1 前言
        水擊（水錘）是指有壓管道中由于水流流速的突然改變，造成管道壓力急劇波動(dòng)的現(xiàn)象。在生產(chǎn)生活過程中，水擊事故常有發(fā)生，尤其在有壓管路設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中，水擊是不可忽略的重要因素，如水電站引水發(fā)電系統(tǒng)、熱電站汽輪機(jī)、鍋爐、蒸汽管路等，一旦發(fā)生水擊，往往會(huì)造成極為嚴(yán)重的后果。如位于廣西壯族自治區(qū)的卡馬水庫大壩，由于導(dǎo)流底孔出口被滑塌的巨石突然堵塞，形成水擊，巨大的沖擊力使壩體出現(xiàn)滑塌[1]；又如2007年7月，紐約曼哈頓地下蒸汽管道由于水擊導(dǎo)致爆炸，沖出地面的蒸汽比附近77層高的克斯勒大廈還高 [2]；此外，1985年11月，美國南加州圣俄諾費(fèi)爾核電站由于電短路導(dǎo)致二回路中主給水泵停泵斷水，止回閥故障沒有關(guān)閉，致使蒸汽倒流至主給水管，此時(shí)值班工人出現(xiàn)操作失誤向充滿蒸汽的主給水管供冷卻水導(dǎo)致水擊，水擊產(chǎn)生的爆炸力使主給水管破口達(dá)2m，十幾根鋼架支撐全部拉斷[3]；另有報(bào)道稱1996年日本四國電力伊方核電廠3號機(jī)組蒸汽噴出事故，經(jīng)證實(shí)也是由水擊所致[4]。由此可見水擊事故的危害之大。對發(fā)電企業(yè)而言，無論是水力發(fā)電還是火力發(fā)電，水擊都是安全生產(chǎn)必須予以重視的問題。
        2 水擊的成因
        2.1 水擊的產(chǎn)生
        如圖1所示的管路系統(tǒng)，管路上部與水池相通，下部裝有一閥門。若t=0時(shí)刻閥門突然關(guān)閉，則閥門處水流流速由 降為0，緊接著與此相鄰的水流流速也會(huì)迅速改變，從而引發(fā)連鎖反應(yīng)，管道內(nèi)水流流速不斷變?yōu)?并以波的形式向上游傳播，這個(gè)波就叫做水擊波，其傳播速度 叫水擊波速，以 表示。由于水流的慣性作用，流速變小、壓強(qiáng)相應(yīng)增大，設(shè)壓強(qiáng)增量為 ，根據(jù)動(dòng)量定理進(jìn)行推導(dǎo)，可得到直接水擊的表達(dá)式[5]：
        式中， 表示水的密度， 表示水擊波速， 表示水流初始速度， 表示水流改變后的流速。對于閥門瞬間完全關(guān)閉的情況，有 。需要指出的是，此時(shí)的壓強(qiáng)變化 是很大的，文獻(xiàn)[5]中列舉了一根長管道，當(dāng)管內(nèi)流速 m/s時(shí)，若取 =1000m/s，按式（1）進(jìn)行計(jì)算，可得到水擊壓強(qiáng) ，相當(dāng)于100m水頭，足見水擊的破壞力之大。
        2.2 水擊的傳播
        以閥門突然關(guān)閉為例，討論水擊沿管道的傳播過程，一般可將其分為先后4個(gè)階段：①減速增壓（圖2(a)）、②減速減壓（圖2(b)）、③增速減壓（圖2(c)）、④增速增壓（圖2(d)）階段。
        （1）減速增壓階段。設(shè)t=0時(shí)刻閥門突然關(guān)閉，則緊靠閥門的 微小流段首先停止流動(dòng)，由于慣性作用，其它段水流仍以初始速度 向閥門運(yùn)動(dòng)，這時(shí) 微段流體被壓縮，壓強(qiáng)增大，同時(shí)管壁膨脹。接著緊鄰 微段的一小段流體也會(huì)停止流動(dòng)，并類似地出現(xiàn)密度和壓強(qiáng)增大的現(xiàn)象。這種減速增壓的狀態(tài)將沿著管道以速度c一直向上游傳播，直到 時(shí)刻水擊波到達(dá)B點(diǎn)，此時(shí)管道中水流流速為0，壓強(qiáng)為 。
        （2）減速減壓階段。 時(shí)刻，由于水池中水壓恒為 ，而管道中水壓為 ，因此管道中流體將以反向流速 向水池運(yùn)動(dòng)，從而使管道水壓下降為 。這種減速減壓的狀態(tài)也會(huì)一直向下游傳播，直到 時(shí)刻到達(dá)A點(diǎn)，此時(shí)管道中水流流速為 ，壓強(qiáng)為 。
                     （a）減速增壓（ ）                  （b）減速減壓（ ）
                    （c）  速減壓（ ）                     （d） 速 壓（ ）
        （3）增速減壓階段。 時(shí)刻，由于閥門緊閉，管道靠近閥門處流段流速由 變?yōu)?，壓強(qiáng)將由 變?yōu)?，并連鎖式地影響與其相鄰的流段，使這種增速減壓的狀態(tài)一直向上游傳播，直到 時(shí)刻到達(dá)B點(diǎn)，此時(shí)管道中水流流速為0，壓強(qiáng)為 。
        （4）增速增壓階段。 時(shí)刻，由于水池中水壓恒為 ，而管道中水壓為 ，因此水池中流體將以流速 向管道運(yùn)動(dòng)，并使管道壓強(qiáng)上升為 。這種減速減壓的狀態(tài)也會(huì)一直向下游傳播，直到 時(shí)刻到達(dá)A點(diǎn)，此時(shí)管道中水流流速為 ，壓強(qiáng)為 ，重新回到t=0時(shí)刻的流速與壓強(qiáng)狀態(tài)，完成一個(gè)周期循環(huán)。
        3 水擊事故的防范
        對發(fā)電廠而言，熱電站復(fù)雜的蒸汽管路系統(tǒng)和水電站的長引水發(fā)電系統(tǒng)是水擊事故防范的重點(diǎn)。歸納水擊事故的原因，無外乎兩種：（1）設(shè)備的原因，管路中沒有設(shè)置有效防止水擊產(chǎn)生和發(fā)展的裝置或出現(xiàn)設(shè)備故障；（2）工作人員的判斷或操作失誤，導(dǎo)致事故產(chǎn)生或擴(kuò)大。因此，本著“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的安全方針，對水擊事故的防范也應(yīng)從這兩方面著手。
        3.1 水擊防護(hù)裝置
        對于水擊防護(hù)裝置與設(shè)備，根據(jù)其作用方式的不同主要可以分為以下幾種類型[6,7]：
        （1）閥門裝置。作為控制介質(zhì)流動(dòng)的管路附件，合理選擇閥門種類，延長啟閉時(shí)間，對防范水擊事故的發(fā)生具有重要意義，如水電站水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，對開啟和關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，從而降低水流流速的變化速率，進(jìn)而使水擊壓力變化幅度得以減緩。此外，管道中疏水閥、調(diào)節(jié)閥、減壓閥、安全閥等閥門裝置，對于防范水擊事故也有重要作用。
        （2）調(diào)壓裝置。如設(shè)置在水電站引水管道和尾水管上的調(diào)壓室（井），以及蒸汽管道上的安全閥和安全水封、減壓閥、調(diào)壓閥等，通過向管路系統(tǒng)中注水或注氣進(jìn)行穩(wěn)壓，從而控制管路系統(tǒng)中的水擊壓力振蕩。
        （3）疏水止回裝置。蒸汽管路中容易積水形成汽-水兩相流動(dòng)，由于蒸汽流速快，推動(dòng)管道底部的液體呈波浪狀流動(dòng)，當(dāng)汽相流速增大到能推動(dòng)水波沖擊到管道頂部時(shí)，就會(huì)造成管道的突然堵塞形成水擊，因此在蒸汽管路中設(shè)置疏水裝置如疏水閥非常必要。此外，在蒸汽管路（容器）和供（回）水管路之間，應(yīng)設(shè)置止回閥防止水管路竄汽后形成局部“真空”造成水擊，美國南加州圣俄諾費(fèi)爾核電站1985年所發(fā)生的事故就是因?yàn)橹够亻y失靈造成的。
        3.2 安全操作和事故處理
        隨著技術(shù)的發(fā)展，水擊事故日益呈現(xiàn)出復(fù)雜化、非典型化的趨勢，如火電站就有可能在鍋爐、蒸汽管道、給水管道、省煤器等設(shè)備處發(fā)生水擊事故，使得安全操作和事故處理也變得更加復(fù)雜，這對電廠運(yùn)行人員的素質(zhì)提出了更高的要求。
        （1）安全操作。①開機(jī)啟動(dòng)應(yīng)避免過急過快，對于汽輪機(jī)、蒸汽管路來說，啟動(dòng)前應(yīng)對供汽管道進(jìn)行充分暖管和疏水排泄，同時(shí)檢查確保鍋爐沒有滿水；水輪機(jī)則應(yīng)慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速手輪，逐步加快轉(zhuǎn)速直到達(dá)到額定出力。②運(yùn)行階段，汽輪機(jī)的鍋爐必須均勻加熱，且保證水質(zhì)，防止汽-水共騰；水輪機(jī)應(yīng)防止出現(xiàn)事故而緊急停機(jī)。③停機(jī)操作也應(yīng)避免過急過快，對汽輪機(jī)而言，必須控制溫降不能變化過快，當(dāng)切換備用氣源時(shí)，必須保證備用系統(tǒng)積水疏排充分；對水輪機(jī)而言，一般先緩慢關(guān)閉導(dǎo)葉，帶轉(zhuǎn)速降至某一額度時(shí)再進(jìn)行剎車。
        （2）事故處理。出現(xiàn)事故后，運(yùn)行人員必須迅速、準(zhǔn)確地判斷是否發(fā)生水擊，通過對一些事故進(jìn)行歸納，水擊時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：①管道壓力出現(xiàn)劇烈的升降變化；②管道一脹一縮的發(fā)生振動(dòng)，并可能發(fā)出有一定節(jié)律的錘擊聲，機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音和振動(dòng)也會(huì)出現(xiàn)異常；③管路中某些部位由于壓力過大會(huì)出現(xiàn)損壞，產(chǎn)生漏水漏汽等；④對蒸汽管道而言，還會(huì)出現(xiàn)主蒸汽溫度急劇下降的現(xiàn)象。事故確認(rèn)后，應(yīng)立即采取措施，對于汽輪機(jī)而言，其處理原則是破壞真空、減少供汽，同時(shí)進(jìn)行充分疏水，確認(rèn)止回閥是否工作正常以防止水管路竄汽；水輪機(jī)則迅速按下解列按鈕與電網(wǎng)斷開，同時(shí)投入水阻器。