王 軍

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

水擊是壓力管道中的一種非恒定流。當(dāng)介質(zhì)沿著管道流動時，由于各種原因(如閥門突然關(guān)閉、水泵突然停機(jī)或啟動、液體汽化、氣相液化等)使液體的動量發(fā)生突變，造成管道中流體的壓力發(fā)生反復(fù)、急劇的周期性變化的現(xiàn)象被稱為水擊。該現(xiàn)象宏觀上表現(xiàn)為管線劇烈震動，甚至發(fā)出“咣咣”如錘擊般的巨響，故這種現(xiàn)象也稱為水錘。水擊波的沖擊力，可能達(dá)到額定工作壓力的幾十倍甚至幾百倍[1]，當(dāng)管道水擊產(chǎn)生的振動與管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率相同或接近時，就會形成機(jī)械共振，此時管道水擊破壞力最大[2]，可能嚴(yán)重破壞管道及其附件，嚴(yán)重時造成管線與管托脫離，管線焊縫開裂，彎頭、閥門及相關(guān)管件和設(shè)備損壞。

2013年，某延遲焦化裝置在放水階段由于焦塊堵塞致使放水線導(dǎo)致放水不暢，在操作人員試圖用低壓蒸汽吹通堵塞放水線的過程中，突然發(fā)生強(qiáng)大的水擊，導(dǎo)致DN450 mm的放水管線焊縫撕裂，管線嚴(yán)重變形，最終裝置不得不降量運(yùn)行以騰出時間來維修更換放水管線，裝置安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益受到影響。因此，了解水擊的原理并尋找解決的方案，消除設(shè)備管線閥門等的安全隱患，確保裝置安全生產(chǎn)是非常重要的。

1 水擊原理概述

根據(jù)管線輸送介質(zhì)的不同，水擊現(xiàn)象可以分成兩大類，即非蒸汽管線水擊和蒸汽管線水擊。非蒸汽管線水擊是指輸液管道由于閥門突然開關(guān)、機(jī)泵突然起停、管網(wǎng)壓力波動等原因造成的管內(nèi)流體周期性震蕩并沖擊管線、管件、閥門等的現(xiàn)象。蒸汽管線水擊是指由于當(dāng)蒸汽管道中存在兩相流(氣液相流)時，蒸汽推動冷凝液迅速流動沖擊管線、管件閥門，或由于兩相流產(chǎn)生空穴湮滅或水堵而造成的水擊現(xiàn)象。本質(zhì)上，兩種水擊現(xiàn)象都是由于流體動量發(fā)生突變而造成的流體壓力驟變。在煉油廠中，蒸汽管線水擊現(xiàn)象比較常見。

在輸液管線中，當(dāng)局部壓力降到汽化壓力時，管內(nèi)形成蒸汽空穴。如果流體內(nèi)含有溶解的空氣，那么壓力下降到一定程度以后，溶解在液體中的空氣就會釋放出來，形成空氣穴。假如壓力下降的很快，蒸汽空穴在前后壓差的影響下橫向增大形成空穴段，就會產(chǎn)生液柱分離，當(dāng)這兩個分開的液面重新合攏時，會引起壓力很大的瞬變過程，即水擊，且瞬變時間越短，水擊越強(qiáng)大。在熱水系統(tǒng)中，空泡的形成幾率更高，若在流體中引入蒸汽，則蒸汽在流動過程中會冷凝，體積瞬間縮小，形成真空區(qū)，快速流動中的液體迅速沖向真空區(qū)，形成撞擊，產(chǎn)生水擊，該過程的描述見圖1。由于蒸汽的存在，空穴形成的幾率及數(shù)量大大增加，水擊現(xiàn)象不斷發(fā)生并疊加，產(chǎn)生的危害也就比普通輸液系統(tǒng)更大。

在蒸汽管線中，通常液體含量相對較少，水擊多是由于水堵現(xiàn)象引起。當(dāng)管道內(nèi)高壓蒸汽和凝結(jié)水兩相混合流動時，蒸汽推動凝結(jié)水以極高的速度向前流動，就好像在管道內(nèi)形成“風(fēng)浪”，造成管道內(nèi)水位逐漸升高，最終可能在管道內(nèi)形成一堵“水墻”，阻礙了汽水繼續(xù)流動，這種現(xiàn)象叫水堵。水堵一旦形成，就像在管道里突然增加了一道關(guān)閉的閥門，被蒸汽高速推動的流體瞬間降速，從而形成巨大的沖擊現(xiàn)象。根據(jù)動量定理，蒸汽速度越快，水擊越強(qiáng)，并且在壓力一定的情況下，管線內(nèi)凝結(jié)水的增加會導(dǎo)致水擊現(xiàn)象發(fā)生的可能性增加[3]。水堵形成過程見圖2所示。

圖1 輸液線中存在蒸汽時水擊的產(chǎn)生過程

圖2 蒸汽管道內(nèi)形成水堵的過程

在蒸汽系統(tǒng)中，由于兩相流的存在，空穴產(chǎn)生和湮滅現(xiàn)象比較普遍，水堵現(xiàn)象也常常發(fā)生，水擊現(xiàn)象發(fā)生的頻率也極高。利用上述原理來簡單分析前言中焦化裝置放水線水擊撕裂事故的原因，具體見圖3。

圖3 某焦化裝置放水線內(nèi)形成水堵的過程

從圖3可以看出：焦塊的阻塞導(dǎo)致放水線中凝結(jié)水存積，當(dāng)大量蒸汽進(jìn)入管線時，蒸汽推動凝結(jié)水快速向前移動，在焦塊處突然形成水堵，導(dǎo)致高速流動的液體瞬間降速，發(fā)生強(qiáng)大的水擊，水擊壓強(qiáng)(△P)可以根據(jù)儒可夫斯基水擊壓強(qiáng)公式進(jìn)行粗略計算[4]。

△P=ρa(bǔ)(V0-V)

(1)

式中：ρ為液體的密度，凝結(jié)水取1 000 kg/m3；a為蒸汽流動時鋼管內(nèi)凝結(jié)水水擊波傳播速度，一般取1 000 m/s；V0為流體初始速度，按HG/T 20570.7—1995《管道壓力降計算》中取值，蒸汽流速為30～40 m/s，本例中假設(shè)為30 m/s；V為流體終止速度，本例中為0。

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)中計算可得，水擊壓強(qiáng)△P=30 MPa。

根據(jù)GB 50316—2000，管道封頭焊縫的承受壓力(P)可用下式計算。

P=δ[σ]tE/D

(2)

式中：δ為管子壁厚，取14 mm；δ[σ]t為20#鋼許用應(yīng)力，在150 ℃以下取113 MPa；E為焊接接頭因子，單面焊接100%無損檢測，取0.9；D為管子公稱直徑，取450 mm。

將上述數(shù)據(jù)代入上式計算得，P=3.16 MPa，可見，放水線管道焊縫能夠承受的壓強(qiáng)遠(yuǎn)低于水擊壓強(qiáng)，在一定程度上解釋了放水線發(fā)生水擊時，為何能將管線焊縫撕裂。

2 水擊現(xiàn)象的預(yù)防及治理

2.1 引起水擊的原因

由上述分析可知，讓管道內(nèi)流體動量改變就可能造成水擊，比如閥門突然開關(guān)、水線內(nèi)竄入蒸汽、蒸汽管線產(chǎn)生冷凝水、管線內(nèi)溫度壓力發(fā)生變化、流體發(fā)生相變等。具體來講，有以下幾點(diǎn)原因。

(1)蒸汽管線設(shè)計不合理，導(dǎo)致管線內(nèi)產(chǎn)生蒸汽凝液，在本應(yīng)該設(shè)置疏水器及導(dǎo)淋閥的位置，如管道末端、管線低點(diǎn)等處未設(shè)置疏水器及導(dǎo)淋，長距離輸送管道每隔一定距離沒有設(shè)置相應(yīng)的疏水設(shè)備，導(dǎo)致凝液積聚，無法排除；或者設(shè)置了疏水器，但疏水器選型過小，或疏水器未正確投用，均會使產(chǎn)生的凝結(jié)水不能及時排除，導(dǎo)致水擊。

(2)蒸汽線未按要求保溫或保溫?fù)p壞未及時修復(fù)，蒸汽溫度突降，導(dǎo)致蒸汽過熱度降低，產(chǎn)生的凝結(jié)水不能及時排除。

(3)操作不當(dāng)，投用蒸汽管線時進(jìn)汽閥開啟過快、開度過大，或暖管不充分。輸液管線內(nèi)壓力過低，管線內(nèi)壓力大都低于飽和蒸汽壓，凝結(jié)水汽化形成汽化氣穴，氣穴不斷增大并最終導(dǎo)致液柱分離，而液柱分離重新聚合就導(dǎo)致了水錘。

(4)管內(nèi)壓力發(fā)生改變也會引起水擊，例如不同壓力凝結(jié)水共網(wǎng)回收，容易引發(fā)主管中凝結(jié)水流速和流向的變化，導(dǎo)致管內(nèi)壓力變化產(chǎn)生空泡潰滅，形成水錘。

(5)輸液線中閥門的快速關(guān)閉可能在閥門附近引起液柱分離，使得管線中大部分區(qū)域壓力梯度接近蒸汽壓力。只要閥門處有蒸汽空穴，逆壓梯度會使流體朝閥門方向倒流，引起空穴潰滅閉合，導(dǎo)致系統(tǒng)中產(chǎn)生高壓，發(fā)生水擊。

2.2 預(yù)防及減少水擊損害的措施

2.2.1 預(yù)防措施

(1)在進(jìn)行工程設(shè)計時，可以通過合理選擇管徑、管長和管線布局來避免水擊的發(fā)生。例如泵的出口管道突然向上并形成突起，則因易產(chǎn)生負(fù)壓而發(fā)生液柱分離。因此，為避免水擊的發(fā)生，設(shè)計施工中宜將管道布置成均勻上升并向下凹的平緩管道便可避免產(chǎn)生負(fù)壓，保證管道安全。

(2)延緩閥門的調(diào)節(jié)時間，尤其是延緩閥門的有效關(guān)閉時間。根據(jù)閥門的特性，不同閥門的有效關(guān)閉時間不同，如截止閥的有效關(guān)閉時間大約是剩余15%開度的關(guān)閉時間，對于截止閥，設(shè)法使剩余的15%的開度緩慢地關(guān)閉，便可使壓力變化值降低。在高速管線上有自動切斷閥時，應(yīng)當(dāng)選用緩閉式電動閥等來有效地緩和水擊的發(fā)生。

(3)對于蒸汽管線，編制新建蒸汽管線投運(yùn)方案時，必須考慮管道內(nèi)打壓用水沉積的情況；操作過程中，必須確認(rèn)管道內(nèi)積水排放情況，緩慢平穩(wěn)開關(guān)閥門。運(yùn)行中應(yīng)監(jiān)控蒸汽參數(shù)的變化，尤其是對蒸汽溫度的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常降溫，及時聯(lián)系相關(guān)單位進(jìn)行調(diào)整，及時開啟管線疏水器及導(dǎo)淋閥。停運(yùn)后的蒸汽管線的疏水器應(yīng)保持開啟狀態(tài)，同時應(yīng)定期維護(hù)進(jìn)汽閥，確保其關(guān)閉嚴(yán)密，防止蒸汽漏入停運(yùn)蒸汽管線。蒸汽管道由冷態(tài)備用狀態(tài)投入運(yùn)行時，操作人員應(yīng)打開導(dǎo)淋閥，緩慢開啟進(jìn)汽閥，保持較小開度，進(jìn)行暖管操作，待管道壁溫升高，充分疏水后(評判標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)淋見汽和工質(zhì)或管壁溫度達(dá)到規(guī)定值)，關(guān)閉導(dǎo)淋閥，投用疏水器，逐漸開大進(jìn)汽閥。對于上述例子中焦化放水線堵塞的問題，因防水線內(nèi)存水不可避免，且在堵塞時積水無法排除，無法使用蒸汽直接吹掃。目前已對放水線進(jìn)行改造，減少水平管段，盡可能地防止焦塊堵塞；同時通過優(yōu)化生焦及放水操作，來防止堵塞情況的放生，若堵塞仍然發(fā)生，則需要通過高壓水來疏通，禁止在管線存水的情況下，直接使用蒸汽吹掃。

(4)合理設(shè)置符合要求的疏水器。蒸汽管線的水擊產(chǎn)生頻率高，危害極大，所以蒸汽管線每隔一定距離，在低點(diǎn)處和末端要設(shè)集液管和疏水點(diǎn)。蒸汽干管末端、調(diào)節(jié)閥前及切斷閥前等易積水處也要設(shè)疏水點(diǎn)，以排出管線內(nèi)的冷凝水。選擇安裝性能穩(wěn)定、動作可靠、排水量大、對負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)的疏水器能有效控制管線中水擊現(xiàn)象的發(fā)生，此外，選擇正確的導(dǎo)淋系統(tǒng)可以充分發(fā)揮疏水器的排水功能，可顯著降低蒸汽管線水擊的發(fā)生，見圖4。

圖4 導(dǎo)淋系統(tǒng)集水槽安裝前后排水效果示意

2.2.2 水擊發(fā)生時應(yīng)采取的措施

在煉油裝置生產(chǎn)中，應(yīng)做好蒸汽管線水擊的預(yù)防措施，盡量避免水擊的發(fā)生。一旦發(fā)生水擊，應(yīng)及時進(jìn)行調(diào)整，大致原則如下：

(1)關(guān)小上游閥門開度，改變振蕩周期，以緩和水擊；

(2)立即關(guān)閉蒸汽或減小來汽壓力；

(3)保持引起水擊的閥門前疏水閥的正常疏水；

(4)絕對錯誤的做法是盲目開大導(dǎo)淋閥，迅速排放管道內(nèi)凝結(jié)水，以此來消除管道水擊。這樣的操作，只能加速管道內(nèi)汽水兩相的混合流動，很可能導(dǎo)致管道產(chǎn)生更強(qiáng)大的水擊。正確的做法是根據(jù)管道水擊的程度，關(guān)小或關(guān)閉送汽控制閥，同時，關(guān)小導(dǎo)淋閥，減少凝結(jié)水排放量。目的就是降低管道內(nèi)汽水兩相混合流動的動力，消除管道內(nèi)水堵，從而消除管道水擊，直到確認(rèn)完全排凈管道內(nèi)凝結(jié)水后，才能進(jìn)一步開閥升壓。

3 結(jié)語

文章介紹了在煉油裝置中蒸汽線和輸液線中常見的水擊現(xiàn)象，并給出了引起水擊的原因是流體動量的變化，同時還淺析了水擊的機(jī)理：對于輸液線來說，液體在流動中因各種原因產(chǎn)生空穴或液柱分離，當(dāng)空穴湮滅或分離的液柱重新閉合時，便產(chǎn)生強(qiáng)大的水擊，水中竄入蒸汽會使水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的更加頻繁強(qiáng)烈；對于蒸汽線來說，水擊主要是由于水堵產(chǎn)生。文章還簡單分析了列舉案例中水擊損壞管道設(shè)施的原因，同時，給出了水擊產(chǎn)生的常見原因及預(yù)防防治措施，對煉油裝置預(yù)防水擊及減小水擊危害提供了參考方向。