封閉管道系統中的水衝擊： 原因、影響和解決方案
水衝擊，又稱水錘現象或壓力驟增，是工業管道系統中的一個嚴重問題。當管道中的液體突然停止而產生壓力驟增時，就會出現這種現象。結果往往是閥門、管道和其他部件嚴重受損。這種損壞不僅會導致昂貴的維修費用，還會造成停機和生產損失。請了解如何透過選擇正確的閥門和調整系統來防止水衝擊。
封闭管道系统中会出现水锤现象，影响各种应用。这小到家庭供水装置，大到大型生产设施。
什麼是水衝擊？
水衝擊是指流速急劇變化導致管道內壓力突然升高的現象。當封閉系統中的運動流體被迫突然停止或改變方向時，就會出現這種現象。這種壓力衝擊會擴展到整個系統，並在初始階段成倍增加，從而導致壓力上升到組件不再允許的極限範圍。此外，在不利條件下，流速會成倍增加，最高可達 1,200 m/s。
水衝擊不僅發生在水中，也發生在其他不可壓縮的液體（即使在壓力作用下，其密度也不會發生顯著變化）或氣體中。壓力驟增時通常會伴有振動或敲擊聲，這種聲音在壓力釋放前會重複出現。這就是為什麼它們有時被稱為水錘現象的原因。
雖然你可以清楚地聽到壓力衝擊的聲音，但卻很難測量，因為壓力驟增在毫秒級的極短時間內形成並消退。電子測量儀器通常不適合此類測量，或者說壓力衝擊超過了測量範圍的終值。
水衝擊的原因
造成水衝擊的原因有多種，例如閥門的快速開啟和關閉、水泵的快速啟動或關閉、止回閥關閉過快以及供電突然中斷。水柱分離或壓力緩衝也有利於水錘現象的產生。
設計方式對水衝擊的產生也有影響。在高度差較大的系統中，風險尤其高，因為需要更高的壓力來克服高度差。
中斷均勻流動的系統設計也會增加風險。因此，應盡可能避免彎道和強烈的壓力波動。
水衝擊的直接影響
水錘現象會造成嚴重破壞：
- 組件洩漏。
- 閥座變形或損壞。
- 止回閥盤變形。
- 泵軸斷裂或彎曲。
- 密封件和 O 型圈過早變平。
- 葉輪破損。
- 管道洩漏或破損。
對管道系統可能造成的長期後果
除了對單個儀器和部件造成損壞外，水衝擊通常還會對整個系統的使用壽命造成負面影響。水衝擊的強度越大，危險就越大。管道也經常出現洩漏，這意味著系統在較長的時間內不再能有效工作，介質或產品也隨之流失。
避免水衝擊
在規劃階段正確選擇閥門
在系統規劃時，最好從一開始就將水衝擊風險降至最低。在這裡，選擇合適的閥門起著決定性的作用。在規劃階段，使用者應確保選擇具有相應功能的高品質閥門，以從根本上防止水衝擊的發生。可選擇合適型號的氣動或電動閥門。也可以使用手動閥門。下面簡要介紹閥門應滿足的要求。
可調節開啟或關閉時間的氣動流程閥
對於氣動流程閥，可採用角座閥（也稱為 Y 型閥）或直通閥（也稱為直閥）。重要的是，閥門的配置應使其關閉方向與液體流動方向相反。這就使關閉功能與介質的慣性相協調，並以自然的方式避免壓力衝擊。彈簧複位閥和雙作用閥都可以這樣配置。
為避免水衝擊，氣動流程閥（此處為 2000 型）會因應逆液體流速關閉。
電動閥
還可提供電動閥以及氣動流程閥，並配有合適類型閥體，作為角座閥或截止閥。Bürkert 的電動閥具有以下特性，這些特性對解決水衝擊問題具有積極作用：
- 堅固的傳動機構，無反應且不受介質壓力的影響。因此，介質的壓力波動或者衝擊不會傳導到閥門位置上。例如，推薦使用小型閥門（型號 3280 / 3281 / 3285）。
- 與氣動流程閥相比，閥門的特殊機械構造無需彈簧軸承，具有很強的抗衝擊和抗振動能力。
- 可透過軟件功能精確調節 Bürkert 電動閥的執行速度。這樣就可以有意識地緩慢打開或關閉閥門，從而避免不必要地增加系統中的壓力，並將相關影響降至最低。
電動二位二通隔膜閥（開/關）
- 透過儲能裝置確保安全位置
- 可調驅動力
- 診斷功能和現場匯流排連接
- 產品接觸表面 Ra ≤ 0.38 µm…1.6 µm（可選電拋光）
- 可提供 DN 06...DN 100 的公稱寬度
隔膜閥
尤其是在製藥和生物技術生產範疇，也可以使用氣動或電動控制的隔膜閥。與截止閥不同的是，這種閥門的使用不依賴於流向，但在佈設時必須遵守與截止閥相同的標準（kV 值，最大壓力......）。對於隔膜閥而言，需要注意的是，水衝擊可能會導致向外（不僅是透過閥橋）的短時洩漏，這種洩漏最初僅在水衝擊發生的短暫瞬間才會顯現出來。如果膜片沒有損壞，閥門最多只能繼續發揮其正常功能。
二位二通隔膜閥配備有不鏽鋼氣動驅動器（ELEMENT 型）用於分散式自動化
- 閥體和膜具有不同的材質和變種
- 與產品接觸的表面 Ra ≤ 0.38 µm – 1.6 µm（可選擇電拋光）
- 提供所有通用連接尺寸──和變種
現有系統的最佳化可能性
對於現有系統，有多種方法可以降低水衝擊風險。只有全面了解整個流程的工藝工程師才能考慮這種全系統調整。
可能的措施包括：
- 將單個閥門更換為開啟和關閉時間可調的閥門。
- 安裝節流閥和管道級，以降低透過閥門的液體流速，從而使閥門關閉得更慢。
- 透過抑制氣動驅動器的通風或排氣，降低氣動流程閥的關閉速度。
- 使用帶有關閉時間設定的電動驅動器。
- 限制系統中的速度變化。
- 使用雙作用驅動器，包括相應的控制器。
結論
水衝擊是管道系統中的一個嚴重問題。它會損壞系統儀器和管道。由經驗豐富的專業人員正確選擇閥門、調整關閉速度、安裝節流閥或止回閥以及對系統進行其他調整，在大多數情況下可以防止水衝擊。
您有水衝擊問題或想要防止嗎？
Bürkert的流體專家將在規劃階段為您提供建議，並協助您選擇合適的組件。