停泵水錘及其防護措施

張 雷

（中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430070）

停泵水錘及其防護措施

張 雷

（中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430070）

本文介紹了水錘現象中最為嚴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和危害。針對停泵水錘現象，還重點介紹了一些具體的防護措施以消除停泵水錘現象及應注意的事項。

水錘；停泵水錘；防護措施

1. 水錘基本概念

液體在管道輸送中，經常會出現水錘。水錘也稱水擊，是壓力管道中由于水流速度發生驟然變化而引起壓力變化的一種水力過渡現象，也稱瞬變流。即在壓力管道中，當水流因某種原因而產生流速的急劇變化時，由于流體的慣性作用而引起管道內液體的壓力升高或降低。這種改變可能是正常的流量調節，或者是事故而使流量堵截，從而使該處壓力產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，穩態時閥門全開，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閉，則A點流速突然滯止為零，則在閥前A點出現突然的壓力升高，稱為正水錘或正壓波，而在閥后B點出現突然的壓力降低，稱為負水錘或負壓波。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，均在基礎壓力上疊加一個HΔ，按照水錘理論，若關閥時間T0小于2L／a，這時產生的水錘最大，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，它與液體介質持件、管材和管道幾何尺寸有關；g為重力加速度；VΔ是由閥門關閉引起管內速度的變化。一般鋼管a大約在1000 m/s左右，若管內流速為3～4m／s。則突然關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，或管道強度和設備強度不夠，便可能發生水錘爆管和設備損壞事改。這種事故在設計和運行中應該加以分析和考慮，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，尤其是和事故停泵有關。離心泵本身供水均勻，正常運行時在水泵和管路系統中不產生水錘危害。一般的水泵操作規程規定，在停泵前需將壓力管路上閥門逐步關閉，使管內流速緩慢降低，因而停泵時不會引起水錘。

停泵水錘是水錘現象中的一種，是指水泵機組因突然斷電或其他原因而造成的開閥狀態下突然停車時，在水泵及管路系統中，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象。一般情況下停泵水錘最為嚴重，其對泵房和管路的安全有極大的威脅，國內有幾座水泵房曾發生停泵水錘而導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、外電網事故跳閘以及自然災害（大風、雷擊、地震）等原因均可能導致水泵機組突然斷電，此時在泵站及管路系統中會發生水錘現象。

產生突然停泵的原因可能有：

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

（2）雨天雷電引起突然斷電。

（3）水泵機組突然發生機械故障，如聯軸器斷開或水泵密封環被“咬”住，以致水泵轉動發生困難而使電機超載，由于保護裝置的作用馬上將電機切除。

（4）在自動化泵站中，由于維護管理不善，也能致使機組突然斷電。（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

停泵水錘的主要特點是：突然停電（泵）后，水泵工作特性開始進入水力暫態（過渡）過程，其第I階段為水泵工況階段。在此階段中，由于停電主驅動力矩消失，機組失去正常運行時的力矩平衡狀態由于慣性作用仍繼續正轉，但轉速降低（機組慣性大時降得慢，反之則降得快）。機組轉速的突然減少導致流量減少和壓力降低，所以先在泵站處產生壓力降低。這點和關閥水錘顯然不同。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：(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，遠距離輸運液體。當突然停泵時，對第一種情況就會產生液體倒流，如果沒有止回閥裝在泵后，倒流的液體將使水泵飛逸反轉，在泵內產生高壓，嚴重時破壞泵的結構，而對第二種情況，有可能使吸水管中壓頭升高，輸水管中產生低壓，造成液柱分離，這也會引起管路的破壞。

2.5 停泵水錘防護措施

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

泵系統中停泵水錘這一水力過渡過程是由降壓開始的。因此，目前已有多種防護措施來解決這類由降壓波的發生與傳播開始的水錘升壓問題，其出發點多數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(補水)或注空氣(緩沖)穩壓，從而控制住系統中的水錘壓力振蕩，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壓塔(ONE-WAY SURGETANK)或單向調壓(水)池、空氣罐、注空氣(緩沖)閥以及(雙向)調壓塔等。

（1）雙向調壓塔：在泵站附近或管道的適當位置修建，雙向調壓塔的水面高度應高于輸水管道終點接收水池的水面高度并考慮沿管道的水頭損失。調壓塔將隨著管路中的壓力變化向管道補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）單向調壓塔：在泵站附近或管道的適當位置修建，單向調壓塔的高度低于該處的管道壓力。當管道內壓力低于塔內水位時，調壓塔向管道補水，防止水柱拉斷，避免彌合水錘。

（3）氣壓罐：國內使用經驗不多，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水或吸收管路中的過高壓力，其作用與雙向調壓塔類似。

二、合理選擇閥門種類，延長其啟閉歷時——進行閥門調節與控制

閥門緩慢地關閉和開啟，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，必須進行計算機動態模擬和方案比較)兩階段關閉的可控閥(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用。

（3）爆破膜片類似于電路上安裝保險絲，當管路中由于水錘升壓超過預定值時，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措施時要注意以下幾點：

(1)所選用的防護措施,應與所出泵站及管路系統的規模、作用、對安全性的要求及技術(管理)水平相適應,并盡可能選擇技術安全可靠、經濟合理、管理維修方便的防護措施。

(2)在有可能產生水錘危害的情況下，應早期防治。如在泵站及管路系統的設計、管材走向的選定、水泵機組和管材的選用以及管內流速的確定等方面，都應考慮采取消除或減輕水錘危害的措施。

(3)根據具體情況,盡可能采用綜合性防范措施(幾種措施同時采用)，以提高防護功能的安全可靠性。

(4)對防護措施的管理維護及操作等方面的要求,應給予足夠的重視，國內不少重大泵站停泵水錘事故，都是由于對防護設備維修不善或失誤操作造成的。

(5)防護措施的選擇，必須與停泵水錘精確計算及相互分析相配合，同時進行。

(6)防護措施必須技術可行，經濟適用。

3 .結束語

水錘現象具有極大的破壞性，一般情況下水錘現象中最嚴重的是停泵水錘現象。停泵水錘可能導致泵站和輸水系統發生嚴重事故，應根據具體情況采取補水（注氣）穩壓、泄水降壓以及其他相應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。