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水锤现象的危害及防护措施

2025-01-02113

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。它对水泵机组和管道系统的危害性很大。一般情况下，水泵在正常运行和正常停泵过程中是不会发生水锤的。

典型事故

案例一：

某大型化工厂的物料输送管道事故

事故经过：在物料输送过程中，操作人员误操作快速关闭了一段管道的主阀门，引发了严重的水锤现象。巨大的冲击力导致管道破裂，物料泄漏，不仅造成了生产中断，还引发了环境污染和安全隐患。

原因分析：操作人员的错误操作是直接原因。此外，管道系统在设计时没有充分考虑水锤的影响，缺乏有效的防护装置。

案例二：

某热电厂的蒸汽管道事故

事故经过：在蒸汽管道的疏水阀突然关闭时，产生了强烈的水锤，造成管道支架变形，部分管道位移。

原因分析：疏水阀的关闭动作过于急促，且管道支架的设计和安装未充分考虑水锤的作用。

案例三：

某工厂工业管道系统事故

事故经过：工厂的一台大型水泵在运行过程中突然停电停机。由于没有配备有效的防止水锤的装置，水的惯性作用导致水流迅速反向流动，产生强烈的水锤冲击。这一冲击使得多个管道连接处松动，部分阀门损坏，生产被迫中断，造成了较大的经济损失。

原因分析：突然停电导致水泵骤停，而管道系统缺乏有效的防护措施，如缓闭止回阀或水锤消除器等。此外，日常的维护和检查工作不到位，未能及时发现和更换可能存在隐患的管道部件。

水锤现象分类

从不同角度，水锤现象可分为4类：

（1）按关阀历时与水锤相的关系分为直接水锤现象和间接水锤现象；

（2）按水锤波动情况可分为水柱连续水锤现象和水柱分离水锤现象；

（3）按水锤水力特性可分为刚性水锤现象和弹性水锤现象；

（4）按水锤成因的外部条件可分为启动水锤现象、关阀水锤现象和停泵水锤现象。

水锤计算方法

水锤分析计算可以采用解析法、图解法、特征线法以及有限元法。

解析法和图解法忽略了摩擦阻力的影响，对复杂边界条件的处理也比较粗糙，计算精度较差。

采用有限元法计算机用时并不减少，且边界条件处理不如特征线法方便。

采用特征线法，可较精确地考虑沿程摩阻和局部摩组队水锤计算的影响，能方便地处理各种复杂边界条件，如串联管道、分岔管道、阀门、调压室、机组等处的边界条件，计算精度可以大大提高。

停泵水锤有哪些危害

停泵水锤是水锤现象的一种，是由于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，导致水泵机组突然断电，造成停车而在泵站及管路系统中发生的水锤现象。

根据调查发现，很多的水锤事故都属于停泵水锤事故，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。

水锤现象的延续时间虽然短暂，但它造成的工程事故不容忽视，轻则水泵机组产生振动和水力撞击噪声；严重时，水泵机组震坏，管道锤裂造成停水事故。如因事故停泵在管路中产生水柱分离和断流弥合水锤，则其破坏力更为严重。

停泵水锤，如何防护

由于停泵水锤可能导致泵站和输水系统发生严重事故，因此有必要根据具体情况采取相应的措施来消除停泵水锤或消减水锤压力。目前为止，已经有多种停泵水锤防护措施，大致可以分为：

1、补水（注气）稳压

补水（注气）稳压可防止产生水柱分离或升压过高的断流弥合水锤。属于这种类型的有双向调压室、单向调压室及气压罐。

（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。

2、泄水降压

泄水降压可避免压力陡升，属于这种类型的有停泵水锤消除器、缓闭止回阀、爆破膜片等。

（1）停泵水锤消除器主要有三种类型，下开式停泵水锤消除器、自闭式停泵水锤消除器、自动复位停泵水锤消除器。它们在工作原理上类似，即当停泵过程中，当出口压力下降到一定值时，消除器开启，当水锤升压波向水泵返回时，由消除器向外排水，从而消除水锤。水锤消除器保护干管的长度，一般不超过800m。

（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。缓闭止回阀有重锤式和蓄能式两种。这种阀门可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。一般在停电后3～7s内阀门关闭70%～80%，剩余20%～30%的关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在10～30s范围。

（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。

3、其他类型

（1）适当增加管道直径、壁厚，降低输水管线的流速，这样可以在一定程度上降低水锤压力。

（2）减少管道长度，由一个泵站变为两个泵站，用吸水井把两个泵站衔接起来。

（3）选用转动惯量较大的水泵机组或加装有足够惯性的飞轮，可在一定程度上降低水锤值。

（4）改变管道纵断面布置形式。在输水管线布置时应尽量避免出现坡度剧变的情况。

防护水锤，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。