蒸汽輸送管道的水擊及其防范

蒸汽輸送管道的水擊及其防范馬博【摘要】工業(yè)蒸汽輸送管道中,水擊問(wèn)題始終困擾蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人員.文章分析了蒸汽輸送系統(tǒng)水擊發(fā)生的機(jī)理及危害，并介紹如何通過(guò)有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置，良好的操作實(shí)踐來(lái)避免輸送系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的水擊事故.％Inindustrialsteampiping,phenomenonofwaterhammeroftenmakesengineersdisturbed.Inthisarticle,themechanismandharmsofwaterhammeroccurredinsteamtransportationsystemwereanalyzed.Themethodswitheffectivesysmematicdesignandarrangementandgoodpracticaloperationtoavoidseriousaccidentinducedfromwaterhammerwereintroduced.【期刊名稱】《化工設(shè)備與管道》【年（卷），期】2016（053）001【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)（P78-83）【關(guān)鍵詞】蒸汽;管道;水擊【作者】馬博【作者單位】斯派莎克工程（中國(guó)）有限公司，上海201114【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TQ050.7;TH17典型的蒸汽和冷凝水系統(tǒng)通常由以下四部分組成：蒸汽的產(chǎn)生（蒸汽鍋爐或發(fā)生器），蒸汽輸送管道，蒸汽使用點(diǎn)以及冷凝水的回收系統(tǒng)。在這四大系統(tǒng)中，蒸汽輸送管道起到連接蒸汽產(chǎn)生的源頭和使用點(diǎn)，輸送蒸汽的作用，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的大小及距離的長(zhǎng)短，輸送系統(tǒng)的規(guī)模也不盡相同。通常輸送管道的水擊發(fā)生在系統(tǒng)剛剛投用之初，用汽負(fù)荷由低到高突然變化[1],以及系統(tǒng)剛剛停運(yùn)等階段，每個(gè)過(guò)程發(fā)生的水擊現(xiàn)象也不盡相同。例如在系統(tǒng)投運(yùn)以及負(fù)荷變大時(shí)，管道多階段性地發(fā)出“咚咚”的聲響；而停運(yùn)后，蒸汽管道多階段性的發(fā)出如金屬敲擊般的尖銳聲響。水擊現(xiàn)象輕微時(shí)，只表現(xiàn)為噪音與振動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管道振動(dòng)、搖晃并導(dǎo)致支架脫落。管道內(nèi)壓強(qiáng)變化甚至可超過(guò)管內(nèi)原有正常壓強(qiáng)的幾十倍甚至上百倍，以致超過(guò)了管壁材料的許用應(yīng)力，造成墊片失效、閥門損壞、管道和管件變形破裂。所以，了解水擊現(xiàn)象發(fā)生的原因，并研究應(yīng)對(duì)方法，可以有效地避免或削弱水擊所產(chǎn)生的危害。無(wú)論是輸送過(guò)熱蒸汽還是飽和蒸汽的管道，在系統(tǒng)啟動(dòng)或運(yùn)行時(shí)，都有可能由于暖管及散熱的原因產(chǎn)生冷凝水。在一定外界因素的影響下，例如流動(dòng)突然停止、水中氣泡冷凝等原因作用下，使得流體（冷凝水）的流速急劇變化。由于流體的慣性，管道內(nèi)液體壓力顯著、反復(fù)、迅速變化，產(chǎn)生水流沖擊波，沖擊管壁使其產(chǎn)生振動(dòng)，并伴有似鐵錘敲擊的聲音，這種現(xiàn)象稱為水擊（水錘）。1.1直接水擊在蒸汽管道啟動(dòng)過(guò)程中，蒸汽加熱管道會(huì)產(chǎn)生冷凝水；同樣在運(yùn)行過(guò)程中，由于管道向外散熱的原因，也可能會(huì)產(chǎn)生冷凝水。特別是飽和蒸汽管道，冷凝水一經(jīng)產(chǎn)生，就會(huì)不斷聚集。通常由于密度的原因，冷凝水一般先從管道的底部開始積聚，如圖1所示。如果不及時(shí)排出，冷凝水會(huì)不斷積聚，液位逐漸升高，如圖2所示。由于蒸汽的流速最高可達(dá)30~50m/s，在液位上方高速流動(dòng)，造成紊流，很容易掀起波浪。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，以蒸汽的流速向前流動(dòng)，如圖3所示。水彈一旦撞擊到管道的拐彎處或閥門位置時(shí)，流動(dòng)瞬間停止，釋放出動(dòng)能，造成壓力變化，形成沖擊波，沖擊管道和閥門，造成直接水擊［2］。水擊所產(chǎn)生的沖擊力可用水擊公式（1）估算［2］:式中ah——水力壓頭變化；a——水擊波的波速，滿水鋼管中通常取1000-1200m/s;△V 水流的速度變化，水流終速減水流的初速度V-V0,m/s；g 重力加速度，m/s2。水錘產(chǎn)生的沖擊波是縱波，在反射波沒有到來(lái)之前，上式一直成立。利用此公式可以計(jì)算一般摩阻不大的管道中最大水錘壓力。很顯然，當(dāng)水流速度降為零時(shí)，速度能全部轉(zhuǎn)化為壓力能，此時(shí)V=0,AV=-V0水錘的最大壓力可以通過(guò)公式（2）計(jì)算出來(lái):假設(shè)水彈被蒸汽推動(dòng)以30m/s的速度前進(jìn)，突然停止，發(fā)生水擊。取a=1000m/s帶入上式，計(jì)算得到：通常由于水中含有汽包，或者水流不連續(xù)等原因，實(shí)際壓力可能會(huì)小于計(jì)算值。但即便如此也完全有可能讓管道或閥門發(fā)生損傷或破裂。因此，在管路設(shè)計(jì)和安裝時(shí)要遵循蒸汽系統(tǒng)的良好工程設(shè)計(jì)及安裝規(guī)范。同時(shí)，在操作蒸汽系統(tǒng)時(shí)，需要避免蒸汽管道閥門開啟過(guò)快，否則快速產(chǎn)生的冷凝水來(lái)不及排放，會(huì)造成系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的直接水擊。1.2空泡潰滅水擊在蒸汽輸送管道中，在某些特定的位置或特定情況下，可能會(huì)出現(xiàn)冷凝水阻塞整個(gè)管道的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象特別容易出現(xiàn)在管道低洼處，如圖4、5所示，管道低點(diǎn)處沒有安裝疏水裝置，以及處于低點(diǎn)位置的整段管道浸滿冷凝水。當(dāng)蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷變小或停機(jī)時(shí)，冷凝水阻塞整個(gè)管道底部的現(xiàn)象尤為明顯。如圖5管道所示，假設(shè)蒸汽從左向右流動(dòng)，當(dāng)蒸汽流量突然增大時(shí)，蒸汽首先會(huì)推動(dòng)整個(gè)水柱向右運(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)從頂部進(jìn)入到水平管道內(nèi)。如果此時(shí)蒸汽流速?zèng)]有達(dá)到一定程度，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，并封閉這一部分進(jìn)入水平管道內(nèi)的蒸汽。整個(gè)過(guò)程如圖6所示。封閉的這段蒸汽，由于向管道及四周冷凝水的散熱而迅速冷凝，體積縮小并潰滅。氣泡兩邊的水體迅速向中間靠攏，水體彌合產(chǎn)生高壓。局部點(diǎn)的壓力可由公式（3）計(jì)算：水體沖擊管道產(chǎn)生巨大的噪音和振動(dòng)，從而產(chǎn)生空泡潰滅水擊［3］。高壓又使水體分別向兩邊激烈運(yùn)動(dòng)，造成液體的分離。當(dāng)分離處的壓力低于液體的汽化壓力時(shí)，會(huì)有新的汽泡產(chǎn)生。由于水錘波反射傳回，壓力恢復(fù)，空泡再次潰滅，重復(fù)上述現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般會(huì)持續(xù)數(shù)次，造成管道劇烈振動(dòng)。乍一看，這個(gè)公式很難解答，但是根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，很明顯如果汽泡越大，冷凝水過(guò)冷度越大，蒸汽壓力越大，則產(chǎn)生的AV就越大。以DN500蒸汽主管為例，計(jì)算得出的Ap在5~20MPa之間，大概是18MPa左右。空泡潰滅水錘和直接水錘發(fā)生的機(jī)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)生在系統(tǒng)剛剛投用之初；而空泡潰滅水擊主要發(fā)生在系統(tǒng)用氣負(fù)荷降低，冷凝水發(fā)生滯留，蒸汽進(jìn)入冷凝水后凝結(jié)形成空穴抽吸周圍冷凝水互相撞擊造成?？张轁缢N所產(chǎn)生的危害通常非常嚴(yán)重。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，造成管道爆炸，蒸汽沖穿街道，造成1人死亡，2人嚴(yán)重受傷的事故就是由空泡潰滅水錘所造成［4］。當(dāng)時(shí)，管道中積滿了冷凝水，蒸汽汽泡進(jìn)入后發(fā)生了嚴(yán)重的水擊。如上所述，蒸汽輸送管道中有可能存在非常嚴(yán)重的水擊，尤其容易發(fā)生在系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)或負(fù)荷由低到高轉(zhuǎn)變的階段。因此，當(dāng)系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)及負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的操作要特別關(guān)注。如何有效地防范輸送管道中水擊，歸根結(jié)底需要消除水擊的根源——水的產(chǎn)生和積聚。在輸送管道中，水的產(chǎn)生主要由以下幾個(gè)原因：（1） 前端系統(tǒng)帶入，例如前端鍋爐蒸汽出口帶水或者前端輸送系統(tǒng)中的冷凝水進(jìn)入。（2） 管道自身暖管產(chǎn)生的冷凝水，主要指啟動(dòng)過(guò)程中暖管負(fù)荷。（3） 管道散熱產(chǎn)生冷凝水，主要指管道正常散熱，以及保溫不良造成熱量散失產(chǎn)生的冷凝水。因此，蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行人員需要將鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)盡可能保持在良好的狀態(tài)，避免低壓運(yùn)行，負(fù)荷快速波動(dòng)，超負(fù)荷及排污不良造成的汽水共騰以及蒸汽帶水等現(xiàn)象。對(duì)于某些負(fù)荷波動(dòng)劇烈而又無(wú)法通過(guò)協(xié)調(diào)生產(chǎn)節(jié)奏來(lái)解決的鍋爐汽水共騰現(xiàn)象，可以采用蓄熱器儲(chǔ)存熱量，以應(yīng)對(duì)下游系統(tǒng)的負(fù)荷突變，避免鍋爐出現(xiàn)大范圍壓力波動(dòng)造成的蒸汽帶水現(xiàn)象。同時(shí)，在鍋爐出口安裝有效的汽水分離裝置，也可減少進(jìn)入下游蒸汽管道的水量。在蒸汽管道暖管的過(guò)程中，蒸汽首先會(huì)加熱管道，直至管道溫度接近蒸汽的溫度，通常稱此過(guò)程產(chǎn)生的冷凝水為蒸汽管道的啟動(dòng)負(fù)荷。對(duì)于某一規(guī)格的鋼制管道，單位長(zhǎng)度的質(zhì)量是一定的。以飽和蒸汽為例，如果已知蒸汽的壓力，可以通過(guò)公式（4） 計(jì)算冷凝水的質(zhì)量：式中ms 蒸汽量，kg；C——鋼管的比熱，0.48kJ/kg；m 鋼管質(zhì)量，kg;△t——蒸汽溫度和鋼管的初始溫度之差，°C;Hfg——特定壓力下飽和蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg。啟動(dòng)所產(chǎn)生的冷凝水量是一個(gè)絕對(duì)量，單位是kg。如果啟動(dòng)的時(shí)間很短，那么冷凝水的瞬時(shí)流量就會(huì)很大。蒸汽將管道加熱之后，管壁面溫度上升，和周圍的保溫材料和保溫外殼產(chǎn)生溫度差，熱量會(huì)逐漸由管道壁面，向保溫層以及保溫外殼傳遞。當(dāng)保溫外殼的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，保溫外殼會(huì)向周圍的環(huán)境傳遞熱量。以上兩個(gè)過(guò)程分別為熱傳導(dǎo)和對(duì)流放熱過(guò)程，只要管道壁面溫度高于環(huán)境溫度，這兩個(gè)過(guò)程就會(huì)一直持續(xù)。這個(gè)過(guò)程散失的熱量可以通過(guò)公式(5)計(jì)算：式中q——每米管道熱量散失，W/m；K——安全系數(shù)，通常取1.15~1.25；t——管道內(nèi)介質(zhì)溫度，°c；ta——環(huán)境溫度，C;入——保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK);D0——管道保溫層外徑，m；Di 管道外徑，m；ai——保溫層內(nèi)側(cè)空氣向保溫層傳熱系數(shù)，一般取13.95W/(m2K)；a——保溫層外側(cè)向空氣的傳熱系數(shù)，W/(m2K)。例如：當(dāng)管道口徑為DN100，保溫層厚度為50mm，內(nèi)部介質(zhì)溫度為152C,環(huán)境溫度10C,保溫層平均導(dǎo)熱系數(shù)0.5W/(m-K)o如果外界風(fēng)速為10m/s,保溫層外側(cè)向空氣的傳熱系數(shù)可以用公式(6)估算：式中Vw代表平均風(fēng)速，將風(fēng)速代入上式計(jì)算得出a=33.7W/(m2K)所有數(shù)據(jù)代入公式(5)計(jì)算可得：如果考慮50m長(zhǎng)度的管道，152C飽和蒸汽對(duì)應(yīng)的壓力(G)約為0.4MPa,汽化潛熱為2108kJ/kg?？梢杂?jì)算得出的每50m管道運(yùn)行時(shí)由于散熱損失產(chǎn)生的冷凝水量約為5.85kg/h。在理論計(jì)算的情況下，對(duì)流換熱散熱損失并不大，但在實(shí)際情況下，考慮保溫材料厚度、保溫材料性能、安裝情況、破損情況、風(fēng)速等影響，該數(shù)值要比理論值大得多。同時(shí)，輻射散熱的數(shù)值也隨著外保溫層表面溫度、環(huán)境溫度、及保溫層表面的發(fā)射率的變化而變化，其數(shù)值和對(duì)流散熱的損失差不多。表1列出了不同壓力飽和蒸汽管道在環(huán)境溫度20°C,保溫效率80%的情況下，每50mSchedule40管道啟動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的冷凝水量（kg），和運(yùn)行過(guò)程中由于散熱損失所產(chǎn)生的冷凝水負(fù)荷（kg/h）。啟動(dòng)負(fù)荷很容易確定，而運(yùn)行負(fù)荷卻是隨著蒸汽溫度、管道口徑、保溫材料及效果、外卜部環(huán)境及風(fēng)速等各種因素的影響，要得到確切的運(yùn)行負(fù)荷并不容易。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，DN300以下的管道，在1.0MPa壓力（G）以下運(yùn)行時(shí)，每50m保溫良好的飽和蒸汽管道的散熱損失產(chǎn)生的冷凝水負(fù)荷一般不超過(guò)50kg/h。隨著管道內(nèi)壓力的提高，散熱損失會(huì)有所增加，在2.0MPa壓力（G）以下時(shí)，散熱損失產(chǎn)生的冷凝水負(fù)荷一般不會(huì)超過(guò)70kg/h。對(duì)于管道口徑小于DN100的管道，散熱損失產(chǎn)生的冷凝水負(fù)荷一般都不會(huì)超過(guò)30kg/h。3.1通過(guò)管路的設(shè)計(jì)有效的防范水擊如果能夠及時(shí)有效地排除蒸汽輸送管道中的冷凝水，水擊的發(fā)生概率就會(huì)大大降低，甚至不會(huì)發(fā)生水擊現(xiàn)象。因此在系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮如何有效地消除蒸汽管道啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的冷凝水。對(duì)于蒸汽管道，每隔一段距離，需要布置疏水點(diǎn)。對(duì)此，設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范提到［5］，同一坡向的管段，順坡情況下每隔400~500m，逆坡時(shí)每隔200~300m應(yīng)設(shè)啟動(dòng)疏水和經(jīng)常疏水裝置。這一間距首先是蒸汽管道疏水點(diǎn)設(shè)置的最低要求，其次，間距的設(shè)置沒有將飽和蒸汽管道和過(guò)熱蒸汽管道區(qū)別開來(lái)。很顯然，飽和蒸汽管道和過(guò)熱蒸汽管道在正常運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的冷凝水量是完全不同的，采用同一標(biāo)準(zhǔn)并不合適。因此，在最佳工程實(shí)踐中，考慮到不同的蒸汽管道，一般會(huì)將飽和蒸汽管道和過(guò)熱蒸汽管道的疏水點(diǎn)布置區(qū)分開來(lái)。對(duì)于飽和蒸汽管道而言，一般每隔30-50m就需要布置疏水點(diǎn)，具體見圖7。這樣設(shè)計(jì)主要是考慮在啟動(dòng)、正常運(yùn)行、以及負(fù)荷突然變化時(shí)，能夠有效地避免蒸汽管道內(nèi)的水積聚到能夠產(chǎn)生危害的程度。對(duì)于過(guò)熱蒸汽管道，疏水點(diǎn)之間的間距可以適當(dāng)延長(zhǎng)，但也不宜過(guò)長(zhǎng)。因?yàn)檫^(guò)熱蒸汽管道啟動(dòng)過(guò)程同樣會(huì)產(chǎn)生冷凝水；運(yùn)行過(guò)程中，也會(huì)隨著過(guò)熱度，負(fù)荷等不同，產(chǎn)生不同數(shù)量的冷凝水。因此，過(guò)熱度在100°C以內(nèi)的管道，一般建議每隔100-200m布置疏水點(diǎn)。蒸汽管道在鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)沿蒸汽流向順坡布置。當(dāng)出現(xiàn)逆坡布置時(shí)，以上疏水點(diǎn)間隔距離需要縮短一半。在疏水點(diǎn)設(shè)置時(shí)，對(duì)于100mm以下口徑的管道，應(yīng)設(shè)置與管道同口徑的集水槽;當(dāng)管道口徑較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置至少100mm或相當(dāng)于1/2管道口徑的集水槽。對(duì)于集水槽的深度以及疏水閥和排放閥安裝的位置，圖8給出了安裝示意，每個(gè)部位的具體尺寸要求見表2。在圖8中，集水槽的深度d2考慮到安裝保溫材料及疏水閥引出管至少取100mm,當(dāng)管道口徑大于200mm時(shí)，深度等同于管道口徑。疏水閥的引出管一般安裝于集水槽整個(gè)深度的1/4-1/3位置，引出管的口徑d3-般取20-25mm。排放閥位置安裝于整個(gè)集水槽的底部，用來(lái)排水和排污，其口徑d4一般取25-50mm。3.2運(yùn)行操作中的水擊防范管路的良好設(shè)計(jì)和安裝是保障蒸汽輸送管道正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。但是，即使管道的設(shè)計(jì)符合最佳工程實(shí)踐，如果運(yùn)行操作的過(guò)程中疏忽大意，特別是在系統(tǒng)啟動(dòng)的過(guò)程中操作過(guò)快，同樣也很容易發(fā)生水擊。從表1中可以看出，對(duì)于DN100的管道，在1.0MPa壓力（G）下啟動(dòng)時(shí)，50m管道會(huì)產(chǎn)生29.2kg冷凝水。如果管道從常溫經(jīng)過(guò)10min逐漸暖管升壓到1.0MPa，則50m管道冷凝水的平均負(fù)荷為175.2kg/h。如果暖管升壓時(shí)間縮短到5min，平均負(fù)荷將會(huì)翻倍。同時(shí)暖管期間，蒸汽管道的壓力還在逐漸上升的過(guò)程中，蒸汽管道上的疏水閥難以在壓差較低的情況下排放大量的冷凝水，造成短時(shí)間蒸汽管道內(nèi)的水位升高，極易發(fā)生水擊。另一方面，如果暖管的時(shí)間過(guò)慢同樣也容易造成水擊。這主要是由于暖管閥門開度較小時(shí)，當(dāng)管道內(nèi)的空氣排除完畢后，如果此時(shí)進(jìn)入管道的蒸汽流量小于管道內(nèi)的冷凝負(fù)荷時(shí)，就會(huì)在管道內(nèi)部形成真空，造成冷凝水反向流動(dòng)撞擊管道和閥門，發(fā)生水擊。因此，蒸汽管道的啟動(dòng)既不可過(guò)快，也不可過(guò)慢。啟動(dòng)時(shí)間控制在一定范圍內(nèi)就可以避免發(fā)生嚴(yán)重的水擊。這個(gè)時(shí)間范圍與管道的壓力、口徑、長(zhǎng)度、布置方式、排水點(diǎn)的布置以及季節(jié)的變化都有關(guān)系。有經(jīng)驗(yàn)的操作人員通過(guò)幾次試操作就可以找到合適的啟動(dòng)時(shí)間，并可將操作方法編制成標(biāo)準(zhǔn)的操作程序來(lái)避免發(fā)生嚴(yán)重的水擊。蒸汽輸送管道在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)都有可能發(fā)生水擊現(xiàn)象，無(wú)論