停泵水錘和防護(hù)措施

周光明 周藝?yán)?/p>

(江西省化學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330002)

一、水錘現(xiàn)象

在壓力管流中因流速劇烈變化引起動(dòng)量轉(zhuǎn)換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象。這時(shí)，液體(水)顯示出它的慣性和可壓縮性。

水錘也稱水擊，或稱流體(水力)瞬變(暫態(tài))過(guò)程，它是流體的一種非恒定(非穩(wěn)定)流動(dòng)，即液體運(yùn)動(dòng)中所有空間點(diǎn)處的一切運(yùn)動(dòng)要素(流速、加速度、動(dòng)水壓強(qiáng)、切應(yīng)力、密度等)不僅隨空間位置而變，而且隨時(shí)間而變。

水錘現(xiàn)象的延續(xù)時(shí)間雖然短暫，但它會(huì)造成嚴(yán)重的工程事故，如因停泵，在管路中產(chǎn)生水柱分離與斷流彌合水錘，則其破壞力更為嚴(yán)重。

二、水錘的危害

在安裝有離心泵的水泵房中，因突然事故斷電或其它原因而突然(開(kāi)閥)停泵時(shí)，則在壓水管內(nèi)首先產(chǎn)生壓力下降，隨后視流速大小及管路系統(tǒng)情況產(chǎn)生程度不同的壓力上升，即停泵水錘，嚴(yán)重時(shí)，將造成災(zāi)害。

泵站中發(fā)生水錘事故的現(xiàn)象是較為普遍的，其中以地形復(fù)雜，高差起伏較大的我國(guó)西北，西南地區(qū)尤為突出。根據(jù)各地區(qū)200次以上有記錄的水錘事故調(diào)查可看出，泵站中多數(shù)水錘事故的結(jié)果是：輕則水管破裂，止回閥的上頂蓋或殼體被打壞大量漏水，造成暫時(shí)供水中斷事故；重則釀成泵站被淹毀，泵船沉沒(méi)等嚴(yán)重事故。個(gè)別的，還因泵站水錘事故，造成沖壞鐵路路基，損壞設(shè)備，傷及操作人員造成人身傷亡等次生災(zāi)害。

水錘在小區(qū)供水泵房或二次加壓泵站也常有發(fā)生。此外，在高層建筑中，由于建筑高度高，水泵揚(yáng)程高，水泵開(kāi)停自動(dòng)控制，經(jīng)常發(fā)生水錘，產(chǎn)生巨大的水錘噪聲，并經(jīng)常爆管漏水。

三、產(chǎn)生水錘的條件

停泵水錘是在某一特定的條件下產(chǎn)生的，《美國(guó)給水工程協(xié)會(huì)會(huì)刊》(Journal A.W.W.A.)發(fā)表的一篇報(bào)告中，提出了下列12個(gè)問(wèn)題，用來(lái)判斷水錘的嚴(yán)重程度。

1.在壓力輸水管的縱斷面圖中，有無(wú)任何“駝峰”或“膝部”狀升高點(diǎn)，當(dāng)水泵機(jī)組突然事故停泵后，在該點(diǎn)處能否產(chǎn)生水柱分離與斷流彌合水錘現(xiàn)象；

2.壓力輸水管的長(zhǎng)度是否大于水泵揚(yáng)程的20倍；

3.壓力輸水管的最大流速是否超過(guò)1.2m/s；

4.管材的安全系數(shù)以正常工作壓力計(jì)算，是否小于3.5；

5.突然事故停泵后，管道中的連續(xù)水柱是否在短于一個(gè)水錘相u的時(shí)段內(nèi)停止前進(jìn)并開(kāi)始倒流；

6.水泵出口所設(shè)的普通止回閥是否在短于1u的時(shí)段內(nèi)關(guān)閉；

7.有沒(méi)有在5秒內(nèi)開(kāi)啟或關(guān)閉的自動(dòng)閥門；

8.如果允許水泵機(jī)組以飛逸轉(zhuǎn)換反轉(zhuǎn)，機(jī)組會(huì)不會(huì)損壞；

9.水泵會(huì)不會(huì)在出水閥門完全關(guān)閉前停車；

10.水泵會(huì)不會(huì)在水閥門開(kāi)啟的情況下啟動(dòng)；

11.在供水系統(tǒng)中，有無(wú)同所研討的水泵站運(yùn)行情況有關(guān)的加壓泵站；

12.在水泵及管路中，有沒(méi)有任何快速關(guān)閉的自動(dòng)閥門，會(huì)在需要它動(dòng)作時(shí)失靈。

該研究報(bào)告提出：如果上例(1)-(7)問(wèn)題都得到肯定的回答，那就很可能產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘，如果上列12個(gè)問(wèn)題中，有2個(gè)或更多問(wèn)題得到肯定的回答，就可能產(chǎn)生水錘，肯定回簽的數(shù)目愈多，水錘也就愈嚴(yán)重。

四、停泵水錘的防護(hù)措施

目前已有多種防護(hù)措施來(lái)解決由降壓波開(kāi)始的水錘升壓?jiǎn)栴}，其出發(fā)點(diǎn)多數(shù)是建立在對(duì)停泵水錘的早期防護(hù)上，大致可歸納為以下幾種類型：

1.排水(注氣)穩(wěn)壓型

通過(guò)向系統(tǒng)補(bǔ)水(注氣)，防止產(chǎn)生水柱分離或升壓過(guò)高的斷流彌合水錘，屬于這種類型的有調(diào)壓塔(池)，空氣罐(室)，進(jìn)氣閥等。調(diào)壓塔(池)有雙向調(diào)壓塔(池)和單向調(diào)壓塔(池)，其中雙向調(diào)壓塔(池)一般用于大流量，低揚(yáng)程的長(zhǎng)管路系統(tǒng)，也可結(jié)合地形應(yīng)用于壓水管垂直上升的取水泵房中：?jiǎn)蜗蛘{(diào)壓塔常設(shè)于管路中易產(chǎn)生水柱分離處；空氣罐(室)的設(shè)置不受地點(diǎn)限制，可防過(guò)高的升壓，適用于中小型砂站；進(jìn)氣閥適用于各種規(guī)模管路系統(tǒng)在不可能注水(補(bǔ)水)或需要補(bǔ)進(jìn)很大水量的場(chǎng)合下采用。

2.泄水降壓型

(1)停泵水錘消除器

停泵水錘消除器的類別，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的變革，已有多種結(jié)構(gòu)形式在工程界使用。泵出口設(shè)普通止回閥，水不經(jīng)泵倒流，水泵突然斷電時(shí)，在管路中出現(xiàn)低壓的短促時(shí)段內(nèi)，消除器閥門迅速動(dòng)作，呈開(kāi)啟狀態(tài)，待回沖水流到達(dá)時(shí)，消降器對(duì)整個(gè)管路系統(tǒng)起著泄水降壓的作用。水錘消除器有下開(kāi)式，自動(dòng)復(fù)位下開(kāi)式，自閉式，儲(chǔ)氣式等多種型式。

(2)緩閉止回閥

緩閉止回閥是止回閥的一種，它是通過(guò)緩閉的形式來(lái)消除水錘，允許水經(jīng)過(guò)水泵倒流，控制倒流流量。緩閉止回閥有旁通式，上阻式，側(cè)阻式，復(fù)合式等，適用于中，小型泵站及深井泵站。

(3)緩閉蝶閥(重錘蓄能式自閉蝶閥)

緩閉蝶閥是一種特殊的出水閥，這種閥在水泵啟動(dòng)時(shí)能先慢后快地自行開(kāi)啟；在突然停泵時(shí)又能自動(dòng)先快后慢或以一定的慢速關(guān)閉。這樣，無(wú)論在啟閉水泵過(guò)程，或在突然斷電后的過(guò)渡過(guò)程中，它既能消除水錘，又不致使大量水流倒回。在功能上，它既具有水泵出水操作閥門的作用，又具有止回閥和消除水錘的作用，起到一閥三用之功能。目前，常見(jiàn)的是重錘蓄能式自閉蝶閥，對(duì)安全性要求較高的大型泵站，使用及消錘動(dòng)作，效果良好。

(4)取消止回閥

在泵站出水管路上取消普通止回閥，對(duì)于消除停泵水錘是比較有效的方法，正常運(yùn)行時(shí)電耗低。這種方式要求事故停泵后應(yīng)能盡快地關(guān)閉出水閥門，否則大量泄水，將給泵站及配水管網(wǎng)帶來(lái)不利影響，在給水二泵站中采用尚少。在給水一泵站中采用此法時(shí)，應(yīng)通過(guò)計(jì)算并處理好；防止水泵軸套退扣和機(jī)軸窗口竄動(dòng)，確保供電系統(tǒng)保護(hù)裝置安全可靠，防止機(jī)組震動(dòng)，減免大量水倒流回泄，是否增加水柱分離的危險(xiǎn)等。

(5)設(shè)置旁通管

對(duì)水泵或普通止回閥設(shè)置旁通管，在加壓泵站中，對(duì)降低上游管路中壓力特別有效，旁通管上的閥門等必須定期維修，適用于中小型泵站。

3.其它類型

(1)快閉式止回閥

在不產(chǎn)生水柱分離的情況下，可采用逆流量為零時(shí)即快速關(guān)閉的辦法來(lái)減少水錘升壓，設(shè)備簡(jiǎn)單，但阻力和電耗較大，還可能引起壓力上升，在大口徑管路中難以采用，適用于小型水泵裝置?？扉]止回閥有重錘旋啟式，彈簧旋啟式，彈簧升降式等。

(2)設(shè)置多級(jí)止回閥

在較長(zhǎng)的輸水管路中，增設(shè)一個(gè)或多個(gè)止回閥，把回沖水流分成幾段，以降低水錘升壓，但不能消除水柱分離的可能性，正常運(yùn)行中水泵電耗增大。

(3)裝設(shè)慣性飛輪

裝設(shè)慣性飛輪是為了加大水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以減少停泵后水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速的下降率，延緩機(jī)組開(kāi)始倒轉(zhuǎn)的時(shí)間，這樣可以避免停泵后管路中流速的急劇降低。這種方法僅可用于臥式泵，管線太長(zhǎng)時(shí)不宜用。

(4)爆破膜片

泵站壓水管上裝設(shè)金屬爆破膜片(鋁質(zhì)片、紫銅片等)，當(dāng)管路中由于水錘升壓超過(guò)預(yù)定值時(shí)，膜片自行爆破，水流外泄，泄水降壓，消除水錘。該方法作為輔助性措施，一般不單獨(dú)使用。

(5)結(jié)合工程設(shè)計(jì)考慮

通過(guò)計(jì)算，對(duì)于水錘升壓不大，水錘可能性又較大的場(chǎng)合，可采用適當(dāng)放大管徑，降低正常運(yùn)行時(shí)流速，合理布置管道，以及局部加強(qiáng)管道耐壓能力等辦法。

五、水錘防護(hù)措施的選擇

停泵水錘防護(hù)措施的選擇應(yīng)考慮的因素有以下幾方面：

1.所選用的防護(hù)措施，應(yīng)與所處泵站及管路系統(tǒng)的規(guī)模，作用，對(duì)安全性的要求及技術(shù)(管理)水平等相適應(yīng)，并盡可能地選用技術(shù)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，管理維修方便的防護(hù)措施。

2.在有可能產(chǎn)生水錘危害的情況下，應(yīng)早期防治。如在設(shè)計(jì)泵站及管路系統(tǒng)時(shí)，選定輸水管走向，選用水泵機(jī)組和管材，確定管內(nèi)流速等方面，都應(yīng)考慮采取消除或減輕水錘危害的措施。

3.根據(jù)具體情況，盡可能采用綜合性防護(hù)措施(幾種措施同時(shí)采用)，以提高防護(hù)功能的安全可靠性。

例一，某小區(qū)二次加壓供水泵房，水泵向高位水池供水，水泵總揚(yáng)程92m(靜揚(yáng)程60m)，l輸水管長(zhǎng)1500m輸水管沿線地形復(fù)雜，起伏較大，水泵開(kāi)停由高位水池水位自動(dòng)控制。在選擇停泵水錘防護(hù)措施時(shí)，除在選泵，管道定線，管材，管內(nèi)流速等方面考慮外，在水泵房處采用緩閉止回閥與停泵水錘消除器相組合的辦法。另外，在輸水管道的“駝峰”處設(shè)進(jìn)氣閥，在“低谷”處設(shè)安全閥。通過(guò)采取這些措施，有效地防止了水錘。

例二，某棟26層的大樓，原生活加壓水泵和空調(diào)循環(huán)泵壓水管上采用普通旋啟式止回閥，水泵自動(dòng)開(kāi)停，停泵時(shí)產(chǎn)生水錘，水錘噪聲嚴(yán)重影響大樓的住戶及工作人員，反映強(qiáng)烈?，F(xiàn)將普通止回閥改為快閉式止回閥(消聲止回閥)，并加上Hydra-Rester水錘消除器，很好地解決了水錘噪聲的問(wèn)題。

4.對(duì)防護(hù)措施的管理維護(hù)及操作等方面的要求，應(yīng)給予足夠的重視，國(guó)內(nèi)不少重大泵站水錘事故，都是由于對(duì)防護(hù)設(shè)備維修不善或失誤操作而引起的。

5.防護(hù)措施(方法)的選擇，必須與停泵水錘精確計(jì)算及分析互相配合，同時(shí)進(jìn)行。