灌区泵站系统水锤消除罐选型及应用技术规程

1灌区泵站系统水锤消除罐选型及应用技术规程水锤消除罐是灌区泵站系统安全运行的重要水锤防护设备之一，具有压力突然降低时向系统充水抬升压力，及压力突然上升时压缩罐内气体从而吸纳高压，确保灌区泵站系统正常运行的功能。本文件规定了灌区泵站系统容积0.5m3～100m3、设计压力PN6～PN100，介质温度不大于60℃,立式及卧式安装的内胆式水锤消除罐的性能及技术要求。本文件适用于灌区泵站系统内胆式水锤消除罐的设计选型、试验、安装调试及运行。灌区泵站系统无内胆式水锤消除罐以及城乡供水泵站系统内胆式（或无内胆式）水锤消除罐可参照本文件。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程GB/T150.1~150.4-2011压力容器GB/T24511-2017承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带GB/T8163-2018输送流体用无缝钢管GB/T14976-2012流体输送用不锈钢无缝钢管GB/T191-2008包装储运图示标志GB/T1184-1996形状和位置公差未注公差值HG/T20592~20635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件HG/T21514~21535-2014钢制人孔和手孔GB/T13306-1991标牌GB/T13384-2008机电产品包装通用技术条件GB/T17219-1998生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准2GB50265-2022泵站设计标准GB50013-2018室外给水设计标准NB/T10558-2021压力容器涂敷与运输包装JG/T3010.1-1994隔膜式气压给水设备JG/T3010.2-1994补气式气压给水设备JJG82-2010公法线千分尺检定规程NB/T47013.1~-47013.6承压设备无损检测NB/T47065.1~47065.5容器支座SH/T3022石油化工设备和管道涂料防腐蚀设计标准AS/NZS4020-2018与饮用水接触的产品测试3术语与定义下列术语和定义适用于本文件3.1灌区泵站系统pumpingstationsystemforirrigationarea灌区用于提水灌溉的泵站系统，一般由水泵、机电设备、管路及配套建筑物组成。3.2水锤waterhammer压力管道中,由于流速剧烈变化而引起一系列压力急剧交替升降的水力冲击现象。3.3水锤消除罐surgevessels具有系统压力突然降低时向系统充水抬升压力，及系统压力突然上升压缩罐内气体吸收压力的水锤消除装置。3.4内胆bladder置于罐体内部，用于把水与气全部隔开的关键部件。3.5有效容积effectivevolume水锤消除罐能盛装的水的最大体积。3.63初始压力initialpressure水锤消除罐运行前罐内气体初始状态的绝对压力。3.7连接管管径diameterofconnectingpipe水锤消除罐与供水管道连接管的管径，对应水锤消除罐向供水管道的补水能力和水锤消除罐吸纳供水管道压力的能力。3.8压力容器pressurevessel盛装气体或液体、承载一定压力的密闭容器。水锤消除罐检修孔一般不小于DN450。3.9检修孔manhole用于人员进出设备以便安装、检修和安全检查的开孔结构。3.10高度直径比eight-diameterratio水锤消除罐罐体高度与罐体外径的比。3.11灌区泵站系统稳定运行状态下水锤消除罐罐内的液体高度。4结构型式、命名、技术参数及材料要求4.1水锤消除罐的结构型式水锤消除罐的结构型式如图1、图2所示。41-安装口/人孔法兰;2-爬梯;3-磁翻板液位计；4-铭牌；5-截止阀；6-伸缩节；7-筒体；8-补气检修阀；9-压力表；10-温度传感器接口；11-压力传感器接口；12-补气阀门；13-漏水传感器接口；14-设备吊耳；15-安全阀接口法兰图1立式水锤消除罐的结构型式51-安装口/人孔法兰;2-爬梯;3-磁翻板液位计；4-铭牌；5-截止阀；6-伸缩节；7-筒体；8-补气检修阀；9-压力表；10-温度传感器接口；11-压力传感器接口；12-补气阀门；13-漏水传感器接口；14-设备吊耳；15-安全阀接口法兰图2卧式水锤消除罐的结构型式4.2水锤消除罐的命名根据罐体内是否含有内胆，水锤消除罐分为内胆式水锤消除罐和无内胆式水锤消除罐。水锤消除罐的命名按下列规定命名：水锤消除罐V-PN-B其中：V为罐体总容积，m3；PN为设计压力，MPa；B为内胆式水锤消除罐（无内胆式水锤消除罐则为空白不填）。命名示例：示例1：总容积10m3，设计压力1.6MPa，内胆式水锤消除罐，其命名为：水锤消除罐V10-PN16-B示例2：总容积15m3，设计压力2.5MPa，无内胆式水锤消除罐，其命名为：水锤消除罐V15-PN254.3水锤消除罐主要技术参数水锤消除罐主要技术参数包括：容积、压力、工作压力、设计压力、试验压力、设计温度、计算厚度、设计厚度、名义厚度、工作介质、腐蚀余量、焊接接头系数等。具体参数要求应符合TSG21-2016、GB/T150.1~150.4-2011的规定。4.4水锤消除罐的材料要求4.4.1罐体材料要求罐体材料一般为碳钢、不锈钢，具体材料要求应符合GB/T150.2的规定。4.4.2内胆材料要求内胆材料一般为柔性材质，宜采用聚氨酯复合材料，双面为乙醚型聚氨酯，夹层为尼龙材料或聚酯材料，总厚度为0.9~1.2mm，且所有与饮用水接触的材料和涂料应符合《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》（2001）对饮用水输配水设备的要求。（1）当压力≤2.5MPa时，夹层为聚酯材料，厚度为0.9mm。（2）当压力＞2.5MPa时，夹层为尼龙材料，厚度为1.2mm。水锤消除罐材料要求应符合表1和表2的规定。6表1碳钢材质水锤消除罐建造要求表2不锈钢材质水锤消除罐建造要求锌5选型技术要求灌区泵站系统水锤消除罐选型应保证泵站在发生水力过渡过程时各水力参数满足GB50265-2022要5.1与选型有关的考虑因素7在选择内胆式水锤消除罐之前，应考虑以下几点：（1）内胆寿命至少为10年。（2）当需要更换内胆时，应考虑灌区泵站系统发生水锤的应急措施。（4）对于较大的定制容器更换内胆时，应充分考虑制造和运输时间。（5）建议在灌区泵站大修期或不运行的前提下更换内胆。5.2水锤消除罐边界条件模型5.2.1模型表述水锤消除罐是一种内部充有一定量压缩空气或氮气的压力容器，是长距离灌区泵站系统中较为可靠的控制水力瞬变的设备之一，其工作原理示意图如图3所示。图3罐的工作原理示意图当供水系统正常运行时，罐内的压力与连接水锤消除罐处的输水管道的压力相平衡，水头平衡方程式中：Hp—水锤消除罐与管道连接处压力（mHst—水锤消除罐水位高程（mP—管内气体绝对压力（PaP0—当地大气压力（PaY—水体容重（N/m3k—水锤消除罐与管道连接处水力损失系数。若假设在任何瞬间气室中各处的压力都相同，气体的惯性和罐壁的摩擦可忽略不计，并假定气体服从可逆的多变关系：PVn=C（2）8式中：P—气体的绝对压力（Pa等于表压力加上大气压力；V—气体的体积（m3n—多变指数；C—常数。水锤消除罐底部节点P的连续性方程为：3）式中：Q1—流入节点P的管道流量（m³/sQ2—流出节点P的管道流量（m³/sQst—通过水锤消除罐节流孔口的流量（m³/s）。水锤消除罐水位与流量的关系为：（4）式中：Ast—水锤消除罐水体与罐内气体面积（m2）。对于立式水锤消除罐，接触面积Ast为恒定值，气体体积V与水锤消除罐水位Hst成线性关系，而卧式、球式水锤消除罐的Ast、V相较于立式有较大不同。（a）立式（b）卧式图4水锤消除罐模型示意图立式水锤消除罐：（5）卧式水锤消除罐：球式水锤消除罐：9式中：R—立式和卧式水锤消除罐圆断面半径、球式水锤消除罐半径（mHc—水锤消除罐中心高程（mL—水锤消除罐长度（m）。5.2.2模型求解模型采用特征线法进行求解，瞬变流特征线方程为：（8）水锤计算时Δt很小，对式（1）和（4）积分并取二阶近似：ΔH=Hst-Hst0=（10）式中：下标带0均为t-Δt时刻的已知量。（1）立式水锤消除罐联立求解式（3）、式（8）可得：把式（11）代入式（9），整理得：+Hst-Hst0-Δt-kQstQstst采用牛顿-雷伏生方法，联立求解式（10）、式（12）可得Hst、P、Q1、Q2、Qst、V。（2）卧式水锤消除罐对式（2）采用水锤消除罐水位高程表示：（12）（13）式中：Aair—气体截面积，其值为；C1=将式（13）采用泰勒级数展开，化简可得P=C2+C3ΔH利用式（16）求出HP，即可求出其他变量Hst、P、Q1、Q2、Qst、V。（3）球式水锤消除罐利用泰勒级数展开，可将式（2）化简为（17）+C2ΔH（18）将式（3）、（8）、（10）、（18）代入（17）可得：利用式（19）求出HP，即可求出其他变量Hst、P、Q1、Q2、Qst、V。5.3水锤消除罐选型步骤5.3.1基础资料收集需收集灌区泵站系统：管道纵断图、管道材质、管道管径、管道壁厚、系统日供水量、水泵额定扬程、水泵额定流量、水泵额定转速、水泵中心轴安装标高、水泵工作台数、进水池水位标高、出水池水位标高等基础资料。5.3.2初始计算水力过渡过程计算基于无阀、水力控制阀及空气阀联合防护下的灌区泵站系统水力过渡过程，若最大正压、最小负压、水泵倒转转速等水力参数不满足《泵站设计标准》要求，则需设置内胆式水锤消除罐。5.3.3确定内胆式水锤消除罐选型方案采用相关水力计算软件进行水力过渡过程计算及分析确定内胆式水锤消除罐选型方案，步骤如下：（1）基于5.3.2的计算成果，如果上述水力参数不满足《泵站设计标准》要求，则考虑增加内胆式水锤消除罐作为水锤防护措施。（2）根据灌区泵站系统实际条件，初步确定水锤消除罐的规格型号，包括水锤消除罐的数量、容积大小（应考虑一定安全余量）、初始压力、连接管管径、高度直径比及其安装方式。（3）根据压力管路最大正压及最小负压超出规范要求的大小，预设内胆式水锤消除罐的容积。（4）预设内胆式水锤消除罐的气体温度、气体压力及初始液位。预设气体温度一般为15℃;预设气体压力一般为泵站工作压力的1/3~1/2；初始液位一般为内胆式水锤消除罐体积的3/4~4/5。（5）内胆式水锤消除罐一般设置在泵站出口处。在设置内胆式水锤消除罐相关参数后，再次进行水力过渡过程计算。同时在上述范围内调节预设气体压力、初始液位及连接管管径，比较内胆式水锤消除罐的最优水锤防护效果。（6）基于最优水锤防护效果，确定内胆式水锤消除罐的预设气体压力、初始液位、连接管管径及安装方式。（7）数值模拟计算中可以选取一定体积的内胆式水锤消除罐计算，直到水力过渡过程该能够达到规范要求的防护效果；如果预设的内胆式水锤消除罐防护效果较好，可以计算更小体积的内胆式水锤消除罐的防护效果，依次反复迭代求解，以减小设备成本及泵站安全运行目标。（8）取内胆式水锤消除罐不同高度直径比，分析内胆式水锤消除罐的安装台数。（9）对各种规格型号内胆式水锤消除罐进行技术经济比较，最终确定水锤消除罐选型方案（包括：预设气体压力、初始液位、连接管管径、安装方式、安装台数及高度直径比等）。（10）基于上述计算分析及选型成果，编辑水力过渡过程计算分析报告。6试验与检验水锤消除罐制造、安装及运行过程中应依据有关技术标准对其产品质量和技术性能进行试验与检验。6.1材料检验主要验收进厂材质和材质的质量证明，必要时进行抽查检测，内胆材料应符合相关标准。6.2外协件、外购件验收水锤消除罐外购件、外协件的验收，主要检查制造厂的合格证书和质量证明文件，必要时要求制造厂提供检测报告。6.3结构和几何尺寸检查结构和尺寸检查应采用卡尺等测量工具直接测量。6.4外观检查用目测检查水锤消除罐的外观质量及产品标志。6.5无损检测试验按GB/T150及NB/T47013的有关规定进行检测。6.6压力试验罐体压力试验具体需遵循TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程中的有关规定。6.7内胆密封试验按JG/T3010规范要求对内胆进行密封性试验，将内胆充入压力不小于0.02MPa的空气或氮气，然后在内胆整个表面上涂以肥皂水进行检查，不允许漏气。6.8整体密封试验应对水锤消除罐整体（含内胆）进行密封试验，内胆外部充气，内胆内部充水，试验压力不低于设计压力，持续时间30min，压力稳定后不应有变动。6.9涂装试验（1）涂层需对油漆品类、规格、色号进行目视检查。（2）涂层需进行厚度检测，采用超声波漆膜厚度检测仪对壳体进行抽样检测，检测处（3点平均/处）需按如下规定：a.油漆面积≤100m2，最多取15处量测。b.油漆面积＞100m2，第一处100m2取15处量测；其后每100m2取5处量测。要求每个量测点的漆膜厚度不得低于图样规定厚度的100%为合格。（3）油漆附着力检查，采用拉拔仪，按ISO4624测试漆膜附着力，合格以各项目要求执行。6.10卫生检验用于生活饮用水系统时，应按GB/T17219的有关规定进行卫生检验。水锤消除罐检验项目、技术要求及试验方法应按表3的规定。表3检验项目、技术要求及试验方法√√ √—√—√—√—√—√ √—√— √ —√——√—√—√—√—√—√—√ ————7安装调试及验收7.1安装前检查水锤消除罐安装前应进行检查，检查应包括下列内容：（1）水锤消除罐合格证、质量证明文件、试验记录、产品说明书等技术资料。（2）水锤消除罐型号、总容积、初始压力、连接管径等。（3）结构检查、几何尺寸检查、外观检查。（4）无损检测试验、压力试验、内胆密封试验、整体密封试验、涂装试验、卫生检验等相关检测检验报告。7.2安装7.2.1一般要求（1）水锤消除罐属于压力容器，对压力容器的安装施工方，需具备压力容器安装资质。（2）水锤消除罐的安装宜靠近水泵出口，宜与水泵中心轴安装在同一高程，方便数据采集和日常维护，最大发挥水锤消除罐的防护效果。（3）水锤消除罐可立式或卧式安装，考虑到经济和水锤消除罐的防护效果建议立式安装。（4）室外明装水锤消除罐，应有防冻和防尘措施。（5）室外暗装在井室内，应确保井内清洁，无杂物、积水，同时应有防冻措施。（6）水锤消除罐的安装高度应考虑罐顶端与厂房屋顶间距。7.2.2安装步骤（1）立式水锤消除罐安装步骤：a.如采用预埋螺栓安装，需要工厂前期提供地脚模板，先预埋地脚模板，设备到现场后，吊装设备和预埋螺栓配对，采用双螺母紧固锁死；如采用膨胀螺栓安装，则无需要工厂提供地脚模板，设备到现场后，再开孔，安放膨胀螺栓，吊装设备和预埋螺栓配对，采用双螺母紧固锁死。b.安装进出水口阀门和主管连接。c.安装爬梯护栏、液位计、安全阀等附件。d.连接氮气，进行压力试验。e.正常使用。（2）卧式水锤消除罐安装步骤：a.如采用预埋螺栓安装，需要先按图纸的尺寸，预埋地脚螺栓，设备到现场后，吊装设备和预埋螺栓配对，采用双螺母紧固锁死；如采用膨胀螺栓安装，设备到现场后，再开孔，安放膨胀螺栓，吊装设备和预埋螺栓配对，采用双螺母紧固锁死。b.安装进出水口阀门和主管连接。c.安装爬梯护栏、液位计、安全阀等附件。d.连接氮气，进行压力试验。e.正常使用。7.3调试及检查水锤消除罐安装完毕后应开展自动化监测系统的调试与检验。7.4专项验收专项验收包括设备验收和资料验收。7.4.1设备验收（1）检查进出水口高度。（2）检查外观、配件数量。（3）检查压力试验。7.4.2资料验收（1）检查水锤罐的压力容器资料（设备盖椭圆章总