5.5 水击现象

管道的水击现象及其防护 Final revision by standardization team on December 10, 2020.管道的水击现象及其防护摘要：水击是指压力瞬变过程，是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。

本文介绍了水击现象的定义、理论、形式和形成原因。

概述了水击现象的危害并论述了管道水击的防护措施。

关键词：管道水击现象危害防护措施1 水击现象在日常生活中,我们碰到的水流不稳定现象很多。

当我们快速关闭水龙头或关闭闸阀和水轮机导水叶时,在关闭过程中,随着阀门开度的减少,管道中的流速也逐渐减小,由于水流的动量快速变化,在闸阀的上游部分将产生压力升高;而在下游部分(如在尾水管中)产生压力降低。

当开启阀门或水轮机导水叶时,管道中的流速逐渐增大,在导叶上游部分产生压力降低,而在其下游部分(如在尾水管中)产生压力升高。

特别是在水电站或水泵站的有压引水系统中,通常用导叶或阀门调节流量,以达到适应水电站出力变化或水泵站供水量变化的生产要求。

这种调节往往是快速的,因此必然引起有压引水管道中的流速发生急剧变化,伴随着将产生管道中液体内部压强迅速交替升降的水力现象。

这种交替升降的压强作用在管道、阀门或其他管道元器件上好像锤击一样,故称这种有压非恒定流为水击现象,简称水击。

交替升降的压强称为水击压强[1]。

水击现象的定义水击是指压力瞬变过程，是管路中不稳定流所引起的一种特殊重要现象。

当由于某种原因引起管路中流速突然变化时，例如开关阀门过快、突然断电停泵，都会引起管内压力突然变化，造成水击。

当急剧变化的压力波波前通过管路时，产生一种声音，犹如用锤子敲击管路时发出的噪音，故水击亦称水锤[2]。

水击理论弹性水击理论考虑液体的压缩性和管材的弹性,在管道各个截面上液体的流速是位置与时间的函数,V=f(x,t)。

弹性水击理论适用于长距离和液体流速较大的管道,实践证明,这个理论与实际情况相符。

刚性水击理论忽略液体的压缩性与管材的弹性,把管道内的液体视为一条整体的“刚性水柱”,在管道各个截面上的液体流速只是时间的函数,而与位置无关,V一f(t)。

水击现象演示12自循环水击综合实验仪如下图所示：1、恒压供水箱；2、水击扬水机出水管；3、气压表；4、扬水机截止阀；5、压力室；6、调压筒；7、水泵；8、水泵吸水管；9、供水管；10、调压筒截止阀；11、水击发生阀；12、逆止阀；13、水击室；14、集水箱；15、底座。

水泵7能把集水箱14中的水送入恒压供水箱1中，水箱1设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。

工作水流自水箱1经供水管9和水击室13，再通过水击发生阀11的阀孔流出，回到集水箱14。

实验时，先全关阀10和4，触发起动阀11。

当水流通过阀11时，水的冲击力使阀11向上运动而瞬时关闭截止水流，因而在供水管9的末端首先产生最大的水击升压，并使水击室13同时达到这一水击压强。

水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播，到达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使管9末端和水击室13内发生负的水击压强。

通过阀11和12的操作过程观察到水击波的来回传播变化现象，即阀11关闭，产生水击升压，使逆止阀12克服压力室5的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内，并可看到气压表3随着产生压力搏动。

然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13的压强低于压力室5，使逆止阀12关闭，同时水击阀11在负水击和阀体自重的共同作用下，向下运动而自动开启。

这一动作既观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验仪保持往复的自动工作状态，即阀11开启，水自阀孔流出，又回到这一动作的初始状态，这样周而复始，阀11不断地启闭，水击现象也就不断地重复发生。

通过逆止阀12、压力室5和气压表3组成水击压强的定量观察装置，随水击的每次升降压，通过逆止阀12都向压力室5注入一定的水流，而压力室5是密闭的，这样就可从与压力室5相连的气压表3上测量压力室5空腔中的压强，如是逆止阀12不开启时的压强就是产生的最大水击压强值。

水击的利用是由图中1、9、11、12、13、5、4、2等组成的水击扬水机来演示的。

什么是压力管道的水击（水锤）现象？有何危害？如何消除？
在压力管道中，由于液体流速的急剧改变，从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化的现象，称为水击，也称水锤。

引起水击的基本原因是：当压力管道的阀门突然关闭或开启时，当水泵突然停止或启动时，因瞬时流速发生急剧变化，引起液体动量迅速改变，而使压力显著变化。

管道上止回阀失灵，也会发生水击现象。

在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不彻底，导致送出的蒸汽部分凝结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质将高速向此处冲击，也会发出巨大的音响和振动。

水击现象发生时，压力升高值可能为正常压力的好多倍，使管壁材料承受很大应力；压力的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。

消除或减轻水击危害的基本方法有：
（1） 缓慢开启或关闭阀门；
（2） 尽量缩短阀件与容器间的管道长度；
（3） 止回阀应动作灵活，不应出现忽开忽关现象；
（4） 管道就装设安全阀、空气阀或蓄能器；
（5） 蒸汽管道送汽前要充分暖管，彻底疏水，然后缓慢开启阀门送汽。

水击现象名词解释水击现象名词解释：一般来说，液体都具有粘滞性，同时它们在其中的运动还伴随着类似气泡上升时所产生的剪应力的粘性剪切力的作用。

因此当液体或气体运动时，若其速度比相邻物体的速度大，就会使其周围的空气受到压缩，并产生负压，这种现象称为水击。

通常把在弹性介质中受到超过介质强度下限的外力作用时，所产生的压缩现象称为高压弹性效应，而把在非弹性介质中受到外力作用时，所产生的压缩现象称为高压液化效应。

水击现象发生在粘滞性液体或固体的表面，但在真空或高压条件下也会发生，在机械加工和冶金过程中，液体或固体物料都会遇到水击现象。

造成液体或固体材料在表面上形成水击的原因很多，主要有：(1)毛细管吸附水击例如，水龙头在开启的瞬间由于温差变化而使水产生毛细管作用，由此而产生大量的水珠，在冷热的交替之中就形成了水击现象。

另外，像蒸汽机等设备，为了增大输出功率，往往在蒸汽管道中引入一些较粗的管子，称为“蛇管”，蒸汽在进入蛇管时，也会因摩擦产生大量的水滴，最终形成水击现象。

(2)外部压力水击液体在密闭的容器里或者是充满液体的真空容器里，当受到外部的压力，即静压力或者负压力作用时，液体会产生水击现象。

例如，在海底打井时，若不对井底的情况进行考察，而贸然下钻，就可能导致发生水击现象，使钻井无法继续进行。

(3)电离水击3)边界层的流动当液体从层状介质内部渗出时，在边界层处往往会发生剧烈的流动，这样就可能在边界层上形成水击现象。

例如，在地下采油过程中，如果注水不够均匀，那么在地层边缘的地方就有可能形成高压区，使边界层上移，从而形成水击现象，从而影响注水。

(4)电化学水击当水溶液中的各个离子不断生成和消失时，也会产生水击现象，例如，在电镀过程中，水溶液中的氢离子不断生成和消失，就会在阴极上形成电流，从而在阳极上产生氢气，这就是电化学水击现象。

(5)扩散水击当气泡向前运动时，如果受到流体的阻碍，这些气泡将被迫改变自己位置、减慢甚至停止膨胀；与此同时，已经达到平衡后正好稳定存在起伏波浪式振荡的小室壁又重新恢复活跃的激励源—微型涡旋（微团）。

管线中水击现象的成因及设计预防措施随着科学技术的发展，特别是计算机技术的广泛运用，配管设计已逐渐发展成为独立的工程设计专业。

在石油化工企业的新建、扩建、改建工程中，管道的设计与安装，已经成为整个工艺设计工作的重要组成部分。

在配管设计中，通过管道应力的分析计算，可以检查管道在设计条件下是否具有足够的柔性，保证管道的安全运行。

但是，从配管模拟设计过程以及装置现场反馈信息中发现，石油化工装置运行中，尤其在装置的试车阶段，管线的振动问题仍有发生。

致使管线振动的原因很多，水击是其中比较常见的原因之一。

因此，防止管道水击现象的发生是配管设计中不可忽视的重要因素。

本文就水击现象的成因、设计预防措施进行初步的探讨，供配管设计人员参考。

1 水击现象的成因及危害1．1 水击现象的基本概念水击是管道瞬变流动中的一种压力波，它的产生是由于管道中某一截面的流速发生改变，这种改变可能是正常的流量调节，或因事故而使管道堵塞，从而使该处压力产生突然的跃升或下降，并以波的形式，以波速a向整个系统传播，这种现象称为水击。

根据水击发生的程度可以简单地分为一般性水击和破坏性水击。

1．2 水击现象的成因在实际生产中，能够引起管道系统流速变化而导致水击的因素很多，如：（1）阀门的正常开、关或调节，事故的开、关和损坏堵塞；（2）泵的启动和停运；（3）蒸汽管道在暖管过程中出现凝结水。

从理论上讲，石油化工装置在设备切换——阀门关闭时，当阀门的开度逐渐减小时，管道中流体介质的流速也逐渐减小，由于介质的惯性作用，在阀门的上游部分产生压力升高，而在其下游部分产生压力降低；反之，当阀门的开度逐渐增大时，管道中流体介质的流速逐渐增大，在阀门的上游部分产生压力降低，而在其下游部分产生压力升高，产生介质的不稳定流动——“水击”。

同样，由于操作压力和温度的波动等原因造成介质体积的膨胀和收缩，也会导致水击现象的发生。

当此压力、温度波动超过一定范围，或在事故状态、装置开停车状态需要快速关启阀门时，管内的液相介质部分汽化或气相介质部分液化，管内产生局部气、液两相流，从而有可能发生严重的不稳定状态，导致“破坏性水击”。

1491 概述水击又名水锤，它常发生在水或蒸汽等有压管道系统中，由于某一管路元件工作状态的改变，使液体流速发生急剧变化，同时引起管内液体压强大幅度波动的现象。

它是有压管道非恒定流问题中的一种。

管道中任一段面的流速、压强、液体的密度及管道直径，不仅与空间位置而且与时间有关。

它可能导致管道系统强烈震动、噪声和空蚀，甚至使管道严重变形或爆裂。

2 水击产生的成因及危害2.1 水击现象的成因在压力管道中，由于液体流速的急剧改变，从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化的现象，称为水击，也称水锤。

产生的原因：当压力管道的阀门突然关闭或开启时，当水泵突然停止或启动时，因瞬时流速发生急剧变化，引起液体动量迅速改变，而使压力显著变化。

管道上止回阀失灵，也会发生水击现象。

在蒸汽管道中，若暖管不充分，疏水不彻底，导致送出的蒸汽部分凝结成水，体积突然缩小，造成局部真空，周围介质将高速向此处冲击，也会发出巨大的音响和振动。

2.2 水击的危害水击现象的发生会引起整个管系发生振动，使管道严重损坏；管道法兰连接处泄漏；管道推力和力矩过大，使与其连接的设备承受过大的应力或使其产生变形，影响设备的正常运行。

3 装置凝结水回水运行情况3.1 运行现状净化装置区的蒸汽消耗主要为生产蒸汽和伴热蒸汽，其中生产蒸汽用于提供溶液再生的热量和再生塔补充蒸汽；伴热蒸汽用于设备管线、仪表的伴热。

蒸汽经用热设备产生的凝结水先汇集于凝结水总管，后流入凝结水回水系统（如图1所示）。

装置夏季运行时生产蒸汽凝结水回锅炉房，冬季运行时生产蒸汽凝结水和伴热蒸汽凝结水一起回锅炉房。

图1 装置蒸汽、凝结水流程示意图3.2 水击产生的原因分析凝结水管道中存部分蒸汽是水击发生的主要原因，在凝结水回水管线中，其介质主要是蒸汽和水的混合物，由于汽水的存在, 就形成了汽和水的两相流动, 两相流的主要特征，是在蒸汽和水之间存在界面, 界面在不同的情况下具有不同的形状，由于重力作用, 凝结水总是在管道底部流动或者向管道低点移动。

水击现象演示.史浴JI淫U上木k的;创"痞门片：二13%執HI岸対•灯昭E泳1、恒压供水箱；2、水击扬水机出水管；3、气压表；4、扬水机截止阀;压力室;6调压筒；7、水泵；8、水泵吸水管；9、供水管；10、调压筒截止阀;11、水击发生阀；12、逆止阀；13、水击室；14、集水箱；15、底座。

水泵7能把集水箱14中的水送入恒压供水箱1中，水箱1设有溢流板和回水管，能使水箱中的水位保持恒定。

工作水流自水箱1经供水管9和水击室13,再通过水击发生阀11的阀孔流出，回到集水箱14。

5、自循环水击综合实验仪如下图所示:实验时，先全关阀10 和4，触发起动阀11。

当水流通过阀11 时，水的冲击力使阀11 向上运动而瞬时关闭截止水流，因而在供水管9 的末端首先产生最大的水击升压，并使水击室13 同时达到这一水击压强。

水击升压以水击波的形式迅速沿着压力管道向上游传播，到达进口以后，由进口反射回来一个减压波，使管9 末端和水击室13 内发生负的水击压强。

通过阀11和12的操作过程观察到水击波的来回传播变化现象，即阀11关闭，产生水击升压，使逆止阀12克服压力室 5 的压力而瞬时开启，水也随即注入压力室内，并可看到气压表 3 随着产生压力搏动。

然后，在进口传来的负水击作用下，水击室13 的压强低于压力室5，使逆止阀12关闭，同时水击阀11 在负水击和阀体自重的共同作用下，向下运动而自动开启。

这一动作既观察到水击波的传播变化现象，又能使本实验仪保持往复的自动工作状态，即阀11开启，水自阀孔流出，又回到这一动作的初始状态，这样周而复始，阀11 不断地启闭，水击现象也就不断地重复发生。

通过逆止阀12、压力室 5 和气压表 3 组成水击压强的定量观察装置，随水击的每次升降压，通过逆止阀12 都向压力室 5 注入一定的水流，而压力室 5 是密闭的，这样就可从与压力室 5 相连的气压表 3 上测量压力室 5 空腔中的压强，如是逆止阀12 不开启时的压强就是产生的最大水击压强值。

管道的水击现象及其防护管道的水击现象是指在水流速度发生突然变化时，由于流体动能转化不及时，引起的管道内的压力冲击波现象。

这种现象常常会给管道和设备带来严重的损坏，甚至造成人员伤亡。

因此，研究管道的水击现象及其防护措施对于保障工业安全具有重要意义。

一、管道的水击现象1. 水击的原因水击现象产生的主要原因是由于管道中的液体突然停止或变化流速造成的。

当液体流速发生变化时，流体的动能不能迅速地转化为压力能，使管道中产生压力冲击波。

比如，当阀门突然关闭时，流体动能迅速减小，使管道内部产生激烈的压力波动。

2. 水击的危害水击现象对管道和设备的危害主要表现在以下几个方面：（1）管道的损坏：水击会导致管道内部的压力迅速增大，超过管道的耐压能力，造成管道爆裂和破损的情况。

（2）设备的破坏：水击会对管道设备、泵站等进行冲击，导致设备的破坏和故障。

（3）人员伤害：水击会产生剧烈的压力冲击波，可能导致工作人员受伤或死亡。

3. 影响水击的因素水击的强度和频率受多种因素的影响，包括管道的材料、管道的几何形状、流速的变化速率等。

而在实际工程中，水击现象也常常与其他因素相互作用，如压力波的反射、管道的共振等。

二、管道水击的防护措施为了避免或减轻管道的水击现象，需要采取一系列的防护措施。

以下是几种常用的防护方式:1. 缓冲器的使用缓冲器是一种常见的防护装置，可用于消除水击现象。

缓冲器通过增加管道的弹性，减缓水击产生的压力冲击波。

根据具体的工程情况，可以选择液力缓冲器、气动缓冲器等不同类型的缓冲装置。

2. 减速阀的安装安装减速阀可以有效减缓液体流速的变化，避免突然的液压冲击。

减速阀可以根据实际需要进行调整，使液体的流速变化平缓，减少水击现象的发生。

3. 排气装置的设置排气装置在管道中起到排除空气和减少压力波反射的作用。

合理设置排气装置，可以减少水击现象造成的压力波反射，有效保护管道和设备的安全。

4. 增加管道的阻尼通过增加管道的阻尼可以减缓水击现象的发生。