一起停泵水锤事故的分析及防护措施

李 宏

（西北地勘局711总队，陕西 略阳 724308）

一、事故概况

2010年6月2日9时左右，何家岩金矿井下新建的排水系统在调试过程中做模拟电力突然中断的测试。在断电的一瞬间随着一声巨响，D280多级泵出口处的不锈钢缓冲器严重拉升变形成麻花状，直径273mm的排水管线有明显的位移，多处焊缝破裂，水泵叶轮高速反转，水泵出口止回阀阀芯破裂，所幸没有造成人员伤亡和淹井事故的发生。

二、原因分析

很明显这是一起停泵水锤事故。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，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。对泵房和管路的安全有极大的威胁，国内有几座水泵房曾因停泵水锤而导致淹没泵房管路破裂的重大事故。停泵水锤的主要成因是：突然停电(泵)后，由于主驱动力矩消失，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)，压水管中的水，在断电后的最初瞬间靠惯性作用，以逐渐减慢的速度继续向高位水池方向流动，然后流速降至零，管路中的水在重力水头的作用下，又开始向水泵站方向倒流，速度又由零逐渐增大，引发水锤现象。

1.在水泵出口处设有普通止回阀。当管路中倒流水流的速度达到一定程度时，止回阀突然关闭，引起压力的急剧上升，特别是水泵机组惯性小、供水地形高差大时，压力升高也大，最高压力几乎可达正常压力的两倍，这种带有冲击性的压力突然升高能击毁管路或其他设备。国内外大量的实践证明，停泵水锤的发生主要是因为水泵出口处止回阀的突然关闭引起的。

2.水锤危害及易发生的条件。突然停泵不仅会造成水泵及管路压力增高，同时不管水泵出口处有无止回阀，突然停泵后，在管路中某处的压力降到当时水温的饱和蒸汽压力以下时，液态水汽化，造成水柱分离形成“空管腔”。当分离的水柱重新弥合时或“空管腔”重新被水充满时，由于两股水柱间的剧烈碰撞会产生压力很高的“断流水锤”。断流水锤的升压比连续水流水锤的升压更高，危害也更大。停泵水锤易发生于下列情况：一是单管向高处输水，供水地形高差超过20m时；二是水泵总扬程（或工作压力）大；三是输水管道内流速过大，排水管路较长。

三、停泵水锤防护措施

1.降低输水管路的流速，可在一定程度上降低水锤压力。排水系统在设计过程中尽可能按规范选择排水管线直径，一般排水管路经济流速按1.5～2.2m/s选择，吸水管路流速按0.8～1.5m/s选择。

2.排水管路布置时应尽量避免出现驼峰或坡度剧变，在转弯过程中做到缓慢过渡，排水管路要加固牢靠，防止应力突变产生较大的位移。

3.设置水锤消除装置。

（1）双向调压塔。在泵站附近或管路的适当位置修建双向调压塔，其水面高度应高于输水管路终点接收水池的水面高度并考虑沿途管路的水头损失。调压塔将随着管路中的压力变化向管路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。这种方式安全可靠，但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。

（2）单向调压塔。在泵站附近或管路的适当位置修建单向调压塔，其高度低于该处的管路压力。当管路内压力低于塔内水位压时，调压塔向管路补水，防止水柱拉断，避免断流水锤。但其对停泵水锤以外的水锤，如关阀水锤的降压作用有限。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。

（3）气压罐。国内使用经验不多，在国外（英国）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路补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似。

（4）水锤消除器。20世纪80年代以前曾经广为采用，它安装于止回阀附近。管路中的水锤压力通过开启的水锤消除器泄掉，但某些水锤消除器无自动复位功能，容易因误操作导致发生水锤。

（5）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范围内。值得注意的是，当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用就十分有限。

四、整改应用情况

何家岩金矿组织人员认真分析了这次停泵水锤事故的原因，给出了两个结论：一是安装在水泵出口的普通止回阀不论是耐压强度还是结构都不符合本次排水系统要求；二是排水管路的固定不牢固，容易使管路产生位移。该矿新建的排水系统排水扬程130m，日平均排水6 000～8 000m3。通过重新对排水流速的验算得知排水管流速为1.8m/s，吸水管流速为1.6m/s，两项技术要求均符合相关规定。针对这次事故教训并结合该矿井下现场状况，决定从三个方面进行整改。

1.对排水管路重新加固，尤其对水泵出口及泵站内的管路重点加固，使排水管路的径向、轴向位移降到最低限度。

2.更换水泵出口普通止回阀为耐压2.5MPa的重锤式缓闭止回阀，该阀对于降低停泵水锤有明显效果。缓闭止回阀的使用应结合具体情况，快慢两个阶段的关阀历时应根据泵房水泵性能和输水管路的边界条件进行计算机模拟，得出最佳的理论时间组合，并在试验运行中调整，以期获得最佳关阀历时分配。

3.在水泵的电气控制方面采用了软启动器，做到了正常情况下的软启动软停车，大大降低了启泵水锤和停泵水锤的危害。

通过以上的技术整改措施，该矿新建的排水系统于2010年6月15日正式运行。截止目前累计排水240万m3，日平均排水6 600m3，泵站运行状况良好。不管是正常停泵还是突然停泵，水锤效应均得到了抑制，排水系统机电设施完好率为100%。

[1]矿山机械.冶金工业出版社，1984.

[2]流体力学.高等教育出版社，1999.