安康铁路水厂水锤故障的治理研究

        摘要   通过实例介绍水锤产生的破坏性，运用理论计算的方法分析了水锤产生的原因，采用多功能水泵控制阀对水锤进行了有效防护，收到了极为满意的效果。

         键词   水锤防护   多功能水泵控制阀

         一、背景材料

        1、水厂设计概况简述

        安康水厂于1994年开始建设，1997年7月1日正式投入运营，近期设计规模20000m3/日，远期25000m3/日，水处理构筑物按远期规划一次建成。净水厂设在月河入口的红莲村，净水工艺如下图：

        净水厂内二级泵房为半地下式结构，二级泵设计采用两主一备。二级泵选用10SA－6型单级双吸离心泵，特性参数：H=89～94m，N=250kw。扬水管设电动蝶阀、油压式逆止阀，扬水

        管管径为DN600。针对二泵扬程较高的情况（扬水管长5.814km），在二级扬水管上设水锤消除器。从投入运营开始，水锤消除器和逆止阀就一直未能调试成功。

         2 、水厂投入运营后发生故障情况简述

          （1）管道方面的故障

         ①97年7月3日，二级泵房一号泵停车后，二级扬水管DN600×DN400MM变径三通管的铅口被打脱，自用水管（砼支墩）被打断。抢修后恢复。

          ②9月3日，停车后上述三通铅口又被打脱，此后9月8日，9月16日发生同样故障。

          ③9月4日，二级扬水管远期预留4号泵DN600×400MM弯头停车后被打出。

        （2）设备故障

        自投入运营后，二级泵房1-3号泵在水泵停车后产生位移，且位移后不回位，累积达150MM之多，导致吸水管方面柔性接头挤压，扬水管上柔性接头拉伸，为此更换6个柔性接头，但位移依然。此外由于产生位移，泵座隔震垫经常脱落，造成水泵运转时震动大，对水泵损伤十分严重，复位及检修十分频繁。

         二、对故障的研究分析  

上述故障全部是在停泵后发生的，停泵后水锤对水泵基座产生推动及水泵反转、倒流量过大，对管道变径、变向（三通）产生冲击力造成三通裂缝、弯头、铅口打脱等后果，对水厂正常运营十分不利。

          水锤破坏的主要表现形式有三种

         ①水锤压力过高，引起水泵、阀门和管道破坏；或水锤压力过低，管道因失稳而破坏。

        ②水泵反转过高或水泵机组的临界转速相重合，以及突然停止反转过程或电动机再启动，从而引起电动机转子永久变型，水泵机组的剧烈震动和联轴器的断裂。

        ③水泵倒流量过大，引起管网压力下降，水量减小，影响正常供水。

        从发生故障与水锤三种表现形式看，完全可以判断是因水锤破坏引起的。因此我们从计算水压系统在各种工况时的水锤过程着手加以分析研究。

        水锤传播速度a

        按照压力系统输送清水，且不考虑水中所含空气时

        式中

E0/ρ —— 声音在水中的传播速度，一般取1435m/s

E0——水的弹性系数，取2.1×10kg/m

ρ——水的密度，取102kg.s/m

E ——管壁弹性系数，对于球墨铸管取E0/E=0.01

δ­——管壁厚度（米），球墨铸管厚度为0.008m

        1、首先计算停泵不关阀水锤过程主要参数

       参数如下：                        

        计算如下

        MR=972NR/n=972×177.2/1450=118.78Kg.M2

        K/2=187.5MR/GD2nR=187.5×118.78/400/1450=0.038

        水锤波速a=1087m/s

        管路常数2=AV0/gH=1087×0.84/9.81/79=1.18

        相长TR=2L/a=2×5814/1087=10.7s

        KTR/2=0.038×10.7=0.41

        查帕金马图

        水泵出口最低压力水头Hmin=79(1-0.6)=31.6m

        水泵出口最高压力水头Hmax=79(1+0.25)=98.7m

        停止动力到水泵开始倒转时间 TQ=2.7×5814/1087=14.44s

         从上述计算结果看，停泵不关阀压力系统上升压力及下降压力应在允许范围内，可判断出整个系统停泵后产生的水锤为正常水锤。符合△HmaxH（水泵扬程）但停泵不关阀产生二种后果，即水泵倒流量大，引起管网压力下降（实测最高0.4MPa），对正常运营十分不利。

        2运行初期采用关阀停泵的办法的压力计算

       （1）对于不停泵关阀，阀前压力等于水泵出口压力，其最大值通常为水泵的关死扬程，与关阀时间无关，但与水泵的类型有关，查10SA-6型水泵特性曲线，HC=1.23×79=97m，这说明在水泵全关时停泵，阀门压力大于水泵额定扬程，对水泵及管路、阀门而言应在设计承受范围之内，但停泵后产生的后座力对于活动水泵基座及柔性接头来说，泵座（见图）将会产生位移，实际观测的现象是停车一次，泵座向吸水口方向产生一点位移，不复位，多次后挤压吸水管处柔性接头，拉伸扬水管方向柔性接头，位移最大达150毫米，此时不得不重新吊装复位，更换柔性接头。

        （2）对系统扬程较高（79米），且属长距离输水管路（5814米），关闭的时间选择非常重要，关阀之后压力应先是下降，然后才是上升。

        原水厂设计蝶阀为电动蝶阀，关闭历时约10秒。

        输水管路V0=0.84M/S     H=79M（包括水损）

        则ρ=aV0/2gH。=1087×0.84（2×9.81×79）=0.59

        θ=aTC/2L=1087×10（2×5814）=0.93

        查魁克水锤计算图R=g△Hmax/aV。=0.95

        △Hmax=0.95×1087×0.84/9.81=88.4M(实测最高值1.7MPa)

        由上述计算结果看△Hmax值已大于水泵扬程，水厂二级扬水管路设计时管材采用国内先进的球墨铸铁管，其承压能力可达3.5MPa，泵出口约20米设计为钢管，仍可承受上述压力，但因管配件部分为铸铁，在水厂围墙处的三通裂缝，预留4号泵弯头被打脱，就是在这种情况下发生的。

        三、综合整治采取的措施

         目前国内针对出口压力过高，防止水锤破坏有多种设备可以采用，我们经实地考察决定采用株洲产的多功能水泵控制阀，此阀兼具扬水操作阀、逆止阀和水锤消除器三种功能，其工作原理是通过一个双室膜片控制器，利用液压原理控制大阀板和缓闭阀板的缓慢开启和缓慢关闭动作。水泵启动时，阀门自动缓慢开启，水泵停机时，实现速闭、缓闭二阶段关闭，不需要任何电器，特别具有理想的水锤消除功能，97年7月我们进行了试装，效果十分理想，并且此阀启停泵不需要开关任何阀门，给操作人员带来极大方便，也为实现自动化提供了条件。

        直接停泵后实测压力如下

        从上述数据可以看出，停泵后最大水锤冲击压力为0.9Mpa，还不到1.2倍的工作压力（0.93MPa），可见安装多功能水泵控制阀后，消除停泵水锤效果极好。

        此后我们陆续又安装1、2号水泵的两台多功能水泵控制阀，同时对泵房内水泵及吸扬水管进行了较大的改造，将柔性接头更换为钢性短管，取掉一直不起作用的油压式逆止阀。打掉原来活动泵座，改为钢筋混凝土现浇与底板连接。并经过上述改造后，整个系统运行十分理想，至今未发生因水锤破坏任何故障。

        结束语

        为根治水厂因水锤出现的故障，我们虽然做了一定的工作，但付出的代价是惨重的，在此期间，我们也得到了有关专家现场指导和理论的专题研究，为解决这些问题做出了很大贡献。
 

                                                                                                                         
                                                                                                                    2005-11-10