董 新

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

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設(shè)計(jì)技術(shù)

化工裝置中防范管道水擊設(shè)計(jì)的研究

董 新

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北武漢 430223）

摘 要：從化工裝置中管道內(nèi)氣-液兩相混合流動(dòng)的狀態(tài)入手，綜合分析了蒸汽管道、凝結(jié)水回收管道、氣-液兩相流管道產(chǎn)生水擊的過程，并結(jié)合具體的工程實(shí)例，指出了水擊現(xiàn)象是由管道內(nèi)的介質(zhì)冷熱混合不均形成氣-液兩相造成的，并提出了管道水擊的預(yù)防和消除措施。

關(guān)鍵詞：化工裝置；管道設(shè)計(jì)；水擊；預(yù)防措施

水擊，是指當(dāng)水在管道中流動(dòng)或者蒸汽進(jìn)入含水的管道及容器中時(shí)，因速度突然發(fā)生變化導(dǎo)致該處壓力突變，形成壓力波并沿著管道傳播的現(xiàn)象。

在管道輸送蒸汽的過程中，管底容易積蓄凝結(jié)水，受高速蒸汽的推動(dòng)形成流動(dòng)的波峰會(huì)逐漸增高，最終凝結(jié)水成活塞狀而充滿管道，當(dāng)這一水塊到達(dá)管道的轉(zhuǎn)彎處或閥門處時(shí)，就會(huì)對其產(chǎn)生激烈地沖擊，給管道系統(tǒng)帶來振動(dòng)，并發(fā)出噪聲。此外，在熱力系統(tǒng)中當(dāng)輸出的蒸汽與少量積水相遇時(shí)，部分熱量被水迅速吸收，使少量蒸汽冷凝成水，體積突然縮小，形成局部真空，水滴高速?zèng)_向真空區(qū)域，從而產(chǎn)生水擊［1］。由于水擊劇烈地震動(dòng)，常常出現(xiàn)支吊架松脫等現(xiàn)象，輕則造成管系損傷，重則造成管系焊口撕裂甚至爆管，容易發(fā)生事故［2］。本文重點(diǎn)闡述了管道設(shè)計(jì)與水擊的關(guān)系，提出了幾種產(chǎn)生水擊的類型，并分析了預(yù)防水擊應(yīng)采取的措施。

1 水擊現(xiàn)象一般發(fā)生的位置

水擊現(xiàn)象一般出現(xiàn)在管道疏水端附近及長輸管線末端，具體主要包括下列部位。

（1）管路有變徑時(shí)，尤其是在擴(kuò)大的位置。

（2）管道疏水設(shè)計(jì)考慮不足，比如疏水管徑過小、疏水閥形式選擇不利等造成的水擊。

（3）管道末端由于輸送能力不足，末端全部是冷凝水，很容易產(chǎn)生水擊。

（4）凝水閃蒸，管道內(nèi)出現(xiàn)水、蒸汽氣-液兩相流而產(chǎn)生水擊。

（5）壓力比較高的蒸汽冷凝后通過疏水閥出來，由于壓力突然降低，部分冷凝水出現(xiàn)二次汽化［2］，二次汽化的氣體在冷凝水管道中急劇膨脹造成水擊。

2 蒸汽管道產(chǎn)生水擊的原因及防治措施

蒸汽輸送管是用來從鍋爐向各蒸汽使用設(shè)備內(nèi)安全地輸送優(yōu)質(zhì)的蒸汽。在此過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生冷凝液，這些凝結(jié)水若不及時(shí)排除，將會(huì)聚積在管道內(nèi)，導(dǎo)致水擊等現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 蒸汽管道內(nèi)水擊發(fā)生的過程

當(dāng)管道內(nèi)高壓蒸汽和凝結(jié)水兩相混合流動(dòng)時(shí)，就好像在管道內(nèi)形成“風(fēng)浪”一樣，蒸汽推動(dòng)凝結(jié)水向前流動(dòng)，造成管道內(nèi)水位逐漸升高，最終可能形成管道內(nèi)水堵。這時(shí)，管道內(nèi)形成的水堵相當(dāng)于管道上一臺(tái)瞬間關(guān)閉的閥門，阻礙了蒸汽向前流動(dòng)，從而容易發(fā)生水擊［3］，蒸汽管道內(nèi)水擊發(fā)生的過程見圖1。此外，使用蒸汽的設(shè)備從停機(jī)狀態(tài)進(jìn)入送氣狀態(tài)時(shí)，蒸汽配管系統(tǒng)中很容易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。在設(shè)備運(yùn)行過程中，關(guān)閉的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥再次開啟供汽時(shí)也容易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。

圖1 蒸汽管道內(nèi)形成水堵的過程［3］

2.2 蒸汽輸送管設(shè)計(jì)的基本原則

蒸汽輸送管設(shè)計(jì)的基本原則是沿著蒸汽的流向要有一定的向下坡度，可以使凝結(jié)水和蒸汽同向流動(dòng)，既利于防止水擊，又便于排除凝結(jié)水。若蒸汽和凝結(jié)水的流向相反，就會(huì)在彎曲處（凹點(diǎn)）發(fā)生故障，此處極易形成水擊。若因空間或其他原因受限，無法避免形成滯留點(diǎn)和凹處時(shí)，該處應(yīng)設(shè)置蒸汽疏水閥，以及時(shí)地排除凝結(jié)水。

2.3 蒸汽輸送管疏水閥的設(shè)計(jì)原則

蒸汽疏水閥最常用的一個(gè)場合就是蒸汽主管疏水，為了讓使用蒸汽的設(shè)備能夠正常運(yùn)行，主管里需要保持無空氣、無凝結(jié)水，若蒸汽主管的疏水閥選擇不恰當(dāng)或者配管不合適，會(huì)引起水擊，也會(huì)使凝結(jié)水中夾帶污物損壞控制閥或其他設(shè)備。

蒸汽管道在正常運(yùn)行以及開停車階段都會(huì)產(chǎn)生冷凝液，一般是在蒸汽管道的低點(diǎn)設(shè)置導(dǎo)淋，然后和疏水閥相連，但這樣幾乎不能徹底排除凝結(jié)水，仍會(huì)產(chǎn)生水擊，使得輸送的蒸汽質(zhì)量低劣，含有較多水分。一般常用的蒸汽管道排水管設(shè)計(jì)見圖2，這樣會(huì)使凝結(jié)水在蒸汽速度的推動(dòng)下越過排水孔，只能排除少量的凝結(jié)水，這種方式只適用于冷凝液很少，而且不用收集的場合。

如果需要收集的冷凝液量比較大，此法就不妥，容易將蒸汽帶入冷凝液系統(tǒng)，形成氣-液兩相流而引起管道振動(dòng)，從而產(chǎn)生水擊。通常需要設(shè)置集液包［4］，然后再從集液包的側(cè)面引出疏水閥管線，集液包接管與梁之間凈距設(shè)計(jì)見圖3。

此外，對于管廊上的蒸汽總管的末端，也要設(shè)置集液包，以排除蒸汽主管下部滯留的凝結(jié)水，防止水擊和蒸汽汽鎖等危害。此集液包的設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮與梁之間的間距，即集液包及接管與梁之間的凈距應(yīng)該大于熱位移量及保溫所需要的空間，并且不小于200mm。

圖2 蒸汽管道底部的排水管

圖3 集液包接管與梁之間凈距示意［5］

蒸汽疏水閥的安裝位置，原則上應(yīng)該安裝在各種使用設(shè)備最低點(diǎn)的下方，在管線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)正確地確定排水點(diǎn)的位置，使凝結(jié)水自然地、順利地流入到疏水閥（或靠自重流下），并能夠順利排出疏水閥。若違反這一原則，就會(huì)引起空氣氣堵和蒸汽汽鎖現(xiàn)象。

綜上所述，為了防止蒸汽管道內(nèi)產(chǎn)生水擊，應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)。

（1）供汽時(shí)應(yīng)慢慢地打開供汽閥，并在閥門小開度情況下保持一段時(shí)間對蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行充分暖管，暖管過程中產(chǎn)生的大量冷凝液排出，且當(dāng)暖蒸汽系統(tǒng)管道溫度得到較大提升時(shí)再逐漸開大供氣閥門。

（2）蒸汽輸送管的中途及末端的閥門應(yīng)全開。

（3）在管線的彎曲處和凹處應(yīng)設(shè)置蒸汽疏水閥，蒸汽主管應(yīng)每隔一段距離設(shè)置集液包，從集液包側(cè)面引出疏水閥管線。

（4）蒸汽支管向主蒸汽管取汽時(shí)，原則上蒸汽支管應(yīng)設(shè)置在主蒸汽管的上部。

（5）蒸汽疏水閥的安裝位置應(yīng)該在需疏水設(shè)備最低點(diǎn)的下方。

3 凝結(jié)水回收管道產(chǎn)生水擊的原因及防治措施

凝結(jié)水回收管道產(chǎn)生水擊的原因有很多，本文僅對以下兩種情況進(jìn)行具體分析。

3.1 低壓和高壓管線上排水連接的設(shè)計(jì)

如果低壓和高壓管線上的排水連接在同一凝結(jié)水回收管線上（見圖4），高壓冷凝液容易二次閃蒸，產(chǎn)生蒸汽，這樣管道內(nèi)就形成氣-液兩相，造成管道震動(dòng)，產(chǎn)生水擊［6］，此外高壓冷凝液會(huì)阻礙低壓冷凝液的排出，導(dǎo)致低壓冷凝液疏水閥的背壓增大，使疏水閥運(yùn)行不穩(wěn)定，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候最好將不同壓力的冷凝液管線分開。

圖4 凝結(jié)水回收系統(tǒng)選用示意［6］

3.2 凝結(jié)水集合管的設(shè)計(jì)要求

凝結(jié)水集合管應(yīng)坡向回收設(shè)備，為了不增加靜壓，防止水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生，集合管不宜向上升。凝結(jié)水回收管線尺寸太小，拐彎太多，也容易在彎頭處引起水擊，所以冷凝液集合管線盡量短而直，減少拐彎（見圖5）。

圖5 凝結(jié)水管線（集合管）的敷設(shè)示意［6］

通過對以上兩種情形的分析，對于凝結(jié)水回收管道產(chǎn)生的水擊，在管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：改善用戶凝結(jié)水回收管道，高壓和低壓凝結(jié)水回收分開；另外，為了保證凝結(jié)水暢通，各支管與集合管相接宜順流由管上方45°斜交［6］（見圖6）。

圖6 疏水閥出口管與凝結(jié)水管斜交示意［6］

4 氣液兩相流管道產(chǎn)生水擊的原因及防治措施

氣-液兩相混合物在管道中的流動(dòng)是石油化工企業(yè)工藝裝置中常見的流體流動(dòng)過程之一，具有單相流動(dòng)中所不存在的許多復(fù)雜因素，其流動(dòng)狀態(tài)不能僅由滯留和湍流確定，而是要取決于不同的流動(dòng)形態(tài)和兩相間的自由界面因素，所以對于氣液兩相流管子的管道布置也有其特殊的要求，配管不當(dāng)就會(huì)引起管道嚴(yán)重振動(dòng)，造成水擊現(xiàn)象的發(fā)生，從而導(dǎo)致管道和設(shè)備破壞，所以對于兩相流管線要精心布置［7］。

4.1 應(yīng)避免兩相流管線形成液袋

氣液兩相流管線是由氣體和液體兩種流體組成，如果配管時(shí)形成液袋，則液體就會(huì)在低點(diǎn)積聚，當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)速度過低時(shí)，有可能充滿低點(diǎn)管道，見圖7中的（a），接下來后面的氣體則會(huì)把低點(diǎn)所積聚的液體推走，見圖7中的（b），接下來又會(huì)有液體在低點(diǎn)積聚，氣體再把液體推走，如此反復(fù)，最后形成柱狀流，見圖7中的（c），這種情況下氣體以比液體平均速度大得多的速度推著液體流動(dòng)，碰撞回彎管件，形成激震力，從而引起管道的嚴(yán)重振動(dòng)，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象［7］。若不及時(shí)處理，久而久之就會(huì)出現(xiàn)焊口泄漏甚至撕裂，對企業(yè)生產(chǎn)造成損失。所以管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免形成液袋。

圖7 氣體與液體在U形管中的流動(dòng)狀態(tài)［7］

4.2 應(yīng)避免兩相流管線形成氣袋

氣液兩相流管道在最高點(diǎn)極易產(chǎn)生氣袋，造成空氣氣堵。因此在管道的配置中，應(yīng)盡量減少最高點(diǎn)，不可避免時(shí)，則應(yīng)在最高點(diǎn)設(shè)置手動(dòng)或者自動(dòng)空氣排放閥［7］（見圖8）。

圖8 氣-液兩相流管道的高點(diǎn)設(shè)置放空閥［7］

5 實(shí)例分析

某工程的冷凝液總管與大氣連通，再沸器出來的冷凝液回到此總管外排。再沸器E-1004的冷凝液溫度約為110℃，再沸器E-1008冷凝液溫度約為70～80℃，再沸器E-1412冷凝液溫度約為70～80℃，見圖9。在運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)再沸器E-1008、E-1412的冷凝液在與冷凝液主管連接處發(fā)生激烈的水擊現(xiàn)象，連續(xù)產(chǎn)生劇烈的管道振動(dòng)，發(fā)出被錘擊一樣的“咚咚”聲響。冷凝液管道均有保溫。

經(jīng)分析，再沸器E-1004的冷凝液出口壓力為0.3 MPa（g），進(jìn)入冷凝液總管后，由于壓力降低，在冷凝液總管處會(huì)發(fā)生閃蒸，閃蒸出的蒸汽遇低溫冷凝液后（E-1008、E-1412的冷凝液溫度為70～80℃），蒸汽泡由于激冷破裂產(chǎn)生局部真空，四周的冷凝液會(huì)迅速?zèng)_到真空地帶互相撞擊而產(chǎn)生水擊，并伴隨著“咚咚”聲響，發(fā)出像錘子敲打管道的聲音。

針對上述的現(xiàn)象，可采取的措施有2種：①為了保證本質(zhì)安全，將再沸器E-1004的冷凝液單獨(dú)走線；②把再沸器E-1004的冷凝液管線的保溫拆掉，提前降溫，避免回到冷凝液總管后閃蒸。

6 結(jié)語

綜上所述，蒸汽管道內(nèi)產(chǎn)生水擊現(xiàn)象的主要原因是形成的冷凝液沒有及時(shí)排除，高壓管線和低壓管線同時(shí)進(jìn)入凝結(jié)水回收總管也容易造成水擊。因此，在管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意合理設(shè)置疏水閥，注意高壓管線和低壓管線分開布置，并且管道應(yīng)避免氣袋和液袋等，這樣就可以減少水擊現(xiàn)象的發(fā)生。

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doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.004 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.004

中圖分類號(hào)：U178

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901（2016）03-0011-04

作者簡介：董新（1986年-），男，湖北孝感人，2011年畢業(yè)于華南理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事管道設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2016-03-08

Research on Design against Pipe Water Hammer in Chemical Unit

DONG Xin
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Abstract：Beginning from the flowing status of mixed gas and liquid in pipe of chemical unit，this paper analyzes the process in which water hammer occurs in steam pipe，condensate recovery pipe and two-phase gas-liquid pipe.It also sheds light on the reasons for water hammering in the pipe of chemical unit based on specific engineering example，and it puts forward measures for preventing and eliminating pipe water hammer.

Keywords：chemical unit；piping design；water hammer；preventive measure