如何避免阀门关闭过程中产生水锤

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前言

本篇内容主要来自于PUMP&SYSTEMS/Nick Vastine，由《泵沙龙》翻译、修改、整理。仅供参考。

水锤或浪涌是由于流体快速加速流动而引起的压力显著变化。引起水锤最普遍的原因是阀门关闭，其中流体流动迅速减速，产生的压力波动就越小。

图1 - 系统流量变化的速度越慢，压力波动越小。

在阀门关闭期间，流动流体的动能以压力的形式转化为势能。压力的增加可能非常显著，甚至可能超过设计的管道压力额定值。阀门关闭得越快，动能转化为压力的速度就越快，从而导致更高的压力波动。系统减少其流量的速度越慢，产生的压力波动就越小。想象一下，与猛踩刹车相比，在汽车运行中逐渐踩下刹车，其对乘车人的冲击较小。通过逐渐减慢，能量可以更好地分散到整个系统中。通过逐渐关闭阀门，流体可以平稳地减速，但有一些注意事项。

一般来说，阀门关闭时间越长，发生的压力波动就越小。通常有设计启发法“每X个管径关闭X秒”或基于其它参数。然而，这些减轻水锤事件的简化经验法则有两个潜在的缺陷：

1）  设计启发法并不总是保守的，这意味着建议的阀门关闭时间可能无法有效防止喘振。这可能是由简化启发法没有考虑的几个不同的因素引起的。

2）  虽然经验法则可以防止喘振，但它可能过于保守，导致不必要的较长的关闭时间。在紧急情况下，如紧急停机，在允许的压力波动范围内尽可能快地关闭是最完美的。

相反，如果重点是系统对瞬态事件的反应和通过建模预测响应，工程师可以减轻（或理想情况下完全避免）基于启发法存在的不足。

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什么是有效关闭时间？

虽然从理论上讲，延长阀门关闭时间可以缓解喘振事件，但它并不总是与缓慢流动直接相关。

请记住，阀门关闭的压力增加是由流体减速引起的。如果20秒的阀门关闭时间直到进行到一半时才开始使流体减速，则有效关闭时间仅为10秒。有效关闭时间可定义为瞬态期间主动降低流速所花费的时间。在本例中，如果相同的阀门关闭时间超过40秒，则其有效关闭时间仅增加到20秒。

一个真实的例子探讨了海底管道阀门关闭引起的水锤/浪涌。工程师在水锤建模软件中比较了20秒的阀门关闭时间和600秒的关闭时间，但如图1所示，有效的阀门关闭时间仍然很短。尽管总体关闭时间较长，但在每个测试案例中，流体的快速减速都会导致剧烈的压力响应。

图2 – 具有相同总关闭时间的阀门的特性曲线比较，导致随着流速的降低而产生不同的压力响应

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有效关闭时间与总体关闭时间不同原因

阀门关闭受到两个主要因素的影响：阀门的固有特性（阀门结构的独特性）和阀门的安装特性（阀门和系统的相互作用方式）。

阀门的固有特性决定了阀门关闭的两个方面。首先是阀门闭合的形状，其形式为特征曲线。例如，球阀关闭时流量减少的速率将与截止阀关闭时的速率大不相同。图2通过从同一起点在相同时间内关闭阀门来隔离这些特性曲线效应。可以看出，阀门的结构如何影响其在关闭时减缓流量的能力，进而影响其压力响应。

阀门固有特性的第二个因素是阀门全开时的启动损失。例如，截止阀通常比尺寸相似的闸阀造成更高的损失。因此，如果两种类型的阀门同时关闭，截止阀将更早地产生更多的损失，从而更快地开始减少流量，从而产生更长的有效关闭时间。

这种控制流量的必要损失由整个系统决定的，使其成为取决于系统的阀门安装特性。例如，用户可以用拇指覆盖花园软管来控制流量，当软管未扭结时，拇指会导致大部分系统损失，用户可以轻松控制流量。但是，如果软管扭结且正常系统损失相当高，则相同的拇指覆盖将无法有效减少流量（如果有的话）。这是阀门特定损失与整个系统损失之间的关系，流量结果如图3所示。

图3 – 相对于系统损失的阀门损失，表明在此示例中，阀门在接近40%的开度时开始控制通过系统的流量。

这些非阀门的系统损失可能是由多种因素引起的，例如克服高程变化、管道中的配件以及管道参数（如增加长度和减小直径）。当一个系统在其它地方有损失时，它会通过一个阀门承受更多的损失，以便开始控制和减少流量。这意味着关阀时开始关闭的一部分（开度）通常无效，从而缩短了有效关闭时间。

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优化阀门关闭设计

考虑到有效关闭时间，有许多方法可以快速关闭阀门而不引起大的水錘/喘振事件。

1）确定阀门在流量开始减少时所处的位置（开度），并在关闭时尽早到达该点。由于流量在阀门关闭的初始部分未出现（明显）减少，因此无需担心压力波动。

2）考虑阀门的特性曲线来进行分阶段关闭。截止阀和球阀的关闭方式会有很大的不同。

虽然设计启发法和经验法则都是非常好的近似预测系统响应的方法，但是最可靠预测方法是通过系统建模。系统建模允许在现场实施或设计采购之前进行快速迭代和设计替代测试。建模为设计提供了信心，同时避免了基于启发式设计的典型缺陷。特别是由于阀门关闭响应高度依赖于阀门周围的系统，因此在模型可定制的软件中创建准确关闭更容易。