管道水击原因及防护

管道水击原因及防护
李松
【摘要】介绍和分析了造成水管道和蒸汽管道水击的各种原因,并通过介绍某炼油厂制氢装置开工期间发生的一些水击的原因、现象、消除方法以及水击造成的危害,并总结介绍了防范水击的有效措施,提出有效合理的建议,避免和减少水击危害.【期刊名称】《化工设备与管道》
【年(卷),期】2016(053)002
【总页数】4页(P76-79)
【关键词】水击;管道;震动;破坏
【作者】李松
【作者单位】永坪炼油厂,陕西延安717208
【正文语种】中文
【中图分类】TQ055.8;TH17
水击是一种特殊的流体力学现象。

它常发生在水或蒸汽等压力管道系统中。

当管道中的流体流速因外界或内部原因而发生急剧变化时，引起流体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降产生的压强比管道正常运行时的压强可增加几十倍甚至几百倍并作用在管壁、阀门或其他管路元件上的现象，称为水击[1]。

水击发生时可能导致管道系统强烈振动、发生噪声和空蚀，增大管道流动阻力，水击严重时，则使管道或设备发生严重变形、损坏或爆裂，使生产中断或停滞，经济受到直接和间接的损失，甚至造成人身伤亡事故，给安全生产带来威胁。

石油化工生产中广泛用
到水和蒸汽等流体，因此在生产过程中水击的发生是一种常见现象，水击带来的经济损失是巨大的，也带来较大的安全威胁。

1.1 液体管道中的水击
液体在管道中平稳流动，或发生微小波动时不会发生水击[2]，但管道中流体流量
突然发生剧烈变化，管道中的压力随之波动，流体阻力增大，引起水击。

1.1.1 泵进水管道内水击
泵的进水管道为低压管道，当水泵出口管道上的阀门开大时，泵的上水量增大，
泵入口处的负压增大，使靠近水泵入口处管道内水流速加快，远处流速由于惯性保持以前较慢的流速，因此泵入口管道中间局部形成负压区，前面的水被水泵抽走后，后面的水不能及时补充，管道内容易造成流动不均，引起管道内发生水击，
引起管道振动，并发出撞击声[3]。

1.1.2 高压给水管道水击[4]
流体在高压水管中快速流动，当管道中的阀门突然关闭时，紧贴阀门上游的一段流体，由于受到阀门的阻挡，流体流速突然变小至零，而后面的流体由于惯性未改
变流速对前面的流体进行压缩，使其压强突增，管道受压变形。

流体压缩一层一
层地向上游传播，形成压缩波。

当压缩波到达管道入口处时，整个管道内流体处于静止状态，流体的动能转变为使流体压缩的势能和使管道变形的弹性势能，并引起管道强烈振动和噪音。

管道内压力越高，推动流体流动速度越快，快速开关阀门时，所产生的压缩波的能量也就越大，管道的变形和振动也就越大，水击声越大，破坏性也更大。

1.1.3 开停泵引起管道水击
因开泵、停泵使水的速度发生急剧变化，特别是突然停泵引起的水锤，由水锤产
生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍，这种大幅度压强波动，可导致管道系统强烈振动，发出噪声，破坏管道、水泵、阀门，并引起水泵反
转[5]，管网压力降低等。

水锤效应有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件，在极短的时间里，水的流量从零猛增到额定流量或由额定流量猛降至零。

流体具有动能和一定程度的压缩性，在极短的时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，压力冲击将使管壁受力而产生噪声。

1.2 汽水共存发生水击
蒸汽管道中有凝结水或蒸汽进入水管道后，汽、水混合物在道管内一起流动，快
速流动的蒸汽推动液态水向前流动，形成水柱，水在流动时，受到摩擦阻力比水蒸气所受摩擦阻力大，两态流体在管道内流动时，液态水所受阻力比蒸汽大，使
蒸汽不能高速流动，必然推动液态水快速向前流动，遇到管道内壁、弯头、阀门等管附件，发生撞击，撞击的冲击力相当强烈。

撞击过后，部分液体直接向前流动，部分反射回流动反方向，与下一团液态水向前再撞击去，周而复始，不断的撞击
和反射，管道振动越来越大，直到管道内无水后撞击才慢慢减弱最后停止[6]。

1.2.1 蒸汽窜入水管发生水击
汽包的热水引出管或给水管结构或布置位置不当或汽包运行中水位控制不当，水位过低，此时蒸汽进入热水引出或给水管，使管道内形成水汽共存，蒸汽将管道中的水分成若干节，或蒸汽在管道中形成气囊，当上水泵不断向汽包进水时，管道内蒸汽段或气囊被压缩，使其再推动下游的水柱快速运动，遇管件和弯头将发生水击。

气囊被压破或遇到管件或弯头而破裂，在管道中形成负压，使周围的水快速向负压中心冲击，形成强烈的撞击声和管道的剧烈振动，造成再次水击[7]。

蒸汽经过设备换热后进入凝结水管道系统，蒸汽管道与凝结水管道间常安装疏水阀或调节阀，疏水阀和调节阀安装有副线。

疏水阀或调节阀及副线上的闸阀关闭不严时，蒸汽就直接进入凝结水管道系统，在凝结水管道中发生水击。

1.2.2 蒸汽管道水击
当蒸汽中含有凝结水或蒸汽管道初始启动时暖管不充足时，部分蒸汽会在管道中冷凝，此时管道若疏水不彻底，残存有少量凝结水时，高温蒸汽遇冷凝结，体积缩小，产生局部真空，水滴高速冲向真空区域，从而产生水击，同时蒸汽在管道中流速较大，带动凝结水形成波浪，凝结水较多会形成水柱．水柱被高速蒸汽推动前进，遇到管件等时，由于水的惯性大，撞击管壁、弯头、阀门等管附件上再次形成水击。

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[8]。

汽包操作不当引起汽包满水或汽包中的盐类太多，发生共沸，水随着蒸汽进入蒸汽管道，高速流动的蒸汽推动低速流动的液体在管道中运动，遇到管件发生撞击，发生水击。

锅炉供热量不足，产生蒸汽的过热度不足或蒸汽管道的保温效果差，蒸汽在管道中因热量散失，逐渐冷凝，管道中液体逐渐增多，管道中形成水波或水柱，蒸汽推动凝结水撞击管件，发出巨大撞击声，引起管道振动，严重时蒸汽管道爆裂，造成事故。

1.2.3 疏水管道水击
在蒸汽疏水管道内，若蒸汽疏水管道内压力小于冷凝水的饱和压力，部分液体汽化，在管道中形成蒸汽，造成了二次汽化[9]，汽化的蒸汽在管道中快速流动，并将管
道内的凝结的水分成若干段向前快速运动，并在管道的弯头、阀门等处发生水击，产生异响。

2.1 汽包进水管道发生水击
进入汽包的除氧水由注水泵P2101将除氧水箱中的除氧水分成两路，一路经
E2104与导热油换热后进入汽包；另一路经E2103、E2104与中变气换热后进入
汽包。

在制氢装置开工初期由于未进原料，并且转化炉出口温度低，导致除氧水箱的温度及进入汽包的除氧水的温度低，加上汽包的液位控制较低，导致汽包中的蒸
汽倒串入汽包的进水管道中发生水击。

水击使得安装在汽包进水管道上的压力表破裂，汽包的入口法兰泄漏。

开工初期，由于转化炉温度没有达到设计温度，导致汽包的产汽量及压力远低于设计量，此时发生水击时，通过增加汽包的液位，使汽包的液位高于进水管道，从而形成液封消除水击。

2.2 蒸汽吹扫管线发生水击
制氢装置首次开工在陕北的冬天，天气寒冷。

试压时留在管道中的水，不能及时排尽，在管道中结成冰柱，堵塞管道。

开工前吹扫时，从中变反应器出口至第一分水罐之间的管道结冰，严重堵塞。

只能将氮气吹扫改为先蒸汽吹扫后氮气吹扫，在蒸汽吹扫过程中，由于蒸汽阀门开度太大，蒸汽遇冷凝结的水无法从管道低点排出，造成水击，致使管道发出巨大的撞击声和剧烈的震动。

发生水击后，逐渐关小蒸汽阀门，管道的水击声依然不减弱，直到管道低点排凝阀处的结冰融化，管道内凝结水逐渐排尽，消除了管道内水堵，蒸汽管道内水击随之停止。

管道内剩余的少量的不能形成水堵的凝结水，也在水击消失后全部排出。

2.3 装置内伴热管线发生水击
北方的冬天天气寒冷，制氢装置开工过程中，蒸汽引进装置投用伴热系统时，蒸汽开度过大，暖管不彻底以及排凝不及时，伴热系统运行发生大面积水击，并伴随管道的振动。

伴热系统投用正常后，装置内伴热系统回水，随着蒸汽压力降低以及蒸汽阀门关小，导致回水的压力降低发生水击。

装置内伴热系统投用完成后，发生水击管道上的阀门法兰漏，阀门无法关死。

装置伴热系统发生水击时，操作人员及时关小蒸汽阀，减少伴热暖管蒸汽流量及加强凝结水的排放；凝结水回水管道水击时，通过加强排放，增加各伴热支管的蒸汽流量和清理疏水阀，直到回水管道压力管道正常后，水击才消失。

2.4 中压蒸汽投用时发生水击
制氢装置内所用的蒸汽为3.5 MPa的蒸汽，由本装置内的汽包产汽提供，汽包产
汽过多时，多余的蒸汽向装置外输送，蒸汽不足时由装置外补充。

制氢装置开工过程中，需将外来中压蒸汽引至装置内蒸汽外输调节阀处，外来蒸汽至装置界区无低点排凝阀，引汽暖管冷凝下来的水在管道中发生水击，蒸汽管道剧烈振动，声音巨大。

此时关小蒸汽阀门，将蒸汽引至调节阀前低点排凝，待凝结水排尽后，水击消失。

预防水击的方法是事先采取的措施使水击的压力波动不超过管子与设备的设计强度，管道内不出现负压和液体断流的情况。

为确保管道安全运行，应在设计中慎重考虑、工程上加强管理，严格遵守操作规程。

针对工程实际及水击原理，建议在管道工程设计和运行管理中采取以下有效措施来避免或减小水击危害[10]。

（1）在设计中要设计合理的流向及与流向相一致的合理坡度，并保证施工质量，管道最低点合理设置足以排放凝结水的疏水器等泄水装置并要加强管理维护、保证系统的正常工作。

（2）操作运行中应缓慢启闭阀门以延长阀门启闭时间，从而避免产生直接水击并可降低间接水击压力。

（3）投用蒸汽操作时，暖管之前打开疏水阀疏水，特别注意要缓慢开启阀门，确保暖管充足，投用过程流速平稳。

（4）蒸汽管道正常运作时，保持正常的疏水，冷凝水及时排除，避免汽水共存而发生水击。

（5）稍微提高冷凝管操作压力，避免蒸汽回水发生二次汽化。

（6）对低压给水管道，适当提高进水压和增大给水管径。

压力较高的给水管道应安装安全阀，发生水击时可以释放部分能量。

（7）一旦发生水击，应当立即调整阀门的开度，改变其振荡周期，以缓和水击。

（8）建立安全操作规程并严格执行，及时维修排除管系运行故障。

随着石油化工的快速发展，以及人们生活水平的不断提高，压力管道的使用越来越普遍，水和蒸汽的使用也变得更加寻常，水击现象频繁出现，水击带来的危害和损失十分巨大。

为此除在设计上考虑水击作用的影响外，在现场操作时要遵守操作规程：在生产过程中，了解管道产生水击的原因，熟悉整个工艺系统，做好各类管道和阀门的标识以及管道内流体的流向，采取有效措施防治水击，将水击发生的频率和由水击所造成的损失降至最低，保护设备，确保生产和人员安全。

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