水錘產生的危害及應急處置措施

摘要：本文首先介紹了水錘產生的原因及其危害，重點分析了發(fā)生水錘事故后的應急處置措施在泵站實際運行過程中的應用。制訂完善的水錘事故應急救援預案及合理、有效的應急處置措施，并在發(fā)生水錘事故時嚴格按照應急救援預案進行應急處置，可以有效提高水錘事故的處置水平，增強救援工作效率，減少事故可能產生的危害。通過對水錘事故在水廠泵站機組的發(fā)生原因及危害性分析，逐步加強水錘防護措施和完善應急處置措施，可以大幅提高生產單位在發(fā)生水錘事故后的處置能力和應急救援水平，同時減少發(fā)生水錘事故的概率。

關鍵詞：水錘? 產生危害原因? 應急救援預案? 應急處置措施;

如今，隨著我國經濟建設的快速發(fā)展，各類水廠、水站大量投入使用。而水廠、水站的基本組成泵站機組容量、功率越來越大，發(fā)生水錘事故的概率也大幅增加，水錘事故產生的危害也更加嚴重，不但威脅了泵站機組的安全，而且可能發(fā)生沖毀設備、廠房，傷害人員造成巨大的經濟損失。據調查，全國每年都會發(fā)生多起水錘事故，因此做好水錘事故發(fā)生后的應急處置就顯得尤為重要。同時，PLC技術在高功率、大揚程水泵機組的中逐步推廣使用。PLC（可編程序控制器）是專門為工業(yè)環(huán)境應用而研發(fā)的一套數字運算電子系統(tǒng)，其具備了抗干擾能力強、可靠性高、編程簡單、組合靈活、維修方便等優(yōu)點，把其應用到泵站機組中，不僅可以改進或消除傳統(tǒng)預防水錘事故技術的缺點，而且還可以實現對泵站機組運行的全程監(jiān)控，有效提高水泵機組的運行效率，對減少水錘事故產生的危害具有重要意義。

1 水錘概述

1.1 水錘產生的原因

水錘現象主要產生在壓力管路中，是指水或其他液體輸送過程中，在水泵啟停過程中或因設備故障、供電回路中斷等原因突然停機及閥門開啟或關閉太快，由于管道壁光滑，使得管道內的流速產生劇烈變化而引起管道壓力急劇變化而形成的水力沖擊[ ]。水錘所引起的壓強隨著水流速度的加快而增大，在不同的階段可達到管道正常運行時壓強的幾倍，甚至幾十倍;并且隨著水泵功率和揚程增大，產生的壓強也越強，使得管道發(fā)生了劇烈的震蕩，造成了閥門破損、水泵葉輪損壞、管道連接頭的斷開及管道爆裂等情況。發(fā)生水錘事故時，往往產生巨大的聲響，就像管道受到錘子敲擊一樣，所以稱之為水錘。

1.2 水錘事故產生的危害

水泵正常運行過程中，閥門快速關閉后，管道中的最大壓力隨著管道流量的增加而線性遞增，并且會出現負壓情況[ ]，隨后由于流速和水量大小的變化及管道系統(tǒng)的情況而產生各種程度不一樣的壓力增加，形成了停泵式水錘，一般稱為正水錘。與此相反，水泵在啟動和運行過程中，由于閥門的開啟速度太快，也可能會對水錘造成效應，稱之為負水錘。而負水錘產生的危害通常要比正水錘小很多。

水泵運行過程中發(fā)生水錘事故的現象最為普遍，在我國西部地區(qū)，由于地形復雜、高差起伏導致輸水管道距離長、壓力高、揚程大便增加了發(fā)生水錘的概率。通過對多起水錘事故的研究可以發(fā)現：發(fā)生水錘事故輕則會造成管道的破裂，打爛止回閥的頂蓋或殼體造成管道內大量積水回流至泵坑。嚴重時會導致泵站被淹沒，電機等電氣設備短路、燒毀，還可能因為水錘事故，造成沖毀廠房、引起人身傷亡等情況，同時因停泵還會造成供水中斷事故。

2 生產中水錘事故的防護措施

供水系統(tǒng)中停泵水錘是最常見的正水錘事故，目前已有很多種防護措施來解決這類水錘問題，而對預防停泵水錘危害的應用，常采取以下幾種類型。

2.1 合理采用防水錘的設備、設施，通過注水或注空氣穩(wěn)壓

防水錘主要目的是控制住從出水口到進入泵體之間的壓力變化，防止其內部發(fā)生真空與斷流的空腔從而使其產生過高的壓力，常用的類型有單向設置調壓塔、雙向設置調壓塔及空氣緩沖閥。

（1）單向設置調壓塔是為了有效緩解液柱分離再彌合現象的發(fā)生，水錘壓力在管道設計壓力范圍之內[ ]。輸水系統(tǒng)管路因為具有較大的流量和較高的揚程，所以在發(fā)生事故時可能會形成斷流彌合水錘的情況[ ]。分析長距離輸水管線斷流彌合水錘發(fā)生機理、防護措施[ ]，單向調壓塔通常都是設置在輸水系統(tǒng)管路上容易出現發(fā)生溢流負壓及其與水柱完全分離的主要輸水節(jié)點上的位置。

（2）雙向設置調壓塔則同時具有對管道注水和內部泄水進行緩沖的雙向設置保護，其主要的雙向設置工作原理是為了有效地達到防止在較大注水壓力下或在輸水干管中繼續(xù)產生較大的注水負壓，一旦輸水管道內部的注水壓力繼續(xù)減少，調壓塔迅速向輸水管道內部注水進行加壓補水，以有效地防止在較大注水壓力下或在輸水干管中繼續(xù)產生較大的注水負壓。為了有效地保護防止在電機啟動產生過大的啟動負壓，雙向調壓塔應當設置在可能產生負壓的管道附近。

（3）空氣緩沖閥是指在水泵停泵后，當管路上某節(jié)點處的壓強低于當地大氣壓強時，大氣中的空氣就經過空氣緩沖閥自動被吸入管路內，從而防止了真空進一步增高。當沖擊水流返回時，管道內空腔體積也開始縮小，這時閥門自動關死，腔中的空氣受到進一步壓縮并使沖擊水流流速減小，從而起到空氣墊的作用，同時對斷流和彌合水錘的升壓起到緩沖和降低的作用。

2.2 合理選擇閥門種類，通過閥門調節(jié)與控制穩(wěn)壓。

延長閥門開啟和關閉時間，可以減少輸水管道內部流速的變化及其梯度，從而可以有效地減小壓力波動使水錘的壓力降低，也可以考慮選擇兩個階段關閉的自動可控閥和不同形式的自動緩閉止回閥，來避免壓力陡升。常見的措施包括安裝停泵水錘消除器、防爆膜、設置旁通管和液控止回閥。管道中的水在停泵后的最早階段主要依靠慣性以及逐漸減慢的速度繼續(xù)向前流動，在逐步降至零后再次在重力作用下開始向水泵方向倒流且速度也逐步增大，當水的倒流速度達到一定程度時，止回閥很快就會關閉，會對水泵產生很強的沖擊力，即形成了水錘;而且供給水地形的高差越大，壓力升高也越大，產生的危害也更高。采用液控止回閥是其中最有效和最經濟的預防水錘技術方法。

3 運行管理上的防水錘事故措施

對泵站運行加強管理是防止發(fā)生水錘事故的重要安全技術措施，運行操作人員是生產事故風險管控“人機環(huán)管”4個方面中最重要的一環(huán)。在運行管理上首先應加強運行操作人員崗位技術培訓和崗位標準作業(yè)流程、運行規(guī)程等相關規(guī)則制度的培訓，使職工能夠熟練掌握設備的操作技能，在運行中能夠嚴按照規(guī)程操作設備。同時，在運行過程中應能夠在PLC集控系統(tǒng)上及時調整水泵機組的運行參數使其達到最佳運行工況。運行人員要定期對設備的巡查，發(fā)現事故隱患能夠及時進行處理。在設備的檢修和維護時，應加強水錘防護設備如重力液控止回閥、電動閥、管路干線上的排補氣閥等設施的檢修維護，使這些閥門能夠保持完好狀態(tài)，在發(fā)生水錘事故時能正常發(fā)揮作用。同時，PLC自動化程控系統(tǒng)的應用可以使水泵機組2個時段的關閥時間控制得更加精確。通過對以上幾個方面加強管控，也能降低水錘事故的發(fā)生幾率。

4 水錘事故應急處置措施

水錘事故大多數是因為電力系統(tǒng)故障或水泵機組的一些機械故障所導致的當水泵機組突然停止運行時，在水泵管道中的水流量和速度急劇改變而引發(fā)的壓力突變。對于采用壓力流的長距離輸水管線，水錘防護措施對于保障管網穩(wěn)定運行至關重要[ ]。同時，隨著PLC自動化控制系統(tǒng)的廣泛普及，水泵的啟動和停止也已經實現了遠程自動控制，因自動化電器元件故障、電動閥設備故障、液控止回閥設備故障等所引起的停泵水錘事故發(fā)生的可能性和概率也有所增加。下文將著重講解一下小沙灣水廠二級泵站的水錘事故應急處置措施。

4.1 系統(tǒng)概況

小沙灣水廠位于小沙灣水源黃河西岸，承擔著黃河正常水位時取水任務，水廠的二級泵站主要生產設備有7L1800-6/1730斜流泵機組5臺及配套的液控止回蝶閥、電動閥等，設計取水能力為1.0m3/s，日供水10萬t。二級泵站機組在生產運行中，由于主機啟、停機操作不當或突然停電等其他突發(fā)事故，液控止回閥未能自動關閉，在進行手動操作時又失靈，就可能引發(fā)重大水錘事故。為預防水錘事故發(fā)生，在9.1km長的兩條DN800mm輸水管線上設置了4個單向調壓塔1個雙向調壓塔，26個排補氣閥和4個安全閥作為基本的水錘防護措施。

4.2 發(fā)生水錘事故的原因及危害性

小沙灣水廠二級泵站可能造成水錘事故的設備有5臺立式斜流泵機組、液控止回蝶閥、電動閥及管道系統(tǒng)。在生產運行中，由于主機啟、停操作不當或在突然斷電、設備故障的情況下，當液控止回閥不能自動關閉或手動進行關閉操作也失靈時，存在引發(fā)重大水錘事故的可能將會導致泵站內作業(yè)人員傷亡及設備設施的毀壞。造成供水事故，影響供水單位的正常生產;同時，水錘事故發(fā)生后將會對廠房、建筑物、廠區(qū)、道路、通信等部分或全部造成毀滅性破壞。

4.3 現場應急處置措施

4.3.1 緊急操作措施

事故現場人員在進行事故報告的同時，為減少事故損失，應立即啟動生產安全事故應急救援預案或現場應急措施處置方案，并立即通知各應急救援小組，準備救援人員、設備及救援物資。

4.3.2 水錘事故應急措施：

當二級泵站發(fā)生水錘事故時，應立即通知閘閥室關閉相應管線上的閥門，同時根據事故現場實際情況實施救援。全液控止回閥和重錘式液控止回閥在水泵機組防水錘應用上使用較為廣泛，是一種經濟、可靠的防水錘設備。當管道中的水發(fā)生瞬變運動時，對于止回閥的要求是：在動力中斷時能夠正常開啟或關閉，而且應滿足管道中水的流動狀況對開啟和關閉速度的要求。過快或過慢的啟閉速度都會造成系統(tǒng)管路中流體的壓力突然升高或下降，當壓力達到足夠大時就會造成管道、閥門等的損壞，這也是造成水錘事故的主要原因之一。實際使用中，因液控止回閥的液壓控制系統(tǒng)活動部件過度磨損、液壓管衰老等原因造成油液泄漏等故障進而導致閥門失靈的現象時有發(fā)生。當這種情況發(fā)生時，就應嚴格按照緊急操作步驟手動關閉液控止回閥和重錘式液控止回閥。全液控止回閥手動關閉操作步驟如下。

（1）手動拔銷，首先用手動裝置關閉DT1電磁閥DT2打開。

（2）當液控拔銷未動作時，需搖動手搖泵進行手動拔銷，直至液控閥關閉。5#液控閥：使用專用工具手動將電磁閥YV2、YV3動作，且保持其動作狀態(tài)，直至關閉。

（3）電液換向閥不能工作時，可打開截止閥，使油缸回油。

重錘式液控止回閥手動關閉操作步驟如下：

（1）關閉電磁閥DT2：手動順時針旋轉電磁閥DT2到位。

（2）同時打開電磁閥DT1：手動順時針旋轉電磁閥DT1到位（要求DT2關閉速度大于DT1開閥速度）。

（3）如果步驟（1）、步驟（2）步未能實現液控拔銷時，需要使用手動搖泵進行拔銷。

（4）逆時針旋轉截止閥使其打開，重錘下落到位。

（5）液控止回閥手動關閉后進行DT1、DT2、截止閥復位。

如已發(fā)生管道、閥門等損壞造成管道內水溢出，為減少事故損失，事故現場人員在進行事故報告的同時，應立即實施打開相關的泄水閥，搶險應急救援小組立即安裝潛污泵進行排水并進行其他應急處置措施。

4.4 應急處置和救援時的注意事項

（1）應急處置人員必須穿戴好符合安全要求的防護用品，攜帶救援器材進行現場前，應能熟練掌握和操作救援器材，水錘事故的主要救援設備有水泵、發(fā)電機、應急救援車輛等。

（2）進入救援現場后，首先應對受傷人員進行救護，并在保證現場人員不受傷害的情況下展開對設備、設施的應急救援處置。水錘事故一旦發(fā)生，往往會對人員和設備產生巨大的傷害，人員會發(fā)生觸電、撞擊、溺水等危險，因此，要尋找最安全的環(huán)境，來確保自身安全。遇到危險應大聲呼救，要對現場環(huán)境有充分的認識，確認是否有危險發(fā)生，并盡快轉移到安全地帶。

（3）現場應急處置時要充分進行評估，在能力范圍內可以施救的要及時施救，超出能力范圍的，要充分做好救援準備，等待救援條件成熟后再進行施救。

（4）應急救援結束后，要對救援人員人數進行清點，對救援的設備、設施數量、種類進行確認。同時，對事故現場要做最后確認，事故現場無任何人員留存及設備、設施在可控狀態(tài)。救援現場一定要做好警示、警戒工作，救援人員要配合得當，服從指揮，統(tǒng)一按照應急救援方案實施救援，確保救援工作有條不紊地進行。

5 結語

大型泵站機組的啟停機程序都比較復雜，需要嚴格按照步驟進行啟停機操作。由于技術、設備等條件制約及運行操作人員技術水平的差異和可能發(fā)生的操作失誤，以上因素導致發(fā)生水錘事故的現象也時有發(fā)生。如何簡化水泵機組的啟、停機操作步驟并實現一體化、自動化控制是技術人員需要解決的難題。通過PLC技術把壓力、液位、流量、電流等相關數據融入PLC控制程序中，經過數據比對并自動進行相應的調整控制，使啟停機操作實現自動化并更加精確，這需要經過大量的數據分析和實際經驗相結合，才能編制出科學有效的控制程序，也就可以大大減少水錘事故發(fā)生的概率。當然很多突發(fā)狀況下，還有可能發(fā)生水錘事故。而建立完備的水錘事故現場應急處置方案，預先制定好完善的應急處置措施，可以在水錘事故發(fā)生時極大地減少事故產生的危害，降低人員及財產損失。

參考文獻

[1] 李永.重力流樹狀管網末端關閥水錘及其防護研究[D].西安：長安大學，2021.

[2] 陳俊.徐奕蒙.王磊.等.長距離供水管道關閥水錘試驗研究[J].科技資訊.2020，18（22）：53-56

[3] 廖功磊，鐘林濤，蔣輝霞，等.長距離輸水管道水力過渡分析及水錘防護措施研究[J].中國農村水利水電，2019（9）：177-180.

[4] 閆沛鑫.高揚程泵站停泵水錘防護技術對策[J].甘肅科技，2021，37（19）：56-58.

[5] 張彥航.長距離輸水管線斷流彌合水錘防護措施探討[J].河北水利，2019（6）：44-45，47.

[6] 王彥祥，顏炳魁，田穎玲，等.長距離輸水管線停泵水錘分析及防護[J].中國給水排水，2019，35（7）：57-61.

作者簡介：李炳舉（1971—），男，本科，工程師，主要從事工程技術、PLC技術、安全科學技術等方面的研究。