幹貨分(fēn)享，一文知曉水(shuǐ)錘現象，了(le)解其産生原因及解決方案

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　　今天小編将爲大(dà)家獻上一篇幹貨，分(fēn)别從産生原因、後果及解決方案層面，帶大(dà)家深入走進管路中的(de)水(shuǐ)錘現象。

　　全文篇幅較長(cháng)，請耐心查看，後續我們也(yě)将通(tōng)過ifm Chat直播間爲您詳細講解，輕松獲取知識點，屆時(shí)還(hái)可(kě)與講師線上互動并了(le)解應用(yòng)不同原理(lǐ)的(de)ifm壓力傳感器應對(duì)壓力峰值的(de)抵抗能力及其應用(yòng)适應性。

　　文末也(yě)精彩不斷，爲您奉上ifm可(kě)極好抵抗壓力峰值的(de)壓力檢測能手。

　　何爲水(shuǐ)錘現象?

　　水(shuǐ)錘是一種通(tōng)過管道系統内的(de)流體傳導的(de)沖擊波。通(tōng)常，當運動中的(de)流體被突然強制停止移動時(shí)會發生水(shuǐ)錘現象。流體突然停止流動時(shí)，其原有的(de)運動慣量會導緻管道系統内形成由介質傳導的(de)壓力波，從而對(duì)封閉管道系統的(de)所有物(wù)體造成明(míng)顯作用(yòng)力。

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　　通(tōng)常，壓力波會在短時(shí)間内衰減或消散，但在此期間其形成的(de)壓力尖峰卻能造成巨大(dà)的(de)破壞。水(shuǐ)錘會伴随有砰砰聲，其在極端情況下(xià)甚至會大(dà)範圍波及連接接頭、壓力流量等傳感器儀表和(hé)管道壁，最終造成代價高(gāo)昂的(de)損失。

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　　水(shuǐ)錘現象不僅僅隻發生在液體中，在夾帶有固體的(de)多(duō)相(液相、固相、氣相)流體中，也(yě)可(kě)能産生，例如在砂漿或紙漿(基本上是由水(shuǐ)輸送紙漿纖維)中。這(zhè)當中的(de)關鍵在于水(shuǐ)是管道系統中的(de)主要運輸介質，并且水(shuǐ)能非常有效地傳導沖擊波。如果是氣體或者油基介質，發生水(shuǐ)錘的(de)概率相對(duì)會低一些，因爲氣體和(hé)油具有一定程度的(de)壓縮性(空氣/油分(fēn)子間距比水(shuǐ)分(fēn)子要大(dà)，勢能可(kě)以消耗一部分(fēn)能量，傳導性就比水(shuǐ)弱)。

　　閃蒸(氣錘)VS水(shuǐ)錘

　　閃蒸(氣錘)是一種不同形式的(de)壓力尖峰情形。它發生在蒸汽系統中，當其中蒸汽冷(lěng)凝水(shuǐ)(液态水(shuǐ))在管道系統内積聚的(de)時(shí)候。這(zhè)種液态水(shuǐ)會突然從液體轉化(huà)爲蒸汽，同時(shí)體積擴大(dà)400-600倍。閃蒸(氣錘)的(de)應對(duì)方式完全不同。雖然它們在控制上具有同等的(de)重要性，但本文僅討(tǎo)論液體介質的(de)水(shuǐ)錘現象(不討(tǎo)論蒸汽)。

　　水(shuǐ)錘現象的(de)原因

　　水(shuǐ)錘的(de)可(kě)能原因包括閥門選擇不當、閥門位置不當，有時(shí)候是因爲不恰當的(de)維護行爲。某些閥門如旋啓式止回閥、旋轉傾斜盤止回閥和(hé)雙門止回閥等也(yě)是造成水(shuǐ)錘問題的(de)原因。這(zhè)些止回閥容易猛關(Slamming)，因爲它們的(de)原理(lǐ)是靠回流和(hé)背壓将閥瓣返推回閥座，從而關閉閥門。

　　若回流力過大(dà)，例如在流體流動方向垂直向上的(de)管路中，則閥瓣很容易“猛關”複位關閉。相應産生的(de)沖擊可(kě)能會破壞閥瓣的(de)對(duì)準，使其無法與閥座360度完全接觸。這(zhè)會導緻出現洩漏問題，在最好的(de)情況下(xià)也(yě)會影(yǐng)響系統的(de)效率，而最差的(de)情況則可(kě)能導緻其他(tā)管道系統組件，例如傳感器，密封件嚴重損壞。

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局部的(de)突然壓降輕則造成困擾，重則造成嚴重問題。采用(yòng)特定的(de)程序可(kě)以防止或減輕水(shuǐ)錘現象。但首先要了(le)解水(shuǐ)錘的(de)原因、後果及解決方案。

　　水(shuǐ)錘現象的(de)最常見原因是閥門關閉過快(kuài)或泵突然關閉(比如斷電)。實際上，水(shuǐ)力沖擊是由流體突然停止流動時(shí)管道系統中流體壓力的(de)瞬時(shí)提升所導緻的(de)。據艾薩克·牛頓爵士觀察，運動中的(de)物(wù)體傾向于保持運動，除非受到另一種外力影(yǐng)響。流體向前運動的(de)慣量将使流體保持向同一方向流動。當閥門突然關閉或泵突然停止運行時(shí)，閥門或泵下(xià)遊的(de)管道系統中的(de)流體就會彈性“拉伸”(流體會向前“沖”一會兒(ér))，直至釋放出流體的(de)所有運動慣量。

　　注意看下(xià)圖，與拉伸的(de)彈簧被松開後類似，此時(shí)流體也(yě)會傾向于恢複到其正常的(de)無應力狀态(反向回彈)。這(zhè)會導緻流體在管道中回流，并可(kě)能以較大(dà)的(de)破壞力重新回來(lái)撞擊之前關閉的(de)閥門。響亮的(de)撞擊聲可(kě)以反映流體壓力波的(de)大(dà)小，并且壓力脈沖可(kě)能接下(xià)來(lái)反複發生幾次。

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　　突然的(de)閥門關閉通(tōng)常與直角旋轉型閥門(典型的(de)比如球閥、蝶閥、旋塞閥)相關，更準确的(de)說就是自動直角旋轉閥門(補充：清洗機等控制水(shuǐ)比較多(duō)的(de)小型設備多(duō)用(yòng)電磁閥，屬于直接截斷式閥門，電動或氣動控制，比直角旋轉閥門更容易産生水(shuǐ)錘)。

*電磁閥原理(lǐ)(圖片來(lái)源于網絡)

　　實際上，解決這(zhè)個(gè)問題最簡單的(de)方法就是通(tōng)過緩慢(màn)一點關閉這(zhè)些自動閥門。這(zhè)種方法在大(dà)多(duō)數情況下(xià)都有用(yòng)，但也(yě)有例外。例如，急停關閉閥需要馬上實現，絕對(duì)不能緩慢(màn)關閉，因此需要采用(yòng)其他(tā)解決方案。後文我們将進一步介紹閥門關閉時(shí)間計算(suàn)的(de)相關信息。

　　水(shuǐ)錘現象的(de)另一個(gè)常見原因是泵的(de)突然關閉(比如說突然斷電)。對(duì)于用(yòng)多(duō)個(gè)泵把多(duō)個(gè)支路集中輸送到同一個(gè)集中口(“頭”)的(de)應用(yòng)而言(例如在冷(lěng)卻塔或礦脫水(shuǐ)應用(yòng)中)，可(kě)以選擇緩慢(màn)關閉泵，或者在泵後串聯安裝靜音(yīn)止回閥(緩沖止回閥)。靜音(yīn)止回閥在減少水(shuǐ)錘現象方面極爲有效，并且有時(shí)還(hái)能根本消除水(shuǐ)錘問題。

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　　水(shuǐ)錘現象的(de)後果

　　水(shuǐ)錘會導緻由輕到重的(de)各種後果。常見的(de)信号是發現管道中有響亮的(de)撞擊聲，尤其是在水(shuǐ)源快(kuài)速關閉時(shí)。該聲音(yīn)是壓力沖擊波強力撞擊關閉的(de)閥門、接頭或其他(tā)障礙物(wù)的(de)聲音(yīn)。有時(shí)這(zhè)些噪聲會非常大(dà)，從而使人(rén)緊張和(hé)困惑，對(duì)于周邊的(de)工作人(rén)員(yuán)而言尤爲如此。

　　然而，反複發生的(de)水(shuǐ)錘現象帶來(lái)的(de)可(kě)不止是困擾。它們還(hái)會嚴重損壞管道、管接頭、墊圈和(hé)其他(tā)系統組件(流量計、壓力計等)。其壓力尖峰可(kě)輕松超過5到10倍的(de)系統工作壓力，從而爲系統帶來(lái)巨大(dà)的(de)壓力。水(shuǐ)錘可(kě)能會導緻系統的(de)接頭洩漏、管道壁開裂或管道支撐系統變形。而維修或更換損壞的(de)管道組件和(hé)設備需要高(gāo)昂的(de)成本。若出現産品溢流導緻環境問題，則成本會更加驚人(rén)。

　　在大(dà)多(duō)數情況下(xià)，水(shuǐ)錘都會被視爲安全隐患。水(shuǐ)錘造成的(de)極端壓力可(kě)能會使密封墊圈爆裂以及導緻管道突然破裂。而臨近的(de)工作人(rén)員(yuán)也(yě)可(kě)能會相應受到人(rén)身重傷。

　　水(shuǐ)錘現象的(de)解決方案

　　根據原因不同，有多(duō)種方法可(kě)以減輕水(shuǐ)錘現象的(de)影(yǐng)響。其中最簡單的(de)方法是培訓和(hé)教育操作人(rén)員(yuán)。操作人(rén)員(yuán)在認識到正确開關手動或緻動閥門(主要是比較緩慢(màn)的(de)關閉)的(de)重要性後，會采取相應的(de)預防措施，減輕水(shuǐ)錘現象的(de)影(yǐng)響。對(duì)于直角回轉型閥門如球閥、蝶閥和(hé)旋塞閥而言，這(zhè)種方法尤其有效。

　　管道設計的(de)注意事項：

　　專業的(de)水(shuǐ)錘消除器可(kě)減輕水(shuǐ)錘導緻的(de)壓力尖峰。這(zhè)些管道系統組件可(kě)像減震器一樣，降低水(shuǐ)錘引起的(de)噪聲及相應的(de)壓力。若尺寸合适且安裝正确，水(shuǐ)錘消除器是一種非常有效的(de)解決方案。

*水(shuǐ)錘消除器(圖片來(lái)源于網絡)

　　另一方面，應避免使泵輸出至較長(cháng)的(de)垂直管。應盡可(kě)能減少垂直腳的(de)使用(yòng)(設計彎管)，或盡可(kě)能靠近泵安裝靜音(yīn)止回閥。

　　爲了(le)減少水(shuǐ)錘，另一個(gè)需要關注的(de)點是在垂直管路中安裝止回閥。旋啓式止回閥、傾斜閥瓣止回閥和(hé)雙門止回閥常常在垂直管路中安裝使用(yòng)。然而，它們不能防止垂直管路中的(de)回流。隻有靜音(yīn)止回閥可(kě)在垂直管路中有效防止回流。

　　對(duì)于旋啓式止回閥、傾斜旋盤止回閥和(hé)雙門止回閥突然關閉引起的(de)液壓沖擊問題，可(kě)以通(tōng)過将它們更換爲靜音(yīn)止回閥或非撞擊止回閥來(lái)解決。靜音(yīn)止回閥技術亮點在于：當閥門關閉元件間的(de)壓差減小時(shí)就開始關閉(而不是在流體回流時(shí))。因此，它們猛然關閉的(de)可(kě)能性要小得(de)多(duō)，從而更不易産生水(shuǐ)錘現象。當閥瓣間的(de)壓差接近閥門的(de)破裂壓時(shí)，閥門已經完全關閉。這(zhè)使得(de)流體流速降低，從而使流體慣量在閥門完全關閉前就已經減小，同時(shí)仍能确保流體不會逆流。

　　系統設計人(rén)員(yuán)必須熟悉減少水(shuǐ)錘現象發生可(kě)能的(de)最佳實踐和(hé)行業标準，例如使用(yòng)合适的(de)緩慢(màn)關閉型閥門、了(le)解管道内的(de)最優閥門設計位置以及針對(duì)高(gāo)工作壓力系統考慮特殊的(de)管道設計等。

　　當合理(lǐ)設計管道系統時(shí)，可(kě)以顯著降低甚至消除水(shuǐ)錘現象發生的(de)可(kě)能。對(duì)于已有的(de)系統，則可(kě)通(tōng)過各種有效的(de)方法限制水(shuǐ)錘現象的(de)不利影(yǐng)響，例如安裝靜音(yīn)止回閥作爲第一道防線，并确保直角回轉型閥門(球閥、蝶閥、旋塞閥等)在操作上緩慢(màn)關閉。應注意，自動化(huà)系統中的(de)電磁閥關閉時(shí)間應至少爲通(tōng)過T=2L/a公式(閥門關閉時(shí)間)計算(suàn)值的(de)10倍。

　　下(xià)面便進入我們的(de)公式計算(suàn)環節，讓大(dà)腦(nǎo)高(gāo)速運轉起來(lái)吧!

　　預測水(shuǐ)錘壓力尖峰

　　可(kě)以根據管道系統的(de)相關詳情以及傳輸介質，來(lái)計算(suàn)水(shuǐ)錘壓力尖峰的(de)大(dà)小。水(shuǐ)錘的(de)實際作用(yòng)力取決于流體停止時(shí)的(de)流速以及停止的(de)時(shí)間長(cháng)度。例如，假設378L(100加侖)的(de)水(shuǐ)以3.048m/s(10feet/s)的(de)速度在DN50的(de)管道中(2寸，約一個(gè)拳頭大(dà)小)的(de)管道内流動，當使用(yòng)快(kuài)速關閉閥快(kuài)速停止流體流動時(shí)，其效果相當于378公斤重的(de)錘子撞擊在防護栅上。若流體流動在半秒内停止(可(kě)能等同于閥門的(de)關閉速度)，則可(kě)導緻高(gāo)于原系統設計工作壓力的(de)産生，大(dà)概是6.89bar(100psi)的(de)壓力尖峰，相當于70米高(gāo)水(shuǐ)柱(4℃)相對(duì)于地面産生的(de)壓強。

　　壓力尖峰幅度的(de)計算(suàn)公式如下(xià)：

　　∆H = a/g * ∆V

　　∆H是水(shuǐ)頭壓力的(de)變化(huà)

　　∆V是流體流速的(de)變化(huà)

　　a =介質中的(de)聲速

　　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)

則∆H爲230米,即22.6bar，即756英尺(328 psi)

　　該值假設閥門立即關閉。

　　閥門關閉時(shí)間計算(suàn)

　　顯然，水(shuǐ)錘現象在廢水(shuǐ)處理(lǐ)廠或市政供水(shuǐ)系統等工業環境中是一個(gè)嚴重問題。與上述示例不同，普通(tōng)浴室水(shuǐ)龍頭通(tōng)常采用(yòng)4分(fēn)管道DN15常規管道，水(shuǐ)壓範圍在4-5.5bar，每分(fēn)鐘(zhōng)可(kě)輸送大(dà)約30到37.85公升水(shuǐ)。而廢水(shuǐ)處理(lǐ)廠采用(yòng)DN200的(de)大(dà)口徑管道，按3.048m/秒的(de)速度計算(suàn)，每分(fēn)鐘(zhōng)可(kě)輸送3.4噸水(shuǐ)。而DN700(24英寸)的(de)主管道則可(kě)每分(fēn)鐘(zhōng)輸送超過45.4噸水(shuǐ)，這(zhè)足以在不到2分(fēn)鐘(zhōng)内注滿普通(tōng)的(de)後院遊泳池。

　　閥門關閉時(shí)間的(de)基本計算(suàn)公式：T = 2L / a

　　T =最小時(shí)間(單位爲秒)

　　L =關閉閥與下(xià)一個(gè)彎頭、三通(tōng)接頭或其他(tā)有變化(huà)的(de)配件的(de)直管長(cháng)度

　　對(duì)于70°F (21°C)的(de)水(shuǐ)和(hé)100英尺(30.48米)的(de)直管：

　　T = 41毫秒(最小關閉時(shí)間)

　　小結

　　本文僅探討(tǎo)常說的(de)水(shuǐ)錘現象的(de)部分(fēn)原因和(hé)解決方案，對(duì)水(shuǐ)錘這(zhè)一流體瞬态主題進行簡單說明(míng)。水(shuǐ)錘問題的(de)解決方案成本可(kě)能非常高(gāo)，但是回報卻遠(yuǎn)高(gāo)于付出。無論是泵饋送垂直管路或集流管，還(hái)是閥門快(kuài)速關閉，這(zhè)些問題都在可(kě)設計之初就合理(lǐ)規避。一旦管道安裝完畢且工廠過程展開，相應的(de)解決方案就會有所限制。在此，機械工程師的(de)管道設計作用(yòng)非常重要。

　　另外，大(dà)多(duō)數串聯靜音(yīn)止回閥的(de)制造商都熟知水(shuǐ)錘現象，并有相應的(de)工程師可(kě)以提供幫助。在尋求正确的(de)解決方案時(shí)，不妨優先向他(tā)們咨詢。

　　ifm陶瓷電容原理(lǐ)壓力傳感器

　　可(kě)極好抵抗壓力峰值

　　ifm的(de)壓力傳感器采用(yòng)陶瓷電容原理(lǐ)，具有非常好的(de)抗壓力峰值的(de)特性，其内部“漢堡包”三層結構設計，相對(duì)于機械式壓力表和(hé)隔膜充油式的(de)壓力變送器來(lái)說，更加堅固耐用(yòng)，能夠抵抗突然的(de)壓力峰值。

　　隔膜充油的(de)壓力變送器因爲前端不鏽鋼感應膜片比較薄，疲勞形變多(duō)次以後容易發生永久變形，造成常見的(de)零漂現象。更爲重要的(de)是，在有抽真空應用(yòng)的(de)時(shí)候，膜片向外凸起造成漏油，輕則該油污染介質，重則膜片損壞。由于内部壓阻感應元件還(hái)在，客戶無法察覺傳感器前端膜片已經損壞，此時(shí)如果向管道打壓，介質會沖破傳感器内部，從電氣接口處迸發出。若介質是CIP清洗液(帶有弱酸縮減性)，極有可(kě)能造成人(rén)員(yuán)傷害事故。

　　因此，ifm壓力傳感器采用(yòng)陶瓷電容式測量元件，可(kě)以很有效地抵抗壓力峰值，避免上述問題。

　　左側爲陶瓷電容式測量元件，右側爲不鏽鋼隔膜充油密封元件。

即使在極限情況下(xià)，也(yě)可(kě)以選用(yòng)ifm防水(shuǐ)錘的(de)阻尼螺絲附件E30419(内螺紋G/4)和(hé)E30057(外螺紋G1/4)，安裝在産品管道内部，接近感應膜片的(de)地方，可(kě)有效防止過壓。

　　作者簡介

　　本文大(dà)部分(fēn)内容由Arie Bregman撰寫，發表在2017年5月(yuè)份的(de)《Valve Magazine》。他(tā)是DFT Inc.-Check &Control Valve Manufacturer 公司的(de)VP和(hé)GM，于1996年畢業于WPI Worcester Polytechnic Institute 伍斯特理(lǐ)工學院，在工程和(hé)閥門的(de)領域有著(zhe)超過30年的(de)應用(yòng)經驗，并于2014年被選爲北(běi)美(měi)閥門制造商協會VMA年度人(rén)物(wù)。