停泵水錘及其防護(hù)措施

張 雷

（中南建筑設(shè)計院股份有限公司，武漢 430070）

停泵水錘及其防護(hù)措施

張 雷

（中南建筑設(shè)計院股份有限公司，武漢 430070）

本文介紹了水錘現(xiàn)象中最為嚴(yán)重的停泵水錘的概念，造成突然停泵的原因及其停泵水錘的主要特點(diǎn)和危害。針對停泵水錘現(xiàn)象，還重點(diǎn)介紹了一些具體的防護(hù)措施以消除停泵水錘現(xiàn)象及應(yīng)注意的事項。

水錘；停泵水錘；防護(hù)措施

1. 水錘基本概念

液體在管道輸送中，經(jīng)常會出現(xiàn)水錘。水錘也稱水擊，是壓力管道中由于水流速度發(fā)生驟然變化而引起壓力變化的一種水力過渡現(xiàn)象，也稱瞬變流。即在壓力管道中，當(dāng)水流因某種原因而產(chǎn)生流速的急劇變化時，由于流體的慣性作用而引起管道內(nèi)液體的壓力升高或降低。這種改變可能是正常的流量調(diào)節(jié)，或者是事故而使流量堵截，從而使該處壓力產(chǎn)生一個突然的躍升或下跌，這個壓力的瞬變波稱為水錘。

如圖1-1所示：有一水位不變水深為H0的水箱，通過管道輸水，穩(wěn)態(tài)時閥門全開，如忽略沿程和局部阻力，水力坡度線為HGL，管中流速為V0，倘若由于某種原因閥門突然瞬間關(guān)閉，則A點(diǎn)流速突然滯止為零，則在閥前A點(diǎn)出現(xiàn)突然的壓力升高，稱為正水錘或正壓波，而在閥后B點(diǎn)出現(xiàn)突然的壓力降低，稱為負(fù)水錘或負(fù)壓波。水錘壓力以HΔ表示，并以波的形式，以波速a向全管傳播，壓力波所到之處，均在基礎(chǔ)壓力上疊加一個HΔ，按照水錘理論，若關(guān)閥時間T0小于2L／a，這時產(chǎn)生的水錘最大，稱它為直接水錘，其計算公式如下：

其中，a為水錘波傳播的速度，它與液體介質(zhì)持件、管材和管道幾何尺寸有關(guān)；g為重力加速度；VΔ是由閥門關(guān)閉引起管內(nèi)速度的變化。一般鋼管a大約在1000 m/s左右，若管內(nèi)流速為3～4m／s。則突然關(guān)閥引起的水錘壓力約為(30～40) ×105N／m2，并以每秒一公里左右的速度傳至全管，這時如果管中某處有缺陷，或管道強(qiáng)度和設(shè)備強(qiáng)度不夠，便可能發(fā)生水錘爆管和設(shè)備損壞事改。這種事故在設(shè)計和運(yùn)行中應(yīng)該加以分析和考慮，要力求避免。

2 .停泵水錘

2.1 停泵水錘概念

管路中的水錘多與泵的啟動、停泵以及和泵連在一起的閥門的開閉有關(guān)，尤其是和事故停泵有關(guān)。離心泵本身供水均勻，正常運(yùn)行時在水泵和管路系統(tǒng)中不產(chǎn)生水錘危害。一般的水泵操作規(guī)程規(guī)定，在停泵前需將壓力管路上閥門逐步關(guān)閉，使管內(nèi)流速緩慢降低，因而停泵時不會引起水錘。

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)下突然停車時，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。一般情況下停泵水錘最為嚴(yán)重，其對泵房和管路的安全有極大的威脅，國內(nèi)有幾座水泵房曾發(fā)生停泵水錘而導(dǎo)致泵房淹沒或管路破裂的重大事故。

2.2 突然停泵的原因

泵站工作人員失誤操作、外電網(wǎng)事故跳閘以及自然災(zāi)害（大風(fēng)、雷擊、地震）等原因均可能導(dǎo)致水泵機(jī)組突然斷電，此時在泵站及管路系統(tǒng)中會發(fā)生水錘現(xiàn)象。

產(chǎn)生突然停泵的原因可能有：

（1）由于電力系統(tǒng)或電器設(shè)備突然發(fā)生故障，人為的操作錯誤等致使電力供應(yīng)突然中斷。

（2）雨天雷電引起突然斷電。

（3）水泵機(jī)組突然發(fā)生機(jī)械故障，如聯(lián)軸器斷開或水泵密封環(huán)被“咬”住，以致水泵轉(zhuǎn)動發(fā)生困難而使電機(jī)超載，由于保護(hù)裝置的作用馬上將電機(jī)切除。

（4）在自動化泵站中，由于維護(hù)管理不善，也能致使機(jī)組突然斷電。（5）對中、小型水泵為了簡化自動控制，而采取開閘開、停車。

2.3 停泵水錘的主要特點(diǎn)

停泵水錘的主要特點(diǎn)是：突然停電（泵）后，水泵工作特性開始進(jìn)入水力暫態(tài)（過渡）過程，其第I階段為水泵工況階段。在此階段中，由于停電主驅(qū)動力矩消失，機(jī)組失去正常運(yùn)行時的力矩平衡狀態(tài)由于慣性作用仍繼續(xù)正轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)速降低（機(jī)組慣性大時降得慢，反之則降得快）。機(jī)組轉(zhuǎn)速的突然減少導(dǎo)致流量減少和壓力降低，所以先在泵站處產(chǎn)生壓力降低。這點(diǎn)和關(guān)閥水錘顯然不同。此壓力降以波（直接波或初生波）的方式由泵站及管路首端向末端的高位水池傳播，并在高位水池處引起升壓波（反射波），此反射波由水池向管路首端及泵站傳播。

2.4 停泵水錘的危害

泵的作用有兩點(diǎn)：(1)主要是克服重力，把液體泵向高位處；(2)主要是克服摩擦力，遠(yuǎn)距離輸運(yùn)液體。當(dāng)突然停泵時，對第一種情況就會產(chǎn)生液體倒流，如果沒有止回閥裝在泵后，倒流的液體將使水泵飛逸反轉(zhuǎn)，在泵內(nèi)產(chǎn)生高壓，嚴(yán)重時破壞泵的結(jié)構(gòu)，而對第二種情況，有可能使吸水管中壓頭升高，輸水管中產(chǎn)生低壓，造成液柱分離，這也會引起管路的破壞。

2.5 停泵水錘防護(hù)措施

縱觀所有水錘防護(hù)裝置與設(shè)備，都有一個共同的要素(目的)，即試圖降低泵管系統(tǒng)中流速變化(下降)的梯度。

泵系統(tǒng)中停泵水錘這一水力過渡過程是由降壓開始的。因此，目前已有多種防護(hù)措施來解決這類由降壓波的發(fā)生與傳播開始的水錘升壓問題，其出發(fā)點(diǎn)多數(shù)是建立在對停泵水錘危害的早期防治上并大致可歸納為四種類型：

一、注水(補(bǔ)水)或注空氣(緩沖)穩(wěn)壓，從而控制住系統(tǒng)中的水錘壓力振蕩，防止了真空和斷流空腔再彌合水錘過高的升壓。屬于這種類型的有單向調(diào)壓塔(ONE-WAY SURGETANK)或單向調(diào)壓(水)池、空氣罐、注空氣(緩沖)閥以及(雙向)調(diào)壓塔等。

（1）雙向調(diào)壓塔：在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，雙向調(diào)壓塔的水面高度應(yīng)高于輸水管道終點(diǎn)接收水池的水面高度并考慮沿管道的水頭損失。調(diào)壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補(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。

（2）單向調(diào)壓塔：在泵站附近或管道的適當(dāng)位置修建，單向調(diào)壓塔的高度低于該處的管道壓力。當(dāng)管道內(nèi)壓力低于塔內(nèi)水位時，調(diào)壓塔向管道補(bǔ)水，防止水柱拉斷，避免彌合水錘。

（3）氣壓罐：國內(nèi)使用經(jīng)驗不多，在國外使用較廣泛。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道補(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。

二、合理選擇閥門種類，延長其啟閉歷時——進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)與控制

閥門緩慢地關(guān)閉和開啟，可減小輸水干管中流速的變化率——梯度，從而可以減小水錘壓力的升高和降低。為此，可選用(對較重要的泵系統(tǒng)，必須進(jìn)行計算機(jī)動態(tài)模擬和方案比較)兩階段關(guān)閉的可控閥(如蝶閥)或各種形式的緩閉止回閥。

三、泄水降壓，避免壓力陡升。屬于這種類型的有停泵水錘消除器、防爆膜、設(shè)置旁通管以及取消止回閥等。

（1）水錘消除器：80年代以前曾經(jīng)廣為采用。它安裝于止回閥附近，管道中的水錘壓力通過開啟的水錘消除器泄掉。

（2）緩閉止回閥是止回閥的一種，它通過緩閉的形式來消除水錘，形式很多，簡易可行，獲得了較為普遍的應(yīng)用。

（3）爆破膜片類似于電路上安裝保險絲，當(dāng)管路中由于水錘升壓超過預(yù)定值時，膜片自動破裂，水流外泄，起到泄水降壓的消除水錘效果。

2.6 注意事項

另外，在選擇停泵水錘的防護(hù)措施時要注意以下幾點(diǎn)：

(1)所選用的防護(hù)措施,應(yīng)與所出泵站及管路系統(tǒng)的規(guī)模、作用、對安全性的要求及技術(shù)(管理)水平相適應(yīng),并盡可能選擇技術(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。如在泵站及管路系統(tǒng)的設(shè)計、管材走向的選定、水泵機(jī)組和管材的選用以及管內(nèi)流速的確定等方面，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范措施(幾種措施同時采用)，以提高防護(hù)功能的安全可靠性。

(4)對防護(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，國內(nèi)不少重大泵站停泵水錘事故，都是由于對防護(hù)設(shè)備維修不善或失誤操作造成的。

(5)防護(hù)措施的選擇，必須與停泵水錘精確計算及相互分析相配合，同時進(jìn)行。

(6)防護(hù)措施必須技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)適用。

3 .結(jié)束語

水錘現(xiàn)象具有極大的破壞性，一般情況下水錘現(xiàn)象中最嚴(yán)重的是停泵水錘現(xiàn)象。停泵水錘可能導(dǎo)致泵站和輸水系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重事故，應(yīng)根據(jù)具體情況采取補(bǔ)水（注氣）穩(wěn)壓、泄水降壓以及其他相應(yīng)的措施來消除停泵水錘或消減水錘壓力。

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1007-6344（2015）10-0018-02

張雷，1982－，男。