管線中水擊現(xiàn)象的成因及設計預防措施

1、管線中水擊現(xiàn)象的成因及設計預防措施隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機技術的廣泛運用，配管設計已逐漸發(fā)展成為獨立的工程設計專業(yè)。在石油化工企業(yè)的新建、擴建、改建工程中，管道的設計與安裝，已經(jīng)成為整個工藝設計工作的重要組成部分。在配管設計中，通過管道應力的分析計算，可以檢查管道在設計條件下是否具有足夠的柔性，保證管道的安全運行。但是，從配管模擬設計過程以及裝置現(xiàn)場反饋信息中發(fā)現(xiàn)，石油化工裝置運行中，尤其在裝置的試車階段，管線的振動問題仍有發(fā)生。致使管線振動的原因很多，水擊是其中比較常見的原因之一。因此，防止管道水擊現(xiàn)象的發(fā)生是配管設計中不可忽視的重要因素。本文就水擊現(xiàn)象的成因、設計預防措施進行初步的

2、探討，供配管設計人員參考。1 水擊現(xiàn)象的成因及危害11 水擊現(xiàn)象的基本概念水擊是管道瞬變流動中的一種壓力波，它的產(chǎn)生是由于管道中某一截面的流速發(fā)生改變，這種改變可能是正常的流量調節(jié)，或因事故而使管道堵塞，從而使該處壓力產(chǎn)生突然的躍升或下降，并以波的形式，以波速a向整個系統(tǒng)傳播，這種現(xiàn)象稱為水擊。根據(jù)水擊發(fā)生的程度可以簡單地分為一般性水擊和破壞性水擊。12 水擊現(xiàn)象的成因在實際生產(chǎn)中，能夠引起管道系統(tǒng)流速變化而導致水擊的因素很多，如：（1）閥門的正常開、關或調節(jié)，事故的開、關和損壞堵塞；（2）泵的啟動和停運；（3）蒸汽管道在暖管過程中出現(xiàn)凝結水。從理論上講，石油化工裝置在設備切換閥門關閉時，當閥

3、門的開度逐漸減小時，管道中流體介質的流速也逐漸減小，由于介質的慣性作用，在閥門的上游部分產(chǎn)生壓力升高，而在其下游部分產(chǎn)生壓力降低；反之，當閥門的開度逐漸增大時，管道中流體介質的流速逐漸增大，在閥門的上游部分產(chǎn)生壓力降低，而在其下游部分產(chǎn)生壓力升高，產(chǎn)生介質的不穩(wěn)定流動“水擊”。 同樣，由于操作壓力和溫度的波動等原因造成介質體積的膨脹和收縮，也會導致水擊現(xiàn)象的發(fā)生。當此壓力、溫度波動超過一定范圍，或在事故狀態(tài)、裝置開停車狀態(tài)需要快速關啟閥門時，管內的液相介質部分汽化或氣相介質部分液化，管內產(chǎn)生局部氣、液兩相流，從而有可能發(fā)生嚴重的不穩(wěn)定狀態(tài)，導致“破壞性水擊”。13 水擊的理論計算 131 一般

4、性水擊計算當發(fā)生水擊現(xiàn)象時，根據(jù)流體力學原理，壓力管道中任一點的流速和壓力不僅與該點的位置有關，而且與時間有關，這一不穩(wěn)定狀態(tài)將持續(xù)過渡到下一個穩(wěn)定狀態(tài)。當發(fā)生水擊壓力升高時，管道的管壁產(chǎn)生了彈性膨脹，介質受到壓縮，介質的密度也會有所增加；當發(fā)生水擊壓力降低時，管道的管壁產(chǎn)生了彈性收縮，介質受到的壓力減小，介質的密度也會有所減小。這是研究水擊現(xiàn)象的理論基礎。如圖1.1所示，設在水平管內取出一段流體，在時間段t內，水擊波從流體的一邊傳遞到另一邊。水擊波傳播速度為a，所以流體長度為L= at。設原有的流速為V0，水擊波通過后的流速為V0 V，流速變化值為V。壓強也從原有的H增大到(H+H)，同時流

5、體密度和管道斷面都有相應的變化。錯誤！未指定主題。 圖1.1根據(jù)沖量變化應等于動量變化的原理，即 p t = mV (+)( H+H)( A+A)HA t=( A+A) LV忽略二階微量，并且 = a，得：H + H = V再忽略管道斷面的變化，得出水擊壓頭的增值為：H = V = (V0 V) （式1.1）式中：H 水擊壓頭 ，m； a 水擊波速 ，m/s； V0 起始流速 ，m/s； V 終了流速 ，m/s； A 管內截面積，m2 ； 流體的容重，kg/m2. S2； g 重力加速度 ，9.81m/s2。再根據(jù)連續(xù)方程，求得水擊波速為： a = （式1.2） 式中： a 水擊波速 ，m/s

6、； K 介質的體積彈性模量，Pa； 介質密度 ，kg/m3 ； D 管道內徑 ，m ； e 管壁厚度 ，m ； E 管材的彈性模量，Pa。由式1.2可見，水擊波速隨著彈性變形的增大而減小。在常溫的水中， =1439 m/s。對于大直徑鋼管，a 可能低于 900m/s；對于小直徑的高壓鋼管，a 約為 1200 1350 m/s。由式1.1可得出如下結論：（1）起始流速大，終了流速小，即V0>V，H為正值，產(chǎn)生正水擊，代表閥門關閉情況。反之，則為負水擊，代表閥門開啟。（2）水擊值的大小與波速a成正比。（3）水擊值的大小與流速變化的絕對值也成正比。例如某管道的流速為2 m/s，閥門突然關閉，流

7、速瞬間降為零，如水擊波速 a為500 m/s，則水擊壓頭為： H = (V0 V) =× 2 = 102 m這是一個相當大的壓頭，所以在設計中如不預先考慮到這種情況，將會造成嚴重后果。132 破壞性水擊判斷氣、液兩相流是產(chǎn)生“破壞性水擊”現(xiàn)象的內在原因。氣、液兩相流在管內的流動狀態(tài)隨管內的流速以及液相、氣相介質的密度、表面張力等性質不同，大致可分為七種流型：即分散流、環(huán)狀流、氣泡流、層流、波狀流、柱狀流和活塞流。在這七種流型中，柱狀流由于氣體快速運動而引起周期性地起波狀，形成泡沫栓，沿管道以比液體平均速度大得多的速度流動，碰撞回彎管件，會引起嚴重水擊現(xiàn)象。氣、液兩相流的流型判斷：氣、

8、液兩相流體在水平管內流動流型可由圖1.2中Bx ，By值確定；在垂直管內流型可由圖1.3中Fv ，F(xiàn)r值確定。但實際上圖中各流型區(qū)域間存在一定范圍的過渡區(qū)。一水平管內流型 Bx = 210 (Wl / Wg ) ( /l2/3 ) (l1/3 /l ) （式1.3） By = 7.1 Wg / (A ) （式1.4） 式中： Wg 、Wl 氣、液體流量， kg/h ； g 、l 氣、液體密度， kg/m3 ； l 液體粘度， 厘泊 ； A 管內截面積， m2 ； l 液體表面張力, N/m 。錯誤！未指定主題。 圖1.2：水平管內氣、液兩相流流型圖通?？上扔嬎愠鯞y ，如By 80000，對于

9、一般粘度的液態(tài)烴類多為分散流區(qū)域，無需計算出Bx。二垂直管內流型 Fr = /( g×d) （式1.5） Fv = （式1.6） 式中：Fr 弗勞德數(shù) ； Fv 流動的氣體分數(shù) ； D 管子內徑, m ； A 管內截面積, m2 ； g 重力加速度, 9.81m/s2 ； Qg 、Ql 氣、液體體積流量，m3/s 。錯誤！未指定主題。 圖1.3：垂直管內（向上流）氣、液兩相流流型圖在管線設計中，首先計算出Bx 、By 值或Fv 、Fr值，再根據(jù)圖1.2或圖1.3確定流體的流動狀態(tài)。在氣、液兩相流的七種流型中，柱狀流、活塞流由于流動極其不穩(wěn)定，容易形成水擊，產(chǎn)生振動，導致管路損壞；而其

10、余五種流型，由于流動相對比較穩(wěn)定，不容易形成水擊現(xiàn)象。所以在配管設計中，一般要求流體的流動型態(tài)為環(huán)狀流或分散流，盡量避免柱狀流、活塞流，以免造成水擊現(xiàn)象，引起管線嚴重振動。14 水擊現(xiàn)象的危害“水擊”現(xiàn)象的發(fā)生會引起整個管系發(fā)生振動，使管道嚴重損壞；管道法蘭連接處泄漏；管道推力和力矩過大，使與其連接的設備承受過大的應力或使其變形，影響設備的正常運行。1987年，揚子乙二醇裝置在裝置試車水運階段，多根管線發(fā)生嚴重水擊。水擊主要發(fā)生在蒸汽管線、蒸汽冷凝液管線及部分帶有調節(jié)閥的管線上。R-520乙二醇管式反應器（長171米、DN700、操作壓力2.2Mpa、操作溫度250）系統(tǒng)在水運過程中發(fā)生水擊，

11、造成該反應器從托架上被“擊”落，向前推出約0.6m。與反應器連接的兩根管線（DN200）造成嚴重損傷，影響了試車的正常進行。從“事故”后情況分析結果，認為是由于冷凝液減壓后，管內流體形成汽液二相柱狀流，產(chǎn)生水擊現(xiàn)象造成的。1995年汽油加氫裝置新增二段容積式氫氣壓縮機開車時，由于出口緩沖罐偏小，配管不合理等原因，導致緩沖罐出口管線振動，最大振幅達32.5mm，導致管線振裂，氫氣泄漏發(fā)生火災。2 水擊的設計預防措施管線的振動是引起管路損壞的一個重要原因，而水擊現(xiàn)象又是造成管線振動的一個極其重要的原因。因此在進行配管設計時要防止或控制水擊現(xiàn)象，避免管線發(fā)生振動，造成管線損壞。21 防止因兩相流形成

12、水擊現(xiàn)象的設計要點（1） 首先，要從流體的性質上加以了解，控制介質的溫度、壓力、流速，使其不致于處于氣、液相混合區(qū)內。對于不可避免發(fā)生兩相流的場所，一般要根據(jù)圖1.2或圖1.3確定其流型，盡量避免柱狀流、活塞流，避免產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。如果在配管設計時，選用的管道在操作溫度、壓力下屬于柱狀流，可以采取縮小管徑，在允許的壓差下使管徑減至最小，使流速增大形成環(huán)狀流或分散流，也可采用增加旁路、補充氣體、增大流量等辦法避免柱狀流。（2） 兩相流管線的設計應盡量采用直管段，減少彎頭；減壓閥、安全閥、緊急切斷閥后應采用大彎曲半徑（R=56DN） 的彎頭或彎管。對于兩相流管線上的小口徑接管（如壓力計，排

13、放管線等）要采用結構合理的支管凸臺，以免凸臺與管線焊接處焊接應力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋損壞管線。另外，引出接管應盡量短，對溫度較低的可采用加強筋支承。（3） 兩相流管線的振動與配管形狀、管線的支承跨距、支承的形式有很大的關系。對于兩相流管線，應盡量地少采用吊架，在應力許可的情況下盡量少用彈簧架?？捎酶淖児芫€的剛度，增加管道阻尼的辦法來減小振動，改管線的柔性設計為剛性設計，具體可減小管線的支承跨距、增加管道壁厚，根據(jù)應力分析、計算，正確合理地選擇固定支架及其位置。在管道與支架的連接處，加上阻尼材料設施（如石棉），以增加系統(tǒng)阻尼。22 蒸汽管線設計中防止發(fā)生水擊現(xiàn)象的措施（1） 由于管線的散熱損失，蒸

14、汽管內產(chǎn)生凝結水，若不能及時排除，在管道改變走向處就會產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，造成振動、噪音甚至管道破裂。因此，蒸汽管道需要疏水。蒸汽管線每隔90240米，在低點處（如蒸汽管上翻前）和末端要設集液管和疏水點，以排出管線內的冷凝水。另外，在蒸汽管道的末端、最低點、立管下端以及蒸汽管道減壓閥、調節(jié)閥前也要設疏水點，用疏水器把冷凝水排出。（2） 當回收蒸汽凝結水時，在流動過程中因壓降而產(chǎn)生二次蒸汽，形成汽液混相流，當流速增加或改變流向時會引起水擊現(xiàn)象，導致管道發(fā)生振動甚至破裂。所以在確定總管的管徑時應充分估計汽體的混相率，并使其有充分的安全率，同時為使凝液不致停滯，配管要波向流動方向。為了不增加靜壓和防止水擊

15、現(xiàn)象的產(chǎn)生，凝結水總管不宜向上抬升（如圖2.1所示）。當蒸汽壓力不同，但壓差不大時，可合用一個回水系統(tǒng)。此時在各疏水器支管進入凝結水回收總管前，應設止回閥，以防壓力波動產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。而當蒸汽壓力不同，且壓差較大時，不應接至同一回水系統(tǒng)。錯誤！未指定主題。圖2.1：疏水器凝結水管與凝結水總管的連接（3） 對于蒸汽管線中由于疏水器不暢通而造成的水擊現(xiàn)象，要從裝置現(xiàn)場加以解決。定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)，及早更換疏水器。（4） 蒸汽管線的支承。蒸汽管線在管架或管廊上由于管子的自重和冷熱伸縮，會使管線移動，為防止損壞保溫層，要設管托。蒸汽管線的固定支架，不僅承受管線的重量，還要承受熱變形產(chǎn)生的水平推力和位移磨

16、擦力。在設計時必須充分考慮。（5） 蒸汽管線在試車及吹掃階段，由于在升溫過程中，冷凝水的量比較大，而設計考慮的疏水器往往按正常流量考慮，不能排凈管道中的冷凝液，因此形成兩相流。這種情況在設計中應加以注意，增加試車用臨時疏水管線，避免形成兩相流。2.3 避免不穩(wěn)定流動造成水擊的設計要素對于由于設備的切換、閥門的開啟或關閉等形成了不穩(wěn)定流動，從而產(chǎn)生了水擊現(xiàn)象，應注意以下問題：（1） 在配管設計中，首先要計算出管道在最不穩(wěn)定狀態(tài)下的水擊壓力，是否在管道的許用應力范圍之內。如果超過管道的許用應力，可采取加大管道直徑，減小管中流速來減小水擊壓力。但這種方法一般只用于當計算出來的水擊值略大于規(guī)定值時。（2） 對于易形成不穩(wěn)定流動的場所，可以在管道的高點設置放空閥，減小支承跨距、增加固定支架。（3） 從裝置現(xiàn)場的操作來講，切換設備、關啟閥門時平穩(wěn)操作，保證