一种被称为水锤的现象可能会导致危险的情况，比如管道倒塌和管道从支撑上被撞掉。当大或小的压力波动迅速通过管道系统时，就会发生水锤。这不仅听起来很可怕，而且具有难以置信的破坏性。水锤是管道系统从一种稳态运行过渡到另一种稳态运行的过程。它存在于所有管道系统中，不仅限于供水系统。水锤事件可能由计划中的操作更改以及突然的计划外中断引起。
有时，用户声称他们的系统中没有水锤，这是不正确的。即使在泵启动时，水锤也会被引入系统中。需要确定的是导致水锤事件的原因以及它可能有多糟糕。
美国机械工程师协会(ASME) B31.3和B31.4管道规范是广泛适用于管道系统的标准。1在ASME B31.3工艺管道中，章节301.2.2讨论了所需的压力遏制或释放。第301.2.2节规定如下:
a)应规定安全控制或释放管道可能承受的任何压力。管道
没有压力释放装置保护的，或可以与压力释放装置隔离的，应设计为至少能产生的最高压力。
b)应考虑的压力来源包括环境影响、压力振荡和波动、不当操作、不稳定流体分解、静水头和故障
控制设备。
c)第。302.2.4(f)允许，但第302.2.4段的其他要求除外。302.2.4是
也见过。
这就要求系统设计考虑到高压。其他部分讨论了什么是偶尔的压力变化，什么是可以允许的。ASME B31.4的“液态碳氢化合物和其他液体管道运输系统”也涉及到内部设计压力，并提到“由于波动和正常操作的其他变化而导致的压力高于最大稳态操作压力是允许的。”402.2.4。”在402.2.4节中，它指出，“应进行浪涌计算，并应提供适当的控制和保护设备，以确保由于浪涌和正常操作的其他变化而引起的压力上升水平不超过管道系统和设备任何一点的内部设计压力的10%。”
总的来说，必须量化水锤和压力波动，以保护系统。水锤可以通过多种方式引入。典型的例子是快速阀门关闭，通常用于帮助描述水锤的概念。水锤文献经常涉及快速阀门关闭事件，这是最潜在的灾难性水锤原因。然而，水锤也可能由泵跳闸事件、泵启动事件、过压导致安全阀打开和关闭、控制阀失效、止回阀撞击等引起。
通常用于描述水锤的经典快速阀门关闭例子通常会讨论Joukowsky方程，该方程用于计算瞬时事件的最大理论压力波动。朱可夫斯基方程取决于流体密度、流体的波速和速度的变化。2朱可夫斯基方程可以应用于任何引起速度瞬间变化的事物。使用朱科夫斯基方程来确定最大理论浪涌压力是一个有用的起点。然而，有时可能会经历比方程预测的更大的压力波动。
例如，如果系统或管线封装中存在瞬态空化，就会发生这种情况。也就是说，快速阀门关闭的例子是了解水锤的一个很好的方法。有多种方法可以量化水锤事件期间的压力响应，这些计算可能是复杂而费力的。一种方法是特征法，用特征网格法求解瞬态质量和动量平衡方程。4将这些计算应用到一个阀门关闭的例子中，以确定阀门处的浪涌压力如何随时间变化并不太难。挑战在于，文献通常演示的是在有水的单一直管流道环境下的快速阀门关闭示例，很少为具有多个流道、泵、浪涌抑制装置等的更复杂系统提供指导或演示计算。BETVICTOR体育官网
可以使用特征方法创建电子表格，以解决更复杂、多分支或环形管道系统中不断变化的压力和流量。然而，电子表格将是巨大的和不切实际的。水锤分析软件是一个有用的工具，可以帮助对简单或复杂的系统进行水锤分析，而不需要在水锤理论方面进行博士研究。水锤分析软件通常采用一维方法求解瞬态流量、压力、速度等系统。这可以帮助工程师更好地了解现有问题或水锤相关事故的根本原因，或者为新设计或操作更改提供预防性方法。
考虑图1中液化天然气(LNG)工厂的水锤分析模型。该厂正在进行扩建，最初有三台泵并联运行。BETVICTOR体育官网扩建后将增加两台泵，第三台作为备用。BETVICTOR体育官网注意，有两组泵与它们自己的立管连接到一个主集管。BETVICTOR体育官网随后，水流分开并流向两个独立的排放阀。蓝色突出显示的管道运行是管道应力分析所需的瞬态力负载的支腿。绿色突出显示的管道是从泵P-101C到阀门LV-1564A2的单一连续流动路径。
水锤分析不仅仅是检查关闭阀门的压力。瞬态压力波以每秒几千英尺的速度在管道系统中传播，波动模式可能会产生干扰，从而导致灾难性的后果。可以理解，管道在高压下可能会破裂，但低压也会有同样的问题。如果存在亚大气压力，就会导致管道倒塌。如果瞬态空化发生在压力达到蒸汽压的地方，就会出现大的压力峰值，就像一个大气球在管道内爆裂一样。在液化天然气设施中，由于蒸汽压不像水那么低，这种情况尤其严重。
为了完成该设施扩建的水锤分析，了解水锤对现有系统的影响是很重要的。一个可以建模的场景是经典的阀门关闭的例子。在图1中，系统出口处的两个排气阀将在3秒内以线性阀门关闭轮廓关闭。快速关闭阀门会导致巨大的压力峰值。水锤研究可以包括几种场景，阀门以不同的速度关闭，看看多快是太快，多慢是足够慢。通常假设线性阀门关闭，通常在较长时间内关闭阀门可以帮助减轻水锤冲击压力。然而，情况并非总是如此。有时，对于特定类型的阀门，系统中压力和流量的变化可能直到关闭的最后几个百分点才会被看到。因此，长时间关闭阀门可能并不总是有帮助。
阀门特性也是需要考虑的重要因素，因为阀门关闭的方式可能比阀门关闭的时间对降低压力波动的影响更大。例如，Swaffield & Boldy建议在给定的阀门关闭时间内，如果在关闭阀门的前20%时间内完成了80%的阀门关闭，然后在关闭阀门的剩余80%时间内完成了剩余20%的阀门关闭，则可以减少由此产生的压力波动。5图2中的一个例子比较了氨船到岸上输送管道的两种不同的阀门关闭率。图2中的顶部流动路径使用线性2秒阀门关闭，而底部流动路径也使用2秒阀门关闭，但采用Swaffield & Boldy推荐的80/20关闭剖面。
如图2所示，与相同关闭时间的线性关闭轮廓相比，80/20指导方针降低了阀门关闭时的瞬态浪涌压力。这表明，关闭阀门的剖面与关闭更长时间的阀门一样，也会降低水锤冲击压力。如果不是，那么概要文件的影响更大。因此，整个水锤分析研究可以用于确定合适的阀门关闭时间和剖面，这可以帮助控制系统预防问题。
需要评估的重要参数包括系统中的最小和最大压力，以及它们与最大允许操作压力的比较情况。其他需要评估的内容包括:如果系统中存在空化，则可能存在蒸汽形成;组件的瞬态性能，如泵跳闸时泵的速度可能如何变化;在瞬态事件中泵的吸入和排出压力和流量可能如何变化;在喘振情况下溢流如何循环等等。
图3和图4给出了图1中系统中绿色部分的流动路径的最大和最小压力分布图。图3包含扩容前场景的结果，图3提供扩容后场景的结果。在图3和图4的两个图中，图中的绿线是阀门在三秒关闭时沿流道的压力。
图3和图4中绿线所示的三秒内沿流道的瞬态压力是相似的。扩容后增加泵运行的结果与扩容前相似。BETVICTOR体育官网对比图3和图4中的最大压力分布，膨胀后的情景确实导致了更高的瞬态压力。造成这种情况的原因是由于管线堵塞和系统中由于泵仍在运行而产生的更多流量。BETVICTOR体育官网这是瞬态压力可以高于Joukowsky方程预测的另一个例子。图5更清晰地显示了关闭阀门入口瞬态压力随时间变化的类似结果。膨胀后阀门进口的压力比膨胀前高，但仍然相似。
检查蓝色的管道运行力腿(图1)，在两种情况下，力腿3和力腿6的瞬态力载荷最高。最大的力负载可能发生在关闭的阀门上，但情况并非总是如此。有许多水力效应会影响瞬态力载荷，并且简单地将压力乘以区域并不能提供正确的力值。水锤分析软件固有地考虑摩擦效应和动量效应，并很容易将这些包括在力载荷计算中。6如图所示，很难假设哪个力腿会发生最大的瞬态力。此外，最大的力可能并不总是在阀门关闭时发生，而是在模拟的后期发生。这可能是由于在像图1所示的复杂系统中压力波是如何相互干扰的。
对于图1中的LNG工厂来说，好消息是膨胀没有导致瞬态压力高于系统的最大允许压力，也没有导致更高的瞬态力负载。这个系统的波速大约是典型波速的一半。如果这个系统中有不同的流体，结果可能会更灾难性，如果之前没有仔细分析这个系统，包括力计算，很容易就会发现一系列新的问题。此外，还应评估许多其他场景，如泵启动场景，泵跳闸场景(所有泵一起跳闸或一个泵自行跳闸)，可能导致大型止回阀撞击事件等。BETVICTOR体育官网
参考文献
关于水锤的规范:ASME B31.3和B31.4, waterhammer.com/en/blog/design/codes-concerning-waterhammer-asme-b31-3-and-b31-4
“水锤:什么和为什么”，pumpsandsystems.BETVICTOR体育官网com/water-hammer-what-why
“当朱科夫斯基方程不能预测最大水锤压力时”，aft.com/documents/technicalpapers/2019_pvpjournal_when-the-joukowsky-equation-does-not-predict-maximum-water-hammer-pressures.pdf
“系统中的流体瞬态”，E. Benjamin Wylie和Victor L. Streeter，第1版，1993
“管道系统中的压力波动”，J.A. Swaffield和Adrian P. Boldy, 1993
“水锤引起的管道系统动态载荷评估”，J. Wilcox & T. Walters, 2012, aft.com/white-papers/evaluating-dynamic-loads-in-piping-systems-caused-by-waterhammer