一起停泵水錘事故的分析及防護措施

李 宏

（西北地勘局711總隊，陜西 略陽 724308）

一、事故概況

2010年6月2日9時左右，何家巖金礦井下新建的排水系統在調試過程中做模擬電力突然中斷的測試。在斷電的一瞬間隨著一聲巨響，D280多級泵出口處的不銹鋼緩沖器嚴重拉升變形成麻花狀，直徑273mm的排水管線有明顯的位移，多處焊縫破裂，水泵葉輪高速反轉，水泵出口止回閥閥芯破裂，所幸沒有造成人員傷亡和淹井事故的發生。

二、原因分析

很明顯這是一起停泵水錘事故。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，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。對泵房和管路的安全有極大的威脅，國內有幾座水泵房曾因停泵水錘而導致淹沒泵房管路破裂的重大事故。停泵水錘的主要成因是：突然停電(泵)后，由于主驅動力矩消失，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)，壓水管中的水，在斷電后的最初瞬間靠慣性作用，以逐漸減慢的速度繼續向高位水池方向流動，然后流速降至零，管路中的水在重力水頭的作用下，又開始向水泵站方向倒流，速度又由零逐漸增大，引發水錘現象。

1.在水泵出口處設有普通止回閥。當管路中倒流水流的速度達到一定程度時，止回閥突然關閉，引起壓力的急劇上升，特別是水泵機組慣性小、供水地形高差大時，壓力升高也大，最高壓力幾乎可達正常壓力的兩倍，這種帶有沖擊性的壓力突然升高能擊毀管路或其他設備。國內外大量的實踐證明，停泵水錘的發生主要是因為水泵出口處止回閥的突然關閉引起的。

2.水錘危害及易發生的條件。突然停泵不僅會造成水泵及管路壓力增高，同時不管水泵出口處有無止回閥，突然停泵后，在管路中某處的壓力降到當時水溫的飽和蒸汽壓力以下時，液態水汽化，造成水柱分離形成“空管腔”。當分離的水柱重新彌合時或“空管腔”重新被水充滿時，由于兩股水柱間的劇烈碰撞會產生壓力很高的“斷流水錘”。斷流水錘的升壓比連續水流水錘的升壓更高，危害也更大。停泵水錘易發生于下列情況：一是單管向高處輸水，供水地形高差超過20m時；二是水泵總揚程（或工作壓力）大；三是輸水管道內流速過大，排水管路較長。

三、停泵水錘防護措施

1.降低輸水管路的流速，可在一定程度上降低水錘壓力。排水系統在設計過程中盡可能按規范選擇排水管線直徑，一般排水管路經濟流速按1.5～2.2m/s選擇，吸水管路流速按0.8～1.5m/s選擇。

2.排水管路布置時應盡量避免出現駝峰或坡度劇變，在轉彎過程中做到緩慢過渡，排水管路要加固牢靠，防止應力突變產生較大的位移。

3.設置水錘消除裝置。

（1）雙向調壓塔。在泵站附近或管路的適當位置修建雙向調壓塔，其水面高度應高于輸水管路終點接收水池的水面高度并考慮沿途管路的水頭損失。調壓塔將隨著管路中的壓力變化向管路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。這種方式安全可靠，但其應用受到泵站壓力和周邊地形的限制。

（2）單向調壓塔。在泵站附近或管路的適當位置修建單向調壓塔，其高度低于該處的管路壓力。當管路內壓力低于塔內水位壓時，調壓塔向管路補水，防止水柱拉斷，避免斷流水錘。但其對停泵水錘以外的水錘，如關閥水錘的降壓作用有限。此外單向調壓塔采用的單向閥的性能要絕對可靠，一旦該閥門失靈，可能導致發生較大的水錘。

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

（4）水錘消除器。20世紀80年代以前曾經廣為采用，它安裝于止回閥附近。管路中的水錘壓力通過開啟的水錘消除器泄掉，但某些水錘消除器無自動復位功能，容易因誤操作導致發生水錘。

（5）緩閉止回閥。有重錘式和蓄能式兩種。這種閥門可以根據需要在一定范圍內對閥門關閉時間進行調整，一般在停電后3～7s內閥門關閉70%～80%，剩余20%～30%的關閉時間則根據水泵和管路的情況調節，一般在10～30s范圍內。值得注意的是，當管路中存在駝峰而發生彌合水錘時，緩閉止回閥的作用就十分有限。

四、整改應用情況

何家巖金礦組織人員認真分析了這次停泵水錘事故的原因，給出了兩個結論：一是安裝在水泵出口的普通止回閥不論是耐壓強度還是結構都不符合本次排水系統要求；二是排水管路的固定不牢固，容易使管路產生位移。該礦新建的排水系統排水揚程130m，日平均排水6 000～8 000m3。通過重新對排水流速的驗算得知排水管流速為1.8m/s，吸水管流速為1.6m/s，兩項技術要求均符合相關規定。針對這次事故教訓并結合該礦井下現場狀況，決定從三個方面進行整改。

1.對排水管路重新加固，尤其對水泵出口及泵站內的管路重點加固，使排水管路的徑向、軸向位移降到最低限度。

2.更換水泵出口普通止回閥為耐壓2.5MPa的重錘式緩閉止回閥，該閥對于降低停泵水錘有明顯效果。緩閉止回閥的使用應結合具體情況，快慢兩個階段的關閥歷時應根據泵房水泵性能和輸水管路的邊界條件進行計算機模擬，得出最佳的理論時間組合，并在試驗運行中調整，以期獲得最佳關閥歷時分配。

3.在水泵的電氣控制方面采用了軟啟動器，做到了正常情況下的軟啟動軟停車，大大降低了啟泵水錘和停泵水錘的危害。

通過以上的技術整改措施，該礦新建的排水系統于2010年6月15日正式運行。截止目前累計排水240萬m3，日平均排水6 600m3，泵站運行狀況良好。不管是正常停泵還是突然停泵，水錘效應均得到了抑制，排水系統機電設施完好率為100%。

[1]礦山機械.冶金工業出版社，1984.

[2]流體力學.高等教育出版社，1999.