停泵水锤及其防护措施

张 雷

（中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430070）

停泵水锤及其防护措施

张 雷

（中南建筑设计院股份有限公司，武汉 430070）

本文介绍了水锤现象中最为严重的停泵水锤的概念，造成突然停泵的原因及其停泵水锤的主要特点和危害。针对停泵水锤现象，还重点介绍了一些具体的防护措施以消除停泵水锤现象及应注意的事项。

水锤；停泵水锤；防护措施

1. 水锤基本概念

液体在管道输送中，经常会出现水锤。水锤也称水击，是压力管道中由于水流速度发生骤然变化而引起压力变化的一种水力过渡现象，也称瞬变流。即在压力管道中，当水流因某种原因而产生流速的急剧变化时，由于流体的惯性作用而引起管道内液体的压力升高或降低。这种改变可能是正常的流量调节，或者是事故而使流量堵截，从而使该处压力产生一个突然的跃升或下跌，这个压力的瞬变波称为水锤。

如图1-1所示：有一水位不变水深为H0的水箱，通过管道输水，稳态时阀门全开，如忽略沿程和局部阻力，水力坡度线为HGL，管中流速为V0，倘若由于某种原因阀门突然瞬间关闭，则A点流速突然滞止为零，则在阀前A点出现突然的压力升高，称为正水锤或正压波，而在阀后B点出现突然的压力降低，称为负水锤或负压波。水锤压力以HΔ表示，并以波的形式，以波速a向全管传播，压力波所到之处，均在基础压力上叠加一个HΔ，按照水锤理论，若关阀时间T0小于2L／a，这时产生的水锤最大，称它为直接水锤，其计算公式如下：

其中，a为水锤波传播的速度，它与液体介质持件、管材和管道几何尺寸有关；g为重力加速度；VΔ是由阀门关闭引起管内速度的变化。一般钢管a大约在1000 m/s左右，若管内流速为3～4m／s。则突然关阀引起的水锤压力约为(30～40) ×105N／m2，并以每秒一公里左右的速度传至全管，这时如果管中某处有缺陷，或管道强度和设备强度不够，便可能发生水锤爆管和设备损坏事改。这种事故在设计和运行中应该加以分析和考虑，要力求避免。

2 .停泵水锤

2.1 停泵水锤概念

管路中的水锤多与泵的启动、停泵以及和泵连在一起的阀门的开闭有关，尤其是和事故停泵有关。离心泵本身供水均匀，正常运行时在水泵和管路系统中不产生水锤危害。一般的水泵操作规程规定，在停泵前需将压力管路上阀门逐步关闭，使管内流速缓慢降低，因而停泵时不会引起水锤。

停泵水锤是水锤现象中的一种，是指水泵机组因突然断电或其他原因而造成的开阀状态下突然停车时，在水泵及管路系统中，因流速突然变化而引起的一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象。一般情况下停泵水锤最为严重，其对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾发生停泵水锤而导致泵房淹没或管路破裂的重大事故。

2.2 突然停泵的原因

泵站工作人员失误操作、外电网事故跳闸以及自然灾害（大风、雷击、地震）等原因均可能导致水泵机组突然断电，此时在泵站及管路系统中会发生水锤现象。

产生突然停泵的原因可能有：

（1）由于电力系统或电器设备突然发生故障，人为的操作错误等致使电力供应突然中断。

（2）雨天雷电引起突然断电。

（3）水泵机组突然发生机械故障，如联轴器断开或水泵密封环被“咬”住，以致水泵转动发生困难而使电机超载，由于保护装置的作用马上将电机切除。

（4）在自动化泵站中，由于维护管理不善，也能致使机组突然断电。（5）对中、小型水泵为了简化自动控制，而采取开闸开、停车。

2.3 停泵水锤的主要特点

停泵水锤的主要特点是：突然停电（泵）后，水泵工作特性开始进入水力暂态（过渡）过程，其第I阶段为水泵工况阶段。在此阶段中，由于停电主驱动力矩消失，机组失去正常运行时的力矩平衡状态由于惯性作用仍继续正转，但转速降低（机组惯性大时降得慢，反之则降得快）。机组转速的突然减少导致流量减少和压力降低，所以先在泵站处产生压力降低。这点和关阀水锤显然不同。此压力降以波（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传播，并在高位水池处引起升压波（反射波），此反射波由水池向管路首端及泵站传播。

2.4 停泵水锤的危害

泵的作用有两点：(1)主要是克服重力，把液体泵向高位处；(2)主要是克服摩擦力，远距离输运液体。当突然停泵时，对第一种情况就会产生液体倒流，如果没有止回阀装在泵后，倒流的液体将使水泵飞逸反转，在泵内产生高压，严重时破坏泵的结构，而对第二种情况，有可能使吸水管中压头升高，输水管中产生低压，造成液柱分离，这也会引起管路的破坏。

2.5 停泵水锤防护措施

纵观所有水锤防护装置与设备，都有一个共同的要素(目的)，即试图降低泵管系统中流速变化(下降)的梯度。

泵系统中停泵水锤这一水力过渡过程是由降压开始的。因此，目前已有多种防护措施来解决这类由降压波的发生与传播开始的水锤升压问题，其出发点多数是建立在对停泵水锤危害的早期防治上并大致可归纳为四种类型：

一、注水(补水)或注空气(缓冲)稳压，从而控制住系统中的水锤压力振荡，防止了真空和断流空腔再弥合水锤过高的升压。属于这种类型的有单向调压塔(ONE-WAY SURGETANK)或单向调压(水)池、空气罐、注空气(缓冲)阀以及(双向)调压塔等。

（1）双向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，双向调压塔的水面高度应高于输水管道终点接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损失。调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效地避免或降低水锤压力。

（2）单向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱拉断，避免弥合水锤。

（3）气压罐：国内使用经验不多，在国外使用较广泛。它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似。

二、合理选择阀门种类，延长其启闭历时——进行阀门调节与控制

阀门缓慢地关闭和开启，可减小输水干管中流速的变化率——梯度，从而可以减小水锤压力的升高和降低。为此，可选用(对较重要的泵系统，必须进行计算机动态模拟和方案比较)两阶段关闭的可控阀(如蝶阀)或各种形式的缓闭止回阀。

三、泄水降压，避免压力陡升。属于这种类型的有停泵水锤消除器、防爆膜、设置旁通管以及取消止回阀等。

（1）水锤消除器：80年代以前曾经广为采用。它安装于止回阀附近，管道中的水锤压力通过开启的水锤消除器泄掉。

（2）缓闭止回阀是止回阀的一种，它通过缓闭的形式来消除水锤，形式很多，简易可行，获得了较为普遍的应用。

（3）爆破膜片类似于电路上安装保险丝，当管路中由于水锤升压超过预定值时，膜片自动破裂，水流外泄，起到泄水降压的消除水锤效果。

2.6 注意事项

另外，在选择停泵水锤的防护措施时要注意以下几点：

(1)所选用的防护措施,应与所出泵站及管路系统的规模、作用、对安全性的要求及技术(管理)水平相适应,并尽可能选择技术安全可靠、经济合理、管理维修方便的防护措施。

(2)在有可能产生水锤危害的情况下，应早期防治。如在泵站及管路系统的设计、管材走向的选定、水泵机组和管材的选用以及管内流速的确定等方面，都应考虑采取消除或减轻水锤危害的措施。

(3)根据具体情况,尽可能采用综合性防范措施(几种措施同时采用)，以提高防护功能的安全可靠性。

(4)对防护措施的管理维护及操作等方面的要求,应给予足够的重视，国内不少重大泵站停泵水锤事故，都是由于对防护设备维修不善或失误操作造成的。

(5)防护措施的选择，必须与停泵水锤精确计算及相互分析相配合，同时进行。

(6)防护措施必须技术可行，经济适用。

3 .结束语

水锤现象具有极大的破坏性，一般情况下水锤现象中最严重的是停泵水锤现象。停泵水锤可能导致泵站和输水系统发生严重事故，应根据具体情况采取补水（注气）稳压、泄水降压以及其他相应的措施来消除停泵水锤或消减水锤压力。

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1007-6344（2015）10-0018-02

张雷，1982－，男。