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今天小編將為大家獻上一篇干貨，分別從產生原因、后果及解決方案層面，帶大家深入走進管路中的水錘現(xiàn)象。
全文篇幅較長，請耐心查看，后續(xù)我們也將通過ifm Chat直播間為您詳細講解，輕松獲取知識點，屆時還可與講師線上互動并了解應用不同原理的ifm壓力傳感器應對壓力峰值的抵抗能力及其應用適應性。
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何為水錘現(xiàn)象?
水錘是一種通過管道系統(tǒng)內的流體傳導的沖擊波。通常，當運動中的流體被突然強制停止移動時會發(fā)生水錘現(xiàn)象。流體突然停止流動時，其原有的運動慣量會導致管道系統(tǒng)內形成由介質傳導的壓力波，從而對封閉管道系統(tǒng)的所有物體造成明顯作用力。
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通常，壓力波會在短時間內衰減或消散，但在此期間其形成的壓力尖峰卻能造成巨大的破壞。水錘會伴隨有砰砰聲，其在極端情況下甚至會大范圍波及連接接頭、壓力流量等傳感器儀表和管道壁，最終造成代價高昂的損失。
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水錘現(xiàn)象不僅僅只發(fā)生在液體中，在夾帶有固體的多相(液相、固相、氣相)流體中，也可能產生，例如在砂漿或紙漿(基本上是由水輸送紙漿纖維)中。這當中的關鍵在于水是管道系統(tǒng)中的主要運輸介質，并且水能非常有效地傳導沖擊波。如果是氣體或者油基介質，發(fā)生水錘的概率相對會低一些，因為氣體和油具有一定程度的壓縮性(空氣/油分子間距比水分子要大，勢能可以消耗一部分能量，傳導性就比水弱)。
閃蒸(氣錘)VS水錘
閃蒸(氣錘)是一種不同形式的壓力尖峰情形。它發(fā)生在蒸汽系統(tǒng)中，當其中蒸汽冷凝水(液態(tài)水)在管道系統(tǒng)內積聚的時候。這種液態(tài)水會突然從液體轉化為蒸汽，同時體積擴大400-600倍。閃蒸(氣錘)的應對方式完全不同。雖然它們在控制上具有同等的重要性，但本文僅討論液體介質的水錘現(xiàn)象(不討論蒸汽)。
水錘現(xiàn)象的原因
水錘的可能原因包括閥門選擇不當、閥門位置不當，有時候是因為不恰當?shù)木S護行為。某些閥門如旋啟式止回閥、旋轉傾斜盤止回閥和雙門止回閥等也是造成水錘問題的原因。這些止回閥容易猛關(Slamming)，因為它們的原理是靠回流和背壓將閥瓣返推回閥座，從而關閉閥門。
若回流力過大，例如在流體流動方向垂直向上的管路中，則閥瓣很容易“猛關”復位關閉。相應產生的沖擊可能會破壞閥瓣的對準，使其無法與閥座360度完全接觸。這會導致出現(xiàn)泄漏問題，在最好的情況下也會影響系統(tǒng)的效率，而最差的情況則可能導致其他管道系統(tǒng)組件，例如傳感器，密封件嚴重損壞。
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局部的突然壓降輕則造成困擾，重則造成嚴重問題。采用特定的程序可以防止或減輕水錘現(xiàn)象。但首先要了解水錘的原因、后果及解決方案。
水錘現(xiàn)象的最常見原因是閥門關閉過快或泵突然關閉(比如斷電)。實際上，水力沖擊是由流體突然停止流動時管道系統(tǒng)中流體壓力的瞬時提升所導致的。據(jù)艾薩克·牛頓爵士觀察，運動中的物體傾向于保持運動，除非受到另一種外力影響。流體向前運動的慣量將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，閥門或泵下游的管道系統(tǒng)中的流體就會彈性“拉伸”(流體會向前“沖”一會兒)，直至釋放出流體的所有運動慣量。
注意看下圖，與拉伸的彈簧被松開后類似，此時流體也會傾向于恢復到其正常的無應力狀態(tài)(反向回彈)。這會導致流體在管道中回流，并可能以較大的破壞力重新回來撞擊之前關閉的閥門。響亮的撞擊聲可以反映流體壓力波的大小，并且壓力脈沖可能接下來反復發(fā)生幾次。
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突然的閥門關閉通常與直角旋轉型閥門(典型的比如球閥、蝶閥、旋塞閥)相關，更準確的說就是自動直角旋轉閥門(補充：清洗機等控制水比較多的小型設備多用電磁閥，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產生水錘)。
*電磁閥原理(圖片來源于網(wǎng)絡)
實際上，解決這個問題最簡單的方法就是通過緩慢一點關閉這些自動閥門。這種方法在大多數(shù)情況下都有用，但也有例外。例如，急停關閉閥需要馬上實現(xiàn)，絕對不能緩慢關閉，因此需要采用其他解決方案。后文我們將進一步介紹閥門關閉時間計算的相關信息。
水錘現(xiàn)象的另一個常見原因是泵的突然關閉(比如說突然斷電)。對于用多個泵把多個支路集中輸送到同一個集中口(“頭”)的應用而言(例如在冷卻塔或礦脫水應用中)，可以選擇緩慢關閉泵，或者在泵后串聯(lián)安裝靜音止回閥(緩沖止回閥)。靜音止回閥在減少水錘現(xiàn)象方面極為有效，并且有時還能根本消除水錘問題。
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水錘現(xiàn)象的后果
水錘會導致由輕到重的各種后果。常見的信號是發(fā)現(xiàn)管道中有響亮的撞擊聲，尤其是在水源快速關閉時。該聲音是壓力沖擊波強力撞擊關閉的閥門、接頭或其他障礙物的聲音。有時這些噪聲會非常大，從而使人緊張和困惑，對于周邊的工作人員而言尤為如此。
然而，反復發(fā)生的水錘現(xiàn)象帶來的可不止是困擾。它們還會嚴重損壞管道、管接頭、墊圈和其他系統(tǒng)組件(流量計、壓力計等)。其壓力尖峰可輕松超過5到10倍的系統(tǒng)工作壓力，從而為系統(tǒng)帶來巨大的壓力。水錘可能會導致系統(tǒng)的接頭泄漏、管道壁開裂或管道支撐系統(tǒng)變形。而維修或更換損壞的管道組件和設備需要高昂的成本。若出現(xiàn)產品溢流導致環(huán)境問題，則成本會更加驚人。
在大多數(shù)情況下，水錘都會被視為安全隱患。水錘造成的極端壓力可能會使密封墊圈爆裂以及導致管道突然破裂。而臨近的工作人員也可能會相應受到人身重傷。
水錘現(xiàn)象的解決方案
根據(jù)原因不同，有多種方法可以減輕水錘現(xiàn)象的影響。其中最簡單的方法是培訓和教育操作人員。操作人員在認識到正確開關手動或致動閥門(主要是比較緩慢的關閉)的重要性后，會采取相應的預防措施，減輕水錘現(xiàn)象的影響。對于直角回轉型閥門如球閥、蝶閥和旋塞閥而言，這種方法尤其有效。
管道設計的注意事項：
專業(yè)的水錘消除器可減輕水錘導致的壓力尖峰。這些管道系統(tǒng)組件可像減震器一樣，降低水錘引起的噪聲及相應的壓力。若尺寸合適且安裝正確，水錘消除器是一種非常有效的解決方案。
*水錘消除器(圖片來源于網(wǎng)絡)
另一方面，應避免使泵輸出至較長的垂直管。應盡可能減少垂直腳的使用(設計彎管)，或盡可能靠近泵安裝靜音止回閥。
為了減少水錘，另一個需要關注的點是在垂直管路中安裝止回閥。旋啟式止回閥、傾斜閥瓣止回閥和雙門止回閥常常在垂直管路中安裝使用。然而，它們不能防止垂直管路中的回流。只有靜音止回閥可在垂直管路中有效防止回流。
對于旋啟式止回閥、傾斜旋盤止回閥和雙門止回閥突然關閉引起的液壓沖擊問題，可以通過將它們更換為靜音止回閥或非撞擊止回閥來解決。靜音止回閥技術亮點在于：當閥門關閉元件間的壓差減小時就開始關閉(而不是在流體回流時)。因此，它們猛然關閉的可能性要小得多，從而更不易產生水錘現(xiàn)象。當閥瓣間的壓差接近閥門的破裂壓時，閥門已經完全關閉。這使得流體流速降低，從而使流體慣量在閥門完全關閉前就已經減小，同時仍能確保流體不會逆流。
系統(tǒng)設計人員必須熟悉減少水錘現(xiàn)象發(fā)生可能的最佳實踐和行業(yè)標準，例如使用合適的緩慢關閉型閥門、了解管道內的最優(yōu)閥門設計位置以及針對高工作壓力系統(tǒng)考慮特殊的管道設計等。
當合理設計管道系統(tǒng)時，可以顯著降低甚至消除水錘現(xiàn)象發(fā)生的可能。對于已有的系統(tǒng)，則可通過各種有效的方法限制水錘現(xiàn)象的不利影響，例如安裝靜音止回閥作為第一道防線，并確保直角回轉型閥門(球閥、蝶閥、旋塞閥等)在操作上緩慢關閉。應注意，自動化系統(tǒng)中的電磁閥關閉時間應至少為通過T=2L/a公式(閥門關閉時間)計算值的10倍。
下面便進入我們的公式計算環(huán)節(jié)，讓大腦高速運轉起來吧!
預測水錘壓力尖峰
可以根據(jù)管道系統(tǒng)的相關詳情以及傳輸介質，來計算水錘壓力尖峰的大小。水錘的實際作用力取決于流體停止時的流速以及停止的時間長度。例如，假設378L(100加侖)的水以3.048m/s(10feet/s)的速度在DN50的管道中(2寸，約一個拳頭大小)的管道內流動，當使用快速關閉閥快速停止流體流動時，其效果相當于378公斤重的錘子撞擊在防護柵上。若流體流動在半秒內停止(可能等同于閥門的關閉速度)，則可導致高于原系統(tǒng)設計工作壓力的產生，大概是6.89bar(100psi)的壓力尖峰，相當于70米高水柱(4℃)相對于地面產生的壓強。
壓力尖峰幅度的計算公式如下：
?H = a/g * ?V
?H是水頭壓力的變化
?V是流體流速的變化
a =介質中的聲速
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為230米,即22.6bar，即756英尺(328 psi)
該值假設閥門立即關閉。
閥門關閉時間計算
顯然，水錘現(xiàn)象在廢水處理廠或市政供水系統(tǒng)等工業(yè)環(huán)境中是一個嚴重問題。與上述示例不同，普通浴室水龍頭通常采用4分管道DN15常規(guī)管道，水壓范圍在4-5.5bar，每分鐘可輸送大約30到37.85公升水。而廢水處理廠采用DN200的大口徑管道，按3.048m/秒的速度計算，每分鐘可輸送3.4噸水。而DN700(24英寸)的主管道則可每分鐘輸送超過45.4噸水，這足以在不到2分鐘內注滿普通的后院游泳池。
閥門關閉時間的基本計算公式：T = 2L / a
T =最小時間(單位為秒)
L =關閉閥與下一個彎頭、三通接頭或其他有變化的配件的直管長度
對于70°F (21°C)的水和100英尺(30.48米)的直管：
T = 41毫秒(最小關閉時間)
小結
本文僅探討常說的水錘現(xiàn)象的部分原因和解決方案，對水錘這一流體瞬態(tài)主題進行簡單說明。水錘問題的解決方案成本可能非常高，但是回報卻遠高于付出。無論是泵饋送垂直管路或集流管，還是閥門快速關閉，這些問題都在可設計之初就合理規(guī)避。一旦管道安裝完畢且工廠過程展開，相應的解決方案就會有所限制。在此，機械工程師的管道設計作用非常重要。
另外，大多數(shù)串聯(lián)靜音止回閥的制造商都熟知水錘現(xiàn)象，并有相應的工程師可以提供幫助。在尋求正確的解決方案時，不妨優(yōu)先向他們咨詢。
ifm陶瓷電容原理壓力傳感器
可極好抵抗壓力峰值
ifm的壓力傳感器采用陶瓷電容原理，具有非常好的抗壓力峰值的特性，其內部“漢堡包”三層結構設計，相對于機械式壓力表和隔膜充油式的壓力變送器來說，更加堅固耐用，能夠抵抗突然的壓力峰值。
隔膜充油的壓力變送器因為前端不銹鋼感應膜片比較薄，疲勞形變多次以后容易發(fā)生永久變形，造成常見的零漂現(xiàn)象。更為重要的是，在有抽真空應用的時候，膜片向外凸起造成漏油，輕則該油污染介質，重則膜片損壞。由于內部壓阻感應元件還在，客戶無法察覺傳感器前端膜片已經損壞，此時如果向管道打壓，介質會沖破傳感器內部，從電氣接口處迸發(fā)出。若介質是CIP清洗液(帶有弱酸縮減性)，極有可能造成人員傷害事故。
因此，ifm壓力傳感器采用陶瓷電容式測量元件，可以很有效地抵抗壓力峰值，避免上述問題。
左側為陶瓷電容式測量元件，右側為不銹鋼隔膜充油密封元件。
即使在極限情況下，也可以選用ifm防水錘的阻尼螺絲附件E30419(內螺紋G/4)和E30057(外螺紋G1/4)，安裝在產品管道內部，接近感應膜片的地方，可有效防止過壓。
作者簡介
本文大部分內容由Arie Bregman撰寫，發(fā)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年畢業(yè)于WPI Worcester Polytechnic Institute 伍斯特理工學院，在工程和閥門的領域有著超過30年的應用經驗，并于2014年被選為北美閥門制造商協(xié)會VMA年度人物。
