[发明专利]一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法

说明书

本发明公开了一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法，使用上游水箱、有机玻璃管、中线蝶阀、调流阀及下游水箱搭建粘弹性管道水锤实验系统，使用高精度高频压力传感器测量快速关闭管道末端阀门产生的直接水锤压力的大小，通过CRAS数据采集系统读取阀门的关闭时间，用90°三角形薄壁堰、超声波流量计、称重法等三种方法同时测量流量，通过对不同流速下关阀水锤压力的测量，利用数值拟合的方法，得到阀门全开（100%）与小开度（30%）下粘弹性管道直接水锤压力的计算方法。本发明为长距离输水工程粘弹性管道直接水锤压力提供了计算方法，为系统安全运行提供了技术保障。

技术领域

本发明涉及粘弹性管道直接水锤压力计算，属于长距离输水管道中水力过渡过程技术领域。

背景技术

随着材料科学的发展，有机高分子材料管道由于自身存在的造价低、自重轻、耐腐蚀等优点也被逐渐应用于国内外长距离输水工程中，如PVC、PCCP、PE、HDPE等材料管道均为目前较为常见的供水管道。这类管道的材料为高分子聚合物，力学特性具有显著的粘弹性特征，故也称此类管道为粘弹性管道。就新疆的各类输水工程而言，粘弹性管道在多个工程中均有应用：如小洼槽倒虹吸工程采用双排热固性树脂增强玻璃纤维缠绕夹砂玻璃钢管道FRPM；三个泉倒虹吸采用PCCP和SP组合方案；罗布泊钾盐外部输水工程主输水管线采用SP和FRPM组合方案。

在长距离有压输水管道中，由于操作不当会引发巨大水锤压力，继而对整个管路系统造成严重危害，但是目前对PVC、PCCP、PE等目前使用较多的粘弹性管道供水工程安全运行的设计方案中很少考虑到管道的粘弹性效应，仅在波速的计算中考虑到了管壁在侧向和轴向上的应变，水锤压力大小仍然使用弹性管道(钢管、混凝土管)的瞬变流理论作为依据进行供水工程的设计，直接水锤压力的计算公式也仍沿用茹科夫斯基公式进行计算。在粘弹性管道水力过渡过程模拟研究中若均采用弹性管道特性作为理论依据，其结果是否能够准确应用到实际工程尚需进行深入研究。若对粘弹性管道中水力过渡过程过程研究不够充分，实际工程达不到设计和运行的要求，便会发生严重的水锤事故，造成重大人身安全隐患及经济损失。因此，深入开展粘弹性管道水锤压力变化规律的实验研究，获得准确计算粘弹性管道直接水锤压力的方法，对实际工程的设计和安全运行具有重要的指导意义。

通过大量的试验研究发现，粘弹性管道中产生的直接水锤压力大小大于传统的弹性管道直接水锤理论计算公式，在传统水锤理论中直接水锤压力上升值△H仅与管内波速a、流速变化量△V及重力加速度g有关，与阀门的关闭时间并无关系，与阀门的初始开度也无关系。研究者通过试验发现粘弹性管道中直接水锤压力的上升值与关阀时间和阀门的初始开度均有关，且满足“关阀时间越快，产生的直接水锤压力越大；阀门初始开度越小，产生的直接水锤压力越大。”的规律，试验数据说明了弹性管道水锤理论中直接水锤压力计算公式与有机玻璃管道等粘弹性管道实测得到的直接水锤压力值不符，直接水锤压力公式已不再适用于弹粘弹性管道。

长距离输水工程的显著特点是引水流量大、线路长、管径大、压力大，运行过程中涉及各类阀室和泵站的管路系统可能会由于各类操作不当的原因引发巨大水锤压力，继而对整个系统造成严重危害。因此必须对输水系统中可能发生的水锤问题进行提前预测以保证输水工程的安全及有效运行。对于目前使用比例越来越高的粘弹性输水管道而言，这些管道材料都是粘弹性管道，粘弹性材料在外力的作用下，存在弹性和黏性两种变形机制，这类管道相对较“软”，管壁挠度较大，目前在粘弹性管道中按照合理关闭规律进行关阀仍然发生了工程事故，出现了与传统水锤理论不符的现象，所以必须准确计算粘弹性管道内产生的直接水锤压力大小为实际工程提供设计依据。

发明内容

发明目的：为了长距离输水工程中粘弹性管道的水锤压力估算和安全，本发明提出一种粘弹性管道直接水锤压力的计算方法，对初始阀门开度不同时快速关阀产生的直接水锤压力大小进行准确预测。