張庭鈺

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

蒸汽是鋼鐵企業(yè)各工序生產(chǎn)中最關(guān)鍵的能源之一，鋼鐵企業(yè)普遍具有蒸汽發(fā)生端較多，而使用端又較為分散，蒸汽管網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、覆蓋面寬、里程長等特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行過程中，蒸汽管道經(jīng)常出現(xiàn)水錘沖擊現(xiàn)象，對鋼鐵公司蒸汽管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

1 蒸汽管道中水擊現(xiàn)象形成的機(jī)理

蒸汽管道中的水擊現(xiàn)象是發(fā)生在汽、水兩相介質(zhì)中的汽、水沖擊和沖擊反復(fù)傳導(dǎo)的過程。主要是指蒸汽在輸送過程中，由于熱負(fù)荷分布不均勻及管道與外界熱交換后冷卻均會(huì)產(chǎn)生冷凝水，冷凝水根據(jù)管道的布置情況極易聚集于管道尾部或管道上彎位置，假如無法及時(shí)排出，因冷凝水本身不可壓縮，蒸汽管道中的蒸汽會(huì)對冷凝水施加壓力，冷凝水將自身壓力傳遞給管道，猶如錘擊般力量巨大，造成管道震動(dòng)同時(shí)發(fā)出巨大聲響造成“水擊”。水擊主要分為直接水擊和空泡潰滅水擊。

2.1 直接水擊

在蒸汽管道開始送汽的過程中，由于蒸汽管道溫度低，蒸汽在加熱蒸汽管道過程中冷凝形成冷凝水；在蒸汽輸送過程中，由于管道保溫材料損壞或保溫性能下降等原因，蒸汽管道大量散熱也會(huì)生成部分冷凝水。尤其是壓力較低的飽和蒸汽管道，容易產(chǎn)生冷凝水。冷凝水由于與蒸汽密度不同容易積聚在管道底部。如果冷凝水排出不及時(shí)會(huì)持續(xù)積聚，導(dǎo)致液位逐漸升高。管道內(nèi)的蒸汽以30～50 m/s 流速在液位上方高速流動(dòng)形成紊流，容易引起波浪。一旦波浪充滿管道或擁有足夠的迎風(fēng)面積，就會(huì)被蒸汽推動(dòng)形成水彈，水彈以蒸汽流速向前流動(dòng)，一旦撞擊到管道的拐彎處或閥門位置時(shí)，流速下降釋放出大量動(dòng)能，從而引起壓力變化形成沖擊波，沖擊管道和閥門，造成直接水擊，容易引起管道或閥門發(fā)生損傷或破裂。因此，在設(shè)計(jì)和安裝蒸汽管道時(shí)要遵循蒸汽系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)及安裝規(guī)范。同時(shí)蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行送汽操作時(shí)，需要防止打開蒸汽管道閥門過快，否則冷凝水迅速產(chǎn)生無法及時(shí)排出，會(huì)造成蒸汽管道發(fā)生嚴(yán)重的直接水擊。

2.2 空泡潰滅水擊

在整個(gè)蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)中，尤其是在管道低洼處，可能會(huì)出現(xiàn)冷凝水阻塞整個(gè)管道的現(xiàn)象。由于管道低洼處沒有設(shè)置相應(yīng)的疏水裝置，容易造成低點(diǎn)位置的整段管道浸滿冷凝水。當(dāng)蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷變小或停運(yùn)時(shí)，容易出現(xiàn)冷凝水阻塞整個(gè)管道底部的現(xiàn)象。

當(dāng)蒸汽管道恢復(fù)運(yùn)行或流量突然增大時(shí)，蒸汽首先會(huì)推動(dòng)整個(gè)水柱沿蒸汽流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)。一旦垂直管道內(nèi)的液位降低到與水平管道的頂端齊平時(shí)，蒸汽首先會(huì)從頂部空隙進(jìn)入到水平管道內(nèi)。如果此時(shí)蒸汽流速較慢，剛才被蒸汽流動(dòng)壓低的水面會(huì)由于液體的波動(dòng)重新升高，并封閉進(jìn)入水平管道內(nèi)的蒸汽。被封閉的蒸汽與管道及四周冷凝水迅速散熱冷凝，體積縮小并發(fā)生潰滅而形成真空。汽泡兩邊的水體則迅速向中間流動(dòng)，水體相互擠壓產(chǎn)生高壓，從而沖擊管道產(chǎn)生巨大的噪音和振動(dòng)。空泡潰滅水擊產(chǎn)生的高壓又使水體分別向兩邊激烈運(yùn)動(dòng)，造成水體的分離。由于分離處的壓力低于液體的汽化壓力從而導(dǎo)致新的汽泡產(chǎn)生。隨著水錘波反射傳回壓力恢復(fù)，空泡再次潰滅。這種現(xiàn)象通常會(huì)在管道內(nèi)往復(fù)數(shù)次，引起管道劇烈振動(dòng)[1，2]。

空泡潰滅水擊和直接水擊發(fā)生的原理不同，直接水擊主要是由于蒸汽推動(dòng)水彈撞擊物體造成，主要發(fā)生在蒸汽系統(tǒng)投運(yùn)初期；而空泡潰滅水擊主要發(fā)生在系統(tǒng)蒸汽使用負(fù)荷降低過程中，出現(xiàn)冷凝水滯留，蒸汽遇冷后凝結(jié)形成空穴抽吸周圍冷凝水互相撞擊造成。

空泡潰滅水擊與直接水擊相比，同樣會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的危害。例如2007 年7 月18 日，紐約曼哈頓萊克星頓大街下DN500 的蒸汽管道發(fā)生劇烈水擊，發(fā)生管道爆炸，蒸汽沖穿街道，導(dǎo)致1 人死亡，2 人嚴(yán)重受傷。造成該事故的原因主要是由于當(dāng)時(shí)管道中積滿了冷凝水，蒸汽進(jìn)入后發(fā)生了嚴(yán)重的水擊，出現(xiàn)嚴(yán)重的空泡潰滅水錘。

2 鋼鐵公司蒸汽管道水擊的預(yù)防措施

鋼鐵公司蒸汽系統(tǒng)主要存在的特點(diǎn)：蒸汽發(fā)生端較多，而使用端又較為分散，蒸汽管網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、覆蓋面寬、里程長；蒸汽使用端明顯多于發(fā)生端，而各工序?qū)φ羝氖褂昧坎槐M相同，造成蒸汽消耗不穩(wěn)定，管網(wǎng)壓力波動(dòng)呈現(xiàn)不規(guī)律性；管網(wǎng)蒸汽來源非常復(fù)雜，部分生產(chǎn)工序正常生產(chǎn)時(shí)具有同時(shí)消耗蒸汽和生產(chǎn)蒸汽的特點(diǎn)，且無論消耗還是生產(chǎn)蒸汽大多呈現(xiàn)波動(dòng)性，造成蒸汽壓力波動(dòng)大[3-5]。

某鋼鐵公司蒸汽系統(tǒng)分為S1（2.0～2.6 MPa）蒸汽管網(wǎng)、S2（0.78～1.27 MPa）蒸汽管網(wǎng)和S3（0.4～0.6 MPa）蒸汽管網(wǎng)。S1 蒸汽主供煉鋼RH 爐真空冶煉和焦化蒸氨塔蒸氨使用，汽源由35 t/h、130 t/h 燃汽鍋爐提供。S2 蒸汽管網(wǎng)分布最為廣泛，用汽單位覆蓋公司的各個(gè)工序（焦化、煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋等），管網(wǎng)供汽設(shè)施為各工藝余熱利用設(shè)施（CDQ 發(fā)電機(jī)組抽汽、燒結(jié)余熱鍋爐產(chǎn)汽等）及300 MW 自備電站抽汽、35 t/h 鍋爐、130 t/h 鍋爐等。S3 蒸汽管網(wǎng)供汽設(shè)施為300 MW 發(fā)電機(jī)組抽汽，主要為冬季采暖使用及作為海水淡化汽源使用。整個(gè)蒸汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、路線較長，蒸汽管道停運(yùn)或恢復(fù)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，對鋼鐵公司蒸汽管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為避免蒸汽管道水擊的發(fā)生，必須加強(qiáng)對蒸汽系統(tǒng)的管理并制定一套行之有效的操作處理辦法。經(jīng)過長時(shí)間的摸索實(shí)踐，制定出預(yù)防管道水擊的措施。

2.1 合理布置疏水點(diǎn)

在管道進(jìn)行初期設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)把避免管道水擊作為設(shè)計(jì)原則之一。在熱力管道的設(shè)計(jì)規(guī)則中，規(guī)定對于循環(huán)不良的管道死端和管段的低點(diǎn)，應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況考慮疏水閥和排水管。此外蒸汽管道中配套的減壓閥和調(diào)節(jié)閥前也應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況設(shè)立必要的疏水點(diǎn)，蒸汽管道水平段的疏水點(diǎn)應(yīng)按照每隔100～150 m 進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)對該鋼鐵公司蒸汽管道系統(tǒng)的檢查，發(fā)現(xiàn)部分蒸汽管線疏水點(diǎn)的設(shè)置不符合熱力管道設(shè)計(jì)規(guī)程，存在設(shè)計(jì)缺陷。該公司蒸汽系統(tǒng)存在大量蒸汽管道上翻彎、管道低點(diǎn)和管道死端，在建廠設(shè)計(jì)時(shí)部分管道上翻彎及低點(diǎn)處未設(shè)置疏水點(diǎn)，導(dǎo)致管道冷凝水無法排出，造成管道水擊。該公司立即聯(lián)系設(shè)計(jì)院進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)，改造蒸汽管線，將蒸汽管線中循環(huán)不良的管道死端、管段的低點(diǎn)及調(diào)節(jié)閥前增加疏水點(diǎn)，以排出管線內(nèi)的冷凝水。改造完成后蒸汽管道內(nèi)冷凝水明顯減少。

2.2 合理調(diào)整管網(wǎng)疏水裝置

該鋼鐵公司共有S1、S2、S3 三種不同壓力等級的蒸汽管網(wǎng)，根據(jù)不同等級壓力特點(diǎn)，對其蒸汽管網(wǎng)的疏水裝置進(jìn)行有針對性的調(diào)整。S2 蒸汽為飽和蒸汽，其管網(wǎng)疏放水管道配置直排放水閥及旁路疏水閥，管網(wǎng)疏放水管道配置直排放水閥及旁路疏水閥，S2 蒸汽管道停、送汽狀態(tài)時(shí)打開直排放水閥進(jìn)行放水暖管或停汽泄壓操作，正常輸送蒸汽狀態(tài)時(shí)關(guān)閉直排放水閥，打開旁路疏水閥進(jìn)行階段性疏水以排除管道中存在的冷凝水。

S1、S3 蒸汽為過熱蒸汽，在設(shè)計(jì)時(shí)管網(wǎng)不考慮運(yùn)行疏水，所以未設(shè)置疏水閥，僅在停、送汽狀態(tài)時(shí)打開直排放水閥進(jìn)行放水暖管或停汽泄壓操作。但考慮作為S1 蒸汽主要用戶的煉鋼波段性用汽特點(diǎn)，為防止煉鋼小流量或停用汽時(shí)段S1 蒸汽管道存在冷凝水而造成水沖擊，S1 蒸汽管道部分直排放水閥以小開度狀態(tài)進(jìn)行疏水；考慮S3 蒸汽管道過長且僅在冬季運(yùn)行，易造成接近用戶管段存在冷凝水而造成水沖擊的實(shí)際情況，S1 蒸汽管道部分直排放水閥以小開度狀態(tài)進(jìn)行疏水。

2.3 制定蒸汽系統(tǒng)操作規(guī)則

鋼鐵公司生產(chǎn)工序較多，在實(shí)際運(yùn)行過程中，各工序根據(jù)自身實(shí)際運(yùn)行情況會(huì)不定期的進(jìn)行檢修，經(jīng)常需要對蒸汽管線進(jìn)行停、送汽操作。如果現(xiàn)場管理及操作人員對蒸汽系統(tǒng)停、送汽操作重視程度不夠，沒有制定一套完整的蒸汽系統(tǒng)操作規(guī)則，那在實(shí)際操作中可能會(huì)出現(xiàn)操作失誤從而導(dǎo)致管道出現(xiàn)水擊現(xiàn)象。為保證蒸汽系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需制定一套系統(tǒng)的、完整的蒸汽系統(tǒng)操作規(guī)則。

2.3.1 投運(yùn)前充分暖管

由于蒸汽管道投運(yùn)前溫度較低，在正式投運(yùn)前需進(jìn)行充分暖管，避免蒸汽管道出現(xiàn)受熱不均勻的情況。蒸汽管道暖管前將該管段各直排放水閥關(guān)閉；各疏水管第一道閥門全開、疏水器前閥門關(guān)閉、疏水器旁路閥全開。準(zhǔn)備完畢后微開入口蒸汽閥門（以聽到蒸汽流過閥門聲音為準(zhǔn)），待主閥后第一道疏水見干汽后觀察后續(xù)疏水見汽情況緩慢全開主閥（每10 min 增加10%開度）直至全開。待該管段最后一道疏水見干汽后，全線檢查無異常，調(diào)整疏水送汽結(jié)束。送汽暖管操作按照蒸汽管道停送汽操作規(guī)程執(zhí)行，期間須檢查所有沿途送汽管線膨脹情況、疏水通暢與否、支吊架有無異常偏斜位移異常、全線有無泄漏等情況，遇有異常無法在線處理立即關(guān)閉閥門切斷汽源，現(xiàn)場處理。

2.3.2 日常定期檢查疏水系統(tǒng)

為保證管道疏水暢通，必須加強(qiáng)日常的巡檢與維護(hù)，定期檢查疏水系統(tǒng)，對于管網(wǎng)損壞的疏水器及時(shí)發(fā)現(xiàn)及早更換。根據(jù)季節(jié)的不同及時(shí)調(diào)整疏水，冬季溫度低時(shí)因管網(wǎng)冷凝水較多可適當(dāng)加大疏水，夏季汽溫高時(shí)管道冷凝水少可適當(dāng)減小疏水。蒸汽管道進(jìn)行檢修時(shí)，拆解沖洗檢修管道所配套的全部疏水閥，沖洗出疏水管中的雜質(zhì)，對損壞的疏水閥進(jìn)行修理或更換，保證疏水閥運(yùn)行正常具備自動(dòng)排出管道內(nèi)冷凝水的能力。

2.3.3 建立能源調(diào)度管控制度

為避免蒸汽管網(wǎng)產(chǎn)汽、用汽量出現(xiàn)快速大幅度波動(dòng)導(dǎo)致管網(wǎng)劇烈振動(dòng)的情況，建立能源調(diào)度管控制度。鋼鐵公司各工序產(chǎn)汽、用汽量發(fā)生劇烈變化及停、送蒸汽前均需向能源調(diào)度申請，能源調(diào)度根據(jù)公司實(shí)際蒸汽平衡情況確定各工序進(jìn)行蒸汽停、送汽操作的時(shí)間及產(chǎn)汽、用汽量的變化。嚴(yán)禁各工序未經(jīng)能源調(diào)度批準(zhǔn)進(jìn)行蒸汽相關(guān)操作。同時(shí)能源調(diào)度根根據(jù)公司實(shí)際蒸汽平衡情況調(diào)整各工序產(chǎn)汽、用汽量，保證蒸汽管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。

3 結(jié)語

蒸汽管道在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)都有可能發(fā)生水擊現(xiàn)象，無論是直接水擊還是空泡潰滅水擊都嚴(yán)重影響蒸汽管道的安全運(yùn)行。其根本原因是由于蒸汽管道中的冷凝水沒有及時(shí)排出導(dǎo)致的。本文簡單分析了蒸汽管道水擊現(xiàn)象形成的機(jī)理，并根據(jù)鋼鐵公司自身生產(chǎn)特點(diǎn)制定出蒸汽管道水擊的預(yù)防措施。鋼鐵公司應(yīng)從疏水點(diǎn)的合理設(shè)置、疏水裝置的合理調(diào)整、制定一套完整的、系統(tǒng)的蒸汽系統(tǒng)操作規(guī)則等方面加強(qiáng)對蒸汽系統(tǒng)的管理，減少蒸汽管道水擊現(xiàn)象的發(fā)生。