什麼是水錘？它是液壓衝擊的口語形式，當移動的流體（通常是液體）被迫停止或突然改變其方向時發生。當管道系統末端的閥門突然關閉並且壓力波通過管道傳播時，通常會發生這種動量變化。
這種壓力波會導致嚴重的問題，包括噪音、振動、管道破裂或塌陷。使用蓄能器、緩衝罐、排氣閥、膨脹罐和其他功能可以減少水錘脈衝的影響。通過確保閥門不會因大量流量而關閉得太快，可以避免不利影響。
水錘的定義
任何使用閥門控制流量的管道系統中都可能發生水錘。水錘現象是在管道系統中傳播的壓力浪涌或高壓衝擊波的結果，其中流體被迫改變其方向或突然停止。衝擊波通常也稱為液壓衝擊或液壓浪涌。由於巨大的衝擊波，在關閉後立即聽到管道上的明顯撞擊或敲擊聲。
當打開的閥門突然關閉並導致水撞入其中時，可能會發生水錘。此外，突然關閉泵並將流回泵的反向流動可能會導致這種現象。由於水是不可壓縮的，水的撞擊會產生衝擊波，該衝擊波以聲速在閥門和系統中的相鄰彎頭之間傳播，或在泵之後的水柱中傳播。
水錘是如何發生的（參考資料：waterheateralarm.blogspot.com)
水錘的原因
當管道系統在下游突然關閉時，關閉前水的質量仍在移動，導致高壓和衝擊波。在家用管道中，這表現為類似於錘擊聲的巨響。如果壓力足夠高，水錘可能會破壞管道。有時，空氣疏水閥或立管（頂部打開）被添加到水系統中作為阻尼器，以吸收流動水產生的潛在有害力。
水錘的其他原因包括泵故障和止回閥猛擊（由於突然減速，取決於閥門的動態規格以及閥門和水箱之間的水質量，止回閥可能會迅速關閉）。為了克服這種情況，建議使用非猛擊止回閥，因為它們不依賴於重力或流體流量來關閉。對於垂直管道，一些建議包括應用包含氣室的新管道設計，以減輕由於水流過大而可能產生的水衝擊波。
在水力發電站中
在水力發電廠中，關閉閥門可能會阻止水沿著隧道或管道進入渦輪機。例如，如果直徑14.7米的隧道中有7公里以3.75米/秒的速度充滿水，則表明要捕獲約8，000兆焦耳（2，200千瓦時）的動能。這種動力的利用通常由頂部打開的浪涌軸執行，水流入其中。當水從豎井上升時，其動能轉化為勢能，使隧道中的水減慢速度。
在家
在家裡，當洗碗機、洗衣機或馬桶關閉水流時，水錘可能會發生。結果可能是響亮的重複噪音（當衝擊波在管道系統中前後移動時）或振動。
水錘的影響
流體動量變化對閥門產生的衝擊力會產生可能超過系統工作壓力十倍的壓力峰值。這些突然停止的流動運動和衝擊波引起的壓力增加會對整個管道系統造成相當大的損壞。這可能是由於單個事件或隨著時間的推移累積損壞而發生的。
忽視水錘最終會導致流量系統的災難性故障。如您所見，有必要在出現水錘的第一個跡象後立即採取行動。否則，最終將導致廣泛的系統損壞，並可能從流量系統擴散到其他組件或設施基礎設施。
水錘效應示例（參考：rhfs.com)
水錘的長期後果包括：
泵和流量系統損壞
反覆的水錘可能會導致系統組件（包括泵和閥門）嚴重損壞。這可能導致接頭的災難性故障，並對管壁和焊接接頭的完整性產生不利影響。
滲漏
水錘會降低配件和接頭的質量並導致泄漏。這些泄漏通常逐漸開始，隨著時間的推移，嚴重程度逐漸增加。較小的泄漏可能會在一段時間內被忽視並損壞周圍的設備。
管道破裂
修復由於壓力峰值而破裂的管道非常昂貴。破裂可能會損壞本地管道，並使整個系統和其他設備失效。因此，需要進行大規模的更換操作。
外部設備損壞
如果不加以控制，漏水會導致電氣設備故障以及其他設備或基礎設施的腐蝕。
子序列事故的風險
管道破裂也會威脅到操作員和維護人員的健康和安全。根據行業和設施的不同，不受控制的泄漏也會增加滑倒、跌落和觸電的風險。
停機併發症
設備損壞可能導致昂貴的維修或更換。由於進一步維護、維修或設置所需的停機時間，它還可能招致額外的經濟損失。
水錘的種類
我們可以將水錘分為下面討論的不同主要類別。
液壓衝擊
蒸汽系統中的一小部分水錘問題是由於液壓衝擊。這種類型可以通過使用家用水龍頭來解釋。當家用水龍頭打開時，一根實心軸穿過管道，從進入家庭到水龍頭出口。當水龍頭突然關閉時，系統會聽到明顯的「砰」的一聲。這種衝擊波的聲音就像錘子敲擊一塊鋼片。衝擊波壓力約為300-psi，從一端反射到另一端，直到其能量在管道系統中耗散。
這與冷凝水泵系統中的排放管道中可能發生的過程相同，當泵以大冷凝水泵送能力的開/關動作使用時。泵送系統通常在泵出口處放置止回閥。通過啟動和停止泵，當冷凝水流立即停止並且止回閥在一個方向上阻塞流量時，可能會發生液壓衝擊。
熱衝擊
水錘的主要來源是熱衝擊，其中蒸汽坍塌，水從各個方向迅速進入產生的真空。在正常大氣條件下，0 psi 的 1 磅蒸汽填充的體積是一磅水體積的 600，<> 倍。隨著冷凝水管線壓力的升高，該比率成比例地降低。
流量衝擊
流量衝擊通常是由於蒸汽管線隔離閥或控制閥前的排放不當而發生的。
例如，假設蒸汽管線隔離閥（通常與 3 英寸或更大的管道一起使用）在不使用預熱的情況下打開。在這種情況下，當大閥門打開時，蒸汽會沿著冷管衝下，高速產生大量冷凝水。這些冷凝物繼續形成沿管道行進的物質，並產生大量的冷凝水。波浪將高速移動，直到方向突然改變，可能是由於管路中的彎頭或閥門。因此，突然停止會導致水錘。
差速衝擊
與流動衝擊類似，這種類型發生在雙相系統或冷凝水系統中。當蒸汽和冷凝水流過冷凝水管線但速度不同時，就會發生這種情況。在雙相系統中，蒸汽速度通常是液體速度的十倍。如果冷凝水波上升並占據管道，則在冷凝水波的上游和下游兩側之間暫時進行密封。
由於蒸汽不能流入冷凝水密封，因此下游側的壓力降低。然後，壓差將冷凝水密封件高速推向下游，像活塞一樣加速。當它被輸送到下游時，更多的液體被吸收，這增加了現有的蛞蝓質量，並且速度增加。
水錘的跡象
通常有三種症狀表明發生了水錘。
- 浮動措施上的壓力衝擊激增。
- 膨脹在被蒸汽錘摧毀的蒸汽管線上結合。
- 由於管道中失去閥門而導致的壓力波。
水錘在時間上的壓力變化（參考：sciencedirect.com)
如何防止水錘
水錘的主要考慮因素之一是選擇合適的止回閥類型。合適的閥門類型，如旋啟式、活塞式止回閥、傾斜盤，取決於重力和流量反轉，以便將閥門返回到關閉位置。這會將水猛烈撞擊閥門機構，並產生在管道系統中傳播的壓力波。
另一方面，靜音或彈簧輔助止回閥配有內部彈簧，可在流量逆轉之前無聲地將閥門旋轉到關閉位置。因此，它消除了水錘的可能性。
水錘問題的另一個有效解決方案是氣室。這些系統包括一根短管，通常在三通配件中，帶有一個空/充滿空氣的腔室，用作減震器，使水在突然轉向方向時膨脹。這減少了原本指向管道的衝擊量。
應用氣室吸收波（參考：carrollplumbingsb.com)
還有其他幾種防止水錘的實用方法如下：
- 沖洗舊系統
- 降低工作壓力
- 在供應管路中放置減壓器和調節器
- 泵站旁路
- 投資以氣室為設計元素的管道系統
- 使用靜音止回閥降低壓力嚴重性
如何修復水錘
以下是面對水錘現象時要採取的一系列行動：
- 關閉房屋的所有供水。
- 從最高的一個開始打開所有水獅鷲。
- 沖洗掉所有房屋廁所。
- 讓水排出約 20 或 30 分鐘。
- 再次打開房屋的供水。
- 等待 5 到 10 分鐘，讓獅鷲恢復大量水流。
- 再次關閉所有獅鷲，這次從最低的獅鷲開始。
- 廁所必須自動填滿。
- 最後，當所有的獅鷲都關上，廁所被填滿後，清洗馬桶，檢查水錘的情況。
水錘的應用
在下面提到的用途中使用水錘現象的概念是眾所周知的。
- 水錘基礎知識可用於製造稱為液壓油缸的簡單水泵。
- 有時可以使用水錘發現泄漏。
- 水錘可以幫助檢測管道中的封閉氣穴。
水錘分析
水錘可以使用兩種不同的方法進行分析：剛性柱理論，忽略管壁的流體壓縮性和彈性，或包括彈性的完整分析。當閥門關閉時間與壓力波沿管道的傳播時間相比較長時，剛性柱理論是合適的。
否則，可能需要彈性。在下文中，給出了峰值壓力的兩個近似值，一個考慮彈性，但假設閥門立即關閉。另一個忽略了彈性，但包括有限的閥門關閉時間。
第一種方法：可壓縮流體和瞬時閥門關閉（標題3）
水錘脈衝的壓力可以用Joukowsky方程表示：
因此，對於瞬時閥門關閉，水錘脈衝的最大數量為：
壓力波的大小以Pa為單位測量，ρ是流體密度（以kg/m為單位）3）、a0是流體介質中聲音的速度（以m/s為單位），Δv是流體速度的變化（以m/s為單位）。
波速
流體中的聲速由下式表示：
因此，如果閥門突然關閉，峰值壓力取決於流體的可壓縮性。
在上式中，B是流體-管道系統彈性的等效體積模量，可以計算為：
K和E分別是流體和管道的彈性模量。此外，D 和 t 是管道的內徑和壁厚，c 是無量綱參數。
第二種方法：不可壓縮流體和緩慢關閉閥門
當閥門關閉的時間小於壓力波通過管道傳播的傳輸時間時，彈性可以忽略不計，這種現象可以用剛性柱理論來解釋：
如果假設水柱減速是恆定的，我們將得到：
因此
在上述關係中，m是流體柱的質量。此外，P、F、A、L 和 T 分別是壓力、力、管道的橫截面積、管道長度和閉合時間。
波在水錘中的傳播（參考：mysite.du.edu)
水錘造成的壓力過大
當閥門以流速 （Q） 關閉時，閥門上游產生的額外壓力 ΔP 由下式給出：
其中，Z 是水力阻抗（單位：kg/m4/s） 定義為：
由於上述物理分析，水錘可以通過以下方式減少：
- 在恆定流量下增加管道的直徑（這會降低流速，從而降低液柱的減速。
- 儘可能緊密地應用固體材料
- 使用提高整體液壓系統靈活性的方法（例如液壓蓄能器）
- 儘可能增加液體中未溶解氣體的比例
編譯 陳講運