致由轻到重的各种后果。常见的信号是发现管道中有响亮的撞击声，尤其是在水源快速关闭时。该声音是压力冲击波强力撞击关闭的阀门、接头或其他障碍物的声音。有时这些噪声会非常大，从而使人紧张和困惑，对于周边的工作人员而言尤为如此。

　　然而，反复发生的水锤现象带来的可不止是困扰。它们还会严重损坏管道、管接头、垫圈和其他系统组件(流量计、压力计等)。其压力尖峰可轻松超过5到10倍的系统工作压力，从而为系统带来巨大的压力。水锤可能会导致系统的接头泄漏、管道壁开裂或管道支撑系统变形。而维修或更换损坏的管道组件和设备需要高昂的成本。若出现产品溢流导致环境问题，则成本会更加惊人。

　　在大多数情况下，水锤都会被视为安全隐患。水锤造成的极端压力可能会使密封垫圈爆裂以及导致管道突然破裂。而临近的工作人员也可能会相应受到人身重伤。

　　水锤现象的解决方案

　　根据原因不同，有多种方法可以减轻水锤现象的影响。其中最简单的方法是培训和教育操作人员。操作人员在认识到正确开关手动或致动阀门(主要是比较缓慢的关闭)的重要性后，会采取相应的预防措施，减轻水锤现象的影响。对于直角回转型阀门如球阀、蝶阀和旋塞阀而言，这种方法尤其有效。

　　管道设计的注意事项：

　　专业的水锤消除器可减轻水锤导致的压力尖峰。这些管道系统组件可像减震器一样，降低水锤引起的噪声及相应的压力。若尺寸合适且安装正确，水锤消除器是一种非常有效的解决方案。

*水锤消除器(图片来源于网络)

　　另一方面，应避免使泵输出至较长的垂直管。应尽可能减少垂直脚的使用(设计弯管)，或尽可能靠近泵安装静音止回阀。

　　为了减少水锤，另一个需要关注的点是在垂直管路中安装止回阀。旋启式止回阀、倾斜阀瓣止回阀和双门止回阀常常在垂直管路中安装使用。然而，它们不能防止垂直管路中的回流。只有静音止回阀可在垂直管路中有效防止回流。

　　对于旋启式止回阀、倾斜旋盘止回阀和双门止回阀突然关闭引起的液压冲击问题，可以通过将它们更换为静音止回阀或非撞击止回阀来解决。静音止回阀技术亮点在于：当阀门关闭元件间的压差减小时就开始关闭(而不是在流体回流时)。因此，它们猛然关闭的可能性要小得多，从而更不易产生水锤现象。当阀瓣间的压差接近阀门的破裂压时，阀门已经完全关闭。这使得流体流速降低，从而使流体惯量在阀门完全关闭前就已经减小，同时仍能确保流体不会逆流。

　　系统设计人员必须熟悉减少水锤现象发生可能的最佳实践和行业标准，例如使用合适的缓慢关闭型阀门、了解管道内的最优阀门设计位置以及针对高工作压力系统考虑特殊的管道设计等。

　　当合理设计管道系统时，可以显著降低甚至消除水锤现象发生的可能。对于已有的系统，则可通过各种有效的方法限制水锤现象的不利影响，例如安装静音止回阀作为第一道防线，并确保直角回转型阀门(球阀、蝶阀、旋塞阀等)在操作上缓慢关闭。应注意，自动化系统中的电磁阀关闭时间应至少为通过T=2L/a公式(阀门关闭时间)计算值的10倍。

　　下面便进入我们的公式计算环节，让大脑高速运转起来吧!

　　预测水锤压力尖峰

　　可以根据管道系统的相关详情以及传输介质，来计算水锤压力尖峰的大小。水锤的实际作用力取决于流体停止时的流速以及停止的时间长度。例如，假设378L(100加仑)的水以3.048m/s(10feet/s)的速度在DN50的管道中(2寸，约一个拳头大小)的管道内流动，当使用快速关闭阀快速停止流体流动时，其效果相当于378公斤重的锤子撞击在防护栅上。若流体流动在半秒内停止(可能等同于阀门的关闭速度)，则可导致高于原系统设计工作压力的产生，大概是6.89bar(100psi)的压力尖峰，相当于70米高水柱(4℃)相对于地面产生的压强。

　　压力尖峰幅度的计算公式如下：

　　∆H = a/g * ∆V

　　∆H是水头压力的变化

　　∆V是流体流速的变化

　　a =介质中的声速

　　g =引力常量

　　例如：

　　a = 1482米/秒(4864英尺/秒)

　　g = 9.81m/s2(32.2英尺/秒2)

　　∆V = 1.52米/秒(5英尺/秒)

则∆H为230米,即22.6bar，即756英尺(328 psi)

　　该值假设阀门立即关闭。

　　阀门关闭时间计算

　　显然，水锤现象在废水处理厂或市政供水系统等工业环境中是一个严重问题。与上述示例不同，普通浴室水龙头通常采用4分管道DN15常规管道，水压范围在4-5.5bar，每分钟可输送大约30到37.85公升水。而废水处理厂采用DN200的大口径管道，按3.048m/秒的速度计算，每分钟可输送3.4吨水。而DN700(24英寸)的主管道则可每分钟输送超过45.4吨水，这足以在不到2分钟内注满普通的后院游泳池。

　　阀门关闭时间的基本计算公式：T = 2L / a

　　T =最小时间(单位为秒)

　　L =关闭阀与下一个弯头、三通接头或其他有变化的配件的直管长度

　　对于70°F (21°C)的水和100英尺(30.48米)的直管：

　　T = 41毫秒(最小关闭时间)

　　小结

　　本文仅探讨常说的水锤现象的部分原因和解决方案，对水锤这一流体瞬态主题进行简单说明。水锤问题的解决方案成本可能非常高，但是回报却远高于付出。无论是泵馈送垂直管路或集流管，还是阀门快速关闭，这些问题都在可设计之初就合理规避。一旦管道安装完毕且工厂过程展开，相应的解决方案就会有所限制。在此，机械工程师的管道设计作用非常重要。

　　另外，大多数串联静音止回阀的制造商都熟知水锤现象，并有相应的工程师可以提供帮助。在寻求正确的解决方案时，不妨优先向他们咨询。

　　ifm陶瓷电容原理压力传感器

　　可极好抵抗压力峰值

　　ifm的压力传感器采用陶瓷电容原理，具有非常好的抗压力峰值的特性，其内部“汉堡包”三层结构设计，相对于机械式压力表和隔膜充油式的压力变送器来说，更加坚固耐用，能够抵抗突然的压力峰值。

　　隔膜充油的压力变送器因为前端不锈钢感应膜片比较薄，疲劳形变多次以后容易发生永久变形，造成常见的零漂现象。更为重要的是，在有抽真空应用的时候，膜片向外凸起造成漏油，轻则该油污染介质，重则膜片损坏。由于内部压阻感应元件还在，客户无法察觉传感器前端膜片已经损坏，此时如果向管道打压，介质会冲破传感器内部，从电气接口处迸发出。若介质是CIP清洗液(带有弱酸缩减性)，极有可能造成人员伤害事故。

　　因此，ifm压力传感器采用陶瓷电容式测量元件，可以很有效地抵抗压力峰值，避免上述问题。

　　左侧为陶瓷电容式测量元件，右侧为不锈钢隔膜充油密封元件。

即使在极限情况下，也可以选用ifm防水锤的阻尼螺丝附件E30419(内螺纹G/4)和E30057(外螺纹G1/4)，安装在产品管道内部，接近感应膜片的地方，可有效防止过压。

　　作者简介

　　本文大部分内容由Arie Bregman撰写，发表在2017年5月份的《Valve Magazine》。他是DFT Inc.-Check &Control Valve Manufacturer 公司的VP和GM，于1996年毕业于WPI Worcester Polytechnic Institute 伍斯特理工学院，在工程和阀门的领域有着超过30年的应用经验，并于2014年被选为北美阀门制造商协会VMA年度人物。