一种可测定多工况下不同管材水锤压力波波速实验台

1.本实用新型属于检测设备技术领域，特别是涉及一种水锤压力波波速实验台。


背景技术：

2.城市供水、供热、供燃气等有压管道是保证人们正常生活的生命线，但其在输送过程中常会出现一些水力事故，其中较为突出的是可能导致管道及管件损坏的水锤现象。水锤的产生常伴随着管道内压力的突然升高或降低并且呈周期性沿管道进行传播，从而管道主体会发生振动并伴有噪声，若振动发生在管壁薄弱部位或管道外部有坚固支点处，容易造成管道的断裂。另外，当管道内的压力下降较大时，水中的气体会析出，管道内出现气液两相流，在管道某些局部会出现气蚀空穴现象，严重时会出现断流弥合水锤。水锤的产生除了会对管道造成危害外，还会对管道系统中的水力设备造成损害，如水压过大会造成阀门或者水泵损坏，从而引发工程事故，危及人们的生活和财产安全。
3.为了更好地预防管道及管件的损坏，在管道系统设计之初，需要依据管道出现水锤的压力波波速以及最大最小压力等参数进行预测与分析，从而保证管道系统的安全性与可靠性。近些年，弹性钢管与多种其他类型管道并存的混合管道系统正逐渐取代单一材料的管道系统，与传统的弹性钢管相比，此类管道系统水锤压力波的波速大小不一，且理论分析得出的管材的压力波波速与实际工程的相差较大。现有的管道水锤压力波速检测装置本质上是基于超声波速测试装置，只能检测单一类型的管道和管道工况，且操作繁琐。因此，有必要设计一种操作简单且可测定多工况下不同管材水锤压力波波速实验台。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种可测定多工况下不同管材水锤压力波波速实验台，用于解决上述问题。
5.本实用新型所采取的技术方案是：一种可测定多工况下不同管材水锤压力波波速实验台，包括置地水箱、电磁阀七、水泵、高位水箱、闭环管路及流水管；所述高位水箱、水泵和置地水箱均串接在一个闭环管路上，闭环管路中设有至少一个替换管通过两个卡箍式活接头与闭环管路进行管道活接，所述高位水箱对闭环管路和置地水箱稳压供水，进行水库供水的相关水锤实验；通过水泵为闭环管路和置地水箱供水，用来做停泵水锤和上游关阀瞬变流实验；所述闭环管路外接入一个流水管时，进行下游为水库的水锤实验，所述闭环管路下游处接入一个三通管，所述电磁阀七安装在三通管上剩余的支管上，电磁阀七用于接通排气阀。
6.本实用新型的有益效果在于：
7.1.本实验台可以实现测定多实验工况下不同管材组合的管道系统水锤压力波波速。
8.2.本实验台可以根据不同实验场地，相应地设置多种不同的实验工况，可基本满足各种实验场地的需求；
9.3.本实验台对于各个阀门的控制和数据的收集都是基于计算机，可对管道系统进行远程控制与监测，在减少工作人员工作量的同时还提供一个适于水锤波速测量与分析的工作环境。
附图说明
10.图1是本实用新型结构示意图；
11.其中：1、泄水槽；2、电磁阀五；3、电磁阀四；4、气动阀二；5、压力传感器二；6、压力传感器一；7、气动阀一；8、流量计；9、地水箱；10、电磁阀六；11、补水管；12、配电柜；13、电磁阀三；14、电磁阀七；15、电磁阀一；16、计算机；17、水泵；18、电磁阀二；19、高位水箱；20、溢流管；21、闭环管路；22、流水管；23、压力传感器三；24、替换管；25、气动阀三。
具体实施方式
12.如图1所示，一种可测定多工况下不同管材水锤压力波波速实验台，包括置地水箱9、电磁阀七14、水泵17、高位水箱19、闭环管路21及流水管22；所述高位水箱19、水泵17和置地水箱9均串接在一个闭环管路21上，闭环管路21中设有至少一个替换管24通过两个卡箍式活接头与闭环管路21进行管道活接，所述高位水箱19对闭环管路21和置地水箱9稳压供水，进行水库供水的相关水锤实验；通过水泵17为闭环管路21和置地水箱9供水，(水泵17的水源是市政给水)用来做停泵水锤和上游关阀瞬变流实验；所述闭环管路21外接入一个流水管22时，进行下游关闭水锤实验，所述闭环管路21上游处接入一个三通管，所述电磁阀七14安装在三通管上剩余的支管上，电磁阀七14用于接通排气阀。
13.所述高位水箱19连入闭环管路21的两个管道上分别设有电磁阀一15和电磁阀三13，通过电磁阀一15和电磁阀三13的开启和关闭实现高位水箱19的供水和停水，所述水泵17连入闭环管路21的管道上设有电磁阀二18，通过电磁阀二18的开启和关闭实现水泵17的供水和停水。
14.所述闭环管路21上安装至少两个压力传感器。
15.所述替换管24可以替换成不同管材的管道。
16.所述流水管22流出的水流入泄水槽1内，流水管22上安装气动阀三25，所述闭环管路21通过设置在其上的电磁阀五2和设置在流水管22上的电磁阀四3控制水流方向。
17.所述高位水箱19上端设有溢流管20，并将溢流管20接入置地水箱9上。
18.所述置地水箱9上设有安装电磁阀六10的补水管11。
19.所述闭环管路21上游和下游分别安装有气动阀一7和气动阀二4。
20.所述闭环管路21上安装流量计8。流量计8采用电磁流量计，电磁流量计的使用不仅可以最大限度的降低其对管流的阻抗，而且可以精准的测量管流的流量。
21.所述电磁阀一15、电磁阀二18、电磁阀三13、电磁阀四3、电磁阀五2、电磁阀六10、电磁阀七14和至少两个压力传感器均是通过计算机16控制，并由配电柜12供电。
22.压力传感器将压力信号转换为模拟信号，通过数据采集器将其转变为数字信号到计算机16进行计算与分析。计算机16通过连接控制芯片可对各个阀门进行远程控制；将数据采集器采集流量压力等信号转换为可视化的数据分析图表。
23.工作方法：在图1所示的系统中，通过控制管道上游三个电磁阀来实现不同水力工
况：控制电磁阀一15和电磁阀三13关闭，电磁阀二18开启可实现水泵17直接供水，可用来做停泵水锤和上游关阀瞬变流实验；控制电磁阀一15和电磁阀三13开启，电磁阀二18关闭可实现高位水箱稳压、供水，进行水库供水的相关水力瞬变实验。图1中管道系统下游电磁阀四3关闭，电磁阀五2开启可实现下游末端为阀门的水力瞬变实验；电磁阀四3开启，电磁阀五2关闭可实现下游为水库的水锤实验。
24.电磁阀七14在开启状态时可以接通排气阀起到排气的作用，控制闭环管路21管流的含气率到最低；在使用排气阀时可以将闭环管路21内的空气及水汽排出管道系统，以便于产生纯液相水力瞬变流，
25.电磁阀七14在关闭状态下可以进行气液两相瞬变流实验。置地水箱9除了储水功能，还可以充当管道系统的下游水库，该置地水箱9的水位通过计算机16进行自动或主动调控电磁阀六10来实现。在两个卡箍式活接头间更换好要测试的管道。在进行关阀相关的水锤实验前，先根据不同的工况要求按照上述的操作调节好相应的阀门，通过计算机16远程控制气动阀一7(气动阀二4)进行上游关阀(下游关阀)水锤实验。
26.在做完相应的水锤实验后，将采集到的压力和流量数据进行分析处理。通过滤波方法对实验数据进行分析，可精准得出相应管材的水锤压力波波速。
27.在实验台管道系统中安置一对卡箍式活接头，可实现在同一管道系统中实现不同的混合管材形式。在两个卡箍式活接头旁分别安装压力传感器，(如图1中的压力传感器一6和压力传感器二5，压力传感器三23安装在另一侧闭环管路21上)在发生瞬变流后可将压力信号实时传送到计算机16中，以供计算机16进行水锤压力波波速的计算与分析。
28.一、试验台设备以及实验过程建议：
29.1.实验台的管道和各管件(溢流管20、闭环管路21、流水管22、替换管24、三通管)应尽量内径相同，从而减小流动阻力。
30.2.水泵17应尽量选用定频水泵，若必须使用变频水泵，则应避免水泵变频器的信号线与各个传感器的信号线相接触。
31.3.采集卡(采集卡安装在计算机16附近，主要用于采集压力、流量、应变数据，并将采集的数据传递到计算机16上。)的采样频率应为水锤压力波波动频率的2倍以上(如对于钢管一般采集卡的采样频率为2000hz左右，对于塑料管来说，一般在500hz左右)。
32.4.压力传感器的精度要求较高(精度一般为
±
0.25％左右)，且各个传感器信号线的负极应统一集中接地，防止外界信号的干扰。
33.5.用于瞬变流激励的阀门(气动阀二4，气动阀一7和气动阀三25)宜采用反应速度较快的电磁阀或气动阀门，气动电磁阀宜使用球形气动电磁阀且响应时间小于0.2s。
34.6.实验所用水源应进行加压预处理，将水中气泡排除水体。运行过程中注意不要卷吸气体，从而形成气液两相流。排气阀通常安装在闭环管路21的正上方，垂直安装。排气阀在螺纹连接的时候需直接接到管道的最高点处。
35.7.流量计8应尽可能地选用阻力小的流量计(如电磁流量计或超声波流量计)。
36.8.在进行实验前，应测得管内水温，管材的基本参数(如管道的弹性模量、管径和管壁厚)，以及稳态工况下管道系统的初始流量和压强。
37.9.实验前应确定管道系统的约束条件，通过不同管道系统约束形式的波速经验公式，确定对应的修正系数。
38.二、原理及技术支持建议：
39.(1)理论公式计算水锤波速
40.1、已知管材基本参数：内径d、壁厚e以及弹性模量e、泊松比υ。
41.2、温度计获得水体温度t，进而查的密度ρ。
42.3、利用公式求解水锤理论波速，根据不同管道系统约束条件，确定修正系数c0，则波速公式变为其中水的体积模量k＝2.1
×
109n/m2。
43.对于管道支撑类型对波速的影响，可分为以下三种其情况：
44.a)管道只锚定在上游，
45.b)管道全部锚定，防止轴向移动，(c0＝1
‑
ν2)；
46.c)用伸缩节锚定，(c0＝1.0)；
47.(2)实验方法确定水锤波速
48.1、根据压力传感器的压力曲线，通过可求得实验水锤波速，其中t1、t2为压力传感器采集到初始压升(压降)的时间(s)，l为两压力传感器相对距离(m)。
49.2、通过实验数据计算的水锤波速与理论计算值进行比较，从而确定管道系统的水锤波速。
50.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。