高速车急刹车时,乘客常常由于惯性作用而向前倾斜甚至被摔伤。同样,突然关闭管道阀门时,由于流体不能马上停止而压缩自身和重装管道,使管内压力急剧上升,还常可听到敲击金属的声响,人们把这种因流速突变而引起压力巨变(增压或减压)的现象叫“水击”。依据动能定理,流体动能的减少等于对外界做的功,而功又等于冲击压力和位移的乘积,因此,当流体容易压缩(如气体)或管壁容易膨胀(如橡皮管)时,冲击压力就很小,反之就极大。从能量观点看,流体动能的一部分形成摩擦热消散掉,另一部分变成流体缩小和管壁胀大后的弹性势能。之后,随着弹性势能和流体动能的多次相互转化、转移和摩擦阻力的影响,流体会沿管道来回流动,冲击压力会随之往返传播,但其幅度会越来越小。
起初为首的机车急刹车但后边车辆照常向左运行;后面的车辆压缩弹簧并冲击前边车辆及机车后停止,车辆动能的一部分转移为弹簧的势能,然后在弹簧推力的作用下,车辆依次反转向右运行,弹簧势能的一部分又转移为车辆的动能。由于惯性作用,弹簧先后被拉长,车辆再次停止,车辆动能的一部分再次转移为弹簧势能最后在弹簧拉力的作用下,车辆依次恢复向左运动,但速度小多了。车速和弹力的大小及方向发生周期性变化,多次重复、衰减后回归静止。
如果把管道中的流体想象成串联在一起的许多弹性流体段,则不难理解水击过程与上述现象非常类似。从管道的某一点来看,由于水击的影响,该点压力围绕正常压力发生周期性变化并不断衰减,半个周期中压力高于正常压力,半个周期中压力低于正常压力。从管道全线来看,不断衰减的正向压力波和福祥压力波沿管线往返传播。
由于石油难以压缩和输油管道不宜膨胀,因此冲击压力很大,容易引起重大事故:增压波可能会使正常压力较高的地方超压,憋破管道、损坏设备。而减压波可能会使正常压力较低的地方形成“负压”——压力低于大气压,会发生大口径管道被压瘪的危险,也可能会使压力低于油品的饱和蒸汽压力,油品气化,形成气泡空穴,使油柱分离。当分离油柱再汇合时,可能会产生更大的水击压力。
显然,缓慢关闭阀门是降低石油管道水击压力的根本方法,采用各种各样的自动控制技术(如泄压保护、水击超前保护等)也可避免水击的危害。