一起停泵水錘事故的分析及防護(hù)措施

李 宏

（西北地勘局711總隊(duì)，陜西 略陽 724308）

一、事故概況

2010年6月2日9時(shí)左右，何家?guī)r金礦井下新建的排水系統(tǒng)在調(diào)試過程中做模擬電力突然中斷的測試。在斷電的一瞬間隨著一聲巨響，D280多級(jí)泵出口處的不銹鋼緩沖器嚴(yán)重拉升變形成麻花狀，直徑273mm的排水管線有明顯的位移，多處焊縫破裂，水泵葉輪高速反轉(zhuǎn)，水泵出口止回閥閥芯破裂，所幸沒有造成人員傷亡和淹井事故的發(fā)生。

二、原因分析

很明顯這是一起停泵水錘事故。停泵水錘是水錘現(xiàn)象中的一種，是指水泵機(jī)組因突然斷電或其他原因而造成的開閥狀態(tài)下突然停車，在水泵及管路系統(tǒng)中，因流速突然變化而引起的一系列急劇的壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象。對(duì)泵房和管路的安全有極大的威脅，國內(nèi)有幾座水泵房曾因停泵水錘而導(dǎo)致淹沒泵房管路破裂的重大事故。停泵水錘的主要成因是：突然停電(泵)后，由于主驅(qū)動(dòng)力矩消失，機(jī)組失去正常運(yùn)行時(shí)的力矩平衡狀態(tài)，由于慣性作用仍繼續(xù)正轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速降低(機(jī)組慣性大時(shí)降得慢，反之則降得快)，壓水管中的水，在斷電后的最初瞬間靠慣性作用，以逐漸減慢的速度繼續(xù)向高位水池方向流動(dòng)，然后流速降至零，管路中的水在重力水頭的作用下，又開始向水泵站方向倒流，速度又由零逐漸增大，引發(fā)水錘現(xiàn)象。

1.在水泵出口處設(shè)有普通止回閥。當(dāng)管路中倒流水流的速度達(dá)到一定程度時(shí)，止回閥突然關(guān)閉，引起壓力的急劇上升，特別是水泵機(jī)組慣性小、供水地形高差大時(shí)，壓力升高也大，最高壓力幾乎可達(dá)正常壓力的兩倍，這種帶有沖擊性的壓力突然升高能擊毀管路或其他設(shè)備。國內(nèi)外大量的實(shí)踐證明，停泵水錘的發(fā)生主要是因?yàn)樗贸隹谔幹够亻y的突然關(guān)閉引起的。

2.水錘危害及易發(fā)生的條件。突然停泵不僅會(huì)造成水泵及管路壓力增高，同時(shí)不管水泵出口處有無止回閥，突然停泵后，在管路中某處的壓力降到當(dāng)時(shí)水溫的飽和蒸汽壓力以下時(shí)，液態(tài)水汽化，造成水柱分離形成“空管腔”。當(dāng)分離的水柱重新彌合時(shí)或“空管腔”重新被水充滿時(shí)，由于兩股水柱間的劇烈碰撞會(huì)產(chǎn)生壓力很高的“斷流水錘”。斷流水錘的升壓比連續(xù)水流水錘的升壓更高，危害也更大。停泵水錘易發(fā)生于下列情況：一是單管向高處輸水，供水地形高差超過20m時(shí)；二是水泵總揚(yáng)程（或工作壓力）大；三是輸水管道內(nèi)流速過大，排水管路較長。

三、停泵水錘防護(hù)措施

1.降低輸水管路的流速，可在一定程度上降低水錘壓力。排水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中盡可能按規(guī)范選擇排水管線直徑，一般排水管路經(jīng)濟(jì)流速按1.5～2.2m/s選擇，吸水管路流速按0.8～1.5m/s選擇。

2.排水管路布置時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)駝峰或坡度劇變，在轉(zhuǎn)彎過程中做到緩慢過渡，排水管路要加固牢靠，防止應(yīng)力突變產(chǎn)生較大的位移。

3.設(shè)置水錘消除裝置。

（1）雙向調(diào)壓塔。在泵站附近或管路的適當(dāng)位置修建雙向調(diào)壓塔，其水面高度應(yīng)高于輸水管路終點(diǎn)接收水池的水面高度并考慮沿途管路的水頭損失。調(diào)壓塔將隨著管路中的壓力變化向管路補(bǔ)水或泄掉管路中的過高壓力，從而有效地避免或降低水錘壓力。這種方式安全可靠，但其應(yīng)用受到泵站壓力和周邊地形的限制。

（2）單向調(diào)壓塔。在泵站附近或管路的適當(dāng)位置修建單向調(diào)壓塔，其高度低于該處的管路壓力。當(dāng)管路內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位壓時(shí)，調(diào)壓塔向管路補(bǔ)水，防止水柱拉斷，避免斷流水錘。但其對(duì)停泵水錘以外的水錘，如關(guān)閥水錘的降壓作用有限。此外單向調(diào)壓塔采用的單向閥的性能要絕對(duì)可靠，一旦該閥門失靈，可能導(dǎo)致發(fā)生較大的水錘。

（3）氣壓罐。國內(nèi)使用經(jīng)驗(yàn)不多，在國外（英國）使用較廣泛。它利用氣體體積與壓力的特定定律工作。隨著管路中的壓力變化氣壓罐向管路補(bǔ)水或吸收管路中的過高壓力，其作用與雙向調(diào)壓塔類似。

（4）水錘消除器。20世紀(jì)80年代以前曾經(jīng)廣為采用，它安裝于止回閥附近。管路中的水錘壓力通過開啟的水錘消除器泄掉，但某些水錘消除器無自動(dòng)復(fù)位功能，容易因誤操作導(dǎo)致發(fā)生水錘。

（5）緩閉止回閥。有重錘式和蓄能式兩種。這種閥門可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，一般在停電后3～7s內(nèi)閥門關(guān)閉70%～80%，剩余20%～30%的關(guān)閉時(shí)間則根據(jù)水泵和管路的情況調(diào)節(jié)，一般在10～30s范圍內(nèi)。值得注意的是，當(dāng)管路中存在駝峰而發(fā)生彌合水錘時(shí)，緩閉止回閥的作用就十分有限。

四、整改應(yīng)用情況

何家?guī)r金礦組織人員認(rèn)真分析了這次停泵水錘事故的原因，給出了兩個(gè)結(jié)論：一是安裝在水泵出口的普通止回閥不論是耐壓強(qiáng)度還是結(jié)構(gòu)都不符合本次排水系統(tǒng)要求；二是排水管路的固定不牢固，容易使管路產(chǎn)生位移。該礦新建的排水系統(tǒng)排水揚(yáng)程130m，日平均排水6 000～8 000m3。通過重新對(duì)排水流速的驗(yàn)算得知排水管流速為1.8m/s，吸水管流速為1.6m/s，兩項(xiàng)技術(shù)要求均符合相關(guān)規(guī)定。針對(duì)這次事故教訓(xùn)并結(jié)合該礦井下現(xiàn)場狀況，決定從三個(gè)方面進(jìn)行整改。

1.對(duì)排水管路重新加固，尤其對(duì)水泵出口及泵站內(nèi)的管路重點(diǎn)加固，使排水管路的徑向、軸向位移降到最低限度。

2.更換水泵出口普通止回閥為耐壓2.5MPa的重錘式緩閉止回閥，該閥對(duì)于降低停泵水錘有明顯效果。緩閉止回閥的使用應(yīng)結(jié)合具體情況，快慢兩個(gè)階段的關(guān)閥歷時(shí)應(yīng)根據(jù)泵房水泵性能和輸水管路的邊界條件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得出最佳的理論時(shí)間組合，并在試驗(yàn)運(yùn)行中調(diào)整，以期獲得最佳關(guān)閥歷時(shí)分配。

3.在水泵的電氣控制方面采用了軟啟動(dòng)器，做到了正常情況下的軟啟動(dòng)軟停車，大大降低了啟泵水錘和停泵水錘的危害。

通過以上的技術(shù)整改措施，該礦新建的排水系統(tǒng)于2010年6月15日正式運(yùn)行。截止目前累計(jì)排水240萬m3，日平均排水6 600m3，泵站運(yùn)行狀況良好。不管是正常停泵還是突然停泵，水錘效應(yīng)均得到了抑制，排水系統(tǒng)機(jī)電設(shè)施完好率為100%。

[1]礦山機(jī)械.冶金工業(yè)出版社，1984.

[2]流體力學(xué).高等教育出版社，1999.