在输送流体的管道中，当突然关闭管道上设置的阀门时，由流动参数在较短时间内的较大改变而引发的流体压力随时间的波动现象将给管网系统带来水锤作用。

水锤发生时：首先管道内流体的压力将出现波动。其极大值一般会高于管道正常运行压力的10%，而管道往往是基于设计压力选用的。如果压力波动的极大值高于选用管道的最大压力，那么在水锤发生时，管道局部的强度不够，可能出现管道爆裂。此外，水锤在管段上产生的动态冲击力，最终又将通过管道的支吊架吸收。如果在设置支吊架时忽视了该动态冲击的影响，则可能导致支吊架的局部失效。

火力发电厂的四大管道也同样面临水锤作用带来的危害。以主蒸汽管道为例，其中流过的介质为过热蒸汽，运行压力为25.5MPa，设计温度为576℃，流速约50m/s。当汽机甩负荷时，要求主汽阀在极短时间（0.15s）内关闭。主汽阀的迅速关闭迫使高温、高压且高速流动的蒸汽在极短时间内改变流动状态，从而使得管道内蒸汽的压力出现波动。压力波动达到设计压力的10%时即可达到2.5MPa。可见，该压力波动的值是很大的。动态的水锤冲击力也会给基于静态管网设计的支吊架带来较大考验。为区别于普通的介质为水的水锤，本文将电厂高参数蒸汽管道内发生的水锤称为汽锤。

通过对某项目主蒸汽管道的计算及校核，本文给出对汽锤计算与支吊架校核的一般方法：

（1）通过流场计算软件CFX对主蒸汽管道的汽锤进行流动模拟；

（2）通过管道应力计算软件CAESAR对管道的支吊架设置进行校核及优化。

本章将对某给定项目的主蒸汽管道进行三维建模，利用CFX计算关阀时间为0.15s情况下的汽锤压力及动态冲击力的结果。

主蒸汽管道模型如图4-1所示。

图4-1　主蒸汽管道模型

对模型进行网格划分时，为降低网格数量，在直管段采用结构化网格，而在三通位置采用非结构化网格。结果如图4-2和图4-3所示。

图4-2　局部区域网格划分

图4-3　模型网格划分

主蒸汽管道流动参数：

（1）运行压力；

（2）温度；

（3）流量；

（4）管道的壁面粗糙度按《DL5054—1996火力发电厂汽水管道设计技术规定》。

对主蒸汽管道汽锤模拟的过程为：首先计算管道在阀门开启情况下流动达到稳定的稳态流场，然后在该稳态流场的基础上设置阀门的关闭过程，采用非定常计算捕捉汽锤发生的瞬态过程及数值结果。

本文对蒸汽管道发生汽锤时的瞬变流动模拟需要用到以下假设及简化：

（1）管道与外部环境绝热。

（2）管道内蒸汽为过热蒸汽，单相介质，不发生相变。

（3）阀门关闭时阀板匀速运动。

（4）阀门关闭时间较短，则锅炉出口处蒸汽总压来不及发生变化。

计算得到如图4-4～图4-6所示的管道稳态结果的壁面静压、密度、温度的分布。可见，从入口至出口，压力、温度、密度均下降，但温度下降较小，也可理解为管道内温度近乎不变。

图4-4　主蒸汽管道稳态壁面静压分布

图4-5　主蒸汽管道稳态壁面密度分布

图4-6　主蒸汽管道稳态壁面温度分布(www.daowen.com)

为方便说明，对主蒸汽管道的入口、弯头、三通及阀门处进行编号，如图4-7和图4-8所示。

图4-7　对主蒸汽管道弯头及三通处编号（一）

图4-8　对主蒸汽管道弯头及三通处编号（二）

以稳态结果为基础，保持入口为压力入口边界条件，出口为压力出口边界条件，利用滑移网格实现阀门关闭，进行瞬态求解，得到部分弯头、三通、阀门处的压力随时间波动的结果，如图4-9所示。

图4-9　主蒸汽管道部分测点处压力随时间波动的曲线结果

可见，整个主蒸汽管道上，越靠近阀门处压力波动的幅度越大，但所有压力波动曲线都将逐渐衰减并趋于平衡压力（入口总压）。

管段上的汽锤力由管段两端的不平衡压力差造成。其大小可以通过求管段盲板力的方法利用管段两端的压力差乘以面积求得。

对图4-7和图4-8所示的部分管段求取汽锤力的时程结果如图4-10所示。

图4-10　主蒸汽管道部分管段端点处压力波动曲线与该管段汽锤力波动曲线

通过对汽锤的流场模拟可以计算出各管段上的汽锤力的时程结果。离散的汽锤力与时间值一一对应。

按某项目主蒸汽管道的支吊架的预设位置（如图4-11所示）在Caesar软件中建模，如图4-12所示。

图4-11　某项目主蒸汽管道的支吊架的预设位置

图4-12　CAESAR软件中的模型

（1）管道应力校核。

在不考虑关阀产生的汽锤动态冲击载荷时，对管网进行计算，得到的应力结果表明，管道支吊架（无阻尼器）的设计是满足安全性要求的。

对管网施加汽锤的动态冲击载荷，得到的组合工况的应力结果表明，管道支吊架（无阻尼器）的设计在此时是不满足安全性要求的。

为满足汽锤作用条件下的安全性要求，在管网中加设阻尼器。

加设阻尼器后，再对管网施加同样的汽锤的动态冲击载荷，得到组合工况下理想的应力结果。可见，在合适的节点上设置阻尼器的确能改善管道应对汽锤作用的安全性要求。

（2）各节点位移计算结果。

实验证明，通过引入阻尼器，汽锤冲击对各个节点的动态位移影响得到明显改善。

（3）各限位支吊架处载荷。

阻尼器的引入使得限位支吊架的载荷得到一定程度的改善。阻尼器吸收了动态冲击作用。

（4）小结。

动态冲击力对管网应力的影响是不容轻视的。如果没有汽锤的动态冲击力，仅有静态荷载作用，则安全性是很容易得到保证的。在动态汽锤冲击载荷出现后，之前静态的支吊架设置方案的安全性将会下降，故必须在合适的节点处引入阻尼器加以改善。

汽锤的计算在对四大管道的设计中是一个难点。这是因为汽锤为动态载荷，并且与瞬态的流动密切相关。它无法通过一种简单的经典理论或公式加以准确描述，但若采用Fluent的流动数值模拟解法，则可以得到比较准确的计算结果。利用计算得到的汽锤的压力波动值，以及动态的汽锤力的时程结果，再结合CAESAR的管道应力分析软件，就可以较容易地实现对管道、支吊架的校核，以及阻尼器的优化，以确保设计的合理性、安全性。