消防屋顶水箱出水管典型的断流弥合水锤现象（断流弥合水锤之一）
简介：消防屋顶水箱出水管常见做法，容易产生断流弥合水锤，而且断流弥合水锤一旦产生，可能需要连续振荡几个小时，危害很大，需要引起全行业的重视。
一、什么是断流弥合水锤
当管道流量调节过快或突然停泵等造成局部压力骤降并出现断流空腔时，空腔两端的水柱会在压力波反射后迅速回冲，弥合断流空腔并引起较大的水柱撞击升压，称之为断流弥合水锤。
按照波动现象，水锤可以分为水柱连续的水锤现象（无水柱分离）和伴有水柱分离的水锤现象（断流空腔再弥合水锤现象）。所谓伴有水锤分离的水锤现象，是有压管流出现大空腔时的一种水锤现象。当水锤波在有压管流中传播时，水体质点做周期性的疏密变化，使水体中的质点群时而受拉，时而受压。由于水体承拉能力极差，概括讲，当它承受不住这种拉力时，水柱就会断裂而彼此分离开（特别在含有杂质、小气泡的水体中或在管线纵坡面上作折线变化较大的诸固定点处，如“驼峰”、“膝部”和小丘顶端等），产生一些大空腔或“空管段”，使水流的连续性遭到破坏从而造成水柱分离现象；在密封非常完好的管段中，大空腔或空管段内呈现很高程度的真空。当空管段消失（空腔溃灭）即两股水柱重新弥合时，空腔内的水蒸气迅速凝结，于是两股水柱互相猛烈碰撞，因而造成升压很高的“断流空腔再弥合水锤”（简称断流弥合水锤“）。它是水泵供水系统中最具有危害性的一种水锤撞击波动。
二、消防屋顶水箱出水管常见做法
对于非最高区，消防屋顶水箱出水管一般采用DN100并重力供水，设置检修阀门、止回阀、流量开关，水箱出水往往是分区管网的最高点，因此也常在立管最顶部，常见安装方式如下图。
上图这种常见做法，看似没有毛病，但实际上存在极大的隐患。
1.旋流防止器溜槽高度小，若有固体物质容易卡在并不容易发现和去除，造成吸水口压力损失大。如下图，DN100旋流防止器的流槽高度55mm,还包含底部钢板厚度。
2.出水管局部水头损失大
不计旋流防止器水头损失，出水管横管段的局部水头损失比较大，当量长度为3+0.6+6.7+6.1=16.4m，若用蝶阀代替闸阀，则当量长度为19.2m。加上管长，6m，总计算长度25m,假如消火栓系统打开两支水枪，按10L/s计算，流速v=1.15m/s,水力损失4.3kPa,若加上旋流防止器的水力损失，基本上会超过10kPa，即1m水柱。
3.立管顶部三通，是管网压力最低位置。
水箱水位高于横管一般不到2m，立管顶部三通，是系统管网压力最低处。当消火栓缓慢打开时，水箱水位高差2m,用于克服阻力1m及产生水头流速水头0.067m，立管顶部三通的压力不足1m。
4.立管顶部三通，位于横管与立管交接处，是最容易产生断流弥合水锤的位置，并不断振荡和衰竭，一次断流弥合水锤时间长的可以持续几分钟。80年代湖南大学曹铸鎏老师有专题研究论述，此处不再重复。
5.上图最致命的问题是：在最容易产生断流弥合水锤的立管顶部，设置了自动排气阀。
当消火栓快速开启时，水箱出水来不及补充，立管顶部产生断流，形成局部近似真空状态，近似真空状态是指水中的微小气泡迅速膨胀并上浮，上浮到最高点自动排气阀，造成自动排气阀浮球下落，排气阀打开，但由于此时此处为负压，造成排气阀吸气，进入管道的气体，由于浮力原因，集中在立管顶部，即就是自动排气阀阀腔内，自动排气阀一直处在开启状态（与大气连通）。
排气阀吸气时间非常短，马上进入“弥合”状态，弥合水锤形成较高的正压，将顶部的气体挤出排气阀，同时也有部分水随着空气被弥合水锤高压挤出，直到排气阀浮球关闭。
上述情况形成了断流弥合水锤一个完整的周期，排气阀浮球关闭后，继续波动，又产生断流吸气，再而弥合喷溅，进入第二个周期，并不断振荡。
由于排气阀的存在，加剧了断流弥合水锤的振幅，消防高位水箱由于有生活给水管补水，为系统提供了源源不断的流量，从而也为断流弥合水锤提供了动力，造成这种断流弥合水锤难以衰减，一次水锤，可以持续几个小时。
6.断流阶段，流量开关显示的流量很小，弥合阶段，双方向（水箱流向立管顶部及立管向上流向顶部）的瞬时流量较大。
7.快速打开的消火栓(或喷头），与水箱出水的高差越大，产生的断流弥合水锤越严重。
三、断流弥合水锤的严重危害和解决措施
断流弥合水锤造成管网严重受损，影响消火栓出水，长达几小时的断流弥合水锤，使整个消防系统失效。
四、解决措施
1.综上所述，这种典型的断流弥合水锤，最根本原因是在容易产生断流弥合水锤位置设置了自动排气阀，加剧及无限延长了断流弥合水锤，因此，最根本的解决办法就是严禁在容易产生断流弥合水锤位置，即就是立管顶部设置易于集气的三通、四通和自动排气阀，自动排气阀可以设置在止回阀旁的横管上，见下图：
2.在容易产生断流弥合水锤位置，即就是立管与横管交接处安装水锤消除器（见上图）。
3.出水管不应使用旋流防止器，或者规范旋流防止器的高度不得直径且不小于150mm，其局部水力损失在10L/s时不大于2kPa。
笔者在去年的《泵吸水口形式及淹没深度探讨》（见本公众号文章）介绍了长期以来笔者设计采用的多种吸水口形式，其中最适合消防高位水箱的是防涡板（见上图），但遗憾的是相关规范出台后，造成了很多合理做法被取滞，一片防涡板能更好解决问题不能用，必须采用作为商品化的旋流防止器，而旋流防止器为了宣传其效果的需要，不断压缩通水高度（过流面积），增大水力损失及增大堵塞可能。
4.尽可能抬高屋顶水箱最高水位与出水管（横管）的高差，减少断流水锤的可能和幅度。
5.出水管尽量减少横管长度，屋顶水箱宜靠近管井布置，出水管不需经过过长的距离就能直接接到立管。或者在水箱位置设置立管，在降低多个楼层之后方通过横管接到管井的立管。
6.尽量多采用稳压泵组。
稳压泵组提供较高的压力，不易产生断流水锤。
注：本文于2021年12月11日在笔者个人公众号“刘植蓬设计原创研究”首发，自2021年开始，陆续将笔者率先在建筑给排水（包括消防）领域的断流弥合水锤研究成果公开，于2022年6月15日也举行了建筑给排水（包括消防）领域的断流弥合水锤全国公开课，近期增加了离心泵启动产生的断流弥合水锤研究成果，为了同步在消防百事通发表，有必要将过去的文章先向读者介绍，在对断流弥合水锤知识有所了解后，方能更好地理解离心泵启动断流弥合水锤。
