随着中国城镇化进程的加快, 人们对美好生活的溯求, 对自来水的需求量越来越大, 持续可靠的供水系统已成为居民生活不可或缺的基础设施。在供水泵站系统中, 水锤会对管道、设备产生极大的危害, 常常导致管道漏损、水泵倒转、电机线圈烧毁等故障。在供水管网中, 由于种种外界原因 (如阀门突然关闭、水泵突然停机等) , 使得水的流速发生突然变化, 从而引起压强急剧升高或降低的交替变化, 这种水力现象称为水击, 或称水锤^[1]。尤其在DN 300及以上的管道系统中, 水锤的破坏力巨大。静音式止回阀采用特殊的结构设计, 阀瓣能够感应管道系统水流速度的变化, 停泵时在水流倒流的瞬间关闭阀门, 在供水管道系统中能够有效预防水锤的发生, 使得阀门在停泵瞬间没有剧烈的阀瓣与阀体的撞击声, 而实现静音关闭的效果。

　　 在泵站或长输管道供水系统中, 突然停电, 水倒流时, 止回阀很快关闭, 所产生的停泵水锤压力很大, 可达到工作压力的2～4 倍, 其破坏程度严重。为了减少或预防水锤的产生, 我们在系统中设置了止回阀。根据防水锤的原理不同, 可分为缓闭止回阀和速闭止回阀。

　　 缓闭止回阀有很多结构类型, 如双腔水力控制结构、底部油压缓冲结构、轴端分段式油缸缓冲结构等。为了减少流阻系数, 通常设计成微阻缓闭型或液控缓闭型, 结构通常为旋启型或碟式。缓闭止回阀的原理是将阀板分成两个关闭阶段, 当停泵时, 阀板先随水流的流速减小而快速关闭80%以上, 其余过流面积在倒流水压的作用下, 阀板克服活塞缸阻力, 缓慢关闭。在慢关阶段, 水加速倒流, 水压力迅速上升, 水锤随即产生, 通过泄流达到泄压的目的, 减小了水锤压力。但受每个供水管道的布设、扬程、背压等因素影响, 每个工况都必须经过专业人员现场调试, 确定快关和慢关的比例, 以及慢关的时间, 否则缓闭止回阀无法达到设想的关闭过程^[2], 亦无法消除大部分水锤。在水泵扬程低的长距离供水系统中, 由于管道距离长, 水流惯性大, 当水泵断电时, 阀门附近会产生负压, 管路中存在驼峰而发生弥合水锤, 缓闭止回阀的作用十分有限^[3]。

　　 速闭止回阀有弹簧升降式快闭止回阀、重锤旋启式快闭止回阀、弹簧旋启式快闭止回阀、喷管式止回阀、轴流式止回阀等结构类型, 其设计理念是在停泵瞬间, 止回阀能够瞬间关闭。速闭止回阀工作原理是供水系统中不产生水柱分离的情况下, 在停泵最初阶段, 管路系统中的水由于惯性将继续向前流动, 流速逐渐降低, 当流量为零时即快速关阀, 减小水流加速逆流而产生的水锤升压, 对水锤有预防和抑制作用。但是, 速闭止回阀的阻力大, 电耗大, 尤其公称直径较大的供水管路系统中, 止回阀很难实现瞬间关阀, 反而可能在加速逆流的作用下, 导致泵站及管路系统中引起过高的水锤升压。止回阀在逆流量增大时, 阀越迟缓, 水锤升压越高^[4]。

　　 为了减少事故停泵时水锤对系统和泵阀设备的损坏, 水泵出水口必须安装有止回阀。至于选择何种止回阀, 已有大量的理论研究和实践应用。速闭止回阀或缓闭式止回阀都有选用, 但两者削弱停泵水锤的机理不同, 前者主要是避免产生水锤, 后者主要是降低已产生水锤的破坏力。CV KR型静音式止回阀, 采用符合水力学的轮廓设计取得较佳的流线型水路, 内部附有导流体的设计能保证最小的压力损失, 静音式止回阀安装于水泵出水口处可在水流倒流前先行快速关闭避免产生水锤、水击声和破坏性冲击以达到静音、防止倒流和保护设备的目的^[5]。经过国内外大量实际工程的使用效果验证, 静音式止回阀已被广泛用于给排水、消防、暖通、工业等系统中。

　　 静音式止回阀防水锤原理区别于缓闭止回阀, 是一种导流式速闭止回阀, 亦称喷管式止回阀 (Nozzle Check Valve) 。静音式止回阀防水锤原理是采用快速关闭的理念设计, 依靠阀瓣快速的关闭, 在停泵瞬间, 系统介质还没有产生倒流加速度之前, 阀门已经关闭, 从而使系统没有产生破坏性水锤的加速度。

　　 静音式止回阀主要由阀体、阀座、导流扩散体、阀瓣及簧片弹簧组件等主要零部件组成, 主要结构见图1。

　　 静音式止回阀的原始设计源于德国, 现已引进到国内, 经过对产品吸收改进和多年的工程实践, 已证明其具有良好的预防水锤功能;流线型设计, 降低了阀门流阻, 节约能源;同时, 该阀门具有免维护特征, 节约了客户使用成本。其结构具有阀瓣轻、关闭行程短、弹簧加速关闭等特点^[6]。下面具体介绍其设计特点。

　　 无轴承浮动阀瓣设计, 环形阀瓣用弹簧和簧片组件在环形阀瓣周向均匀支撑, 簧片实现精确导向, 使阀瓣移动无摩擦, 处于浮动状态, 动作灵敏, 并更有利于达到快速关闭的目的, 消除了由此引起的内件磨损及水头损失。

　　 阀瓣的环形结构大大减轻阀瓣重量, 水流可从阀瓣内、外侧同时通过。设计时主要考虑的是力求阀瓣质量轻、惯性低、行程短, 且有加速关闭的复位弹簧及后端导流体, 一般阀的设计关闭时间为0.15 s以内。相对于传统的止回阀, 如旋启式、升降式、蝶式等由于结构上的原因均达不到快速关闭的能力。

　　 扩散体导流式设计使流经阀门的水流经过扩散导流体, 使水流几乎无紊流, 使阀门水头损失极低, 节约能源。静音式止回阀全开后流域如图2所示。

　　 阀门内部活动零部件少, 阀门全开后阀瓣完美贴合在扩散导流体上, 水流不会冲击其他活动零部件。阀瓣和阀座采用金属对金属密封, 密封面耐冲蚀。

　　 安装在水泵出口的静音式止回阀, 采用扩散体导流式可以实现低流阻, 节约使用成本。公称尺寸DN800静音式止回阀实测水头损失如图3所示, 从图3中可以看出, 在供水系统2.5 m/s经济流速下, 静音式止回阀的水头损失不超过15 cmH₂O。需要说明的是, 静音式止回阀全开一般需要1.0～1.5 m/s的流速, 阀瓣才能全开, 形成导流效果, 所以水头损失曲线在低流速下有拐点。

　　 正常情况下, 我们停泵的顺序是先关闭止回阀后端的关断阀, 先使系统流速降下来, 接近于零流量, 止回阀在没有水力冲击的情况下, 复位关闭, 再停电关闭水泵, 此时水几乎不会产生倒流, 也不会产生水锤。在事故停泵情况下, 止回阀后端的关断阀来不及关闭, 事故停泵瞬间水有从正流→减速正流→零流→逆流→加速逆流的变化过程, 也就是说, 水从正流到逆流之间有零点流速, 在此临界瞬间, 若能使止回阀阀瓣恰好在此时瞬间关闭, 使流体不产生倒流, 则流体对阀门和系统的惯性冲击力最小, 水击压力升值也为最小, 这是止回阀的最佳关闭模式, 关闭特性最为理想。静音式止回阀的阀瓣采用浮动设计, 簧片导向, 弹簧感应水流速度变化, 可以实现在接近零流时止回阀瞬间关闭, 防止了水的倒流而产生的水锤破坏;同时, 阀瓣采用环形, 质量可以减轻;导流式设计, 使得阀门启闭行程很短, 阀瓣冲击阀座时的速度小。阀瓣对阀门的冲击力F是阀瓣质量m与阀瓣接触阀座时的速度v的乘积, m 与v均小, 故F也小。即使瞬间关闭阀门, 不会破坏阀门自身结构。

　　 但由于工程实际情况错综复杂及阀门的结构上的因素, 想真正做到零流关闭并不容易。对止回阀的设计而言, 结构上如考虑增加关闭速度的若干措施, 则有利于使阀门在接近于零流速点或逆流刚形成时关闭, 以力求达到无水击或减轻水击的目的。

　　 为了验证静音式止回阀的预防水锤的效果, 我们模拟现场工况, 设计检测系统, 对旋启式垂直板、斜盘式橡胶瓣、对开式双瓣止回阀、静音式止回阀及多功能控制阀等常见的止回阀测试, 模拟故障停泵工况, 使水泵瞬间关闭, 比较各种止回阀的减少水锤效果, 如图4所示。

　　 试验效果显示静音式止回阀的水击压力升值远小于其他结构形式的止回阀, 多功能控制阀也具有较好的防水锤作用, 但水头损失比静音式止回阀大很多。

　　 随着静音式止回阀在国内外大量实际工况的使用, 并获得良好的评价, 越来越多的给排水设计工程师逐渐认可该种止回阀的设计理念。静音式止回阀已广泛应用在国内各大水厂加压泵站及国内重点工程中, 如中央电视台泵房冷却水系统改造工程中淘汰原来使用的升降式止回阀, 采用DN500的静音式止回阀, 取得了良好的预防水锤的效果。静音式止回阀也有不足之处, 如抗垃圾堵塞能力不强, 在原水系统中前端需要过滤杂物;由于阀门有扩散倒流体设计, 阀门结构长度较长, 加工精度高, 故制造成本较高。