水錘現(xiàn)象這一普遍但經(jīng)常未能清理的故障會給所有液體采樣系統(tǒng)、管道上的儀表和液體系統(tǒng)部件帶來重大威脅。文中深入分析產(chǎn)生水錘現(xiàn)象的原因和危害，針對性提出減少水錘現(xiàn)象的方法和思路，供大家參考和借鑒。



對于工廠運(yùn)營來說，水錘現(xiàn)象難以查清，并會擾亂運(yùn)行和損壞設(shè)備。在家用水管領(lǐng)域，水錘現(xiàn)象是十分常見的。在突然關(guān)掉水龍頭時，水管里會發(fā)出一種敲擊聲。而在精心調(diào)校好的液體采樣系統(tǒng)中，水錘現(xiàn)象則會造成更為嚴(yán)重的后果，這樣一種突然出現(xiàn)的壓力沖擊尖峰足以損壞壓力表、壓力變送器、流量表、水泵和其它敏感的關(guān)鍵工藝組件，并且有可能波及整個系統(tǒng)。如果這種壓力脈動強(qiáng)度足夠強(qiáng)，甚至可以造成管道或管端接頭破裂，如果系統(tǒng)內(nèi)流動的是有毒或高溫液體時，更會導(dǎo)致危險的狀況發(fā)生。

當(dāng)突然關(guān)閉閥門而導(dǎo)致液體流動停止時，就有可能出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。在典型采樣系統(tǒng)當(dāng)中，水錘故障的根本原因經(jīng)常被人忽視或錯誤判斷。如果系統(tǒng)的最大過程壓力不超過其設(shè)計的最大值時，那么超出來的壓力來自何處？如果運(yùn)營方知道從哪些原因著手分析水錘現(xiàn)象，并知道應(yīng)采取哪些正確措施，就可以識別、估算和盡量減輕水錘現(xiàn)象。本文將更深入地解釋水錘現(xiàn)象發(fā)生時采樣系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的狀況。

產(chǎn)生水錘現(xiàn)象的原因和影響
當(dāng)閥門關(guān)閉并導(dǎo)致液體流動中斷時，必須采取一些機(jī)制來吸收液體的流動動量，這樣液體才能停止下來。該液體具有較大的重量并且流速較快，讓液體得以減速的作用力會形成一種壓力沖擊波。這種沖擊波源自于液體受到的壓縮作用以及管壁的變形作用，所生成的壓力沖擊波將在管道內(nèi)向上游傳播。

這種沖擊波發(fā)生速度很快，通常會快至典型比例泄壓閥無法發(fā)揮其預(yù)定功能的程度。這種快速出現(xiàn)的壓力尖峰也可能導(dǎo)致泄壓閥爆破片破裂，但這種破裂一般發(fā)生得過晚，以致無法減輕上游傳感器或流量表遭受的嚴(yán)重?fù)p壞，而這些上游部件在泄壓閥開啟泄壓之前已經(jīng)承受了壓力尖峰帶來的全部作用力。

因此解決水錘問題的第一步是估算這種沖擊現(xiàn)象給系統(tǒng)造成的壓力尖峰值。我們可以采用儒可夫斯基方程來計算此值。這里取采樣液體密度為ρ，此方程用于估算當(dāng)液體流速u突然變化時，相對于壓力脈動ΔP的水錘現(xiàn)象波幅：ΔP=c×ρ×Δu，公式中參數(shù)c為實際運(yùn)行條件下液體內(nèi)部聲速。

例如，20℃時水內(nèi)聲速約為1400m/s，因此，當(dāng)閥門操作導(dǎo)致流速為1?m/s的水流突然斷流時，計算得到的壓力脈動值為：P=1400?m/s×1000 kg/m3×1?m/s=1.4?MPa。

在上述例子中，結(jié)果為采樣系統(tǒng)當(dāng)中會出現(xiàn)1.4?MPa的額外壓力，而運(yùn)營方極有可能根本未對這一額外壓力做出應(yīng)對計劃，系統(tǒng)也可能無法承受這一壓力。如果系統(tǒng)流速高于1?m/s，則壓力尖峰值會更高。

儒可夫斯基方程提供了一項理論尖峰壓力值，但在實際條件下，尖峰壓力可能沒有這么高。只有在流速突然變化時，這種脈動才會形成作用力。下一步，精調(diào)計算過程可以在下列公式當(dāng)中將這些實際條件納入考慮(其L為液體管路的長度)：t≥(2-L)/c，如果上例當(dāng)中的水管長度為100?m，則：t≥(200/1?400)-s，t≥142?ms。在本例當(dāng)中，t代表壓力波向上游傳播并反射回至閥門所用的時間。只有在反射回來的壓力波返回并碰到一個關(guān)閉閥門時，完整的壓力脈沖波才會形成。而上述計算結(jié)果表明，如果該閥門關(guān)閉用時超過142?ms，則脈沖波壓力將低于計算所得壓力，水錘脈沖波值將減至最小。

減少水錘現(xiàn)象
在家用水管系統(tǒng)當(dāng)中，可在靠近水龍頭處安裝內(nèi)含滯留氣團(tuán)的垂直管道，就可解決水錘現(xiàn)象，從而消除令人不安的管內(nèi)敲擊聲。這種設(shè)計方案在理論上也適用于液體采樣系統(tǒng)，但這樣會形成一段盲管段，還會導(dǎo)致樣品污染的現(xiàn)象。

因此，這里要求采用差異化的方法，即通過管理流量來減輕水錘現(xiàn)象。

流量管理法
有一種可以更好管理流量的方案是采用緩慢截斷流動并配備完全關(guān)斷型閥座的多回轉(zhuǎn)針形閥，而不采用會即時截斷流動的球閥。

球閥無法在不損壞閥門的條件下緩慢關(guān)閉(或節(jié)流)。球閥產(chǎn)生的突然斷流可能造成敏感采樣調(diào)節(jié)和輸送系統(tǒng)內(nèi)的重大壓力沖擊波，從而導(dǎo)致系統(tǒng)受損。而采用多回轉(zhuǎn)式針形閥(如圖1快速回路模塊當(dāng)中所示)系統(tǒng)允許操作者以較為緩慢的速度截斷流體，可有效地將液體動量分布到較長時段內(nèi)，盡量減少水錘沖擊波。但是，應(yīng)重點注意針形閥造成的壓力降大于球閥，運(yùn)營方如果采用了針形閥，則應(yīng)確保系統(tǒng)供壓足夠大。

第2種流量管理方法是直接在系統(tǒng)內(nèi)分流液體而不是截斷液體流動。圖2所示為一種快速回路系統(tǒng)，采用1個共用手柄來控制2個球閥，確保每個球閥都不能獨(dú)立開閉。這里可以采用1個帶有特殊通路設(shè)計的三向閥，在主路徑關(guān)閉之前開啟一個旁路流動路徑。在這樣的系統(tǒng)當(dāng)中，這些閥門從不關(guān)閉，這樣就有效減少了水錘現(xiàn)象的發(fā)生。



圖1 本示意圖顯示了采用針形閥隔離和旁路快速回路流量的采樣系統(tǒng)，閥門的慢速關(guān)斷流動可以盡量減少水錘現(xiàn)象

即使在一個如上述設(shè)計的系統(tǒng)當(dāng)中，閥門操作仍有可能造成微小的水錘現(xiàn)象，而相關(guān)的壓力沖擊波也有可能損壞壓力表。安裝壓力波阻尼器可以盡量減少這種可能性，保持可能暴露于意外壓力沖擊波危害下的壓力表。壓力波阻尼器可以直接放緩壓力表的響應(yīng)速度，保持壓力表不受管路內(nèi)發(fā)生的所有瞬態(tài)壓力沖擊波的影響。



圖2 本示意圖顯示了一種快速回路的采樣系統(tǒng)設(shè)計方案，其中采用分流而不是斷流設(shè)計，能夠徹底避免水錘現(xiàn)象，由一個共用手柄同時操作2個旁路閥門，閥門內(nèi)部采用特殊通路設(shè)計，在關(guān)斷一條通路之前，會先開啟另一條通路

水錘現(xiàn)象在任何液體采樣系統(tǒng)中都會造成影響，包括維護(hù)、停機(jī)時間問題以及潛在危險等。在設(shè)計系統(tǒng)時，設(shè)計人員應(yīng)遵循一些基本的設(shè)計提示，防止系統(tǒng)被水錘問題影響。

水錘現(xiàn)象預(yù)防核查清單
①采用儒可夫斯基方程估算水錘現(xiàn)象幅度；
②采用針形閥關(guān)斷樣品管路；
③考慮分流方案而不是完全截流方案；
④在整個系統(tǒng)內(nèi)采用壓力波阻尼器以保護(hù)壓力表和壓力變送器；
這些設(shè)計提示將有助于系統(tǒng)有效減輕水錘現(xiàn)象，從而提升系統(tǒng)安全性、減少維護(hù)工作量，并盡量縮短系統(tǒng)停運(yùn)時間。

作者：KARIM MAHRAZ