一起停泵水锤事故分析及其防止

　　摘要：在给水系统中，水锤在小区给水泵房和二次加压泵站常有发生，给整个给水管网带来危害，特别是在高层建筑中，由于管网压力较高，危害更大。因而水锤的防护是整个给水管网正常运行的关键因素，也越来越被人们所重视。本文结合某高层建筑给水系统停泵水锤事故，分析高层建筑给水系统中水锤形成的原因及其危害，提出了避免停泵水锤危害应采取的措施。
　　关键词：停泵水锤；危害；防止
　　1高层建筑给水系统停泵水锤事故工程实例
　　即将竣工的某通讯中心地下泵房内，随着一声震耳欲聋的啸叫，人们惊奇地发现，生活给水泵停泵时，止回阀的上、下法兰连接处喷出了几股水柱，有的呈线状，有的呈片状。正在泵房内进行水泵调试的旋工人员报告，止回阀出了故障。通讯中心为地下3层，地上33层的A类高层建筑，总建筑面积为38km2。1至4层为捃楼，5至33层为主楼。该建筑生活给水系统为水泵一次提升至屋顶水箱，水箱出水用减压阀减压的分区供水方案。地下3层至11层为1区；12层至21层为2医；22层至33层为3区水泵房设在地下3层。生活给水泵为IS80-50—315型，共设2台水出水管上，按水流方向依次装有KXT一1型可曲挠橡胶接头、HH44X一25机械型微阻缓闭止回阀1个、Z44T-10型闸阀1个。(详见图1)出水管管材为D150普通钢管。
　　
　　1.水池；2．吸水喇叭口；3闸阀；4．橡胶接头；5．钢制偏心大小头6．钢制大小头7．消声止回间；8．压力表9．水箱
　　图1生活络水系统图
　　该系统安装结束后，曾进行了一次试运行，试验压力为1．25MPa，流量为50m3／h，止回阀被破坏更换同型号新阀后，进行第2次试运行，如前所述，再次以止回阀故障而告终。拆开损坏的止回阀，不仅法兰接口处漏水，而且阀体内的阀板主件呈过度翻转，较正常阀板关阀位置后倾约15。。该阀阀体及盖材料为普通铸铁，阀体用材为钢板。该阀的公称压力为2．5MPa，密封试验压力为2．8MPa，强度试验压力为3．8MPa，缓闭时间为0～60s可调，在运行调试时，未详细计算阀门缓闭时间，实际阀门关闭时间约为1s。
　　2发生停泵水锤的主要原因
　　在各种设计参数均能满足设计要求的前提下，为什么调试时会发生故障呢?我们分析一下水泵运行时的工况。该系统水箱总有效容积为50m3。水泵出水量Qb=50m3／h，／Hb一1．25MPa水泵每次运行时间为0．64h，即38arin。该建筑每日生活用水量为132m。，水泵每El运行4至5次。在水泵运行周期内，泵出水法兰至屋顶水箱进水口之间，流量和压力均为一常量。只有在水箱注满后，水泵停止运行时，易于产生较大的压力波动，也就是水锤。据现场和阀门损坏的情况分析，主要故障是停泵水锤产生的压力渡所致。
　　对于通常情况下的水流状态而言，任一点的参数不随时间而变化，而在水泵停止运行，水锤产生的瞬间，任一点的参数随时间而变化，称为非恒定流[1]。在关阀的一瞬间(非缓闭)紧挨阀门的流体由于阀芯表面上产生的高压冲量使其由原流速变为静止。紧挨阀门的第1层流体静止后，对第2层流体而言，第1层流体就起到了与阀芯一样的作用，高压冲量使第3层流体静止。以此类推，这种作用将一直传递至上游。由此可见，阀门突然关闭。管道内的水不是在同一时刻全部停止流动，压强也不是在同一时刻同时升高。而是以波的形式由阀门迅速传递至管道上游，这就是水锤。在一个水锤周期内，水锤波由阀门到水箱进口，再由水箱进口至阀门共往返2次。在这过程中，管道内流速和压强随时间而变化，而产生这种现象的主要原因是水流本身具有的惯性和压缩性。本工程给水系统停泵时，如阀门不缓闭，根据水锤压强计算公式，其水锤压强为：
　　(1)
　　式中：____原管中流速m／s；
　　_____水锤波的传播速度m／s；
　　_____重力加速度m／s2。
　　由连续性方程可知：
　　
　　(2)
　　式中：_____水泵出水量m3／s
　　_____过流断面m2。
　　(3)
　　式中：_____水中声波传播速度为1425m／s；
　　_____不同壁厚不同支承方式的参数。对薄壁管道且在墙上固定时
　　
　　_____管壁材料的泊松比。钢管取0．3
　　---水的弹性模量为2．04×103MPa；
　　--管壁材料的弹性模量为2．05×103MPa；
　　--管道直径为150mm；
　　--管壁厚度为4．5mm。
　　将各参数代入式(3)得l259．25(m／s)
　　将c值代入式(1)得1．00997(MPa)
　　根据水锤波的传递特性，如果在水锤波传递2个相长的时间内，阀门缓闭，则可避免产生直接水锤，降低水锤压强。本工程在理论阀门关闭时间为：
　　(4)
　　式中：--阀门关闭时间s；
　　--水锤波的相长m，本工程为140．7m。
　　根据式(4)，与之间有如下关系式：
　　
　　根据上式作出与关系曲线，见图2从图2中可知，当=1．00997MPa
　　时=2．23s，当本系统停泵，阀体承受的压强为该阀密封试验压强(2．8MPa)即=2．8—1．25=1．55MPa时=，一1．43s。由此可知，当阀门关闭时间小于2．23s时，则易于产生直接水锤；当阀门关闭时间小于1．43s时，在水锤压强的作用下，管道内的压力将太于阀体所能承受的密封试验压强，从而导致密封破坏、阀体漏水，甚至损坏整个阀门本工程给水系统止回阀被破坏的原因就是止回阀缓闭时间调试不当。
　　在工程实践中，正常运行的管遭内压强值应远远小于阀门的密封试验压强(本工程为1．25MPa)所以，调试时，确定的阀门缓闭时间也应远远大于在密封试验压强作用下的缓闭时间。本工程阀门缓闭时间应大于2．23s。
　　
　　图2与关系曲线
　　3防止水锤的主要措施
　　根据以上分析，水锤压强的太小与管道内原流速、相长成正比，与阀门缓闭时间成反比。在工程的设计和施工中，相长是一定值，因此若要避免产生直接水锤，减轻水锤压强对管道及其配件的危害，应采取以下二个措施：
　　其一，管道装竣后，应以设计计算参数为依据，并适当留有余地进行止回阀缓闭时间的调整。当然，缓闭时间应该略大于理论计算时间。但也不得过缓，以免反方向水流引起水泵叶轮反转。
　　其二，在进行给水系统设计时，降低水泵压水管的工作流速，也就是适当放大管径。下附表以本工程设计参数为计算依据，给出阀门不缓闭时，不同工作流速，不同管径时的水锤压强。
　　从表中可以看出，按照建筑给排水规范中给水管道的水流速度不宜大于20rn／s的要求(参见建筑给水排水设计规范GBJ15—88)，应选择D100，但是．可能产生的水锤压强高达2．34MPa，如果选择D150，二者的水锤压强可差约2．4倍，如果选择D200，虽然在造价上略有增加，但可能产生的水锤压强仅为0.57MPa，为D100时可能产生的水锤压强的l／4，这就大大地减少了水锤压强对管道及配件的危害。
　　
　　
　　附表管径、流速与水锤压强参数：
　　
　　管径 
　　水锤压强 
　　
　　/mm /mm /ms
　　MPa /ms
　　
　　4.0 80 2.76 3.74 1318
　　4.0 100 1.77 2.34 1295
　　4.5 150 0.786 1.01 1259
　　6.0 200 0.443 0.57 1259
　　目前，水力控制式止回阀正越来越多地应用于高层建筑给水系统中。该阀的缓闭时间调整的精确性、密封性、尤其是关阀时产生的噪音对环境的影响等诸方面均优于老式机械式止回阀该阀阀体为球墨铸铁，膜片选用尼龙强化掾胶，弹性较好，又能满足强度要求。水力控制式止回阀构造如图3。
　　
　　1． 弹簧；2．膜片压板；3．膜片；4．阎体5．阀盘6．轴；7．针阀8．球阀
　　图3隔膜型缓闭式逆止阀构造示意
　　通讯中心在发生二次止回阀损坏事故后，换用了水力控制式缓闭止回阀，并按设计计算的缓闭时间对该止回阀进行了调试，调试缓闭时问为3～4s。现该阀使用时间已超过半年，不仅再没有水锤破坏止回阀的现象发生，而且在水泵关闭时，止回阀产生的噪音几乎听不到。
　　总之，高层建筑给水系统在设计和选材时，应充分考虑停泵水锤对管道及配件所产生的危害，而装竣后的调试，更是保证系统正常运行的重要环节。只有设计、选材、调试，管理四者紧密结合起来，才能达到预期目的。

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