把防水锤研究推向世界水平

清华大学工程力学系教授  王学芳

 

 

 

    1988年4月13日我们一行5人乘夜车前往徐州，参加由石油部批准、由华东输油管路局统一指挥的鲁宁输油管线从邹县→滕县→贾旺→睢宁→泗县240公里密闭输油的水锤现场试验，目的是验证清华大学87年完成的660公里鲁宁输油管线密闭输油的水锤分析的研究成果。4月14日凌晨5点多钟火车到达邹县站，我们坐了一夜车，正迷迷登登地打盹，突然火车上的喇叭响起来：“清华大学王学芳教授等一行，请立刻从本站下车，站外有人接你们，火车只在本站停两分钟”。我们七手八脚收拾了一下散在桌上的杯子、毛巾，赶快跳下车来，到出站口坐上了来接我们的面包车，直往邹县泵站开去。这次试验是在徐州附近的贾旺站制造突然停泵的水锤事故，测定水锤上传到滕县泵站继而邹县泵站，下传到睢宁泵站继而泗县泵站，以验证清华大学给出的沿线水锤压力波传播结论。事前我们两次到徐州与华东输油管理局周密地讨论了试验方案、做了各种预测、分析和试验准备，华东局总工程师担任这次试验的总指挥，手拿报话机（当时还没有移动电话），与沿途5个泵站紧密联系，准备好水锤波的测量，并详细讨论如果试验中万一某处的管壁有缺陷，承受不了那么大的水锤力出现水锤爆管，几十公斤压力的原油发生喷射如何采取紧急救援措施；沿途必须安排巡逻车、报警车、全副武装的抢救队、抢修队，因为水锤爆管是瞬时发生的，轻则原油污染农田，重则发生大火，所以试验时要特别小心。上午10点总指挥一声令下，贾旺泵站拉闸停泵，这时产生的正、负水锤向上、下游传播，正水锤要比原来管中的压力约高20个大气压，并以每秒1公里的速度传播，即一分钟后正水锤经过滕县泵站，2分钟后就到达邹县泵站，沿途管线的强度经受了正压波的考验。负水锤向下游传播，负水锤要比原来管中的压力约低20个大气压，加上管路的摩阻损失，在泗县泵站产生了负压进站，由于负压抽吸，泵的密封件会因缺油冷却发生烧毁事故，为保护泵密封件，及时采取了应急措施，阻止了负压波的传播。石油部一直在监视这次试验的全过程，由于我们的预测正确，准备工作做得好，试验进行得很顺利，8月16日整个试验结束，没有出任何问题。测示出来的结果与我们清华大学水锤计算的分析结果很一致，条条曲线非常吻合，证明了我们研究工作的成功，我们的科研成果经受住了考验。“原油多泵站密闭输油的水击计算模拟试验研究”项目获得了专家一致的好评和称赞，1989年国家教委授予了该项目科技进步二等奖。

 

    其实象这样严峻的现场试验，我们还进行过4项。1983年经石油部批准，3月5日在东北输油管理局张总的领导、指挥下，进行沈阳泵站停泵，测试水锤波上传60公里至铁岭泵站返回的试验；1985年7月酷暑中在湖南湘钢轧钢厂动力车间进行我们研制的防水锤“旋启式水阻可控缓闭止回阀”的停泵关阀的水锤试验；1992年12月在上海金山石化总厂热电厂海水泵站，对我们研制的“DN1200大型防水锤蝶阀”进行停泵关阀水锤的测试；以及1995年3月冒着大雨和严寒在上海自来水公司的监视和领导下，在长桥水厂阀室进行我们研制的“DN1400大型防水锤蝶式止回阀”的停泵关阀的水锤试验。我们的研究成果经受着一次次现场试验的严峻考核。在此之前中国从来没有进行过这方面的研究，更没有进行过这方面的现场试验。要知道，这些现场试验都必须是获得相关部门最高层领导的批准才能进行的，每次试验中三方（研制方、使用方和上级领导）对试验方案经过多次讨论，制订的试验规程和顺序细微而周到。对于热电厂水冷却系统而言，如果水锤爆管，发电机组就要停转，断电会导致上海石化十个卫星厂停产。对上海最大的自来水厂?D?D上海长桥水厂来说，如果试验中直径为1.4米母管爆破，就意味着由它供水的工业区、生活区就要停水，损失会非常严重，所以试验时，对地上管、地下隧道中的管线，沿程布置着抢修队、救护员。

 

 

    水锤是一个既古老又新鲜的名词，在实际生活和工业发展的历程中，人们大约在100多年前就已经感受到水锤的破坏作用，许多学者力图寻找水锤的机理和规律，但研究中遇到很多困难，进展缓慢，因为水锤的发生、发展和破坏都是瞬时发生的，随着现代计算机的高速发展和快速测量技术的进步，水锤的分析研究进入了一个崭新的时代。

 

    随着我国工业的飞速发展“工业管道中的水锤分析研究”由各个工业部门陆续提出，其研究领域涉及到密闭输油、大城市长距离输水、火电厂、核电站和化工厂的热力交换循环系统、热水供热网及具有防水锤特性的阀门等。研究结果要求给出水锤发生的机理和现象、水锤波传播的速度和规律，工程上要给出在多种事故工况下水锤的强度以及由此而产生的管道变形、甩摆和系统的安全性结论，以便为工程设计人员、运行操作人员、安全评审员提供工作的参考和依据。

 

    我们清华大学流体瞬变科研组是国内最早从事工业管道中水锤分析研究的单位，我们从70年代末就致力于水锤理论和水锤分析的教学和科学研究工作，在20年的时间里我们完成了国家“六·五”、 “七·五”、 “八·五”、 “九·五”、“863”的许多攻关任务以及大量工程领域中的水锤分析任务。如受石油部管道局和华东输油管理局委托的“原油多泵站密闭输油的水锤计算模拟和试验研究”、受上海市政设计院委托的“城市承压长距离输水管线的水锤分析”、受国家核安全局委托的“七·五”、 “八·五”国家重点科技攻关项目：“核电站冷却循环系统水锤计算模拟和试验研究”，及“核电站水锤监测、防护和运行规程准则研究”，由核工业部、中国核动力研究设计院、中国原子能科学研究院、大亚湾核电站、清华大学核研院委托的关于核电站水锤防护与分析方面的若干科技攻关项目，以及由上海石化总厂、武汉阀门厂委托的具有防水锤特性的各种型号“蝶式止回阀”和“旋启式止回阀”的研究与开发，每项任务都完成得很好，其研究成果直接应用于工程实际，其理论分析和学术水平均达到了国际先进。曾获得二次国家级奖励、十项部委级科技进步奖、一项由三个部委联合颁发的国家“七·五”重点科技攻关项目的重大科技成果奖，有的成果参加国际学术会、国际科技展，有的代表中国的核能研究成果参加国际原子能专业委员会会议，还出版了由中科院科学出版基金资助的专著《工业管道中的水锤》。在研究工作中培养了数以百计的研究生、大学生，增长了他们的知识和才干，能胜任各种复杂管系的水锤分析任务，有的已成为这方面的专家。我们的研究工作引起了国内外同行的瞩目，并给以高度的赞扬和评价，进入了世界先进水平的行列。

 

 

    从80年代初，我们走访了许多部委、企业和工程单位，宣传水锤分析的重要性以及清华大学的能力，开始承接水锤方面的课题。1983年石油部高级顾问梁翕章老总介绍我们去承接“铁岭?D?D大连多泵站原油长输管线密闭输送的水锤分析”任务，他说石油部决定在85年完成中国第一条由“开式输油”（从罐到罐）改为“闭式输油”（从泵到泵）的管线，即铁岭至大连的438公里的管线。因为国外先进发达国家均采用先进的从泵到泵的闭路输送，与开式输送相比这种输送方式可节约输送油量的十分之一的能耗，仅铁大线就可以每年节约1400万度电，对南疆油田来说输油要经过800公里无人区的戈壁滩，如果还采用“开路输油”，60公里就要设置一个泵站，每一个泵站需要100个人的编制才能运行，不采用“闭路输油”困难之大可想而知，但是密闭输油设计必须以“水锤分析”为根据，因为一旦发生水锤爆管，输油管线的严重性比输水要厉害得多，这方面工作当时国内没有人进行过，委托美国的福特公司和PHE公司进行水锤分析要价非常昂贵，而且他们还不出售源程序，计算一种事故工况要6000美元，于是石油部管道局委托我们来承担这个项目。对具有七个泵站438公里的铁大线及660公里12个泵站的鲁宁线，我们分析计算了30多种事故工况，完成了一整套的分析软件，还为他们培养了一名掌握水锤软件使用和分析的工程技术人员，后来成为管道局勘察设计院的总工程师。1987年以两院院士张维教授为首的由全国各大输油管理局的总工程师组成的专家组，对我们的研究成果进行了鉴定，指出“这是国内首次完成的输油管线的水锤分析课题，达到了国际先进水平”。

 

 

    随着工业的飞速发展，对能自动保护管路安全的防水锤的阀门研制与开发越来越迫切，1983年武汉阀门厂前来要求协作，希望共同研制和开发在工业上广泛使用的防水锤旋启式止回阀。据我们调查许多重要的输水系统，常因为普通止回阀产生水锤爆破致使城市停水、工业停产，损失惨重。我们用了两年时间，采用理论分析和实验研究同时进行的技术路线，研制成功了“旋启式水阻可控缓闭止回阀”，第一个阀门安装到湘潭钢铁厂轧钢分厂的动力车间，以解他们由于水锤破坏了止回阀而引起停产的燃眉之急，1985年7月我们冒着三伏酷暑到湖南湘潭进行现场安装运行试验。这种防水锤止回阀85年通过了省级鉴定，达到国内领先及世界先进水平，86年获得了国家第二届发明展铜奖，87年获国家四等发明奖，参加了世界发明展博览会。这中间还有一个插曲，在开鉴定会时，我们负责做技术报告，密级文本在鉴定会上被人偷窃，促使我们立即申报并获得了中国专利，科研成果得到了国家专利保护。

 

    我们研究的技术路线从来都是从理论分析和实验研究两方面着手的，为了验证数理模型的正确性、给出正确摩擦力、局部阻力、水冲力、水锤波波速以及波在弯管、细管束中间的传播与反射等参数，我们搭建了大小十多个实验台，进行试验研究的人比理论分析、编制软件的人要多将近一倍。除在实验室进行局部实验外，在理论分析软件完成时，总要经过工业管道现场的试验验证。我们经历着上述这些不平凡的现场试验，感受到国家对科学研究、新兴技术的极大支持，受到很大的鼓舞，非常激动。试验的结论是我们研制的阀门全部获得了成功，证实了我们的成果经受了工程现场试验的严峻考验。1992年DN1200的防水锤蝶式止回阀在试验时安装在上海石化热电厂，1995年DN1400防水锤蝶式止回阀试验时安装在上海长桥水厂进行试验，性能很好，不但能有效防止停泵关阀水锤，而且运行时大大节省能耗，所以安装在管线上进行试验后，就没有拆卸下来，运行至今，维修量几乎没有，很受厂家欢迎。我们之所以敢于而且一定要进行现场试验，是由于我们在研究工作的整个过程中就是理论分析和局部试验同时进行的，我们对自己确定的数理模型、边界条件以及由试验得出的许多参数很有把握，确认正确无误，现场试验正是给我们的研究成果最终的考验，研究的成果得到了证实，我们对今后的工作更加充满了信心。

 

 

    在进行输油、输水、阀门防水锤研究的同时，我们的注意力更多的放在核电站上，因为核电站的工作原理是基于密闭运行的液体冷却循环回路系统。进行热力交换，工作介质均是高温、高压的水和蒸汽。我们从多年的研究工作中认定核电站的设计和运行都应该进行水锤分析。1985年底，我国的第一座30万KW压水堆核电站已由上海设计院设计完成并投入施工，安全壳已加盖封顶。那年10月，我们到上海有关设计院去考察、调研，发现承担管线设计的研究室并没有考虑水锤，也没有进行水锤分析研究，当我们问及若出现了水锤怎么办，室主任很轻松地讲：“美国不发生水锤事故，我们也不会发生，如果出现水锤爆管，就放水将整个核电站淹没。”我们感到这种说法很不妥当。因为出现了核安全事故，不仅经济损失惨重，而且涉及到成千上万人的性命，在国际上会造成恶劣的政治影响。据我们调研，国外的核电站水锤事故经常发生，几乎没有一座能避免，只是损失有轻重而已。从上海回到北京后，我们立刻向国家核安全局张育曼副局长做了汇报，我们认为国家的第一座核电站没有进行水锤分析是不能通过安全评审的，而且向他表示，我们有能力、有责任，也非常愿意来承担这个任务。半年多过去了，86年的有一天当时任学校科技处副处长的张本正教授（现任紫光集团总裁）通知我们说国家核安全局找王学芳同志，并给我们一本厚厚的资料，是美国原子能委员会（NRC）报告有关美国南加洲圣俄诺费尔（Sun Orofer）45万Kw压水堆核电站1^#机组于85年11月21日凌晨发生的水锤大爆炸的事故及调查结果，这次水锤爆炸是蒸汽空泡?⒚鹚?锤，其破坏力达7万公斤力，毁坏了52米管道，拉坏了18个支撑。管道裂口达2米长，纵深1/3壁厚，此堆从1967年运行以来这是第一次被迫停堆。我国国家核安全局的领导非常重视这次美国的核电站水锤爆炸事故，马上给我们下达了国家“七·五”重点科技攻关项目：“压水堆核电站三套液体冷却循环系统水锤计算模拟试验研究”，这是“七·五”攻关项目中国家核安全局主管科研经费中最大的一个项目。我们在理论分析和局部试验方面，投入了34人次的研究力量，对三个回路均模拟了几十种事故工况，给出了在各种事故工况下核电站管系中水锤的发生、发展及安全分析，给出了一整套压水堆核电站水锤分析和安全评审的软件。任务如期按计划高质量的完成了。90年11月6日在国家核安全局的主持下，通过了以著名科学家张维院士为主席的专家鉴定，11月7日中央电视台晚间新闻向全世界宣布了清华大学在国内首次完成了“压水堆核电站三套液体冷却循环系统水锤计算模拟试验研究”的成果，宣布清华大学在水锤分析方面达到了国际水平，处于国内领先的地位，并播放了研究情况的简讯，这极大的鼓舞了我们全体师生。1991年9月，国家在人民大会堂召开“七·五”攻关庆功大会，李鹏总理出席讲话，我们的这项研究成果获得了三个部委（国家科委、计委和财政部）联合授予的“国家“七·五” 攻关重大科技成果奖”，并参加了当年在北京展览馆举行的“七·五”攻关成果展，在全国和世界上产生了很大影响，。“七·五”之后我们又相继完成了“八·五”、“863”和“九·五”的有关核电站（秦山二期核电站、大亚湾核电站、中国第一座试验快堆、高温气冷堆等）的水锤分析任务，这些项目全部通过了部级鉴定，获得了部级科技进步奖，得到了国内外同行、学术界的高度评价和重视，为我国的核电站防水锤设计、施工和安全做出了贡献。

 

 

    我们的研究成果，在国内外产生了很大的反响和作用，学术界和工程界均给以了高度的评价。北京大学的一位流体力学知名学者对我们说：“对于偏理的流体力学专业的研究者来说，能紧密结合工程，既在学术上有创新，又能解决工程中的实际问题，推动生产力的发展，你们的工作做得真不错”。许多专家和中国科学出版基金委员会认为应该总结和整理我们有关水锤分析和科学研究的精华，出版专著。在中科院科学出版基金的全力支持下，我们撰写了43万字的《工业管道中的水锤》一书，1995年由科学出版社出版了，1999年国家教委还授予了这本书部级科技进步奖。

 

我们赶上了好时候，赶上了改革开放的新时代，进入了科学的春天，每一项科研的成就就象一朵鲜花，为这万紫千红的春天增添着绚丽夺目的光彩，为中国跨入世界先进行列做出了奉献。