淺談停泵水錘現象及防護措施

孫銳

摘 要：隨著我國城市化進程的加快和人民生活水平的日益提高，大量的泵站工程被修建以滿足供水需求，而其中對泵站供水系統安全危害較大的就是水錘事故的發生。本文在前人研究的基礎上，對水錘現象中最為嚴重的停泵水錘現象進行了分析與研究，以期能夠為今后的泵站建設提供一定的理論基礎。

關鍵詞：停泵水錘；危害；防護措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.252

1 前言

一直以來，如何有效地解決水錘的危害是泵站供水系統安全運行的重中之重，近幾十年來國內外關于水錘的研究越來越深入，也取得了顯著的成果。本文對水錘的相關概念進行簡要介紹，并闡述了停泵水錘的危害及幾種防護措施。

2 水錘現象的概述

2.1 水錘的基本概念

從原理的角度上來看，水錘指的主要是管道中水流的速度發生較大的變化，從而出現壓力激烈升降，導致水力沖擊的情況。如今，國內外大多數都將管路系統所發生的各種水錘現象，統稱為“泵站管路系統水力過渡過程”，這個名稱包括了所有水錘現象[1]。

2.2 水錘的分類

從目前泵站方面的信息匯總來看，如今的水錘有多種情況的出現，從不同的角度劃分，可分為以下四類：

（1）根據水錘相和關閥歷時的關系，可分為間接水錘和直接水錘；

（2）根據發生原因的外部條件，可分為啟動水錘，關閥水錘和停泵水錘；

（3）根據水錘的水力特性，可分為剛性水錘和彈性水錘；

（4）根據的水錘的波動現象，可分為無水柱的分離水錘和有水柱的分離水錘。

2.3 水錘的危害

雖然在當前，水錘出現的時間很短，但是由于其發生時能夠產生難以抗拒的巨大沖擊力，而這種沖擊力能夠對設備乃至具體的施工人員造成較大的威脅，因此其危害不容小覷。

水錘會使壓力在管道正常工作壓強的幾倍到幾十倍的大范圍波動，它會造成管道的劇烈振動和管道接頭的斷開，過高的壓強甚至會造成管道爆裂，供水管網的壓力變低。而壓強過低又會導致管道的塌陷，損壞閥門和固定件，從而導致水泵反轉，破壞泵房內設備和管道，泵房被水淹沒，造成較大的經濟損失[2]。

我國西部地區的泵站水錘事故頻頻發生。而這些泵站中多數水錘事故會造成管道炸開，使泵站內部的設備由于受到不可抵抗的沖擊力出現損壞，從而發生嚴重漏水，從而導致整個供水系統暫時性中斷，這些危害尚屬較輕；而造成較為嚴重的危害則可能釀成泵站被水淹沒，泵船沉沒等嚴重事故。甚至還可能造成沖壞鐵路路基、損壞設備、危及工作人員的人身安全等后果。

而對于在火電廠循環水系統中，泵的開啟、事故停泵和閥門的開、閉等，都將造成不同程度的水錘危害。一般而言，在這樣的情況下，整個火電廠內部的管道會由于受到壓力較大出現損壞，使其動力方面不能及時供給，出現停工的情況，使管道內部出現負向的壓力波，引發波后水體回流現象，而波前水體則繼續前進，從而產生水錘現象。一般來說，如果出現這樣的情況，會使供電廠的供電能力受到削弱，影響區域內居民電力的使用，因此應該引起有關人員高度的重視和關注。

3 停泵水錘的相關分析

3.1 停泵水錘的概念

從定義來看的話，停泵水錘指的就是設備在正常工作的過程中突然發生能源中斷的情況，導致管道中的水流速度和壓力出現較大波動的現象。

3.2 引起停泵的原因

發生突然停泵的原因可能有：

（1）整個電力系統由于突發的情況導致出現損壞，或者由于人員方面的錯誤操作引起的能源中斷現象；

（2）惡劣天氣導致的能源斷流；

（3）整個機組出現損壞情況，如聯軸器斷開，泵密封環被咬住，導致電機過載，由保護裝置將能源核心隔離的情況；

（4）在自動化泵站中維護管理不善，導致機組突然斷電。

3.3 停泵水錘的主要特點

在由于電力能源的中斷而出現上述現象時，由于管道在能源供給不足的情況下會自動的尋找替代品，因此在這樣的情況下，就會導致原有的能量平衡被打破。水流的能量高于其防護的能量，出現水錘現象。一般來說，在這樣的情況下，如今的水錘由于屬于能量的傾瀉，因此在停泵水錘具有擴散性強，破壞力大的特點。

3.4 停泵水錘的危害

由于在實際的使用過程中，這種現象主要的能量來自于水流，而水流由于長時間積壓在管道內，因此其能量始終處于聚集的狀態，一旦平衡被打破，就會導致整個水流沿著管路擴散，使管道遭到破壞，甚至會對周圍的人員造成人身安全方面的威脅。

3.5 停泵水錘的防護措施

國內外對于水錘防護的研究已有相當長的一段時間，停泵水錘防護措施也有不少，大致可分為三種類型：

（1）補水（注氣）穩壓，防止水柱分離或升壓過高。其中防止水柱分離主要應從管道布置上考慮，如果地形條件受限，不能變更管路布置，則可考慮在管路的適當地點設置調壓裝置。

1）防止水柱分離，應從管道布置考慮，不要布置成如圖1所示ABC那樣走向，而應布置成AB'C的走向方式。

2）如果地形條件受限，不能變更管路布置，則可考慮在管路的適當地點設置調壓裝置。此類調壓裝置主要有單向調壓室、雙向調壓室、空氣室和氣囊式水錘消除器。

a.調壓室利用擴大的斷面和自由水面反射水錘波，使調壓室上游的有壓引水隧洞較好地避免了壓力管道傳來的水錘波進入壓力引水道，使下游壓力管道中的水錘值降低，減小水錘壓力，縮短了壓力管道的長度，同時也改善了機組在負荷變化時的運行條件。單、雙向調壓室工作原理類似，當管路中發生局部負壓或水柱分離時，止回閥由于水箱靜水位作用而立即開啟，自動向管路中注水，從而避免了斷流彌合水錘所引起的巨大升壓，調壓室一般靠近廠房。

b.空氣室的空氣在水泵正常工作時被壓縮而具有能量。在發生水力過渡過程，管內壓力升高的時侯，空氣室中的空氣就會被壓縮，此時空氣室起到氣墊消能作用；而在管內壓力突然下降或者發生水柱分離的時侯，還能利用壓縮空氣向管路中注水，消減了水錘現象造成的危害。一般可安裝在水泵裝置止回閥的附近。

c.氣囊式水錘消除器避免了使用空氣室時空氣容易隨水流而走的缺點。它有著彈性氣囊及氣體可縮性大的特點，避免了高層建筑輸水管路中的水錘事故。氣囊式水錘消除器由于安裝和維護比較方便，因此廣受好評。一般將消除器安裝在水泵出口處的止回閥后或輸水管路中水柱分離點附近。

（2）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、緩閉止回閥和取消止回閥等。

a.消除器的主要應用價值在于其能夠在水錘現象發生時，在出口壓力下降，平衡即將被打破時，能夠及時自動開啟工作模式，而出現回流現象時，消除器也能夠及時排水，使能量依舊處于平衡的狀況，將水錘對于整個系統的影響降至最低。

b.緩閉止回閥的閥門的緩慢關閉或不全閉，局部可以發生倒流，能有力地降低由于開閘停泵而產生的高壓水錘所帶來的危害，并且能防止水流泄流，使機組的最大反轉速得到控制。其中液壓式緩閉止回閥是一種優秀的分階段緩閉的設施，安裝在水泵的壓水管上可作為閘閥和止回閥兩用。這種閥可以減小管路系統中水的倒流和消除水錘壓力的波動，目前國內已有許多水廠泵站采用。

c.在泵站出口處取消止回閥，水流倒回時，就會經過泵泄回吸水井，因此不會產生很大的水錘壓力，還能減少水頭損失和節省電耗。但倒流的水會沖擊泵倒轉，可能造成軸套退扣。取消止回閥一般只適用于的低揚程非并聯的泵系統。

（3）其他方式。

a.適當地增加管道壁厚、直徑，降低輸水管線的流速；

b.盡量減小管道長度，把泵站由一個變為兩個，使用吸水井把兩個泵站銜接起來；

c.選用轉動慣量GD2較大的水泵機組或加裝有足夠慣性的飛輪，可在一定程度上降低水錘值；

d.改變管道縱斷而布置形式。

4 結論

就當今的科學技術發展來看，在壓力管道中的水錘現象還是難以避免的。水錘具有極大的破壞性，其中水錘現象中最嚴重的停泵水錘需要重點進行防護消除，特別是要在早期的防護工作中下功夫。而在選取防護措施時，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，盡量同時采用幾種措施進行防護。

參考文獻：

[1]蘭景玲.長距離多起伏輸水管道水錘防護研究[D].西安：長安大學.2009.

[2]李愛茹，董文明，淺談“水錘效應”的危害與消除措施[J].科技信息.2010（09）：731.