浅析管路水击的产生及防治措施.doc

浅析管路水击的产生及防治措施刘智勇（营口港务集团第五分公司 邮编：115009）摘要： 水击又名水锤，在蒸汽管线和大口径压力管线上极易发生水击情况,水击对管道及相连设备的安全产生危害, 严重时甚至会造成管道、阀门等设备的破裂损坏, 影响装置的安全运行及平稳生产。防治水击是蒸汽管线和大口径压力管线使用和管理单位人员必须关注和科学落实的工作。关键词: 水击、蒸汽管道、安全1.水击及其危害水击是压力管道中一种重要的非恒定流。当压力管道中的流速因外界原因而发生急剧变化时，引起液体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上，有时能听到好像锤击一样的“咣咣”的声音，称为水击亦称为水锤。当水击发生时, 会对管道及相连设备的安全产生危害，轻微的水击会使管线固定件松动, 管道震动扭曲, 使用寿命缩短，严重时甚至会造成管道、阀门等设备的破裂损坏。所以在管路设计和生产操作过程中都要尽可能避免发生水击。2.水击产生的原因水击是由于惯性造成的，它的实质是能量转换，即液体在减速的情况下将其动能转换为压能。在液流加速的情况下压能是转换为动能的，但液体流速突然下降，特别是高流速的管道，液体在减速的情况下将其动能转换为水击压能最危险的。对于一般原油管路，流速变化1m/s所引起的水击压力值约为1Mpa，汽油管路则为0.8Mpa0.9Mpa。由此可见水击产生的压力峰值往往比正常工作压力高好几倍，这就有可能引起压力超出管道强度所允许的范围，造成管路破裂或者设备损坏。此外，管道内的压力变化还必然会造成管道设备的振动和噪音，有时会使一些液压元件或管件损坏，并使某些液压元件、控制阀、流量计等产生误动作，导致计量不准确。所以了解水击现象的发生、发展和消失过程，对削弱水击所产生的危害是十分必要的。以管路阀门骤然关闭的情况为例来说明水击发生时冲击波产生的原因和传递过程。当阀门在开启一定大小的正常情况下,管中有一定的流速和压力,当阀门骤然关闭时, 临近阀门的一层液体首先停止流动, 并被后续液体压缩,压力增高，此时由于内部压力上升管壁会发生局部膨胀。此后紧相邻的第二层流体由于受阻而停止流动, 发生同样的变化。这样管中流体压力一层层地相继增大及管壁相继膨胀并以压力波的形式由近及远传播。当阀门关闭后一定时间,压力波传至管入口处。这时全管流体处于暂时静止和被压缩状态,管入口处的压力归零,而临近管出口阀门处的一层液体将在压差作用下,开始返冲向入口端,于是该处从被压缩状态及周围管壁膨胀状态首先恢复原来的状态,一层层的流体和周围的管壁相继恢复原状。如此反复压力波在管线入口和阀门之间的管路上来回振荡,对两端的设备不断产生冲击, 并发出“咣咣”的噪声。如果振荡频率和管线发生共振,其破坏力会增强。如果介质中有气体存在,则会延长振荡周期,但会增强冲击强度,延长水击时间，所以蒸汽管线和处于未充满状态的管线最容易发生水击，水击强度也最高。3.水击案例3.1长距离输油管道水击“大庆一秦皇岛输油管道”是由两条平行的 20*8的管线组成，全长974 km，沿线各站均有两个泵房。由于对密闭输油存在的水击问题认识不够，改进后的密闭输油管线曾发生过严重水击事故，造成原油大量泄漏。不仅影响到油厂的正常生产，而且对泄漏地的生态环境造成了极其严重的破坏。前苏联的奥姆斯克一索库尔轻油输油管道，有一中间泵站因电源故障，突然停泵，致使从A站到B站的全部液流立即停止流动，产生水击，使上站的管道发生破裂。因此“从泵到泵”输送方式的输油管道，如果不考水击问题，将会发生严重的后果常导致管道发生爆裂。3.2 热水、蒸汽管道水击哈尔滨市某工厂4台SHL10-1.3-A型蒸汽锅炉在并联运行期间突然发生水击，巨大的冲击力将连接4台锅的蒸汽主管道(管径273 mm)一端的平封头冲掉。调查表明3号锅炉有严重满水现象，致使水从主汽阀溢出流至连接4台锅炉的主蒸汽管道，与另3台锅炉输出的蒸汽相遇发生水击。3.3电厂给水系统水击2004年11月7日，日本静冈县中部电力(公司)滨冈核电厂发生管线破裂事故，在一号发电机组紧急反应堆冷却系统中的“L”形管线内发现一些积水，这些积水和水蒸气相遇时急速膨胀并产生强烈冲击波，从而造成“水击现象”使管线破裂，当场造成4人死亡，7人受伤。4.水击的现象及征象4.1 蒸汽管道的水击现象及征象蒸汽在管道中的水击经常发生，因为蒸汽在管道中流速较大，刚启动时带动凝结水形成波浪，凝结水较多会形成水塞水塞被高速蒸汽推动前进，遇到转弯或短面剧缩时，由于水的惯性大，撞击管壁、弯头、阀门等管附件上就形成了水击现象水击时使管道振动，产生噪音管内压力剧增，严重时可造成管道、阀门与设备的破坏。发生蒸汽水击的情况大致为以下三种情况：4.1.1蒸汽管道由冷态备用状态投入运行，因进汽阀门开启过快或过大致使管道暖管不足，管道内水温度剧烈变化；或是管道疏水未开启及疏水管堵塞时，管道比较容易发生水击。4.1.2锅炉负荷增加速度过快，或是锅炉汽包发生满水、汽水共腾等事故，使蒸汽带水进入管道。4.1.3运行的蒸汽管道停运后相应疏水没有及时开启或开度不足，在相关联的进汽阀门未关闭严密情况下，漏入停运管道内的蒸汽逐渐冷却为水并积聚在管道中，在一定时间后，管道将发生水击。蒸汽管道发生上列水击现象时，主要的征象一是管道系统发生振动，管道本体、支（吊）架及管道穿墙处均有振动，水击越强烈振动也越强烈；二是管道内发出刺耳的声响，但不同情况下的水击时发出的声响各有特点，如投运时暖管或疏水不足的管道多阶段性地发出“咚咚”的声响；而蒸汽带水进入管道则多发出类似空袭警报声的连续啸叫声；停运后的蒸汽管道如前述发生水击时多阶段性的发出如金属敲击般的尖锐声响。第三种征象是蒸汽带水进入管道时，在管道的法兰结合处易发生冒汽现象，水击严重时，法兰垫被冲坏致使大量漏汽。4.2油品管道的水击现象及征象根据在油品管道中发生水击现象的原因通常有以下两种情况:1)因阀门急速关闭或开启而引起水击。当开闭阀门时,在开阀的刚开始和闭阀的最后一段,行程操作要很缓慢,这是很重要的。因为在此两处阀门的开启度稍有变化,则管内水的流速即有很大变化,所以会产生压力的急剧上升或下降(根据运行情况也有可能产生负压),从而发生水击事故。2)水泵紧急启动、紧急停车,使出口压力产生急变时容易引起水击。在此类水击中水击压力上升或下降的大小,因水的流速变化程度,取决于泵的停止和启动方法、阀门开闭所需时间、管路的状态、流速、泵的特性等而有所不同。在完全关闭的一瞬间产生了水击压力,其值达到正常泵压的4.2 倍。另外，出现沿管流来的细杆等异物挡在阀门上而使阀门突然闭塞时。原理同第一种情况相似。以及流程切换、油品变化等引起流速突然变化，也会引起管道内压力的突然变化的水击现象。5.水击的防范与处理5.1蒸汽管道水击的防范与处理蒸汽管线发生水击是难免的，但要做好前期工作，如保证端头疏水器畅通、及时打开低点导淋进行排水输导，同时要尽量提高蒸汽温度等。发生过多次水冲击的管道，常出现支吊架松脱焊口泄漏等故障，因此，在热力管道设计规程中明确规定，对于不经常流通的管道死端，以及管段的低位点，均应考虑设置疏水阀、疏水管。虽然从管道的设计安装时就充分考虑防范发生管道水击的可能，但实际运行中，因种种原因仍比较容易遇到前述的各种水击现象，所以在实际遇到时应采取相应的处理处理方法及防范措施。5.1.1在管道投运时发生水击，可关小或关闭进汽阀以控制适当的暖管速度，并及时开启蒸汽管道疏水阀，若疏水管堵塞，手摸裸露处不烫手，则反复敲打，必要时需更换。5.1.2要避免锅炉快速的大幅度调节负荷，因特殊情况负荷频繁大幅度变动时，要注意锅炉汽包水位的调节，必要时撤除锅炉水位的自动调节，改为手动调节，若锅炉汽包水位过高，应关小给水或开启汽包放水阀，适当降低水位，同时要及时开启相应蒸汽管道疏水。另外，蒸汽负荷增加时，应及时调整燃烧，增加燃料量和风量，注意分辨虚假水位。5.1.3对于汽水共腾现象，主要原因在于炉水含盐量过大，在汽包水面上出现大量泡沫。要改善给水品质，适当加强定期排污和连续排污以避免发生汽水共腾。5.1.4停运后的蒸汽管道发生水击时，一要检查相关进汽阀门是否关闭严密，二要检查停运管道疏水是否开启，如未开启要及时缓慢开启，采用疏水母管系统时，还要避免疏水母管带压，其它管道的蒸汽通过疏水管道串入停运的蒸汽管道内，致使管道的水击现象加剧。5.2油管道水击的防范与处理油管道水击现象是一个客观存在的纯物理现象。但针对其产生的机理和变化规律, 如果在管路设计及日常操作中采取一定的措施, 是可以避免或减轻的。5.2.1 增设防止水击的设备安装水击消除器（缓冲减压阀）。当管路中压力升高时弹簧受到压缩，极短时间内能够开启水击消除器（缓冲减压阀）于是打开了水的通路，水被排出而泄压，因此降低了水击压力可大大提高管路的安全性。在水泵出口处增设泄压阀，采用被动的泄压方法让水击产生的压力增值释放掉，从而达到保护管道及水泵的目的。使用变频电机，在循环泵前、后的管路之间安装止回阀的旁通管，可防止由于突然停泵引发的水击。可适当增设缓闭单向阀，延长阀全部关闭所需的时间。在较长管道中设置调压室，缩短管道长度，减小相长，可以缓和水击。在管系上按规定安装排气阀，避免管道产生集气。在进行工程设计时, 可以通过加大或合理选择管径、管长和管线布局来避免和减小水锤强度。5.2.2建立安全操作规程合理延长管路阀门关闭时间，缓慢操作阀门，禁止突然关闭阀门有效地缓和水击的发生。水泵启动、停车前完全关闭出水阀门。加强巡视，确保管道及设备工况良好。完善管理制度和严格执行操作规程、及时维修排除管系运行故障。6.结论压力管道系统的水击现象危害性很大，因此首先在设计上考虑水击作用的影响是很有必要的，另外还有很多水击事故是由于设备管理和现场操作不当造成的，因此管理、操作人员要严格执行操作规程，将水击发生的频率和水击所造成的损失降至最低，使生产平稳有力保证安全。参考文献1 袁恩熙. 工程流体力学. 石油工业出版社, 1986. 2 黄春芳. 原油管道输送技术. 中国石化出版社, 2002. 3 黄春芳. 输油工. 石油工业出版社,20044 王建设. 管路的水击及其预防. 管道技术设备, 2002年第二期. 5 李萍英. 有压管道中的水击危害及