本文摘要
- 水錘作用是管道快速關閉下游閥門時，造成壓力暴增，可能破裂管道。水錘大小取決於水流量和水頭落差。
- 水錘作用不僅限於水流，各種流體管道，包括氣體和液體，都可能產生。減緩方法包括平壓塔、釋壓閥等。
水錘作用（也稱水錘效應、Water Hammer）是一個在管道工程中非常常見的現象。其實，不只是水流，各種流體系統都有可能受到水錘作用的影響。這篇文章將介紹水錘作用的原理、過程以及解決方法。知道如何減少水錘作用對系統的損害，可以維護管道系統的穩定性和安全性。
一、什麼是水錘作用？
水錘作用（Water Hammer）也稱水錘效應或水擊，一般說的水錘作用是指正水錘，當水流在管道中突然停止或改變速度時，水因為慣性往前流動突然被阻止，而產生一股強大的壓力波，這種壓力波的聲響聽起來像拿錘子敲打管子一樣，所以叫做「水錘」。日常生活中，有時候會聽到牆內管路發出「砰」或是彈珠聲，就是水錘效應。
當水錘效應發生時，產生的壓力會以聲速在水中向上游傳遞，形成壓力波，這會逐漸讓水流停下來。當壓力波到達管道上游的出口時，壓力會被釋放。此時，由於管內的壓力比上游出口外的壓力高，水流會開始向上游迴流。當這股迴流遇到已關閉的閥門時，會產生負壓波，使水流再次靜止。這個負壓波又會向上游出口傳遞，造成水流再次進入管道中。這樣的過程讓水流在管道內來回震盪，隨著時間推移，因為管壁的摩擦力和上游水流的阻力，這種震盪會逐漸減弱，直到水流完全停止。
二、如何解決水錘作用？
在水力發電輸水路與鋼管之間常設有平壓塔，便是在減緩水錘之壓力波往水路上游傳遞之強度，或於管路間設置釋壓閥將過大之壓力予以釋放，有些氣體管路則設置有氣室(air chamber)，等等。但最為有效、最低成本的安全做法是：開啟或關閉閥門時，閥門之開孔避免過快關閉，換言之，不要使管路中之水流速度發生遽烈改變。
三、正水錘與負水錘
水錘作用其實分為正水錘與負水錘，一般常說的水錘效應為正水錘效應，如上段介紹，而負水錘效應則是當水在管道中管內壓力降至低於大氣壓力，導致水流反向運動，或管道內形成負壓區域時發生的現象。以下簡單比較兩者差異：
正水錘（Positive Water Hammer）
正水錘效應發生在當水流突然停止時，水的動能被轉化為壓力，形成一股強大的壓力波，你可以把它想像成水流突然被堵住時，水會「撞」到管道內部，產生巨大的壓力。正水錘效應除了發出很大的聲音外，可能導致管道破裂、閥門損壞或設備故障。
正水錘常見場域如家庭自來水系統水龍頭啟閉，工業管道系統關閉閥門，市政供水管道中水泵突然關閉等。
負水錘（Negative Water Hammer）
負水錘效應發生在水流突然停止或改變方向之後，這時如果管道內的壓力迅速下降到低於大氣壓力，就會形成負壓波，導致管道內部壓力急劇下降，可能引發氣穴現象（Cavitation），即水中的溶解氣體或水蒸氣形成氣泡，這些氣泡在壓力恢復時會突然塌陷，產生強大的衝擊波，導致管道內壁的磨損、侵蝕，甚至破裂。
負水錘效應可能發生於虹吸排水系統、高層建築的給水系統或農業灌溉系統中，管道內壓力降低，水流反向或形成氣穴。
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