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管道水擊原因及防護(hù)

文檔作者：李松文檔來源：永坪煉油廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月01日
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第53卷第2期
2016年4月
化工設(shè)薯與誓遵
PROCESS EQUIPMENT&amp;amp;PIPING
Vbl．53 No．2
Apr．2016
管道水擊原因及防護(hù)
李松
(永坪煉油廠，陜西延安717208)
摘要：介紹和分析了造成水管道和蒸汽管道水擊的各種原因，并通過介紹某煉油廠制氫裝置開工期
間發(fā)生的一些水擊的原因、現(xiàn)象、消除方法以及水擊造成的危害，并總結(jié)介紹了防范水擊的有效措
施，提出有效合理的建議，避免和減少水擊危害。
關(guān)鍵詞：水擊；管道；震動；破壞
中圖分類號：TQ 055．8；TH 17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1009．3281(2016)02．0076—004
水擊是一種特殊的流體力學(xué)現(xiàn)象。它常發(fā)生在
水或蒸汽等壓力管道系統(tǒng)中。當(dāng)管道中的流體流速因
外界或內(nèi)部原因而發(fā)生急劇變化時(shí)，引起流體內(nèi)部壓
強(qiáng)迅速交替升降的現(xiàn)象，這種交替升降產(chǎn)生的壓強(qiáng)比
管道正常運(yùn)行時(shí)的壓強(qiáng)可增加幾十倍甚至幾百倍并
作用在管壁、閥門或其他管路元件上的現(xiàn)象，稱為水
擊n】。水擊發(fā)生時(shí)可能導(dǎo)致管道系統(tǒng)強(qiáng)烈振動、發(fā)生
噪聲和空蝕，增大管道流動阻力，水擊嚴(yán)重時(shí)，則使
管道或設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重變形、損壞或爆裂，使生產(chǎn)中斷
或停滯，經(jīng)濟(jì)受到直接和間接的損失，甚至造成人身
傷亡事故，給安全生產(chǎn)帶來威脅。石油化工生產(chǎn)中廣
泛用到水和蒸汽等流體，因此在生產(chǎn)過程中水擊的發(fā)
生是一種常見現(xiàn)象，水擊帶來的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的，
也帶來較大的安全威脅。
1 水擊發(fā)生的原因
1．1 液體管道中的水擊
液體在管道中平穩(wěn)流動，或發(fā)生微小波動時(shí)不
會發(fā)生水擊口】，但管道中流體流量突然發(fā)生劇烈變化，
管道中的壓力隨之波動，流體阻力增大，引起水擊。
1．1．1泵進(jìn)水管道內(nèi)水擊
泵的進(jìn)水管道為低壓管道，當(dāng)水泵出口管道上
的閥門開大時(shí)，泵的上水量增大，泵人口處的負(fù)壓增
大，使靠近水泵入口處管道內(nèi)水流速加快，遠(yuǎn)處流速
由于慣性保持以前較慢的流速，因此泵人口管道中間
局部形成負(fù)壓區(qū)，前面的水被水泵抽走后，后面的水
不能及時(shí)補(bǔ)充，管道內(nèi)容易造成流動不均，引起管道
內(nèi)發(fā)生水擊，引起管道振動，并發(fā)出撞擊聲[3】。
1．1．2高壓給水管道水擊[41
流體在高壓水管中快速流動，當(dāng)管道中的閥門突
然關(guān)閉時(shí)，緊貼閥門上游的一段流體，由于受到閥門的
阻擋，流體流速突然變小至零，而后面的流體由于慣
性未改變流速對前面的流體進(jìn)行壓縮，使其壓強(qiáng)突增，
管道受壓變形。流體壓縮一層一層地向上游傳播，形成
壓縮波。當(dāng)壓縮波到達(dá)管道入口處時(shí)，整個(gè)管道內(nèi)流體
處于靜止?fàn)顟B(tài)，流體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)槭沽黧w壓縮的勢能
和使管道變形的彈性勢能，并引起管道強(qiáng)烈振動和噪
音。管道內(nèi)壓力越高，推動流體流動速度越快，快速
開關(guān)閥門時(shí)，所產(chǎn)生的壓縮波的能量也就越大，管道
的變形和振動也就越大，水擊聲越大，破壞性也更大。
1．1．3 開停泵引起管道水擊
因開泵、停泵使水的速度發(fā)生急劇變化，特別
是突然停泵引起的水錘，由水錘產(chǎn)生的瞬時(shí)壓強(qiáng)可達(dá)
管道中正常工作壓強(qiáng)的幾十倍甚至于數(shù)百倍，這種大
幅度壓強(qiáng)波動，可導(dǎo)致管道系統(tǒng)強(qiáng)烈振動，發(fā)出噪聲，
破壞管道、水泵、閥門，并引起水泵反轉(zhuǎn)睛]，管網(wǎng)壓
力降低等。水錘效應(yīng)有極大的破壞性：壓強(qiáng)過高，將
引起管子的破裂，反之，壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管子的癟
塌，還會損壞閥門和固定件，在極短的時(shí)間里，水
收稿日期：2014—06—30
作者簡介：李松(1987一)，男，湖北廣水入，助理工程師。主要
從事技術(shù)操作管理工作。
萬方數(shù)據(jù)
2016年4月李松．管道水擊原因及防護(hù)
的流量從零猛增到額定流量或由額定流量猛降至零。
流體具有動能和一定程度的壓縮性，在極短的時(shí)間內(nèi)
流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高或過低的
沖擊，壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲。
1．2汽水共存發(fā)生水擊
蒸汽管道中有凝結(jié)水或蒸汽進(jìn)入水管道后，汽、
水混合物在道管內(nèi)一起流動，快速流動的蒸汽推動液
態(tài)水向前流動，形成水柱，水在流動時(shí)，受到摩擦阻
力比水蒸氣所受摩擦阻力大，兩態(tài)流體在管道內(nèi)流動
時(shí)，液態(tài)水所受阻力比蒸汽大，使蒸汽不能高速流動，
必然推動液態(tài)水快速向前流動，遇到管道內(nèi)壁、彎頭、
閥門等管附件，發(fā)生撞擊，撞擊的沖擊力相當(dāng)強(qiáng)烈。
撞擊過后，部分液體直接向前流動，部分反射回流動
反方向，與下一團(tuán)液態(tài)水向前再撞擊去，周而復(fù)始，
不斷的撞擊和反射，管道振動越來越大，直到管道內(nèi)
無水后撞擊才慢慢減弱最后停止【6】。
1．2．1蒸汽竄入水管發(fā)生水擊
汽包的熱水引出管或給水管結(jié)構(gòu)或布置位置不
當(dāng)或汽包運(yùn)行中水位控制不當(dāng)，水位過低，此時(shí)蒸
汽進(jìn)入熱水引出或給水管，使管道內(nèi)形成水汽共存，
蒸汽將管道中的水分成若干節(jié)，或蒸汽在管道中形成
氣囊，當(dāng)上水泵不斷向汽包進(jìn)水時(shí)，管道內(nèi)蒸汽段或
氣囊被壓縮，使其再推動下游的水柱快速運(yùn)動，遇管
件和彎頭將發(fā)生水擊。氣囊被壓破或遇到管件或彎頭
而破裂，在管道中形成負(fù)壓，使周圍的水快速向負(fù)
壓中心沖擊，形成強(qiáng)烈的撞擊聲和管道的劇烈振動，
造成再次水擊口J。
蒸汽經(jīng)過設(shè)備換熱后進(jìn)人凝結(jié)水管道系統(tǒng)，蒸
汽管道與凝結(jié)水管道間常安裝疏水閥或調(diào)節(jié)閥，疏水
閥和調(diào)節(jié)閥安裝有副線。疏水閥或調(diào)節(jié)閥及副線上的
閘閥關(guān)閉不嚴(yán)時(shí)，蒸汽就直接進(jìn)人凝結(jié)水管道系統(tǒng)，
在凝結(jié)水管道中發(fā)生水擊。
1．2．2蒸汽管道水擊
當(dāng)蒸汽中含有凝結(jié)水或蒸汽管道初始啟動時(shí)暖
管不充足時(shí)，部分蒸汽會在管道中冷凝，此時(shí)管道若
疏水不徹底，殘存有少量凝結(jié)水時(shí)，高溫蒸汽遇冷凝
結(jié)，體積縮小，產(chǎn)生局部真空，水滴高速沖向真空
區(qū)域，從而產(chǎn)生水擊，同時(shí)蒸汽在管道中流速較大，
帶動凝結(jié)水形成波浪，凝結(jié)水較多會形成水柱．水柱
被高速蒸汽推動前進(jìn)，遇到管件等時(shí)，由于水的慣性
大，撞擊管壁、彎頭、閥門等管附件上再次形成水擊。
水擊時(shí)使管道振動，產(chǎn)生噪音。管內(nèi)壓力劇增，嚴(yán)重
時(shí)可造成管道、閥門與設(shè)備的破壞【8】。
汽包操作不當(dāng)引起汽包滿水或汽包中的鹽類太
多，發(fā)生共沸，水隨著蒸汽進(jìn)入蒸汽管道，高速流動
的蒸汽推動低速流動的液體在管道中運(yùn)動，遇到管件
發(fā)生撞擊，發(fā)生水擊。
鍋爐供熱量不足，產(chǎn)生蒸汽的過熱度不足或蒸
汽管道的保溫效果差，蒸汽在管道中因熱量散失，逐
漸冷凝，管道中液體逐漸增多，管道中形成水波或
水柱，蒸汽推動凝結(jié)水撞擊管件，發(fā)出巨大撞擊聲，
引起管道振動，嚴(yán)重時(shí)蒸汽管道爆裂，造成事故。
1．2．3疏水管道水擊
在蒸汽疏水管道內(nèi)，若蒸汽疏水管道內(nèi)壓力小
于冷凝水的飽和壓力，部分液體汽化，在管道中形成
蒸汽，造成了二次汽化p】，汽化的蒸汽在管道中快速
流動，并將管道內(nèi)的凝結(jié)的水分成若干段向前快速運(yùn)
動，并在管道的彎頭、閥門等處發(fā)生水擊，產(chǎn)生異響。
2制氫裝置開工過程中發(fā)生水擊及防護(hù)
2．1 汽包進(jìn)水管道發(fā)生水擊
進(jìn)入汽包的除氧水由注水泵P2101將除氧水箱
中的除氧水分成兩路，一路經(jīng)E2104與導(dǎo)熱油換熱
后進(jìn)入汽包；另一路經(jīng)E2103、E2104與中變氣換熱
后進(jìn)人汽包。在制氫裝置開工初期由于未進(jìn)原料，并
且轉(zhuǎn)化爐出口溫度低，導(dǎo)致除氧水箱的溫度及進(jìn)入汽
包的除氧水的溫度低，加上汽包的液位控制較低，導(dǎo)
致汽包中的蒸汽倒串入汽包的進(jìn)水管道中發(fā)生水擊。
水擊使得安裝在汽包進(jìn)水管道上的壓力表破裂，汽包
的人口法蘭泄漏。
開工初期，由于轉(zhuǎn)化爐溫度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，
導(dǎo)致汽包的產(chǎn)汽量及壓力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)量，此時(shí)發(fā)生水
擊時(shí)，通過增加汽包的液位，使汽包的液位高于進(jìn)水
管道，從而形成液封消除水擊。
2．2蒸汽吹掃管線發(fā)生水擊
制氫裝置首次開工在陜北的冬天，天氣寒冷。
試壓時(shí)留在管道中的水，不能及時(shí)排盡，在管道中結(jié)
成冰柱，堵塞管道。開工前吹掃時(shí)，從中變反應(yīng)器出
口至第一分水罐之間的管道結(jié)冰，嚴(yán)重堵塞。只能將
氮?dú)獯祾吒臑橄日羝祾吆蟮獨(dú)獯祾?，在蒸汽吹掃過
程中，由于蒸汽閥門開度太大，蒸汽遇冷凝結(jié)的水無
法從管道低點(diǎn)排出，造成水擊，致使管道發(fā)出巨大的
撞擊聲和劇烈的震動。
發(fā)生水擊后，逐漸關(guān)小蒸汽閥門，管道的水擊
萬方數(shù)據(jù)
化工設(shè)備與管道第53卷第2期
聲依然不減弱，直到管道低點(diǎn)排凝閥處的結(jié)冰融化，
管道內(nèi)凝結(jié)水逐漸排盡，消除了管道內(nèi)水堵，蒸汽管
道內(nèi)水擊隨之停止。管道內(nèi)剩余的少量的不能形成水
堵的凝結(jié)水，也在水擊消失后全部排出。
2．3裝置內(nèi)伴熱管線發(fā)生水擊
北方的冬天天氣寒冷，制氫裝置開工過程中，
蒸汽引進(jìn)裝置投用伴熱系統(tǒng)時(shí)，蒸汽開度過大，暖
管不徹底以及排凝不及時(shí)，伴熱系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生大面
積水擊，并伴隨管道的振動。伴熱系統(tǒng)投用正常后，
裝置內(nèi)伴熱系統(tǒng)回水，隨著蒸汽壓力降低以及蒸汽閥
門關(guān)小，導(dǎo)致回水的壓力降低發(fā)生水擊。裝置內(nèi)伴
熱系統(tǒng)投用完成后，發(fā)生水擊管道上的閥門法蘭漏，
閥門無法關(guān)死。
裝置伴熱系統(tǒng)發(fā)生水擊時(shí)，操作人員及時(shí)關(guān)小
蒸汽閥，減少伴熱暖管蒸汽流量及加強(qiáng)凝結(jié)水的排
放；凝結(jié)水回水管道水擊時(shí)，通過加強(qiáng)排放，增加各
伴熱支管的蒸汽流量和清理疏水閥，直到回水管道壓
力管道正常后，水擊才消失。
2．4中壓蒸汽投用時(shí)發(fā)生水擊
制氫裝置內(nèi)所用的蒸汽為3．5 1VIPa的蒸汽，由
本裝置內(nèi)的汽包產(chǎn)汽提供，汽包產(chǎn)汽過多時(shí)，多余的
蒸汽向裝置外輸送，蒸汽不足時(shí)由裝置外補(bǔ)充。制氫
裝置開工過程中，需將外來中壓蒸汽引至裝置內(nèi)蒸汽
外輸調(diào)節(jié)閥處，外來蒸汽至裝置界區(qū)無低點(diǎn)排凝閥，
引汽暖管冷凝下來的水在管道中發(fā)生水擊，蒸汽管道
劇烈振動，聲音巨大。此時(shí)關(guān)小蒸汽閥門，將蒸汽引
至調(diào)節(jié)閥前低點(diǎn)排凝，待凝結(jié)水排盡后，水擊消失。
3防止管道水擊的建議
預(yù)防水擊的方法是事先采取的措施使水擊的壓力
波動不超過管子與設(shè)備的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，管道內(nèi)不出現(xiàn)負(fù)
壓和液體斷流的情況。為確保管道安全運(yùn)行，應(yīng)在設(shè)
計(jì)中慎重考慮、工程上加強(qiáng)管理，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。
針對工程實(shí)際及水擊原理，建議在管道工程設(shè)計(jì)和運(yùn)
行管理中采取以下有效措施來避免或減小水擊危害[10]o
(1)在設(shè)計(jì)中要設(shè)計(jì)合理的流向及與流向相一
致的合理坡度，并保證施工質(zhì)量，管道最低點(diǎn)合理設(shè)
置足以排放凝結(jié)水的疏水器等泄水裝置并要加強(qiáng)管
理維護(hù)、保證系統(tǒng)的正常工作。
(2)操作運(yùn)行中應(yīng)緩慢啟閉閥門以延長閥門啟閉
時(shí)間，從而避免產(chǎn)生直接水擊并可降低間接水擊壓力。
(3)投用蒸汽操作時(shí)，暖管之前打開疏水閥疏水，
特別注意要緩慢開啟閥門，確保暖管充足，投用過程
流速平穩(wěn)。
(4)蒸汽管道正常運(yùn)作時(shí)，保持正常的疏水，
冷凝水及時(shí)排除，避免汽水共存而發(fā)生水擊。
(5)稍微提高冷凝管操作壓力，避免蒸汽回水
發(fā)生二次汽化。
(6)對低壓給水管道，適當(dāng)提高進(jìn)水壓和增大給
水管徑。壓力較高的給水管道應(yīng)安裝安全閥，發(fā)生水
擊時(shí)可以釋放部分能量。
(7)一旦發(fā)生水擊，應(yīng)當(dāng)立即調(diào)整閥門的開度，
改變其振蕩周期，以緩和水擊。
(8)建立安全操作規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，及時(shí)維修
排除管系運(yùn)行故障。
4結(jié)束語
隨著石油化工的快速發(fā)展，以及人們生活水平
的不斷提高，壓力管道的使用越來越普遍，水和蒸汽
的使用也變得更加尋常，水擊現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，水擊
帶來的危害和損失十分巨大。為此除在設(shè)計(jì)上考慮
水擊作用的影響外，在現(xiàn)場操作時(shí)要遵守操作規(guī)程；
在生產(chǎn)過程中，了解管道產(chǎn)生水擊的原因，熟悉整個(gè)
工藝系統(tǒng)，做好各類管道和閥門的標(biāo)識以及管道內(nèi)流
體的流向，采取有效措施防治水擊，將水擊發(fā)生的頻
率和由水擊所造成的損失降至最低，保護(hù)設(shè)備，確保
生產(chǎn)和人員安全。
參考文獻(xiàn)
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萬方數(shù)據(jù)
2016年4月李松．管道水擊原因及防護(hù)
C ause of Water Hammer Occurred in Piping and Protection Measure
LISong
(Yong-Ping refinery,Yanan 717208，China)
Abstract：Several causes inducing the phenomena of“water hammer”occurred in the piping with water and steam were
introduced and analyzed．By introducing the phenomena of water hammer occurred in the start-up of hydrogen making construction
in Yong-Ping plant，the causes，hazards and removing methods were described．The effective protection methods for water hammer
were summarized and proper suggestions were presented，with which the hazards ofwater hammer will be greatly reduced．
Keywords：water hammer；piping；vibration；damage
(上接第22頁)
對其危險(xiǎn)截面I．I(見圖3)進(jìn)行校核計(jì)算。
表中橫推力：
P=壓弼手
傾覆彎矩： M=歷孺
反應(yīng)器下部彎管與軸流泵相連接的法蘭不僅要
承受壓力載荷，同時(shí)還承受軸流泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)輸送物料
時(shí)產(chǎn)生的軸向力及彎矩，因此，在對該法蘭進(jìn)行計(jì)算
時(shí)，需考慮外載荷的作用。此外荷載是根據(jù)土建專業(yè)
提交的反應(yīng)器建模計(jì)算報(bào)告中查得，詳見表6。
由于內(nèi)管與夾套僅通過兩端封板相連接，下端
u§黔i纛饕勘耩嗽穗囊溪．溉i謄i ?
t駕§
Ta蜘6 9州。塒蜘鰳磐孵彝峰刪鎊哮氅黝嗲
法蘭計(jì)算壓力／ 竺塑望
“一MPa 軸向外荷載，N 外力矩／(N．mm)
封板不僅承受夾套內(nèi)壓作用，同時(shí)還承受夾套內(nèi)液柱
靜壓力作用，封板受力很大。用常規(guī)的計(jì)算方法已不
能確定封板的實(shí)際受力情況，需要用Ansys有限元應(yīng)
力分析軟件，對封板進(jìn)行分析，確定合適的尺寸。
3結(jié)束語
目前，該反應(yīng)器已投產(chǎn)運(yùn)行多年，沒有發(fā)現(xiàn)任
何問題。實(shí)踐證明：采用三維空間模型進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算
的方法是科學(xué)、安全、可靠的；將反應(yīng)器本身的外夾
套管兼作反應(yīng)器鋼結(jié)構(gòu)的支柱，通過一定的聯(lián)系梁
使整個(gè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定，這種設(shè)計(jì)既結(jié)構(gòu)簡單、
又節(jié)約鋼材。
環(huán)管反應(yīng)器由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及承受荷載的特殊
性使得其設(shè)計(jì)計(jì)算與一般的壓力容器有所不同。本文
主要對環(huán)管反應(yīng)器的整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過程進(jìn)行了介紹。
參考文獻(xiàn)
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Design of Poly‘thene Loop Reactor
FENG Chenghong
(SINOPECShanghai Engineering Co．，Ltd,Shanghai 200120，China)
Abstract：Loop reactor is the core equipment in polythene plant．In this article from respects of design condition，load combining
analysis and integral modeling，whole design and calculation process of loop reactor was described．In the design outer jacket pipe is
used aS the support in steel structure for the reactor,and several connecting beams makes whole reactor structure stable．For this 3一D
space model，the analysis method and result have been proved to be safe and reliable．
Keywords：calculation；load analysis；integral modeling；loop reactor

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