水锤产生的危害及应急处置措施

摘要：本文首先介绍了水锤产生的原因及其危害，重点分析了发生水锤事故后的应急处置措施在泵站实际运行过程中的应用。制订完善的水锤事故应急救援预案及合理、有效的应急处置措施，并在发生水锤事故时严格按照应急救援预案进行应急处置，可以有效提高水锤事故的处置水平，增强救援工作效率，减少事故可能产生的危害。通过对水锤事故在水厂泵站机组的发生原因及危害性分析，逐步加强水锤防护措施和完善应急处置措施，可以大幅提高生产单位在发生水锤事故后的处置能力和应急救援水平，同时减少发生水锤事故的概率。

关键词：水锤  产生危害原因  应急救援预案  应急处置措施;

如今，随着我国经济建设的快速发展，各类水厂、水站大量投入使用。而水厂、水站的基本组成泵站机组容量、功率越来越大，发生水锤事故的概率也大幅增加，水锤事故产生的危害也更加严重，不但威胁了泵站机组的安全，而且可能发生冲毁设备、厂房，伤害人员造成巨大的经济损失。据调查，全国每年都会发生多起水锤事故，因此做好水锤事故发生后的应急处置就显得尤为重要。同时，PLC技术在高功率、大扬程水泵机组的中逐步推广使用。PLC（可编程序控制器）是专门为工业环境应用而研发的一套数字运算电子系统，其具备了抗干扰能力强、可靠性高、编程简单、组合灵活、维修方便等优点，把其应用到泵站机组中，不仅可以改进或消除传统预防水锤事故技术的缺点，而且还可以实现对泵站机组运行的全程监控，有效提高水泵机组的运行效率，对减少水锤事故产生的危害具有重要意义。

1 水锤概述

1.1 水锤产生的原因

水锤现象主要产生在压力管路中，是指水或其他液体输送过程中，在水泵启停过程中或因设备故障、供电回路中断等原因突然停机及阀门开启或关闭太快，由于管道壁光滑，使得管道内的流速产生剧烈变化而引起管道压力急剧变化而形成的水力冲击[ ]。水锤所引起的压强随着水流速度的加快而增大，在不同的阶段可达到管道正常运行时压强的几倍，甚至几十倍;并且随着水泵功率和扬程增大，产生的压强也越强，使得管道发生了剧烈的震荡，造成了阀门破损、水泵叶轮损坏、管道连接头的断开及管道爆裂等情况。发生水锤事故时，往往产生巨大的声响，就像管道受到锤子敲击一样，所以称之为水锤。

1.2 水锤事故产生的危害

水泵正常運行过程中，阀门快速关闭后，管道中的最大压力随着管道流量的增加而线性递增，并且会出现负压情况[ ]，随后由于流速和水量大小的变化及管道系统的情况而产生各种程度不一样的压力增加，形成了停泵式水锤，一般称为正水锤。与此相反，水泵在启动和运行过程中，由于阀门的开启速度太快，也可能会对水锤造成效应，称之为负水锤。而负水锤产生的危害通常要比正水锤小很多。

水泵运行过程中发生水锤事故的现象最为普遍，在我国西部地区，由于地形复杂、高差起伏导致输水管道距离长、压力高、扬程大便增加了发生水锤的概率。通过对多起水锤事故的研究可以发现：发生水锤事故轻则会造成管道的破裂，打烂止回阀的顶盖或壳体造成管道内大量积水回流至泵坑。严重时会导致泵站被淹没，电机等电气设备短路、烧毁，还可能因为水锤事故，造成冲毁厂房、引起人身伤亡等情况，同时因停泵还会造成供水中断事故。

2 生产中水锤事故的防护措施

供水系统中停泵水锤是最常见的正水锤事故，目前已有很多种防护措施来解决这类水锤问题，而对预防停泵水锤危害的应用，常采取以下几种类型。

2.1 合理采用防水锤的设备、设施，通过注水或注空气稳压

防水锤主要目的是控制住从出水口到进入泵体之间的压力变化，防止其内部发生真空与断流的空腔从而使其产生过高的压力，常用的类型有单向设置调压塔、双向设置调压塔及空气缓冲阀。

（1）单向设置调压塔是为了有效缓解液柱分离再弥合现象的发生，水锤压力在管道设计压力范围之内[ ]。输水系统管路因为具有较大的流量和较高的扬程，所以在发生事故时可能会形成断流弥合水锤的情况[ ]。分析长距离输水管线断流弥合水锤发生机理、防护措施[ ]，单向调压塔通常都是设置在输水系统管路上容易出现发生溢流负压及其与水柱完全分离的主要输水节点上的位置。

（2）双向设置调压塔则同时具有对管道注水和内部泄水进行缓冲的双向设置保护，其主要的双向设置工作原理是为了有效地达到防止在较大注水压力下或在输水干管中继续产生较大的注水负压，一旦输水管道内部的注水压力继续减少，调压塔迅速向输水管道内部注水进行加压补水，以有效地防止在较大注水压力下或在输水干管中继续产生较大的注水负压。为了有效地保护防止在电机启动产生过大的启动负压，双向调压塔应当设置在可能产生负压的管道附近。

（3）空气缓冲阀是指在水泵停泵后，当管路上某节点处的压强低于当地大气压强时，大气中的空气就经过空气缓冲阀自动被吸入管路内，从而防止了真空进一步增高。当冲击水流返回时，管道内空腔体积也开始缩小，这时阀门自动关死，腔中的空气受到进一步压缩并使冲击水流流速减小，从而起到空气垫的作用，同时对断流和弥合水锤的升压起到缓冲和降低的作用。

2.2 合理选择阀门种类，通过阀门调节与控制稳压。

延长阀门开启和关闭时间，可以减少输水管道内部流速的变化及其梯度，从而可以有效地减小压力波动使水锤的压力降低，也可以考虑选择两个阶段关闭的自动可控阀和不同形式的自动缓闭止回阀，来避免压力陡升。常见的措施包括安装停泵水锤消除器、防爆膜、设置旁通管和液控止回阀。管道中的水在停泵后的最早阶段主要依靠惯性以及逐渐减慢的速度继续向前流动，在逐步降至零后再次在重力作用下开始向水泵方向倒流且速度也逐步增大，当水的倒流速度达到一定程度时，止回阀很快就会关闭，会对水泵产生很强的冲击力，即形成了水锤;而且供给水地形的高差越大，压力升高也越大，产生的危害也更高。采用液控止回阀是其中最有效和最经济的预防水锤技术方法。

3 运行管理上的防水锤事故措施

对泵站运行加强管理是防止发生水锤事故的重要安全技术措施，运行操作人员是生产事故风险管控“人机环管”4个方面中最重要的一环。在运行管理上首先应加强运行操作人员岗位技术培训和岗位标准作业流程、运行规程等相关规则制度的培训，使職工能够熟练掌握设备的操作技能，在运行中能够严按照规程操作设备。同时，在运行过程中应能够在PLC集控系统上及时调整水泵机组的运行参数使其达到最佳运行工况。运行人员要定期对设备的巡查，发现事故隐患能够及时进行处理。在设备的检修和维护时，应加强水锤防护设备如重力液控止回阀、电动阀、管路干线上的排补气阀等设施的检修维护，使这些阀门能够保持完好状态，在发生水锤事故时能正常发挥作用。同时，PLC自动化程控系统的应用可以使水泵机组2个时段的关阀时间控制得更加精确。通过对以上几个方面加强管控，也能降低水锤事故的发生几率。

4 水锤事故应急处置措施

水锤事故大多数是因为电力系统故障或水泵机组的一些机械故障所导致的当水泵机组突然停止运行时，在水泵管道中的水流量和速度急剧改变而引发的压力突变。对于采用压力流的长距离输水管线，水锤防护措施对于保障管网稳定运行至关重要[ ]。同时，随着PLC自动化控制系统的广泛普及，水泵的启动和停止也已经实现了远程自动控制，因自动化电器元件故障、电动阀设备故障、液控止回阀设备故障等所引起的停泵水锤事故发生的可能性和概率也有所增加。下文将着重讲解一下小沙湾水厂二级泵站的水锤事故应急处置措施。

4.1 系统概况

小沙湾水厂位于小沙湾水源黄河西岸，承担着黄河正常水位时取水任务，水厂的二级泵站主要生产设备有7L1800-6/1730斜流泵机组5台及配套的液控止回蝶阀、电动阀等，设计取水能力为1.0m³/s，日供水10万t。二级泵站机组在生产运行中，由于主机启、停机操作不当或突然停电等其他突发事故，液控止回阀未能自动关闭，在进行手动操作时又失灵，就可能引发重大水锤事故。为预防水锤事故发生，在9.1km长的两条DN800mm输水管线上设置了4个单向调压塔1个双向调压塔，26个排补气阀和4个安全阀作为基本的水锤防护措施。

4.2 发生水锤事故的原因及危害性

小沙湾水厂二级泵站可能造成水锤事故的设备有5台立式斜流泵机组、液控止回蝶阀、电动阀及管道系统。在生产运行中，由于主机启、停操作不当或在突然断电、设备故障的情况下，当液控止回阀不能自动关闭或手动进行关闭操作也失灵时，存在引发重大水锤事故的可能将会导致泵站内作业人员伤亡及设备设施的毁坏。造成供水事故，影响供水单位的正常生产;同时，水锤事故发生后将会对厂房、建筑物、厂区、道路、通信等部分或全部造成毁灭性破坏。

4.3 现场应急处置措施

4.3.1 紧急操作措施

事故现场人员在进行事故报告的同时，为减少事故损失，应立即启动生产安全事故应急救援预案或现场应急措施处置方案，并立即通知各应急救援小组，准备救援人员、设备及救援物资。

4.3.2 水锤事故应急措施：

当二级泵站发生水锤事故时，应立即通知闸阀室关闭相应管线上的阀门，同时根据事故现场实际情况实施救援。全液控止回阀和重锤式液控止回阀在水泵机组防水锤应用上使用较为广泛，是一种经济、可靠的防水锤设备。当管道中的水发生瞬变运动时，对于止回阀的要求是：在动力中断时能够正常开启或关闭，而且应满足管道中水的流动状况对开启和关闭速度的要求。过快或过慢的启闭速度都会造成系统管路中流体的压力突然升高或下降，当压力达到足够大时就会造成管道、阀门等的损坏，这也是造成水锤事故的主要原因之一。实际使用中，因液控止回阀的液压控制系统活动部件过度磨损、液压管衰老等原因造成油液泄漏等故障进而导致阀门失灵的现象时有发生。当这种情况发生时，就应严格按照紧急操作步骤手动关闭液控止回阀和重锤式液控止回阀。全液控止回阀手动关闭操作步骤如下。

（1）手动拔销，首先用手动装置关闭DT1电磁阀DT2打开。

（2）当液控拔销未动作时，需摇动手摇泵进行手动拔销，直至液控阀关闭。5#液控阀：使用专用工具手动将电磁阀YV2、YV3动作，且保持其动作状态，直至关闭。

（3）电液换向阀不能工作时，可打开截止阀，使油缸回油。

重锤式液控止回阀手动关闭操作步骤如下：

（1）关闭电磁阀DT2：手动顺时针旋转电磁阀DT2到位。

（2）同时打开电磁阀DT1：手动顺时针旋转电磁阀DT1到位（要求DT2关闭速度大于DT1开阀速度）。

（3）如果步骤（1）、步骤（2）步未能实现液控拔销时，需要使用手动摇泵进行拔销。

（4）逆时针旋转截止阀使其打开，重锤下落到位。

（5）液控止回阀手动关闭后进行DT1、DT2、截止阀复位。

如已发生管道、阀门等损坏造成管道内水溢出，为减少事故损失，事故现场人员在进行事故报告的同时，应立即实施打开相关的泄水阀，抢险应急救援小组立即安装潜污泵进行排水并进行其他应急处置措施。

4.4 应急处置和救援时的注意事项

（1）应急处置人员必须穿戴好符合安全要求的防护用品，携带救援器材进行现场前，应能熟练掌握和操作救援器材，水锤事故的主要救援设备有水泵、发电机、应急救援车辆等。

（2）进入救援现场后，首先应对受伤人员进行救护，并在保证现场人员不受伤害的情况下展开对设备、设施的应急救援处置。水锤事故一旦发生，往往会对人员和设备产生巨大的伤害，人员会发生触电、撞击、溺水等危险，因此，要寻找最安全的环境，来确保自身安全。遇到危险应大声呼救，要对现场环境有充分的认识，确认是否有危险发生，并尽快转移到安全地带。

（3）现场应急处置时要充分进行评估，在能力范围内可以施救的要及时施救，超出能力范围的，要充分做好救援准备，等待救援条件成熟后再进行施救。

（4）应急救援结束后，要对救援人员人数进行清点，对救援的设备、设施数量、种类进行确认。同时，对事故现场要做最后确认，事故现场无任何人员留存及设备、设施在可控状态。救援现场一定要做好警示、警戒工作，救援人员要配合得当，服从指挥，统一按照应急救援方案实施救援，确保救援工作有条不紊地进行。

5 结语

大型泵站机组的启停机程序都比较复杂，需要严格按照步骤进行启停机操作。由于技术、设备等条件制约及运行操作人员技术水平的差异和可能发生的操作失误，以上因素导致发生水锤事故的现象也时有发生。如何简化水泵机组的启、停机操作步骤并实现一体化、自动化控制是技术人员需要解决的难题。通过PLC技术把压力、液位、流量、电流等相关数据融入PLC控制程序中，经过数据比对并自动进行相应的调整控制，使启停机操作实现自动化并更加精确，这需要经过大量的数据分析和实际经验相结合，才能编制出科学有效的控制程序，也就可以大大减少水锤事故发生的概率。当然很多突发状况下，还有可能发生水锤事故。而建立完备的水锤事故现场应急处置方案，预先制定好完善的应急处置措施，可以在水锤事故发生时极大地减少事故产生的危害，降低人员及财产损失。

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作者简介：李炳举（1971—），男，本科，工程师，主要从事工程技术、PLC技术、安全科学技术等方面的研究。