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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象。
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何為水錘現象?
水錘是一種通過管道系統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生水錘現象。流體突然停止流動時，其原有的運動慣量會導致管道系統內形成由介質傳導的壓力波，從而對封閉管道系統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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水錘現象不僅僅只發生在液體中，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。它發生在蒸汽系統中，當其中蒸汽冷凝水(液態水)在管道系統內積聚的時候。這種液態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象(不討論蒸汽)。
水錘現象的原因
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的維護行為。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。這會導致出現泄漏問題，在最好的情況下也會影響系統的效率，而最差的情況則可能導致其他管道系統組件，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象。但首先要了解水錘的原因、后果及解決方案。
水錘現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中流體壓力的瞬時提升所導致的。據艾薩克·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(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。這種方法在大多數情況下都有用，但也有例外。例如，急停關閉閥需要馬上實現，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，或者在泵后串聯安裝靜音止回閥(緩沖止回閥)。靜音止回閥在減少水錘現象方面極為有效，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。常見的信號是發現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，反復發生的水錘現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倍的系統工作壓力，從而為系統帶來巨大的壓力。水錘可能會導致系統的接頭泄漏、管道壁開裂或管道支撐系統變形。而維修或更換損壞的管道組件和設備需要高昂的成本。若出現產品溢流導致環境問題，則成本會更加驚人。
在大多數情況下，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。
水錘現象的解決方案
根據原因不同，有多種方法可以減輕水錘現象的影響。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：
專業的水錘消除器可減輕水錘導致的壓力尖峰。這些管道系統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。
系統設計人員必須熟悉減少水錘現象發生可能的最佳實踐和行業標準，例如使用合適的緩慢關閉型閥門、了解管道內的最優閥門設計位置以及針對高工作壓力系統考慮特殊的管道設計等。
當合理設計管道系統時，可以顯著降低甚至消除水錘現象發生的可能。對于已有的系統，則可通過各種有效的方法限制水錘現象的不利影響，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節，讓大腦高速運轉起來吧!
預測水錘壓力尖峰
可以根據管道系統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，水錘現象在廢水處理廠或市政供水系統等工業環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象的部分原因和解決方案，對水錘這一流體瞬態主題進行簡單說明。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，大多數串聯靜音止回閥的制造商都熟知水錘現象，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生永久變形，造成常見的零漂現象。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會VMA年度人物。
