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(dòng)時(shí)，由于各種原因(如閥門突然關(guān)閉、水泵突然停機(jī)或啟動(dòng)、液體汽化、氣相液化等)使液體的動(dòng)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(dòng)，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(dòng)與管道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率相同或接近時(shí)，就會(huì)形成機(jī)械共振，此時(shí)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(shí)造成管線與管托脫離，管線焊縫開(kāi)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(guò)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(shí)間來(lái)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(kāi)關(guān)、機(jī)泵突然起停、管網(wǎng)壓力波動(dòng)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(shí)，蒸汽推動(dòng)冷凝液迅速流動(dòng)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(dòng)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(jiàn)。

在輸液管線中，當(dāng)局部壓力降到汽化壓力時(shí)，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(huì)釋放出來(lái)，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(huì)產(chǎn)生液柱分離，當(dāng)這兩個(gè)分開(kāi)的液面重新合攏時(shí)，會(huì)引起壓力很大的瞬變過(guò)程，即水擊，且瞬變時(shí)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(dòng)過(guò)程中會(huì)冷凝，體積瞬間縮小，形成真空區(qū)，快速流動(dòng)中的液體迅速?zèng)_向真空區(qū)，形成撞擊，產(chǎn)生水擊，該過(guò)程的描述見(jiàn)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(duì)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(dòng)時(shí)，蒸汽推動(dòng)凝結(jié)水以極高的速度向前流動(dòng)，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(dòng)，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(dòng)的流體瞬間降速，從而形成巨大的沖擊現(xiàn)象。根據(jù)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致水擊現(xiàn)象發(fā)生的可能性增加[3]。水堵形成過(guò)程見(jiàn)圖2所示。

圖1 輸液線中存在蒸汽時(shí)水擊的產(chǎn)生過(guò)程

圖2 蒸汽管道內(nèi)形成水堵的過(guò)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(lái)簡(jiǎn)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(jiàn)圖3。

圖3 某焦化裝置放水線內(nèi)形成水堵的過(guò)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(shí)，蒸汽推動(dòng)凝結(jié)水快速向前移動(dòng)，在焦塊處突然形成水堵，導(dǎo)致高速流動(dòng)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(jì)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(dòng)時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(wú)損檢測(cè)，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(jì)算得，P=3.16 MPa，可見(jiàn)，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(shí)，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(dòng)量改變就可能造成水擊，比如閥門突然開(kāi)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(lái)講，有以下幾點(diǎn)原因。

(1)蒸汽管線設(shè)計(jì)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(zhǎng)距離輸送管道每隔一定距離沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)的疏水設(shè)備，導(dǎo)致凝液積聚，無(wú)法排除；或者設(shè)置了疏水器，但疏水器選型過(guò)小，或疏水器未正確投用，均會(huì)使產(chǎn)生的凝結(jié)水不能及時(shí)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(shí)修復(fù)，蒸汽溫度突降，導(dǎo)致蒸汽過(guò)熱度降低，產(chǎn)生的凝結(jié)水不能及時(shí)排除。

(3)操作不當(dāng)，投用蒸汽管線時(shí)進(jìn)汽閥開(kāi)啟過(guò)快、開(kāi)度過(guò)大，或暖管不充分。輸液管線內(nèi)壓力過(guò)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(huì)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(huì)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(jì)時(shí)，可以通過(guò)合理選擇管徑、管長(zhǎng)和管線布局來(lái)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(jì)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(shí)間，尤其是延緩閥門的有效關(guān)閉時(shí)間。根據(jù)閥門的特性，不同閥門的有效關(guān)閉時(shí)間不同，如截止閥的有效關(guān)閉時(shí)間大約是剩余15%開(kāi)度的關(guān)閉時(shí)間，對(duì)于截止閥，設(shè)法使剩余的15%的開(kāi)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(dòng)切斷閥時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用緩閉式電動(dòng)閥等來(lái)有效地緩和水擊的發(fā)生。

(3)對(duì)于蒸汽管線，編制新建蒸汽管線投運(yùn)方案時(shí)，必須考慮管道內(nèi)打壓用水沉積的情況；操作過(guò)程中，必須確認(rèn)管道內(nèi)積水排放情況，緩慢平穩(wěn)開(kāi)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(duì)蒸汽溫度的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常降溫，及時(shí)聯(lián)系相關(guān)單位進(jìn)行調(diào)整，及時(shí)開(kāi)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(kāi)啟狀態(tài)，同時(shí)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(shí)，操作人員應(yīng)打開(kāi)導(dǎo)淋閥，緩慢開(kāi)啟進(jìn)汽閥，保持較小開(kāi)度，進(jìn)行暖管操作，待管道壁溫升高，充分疏水后(評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為導(dǎo)淋見(jiàn)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(kāi)大進(jìn)汽閥。對(duì)于上述例子中焦化放水線堵塞的問(wèn)題，因防水線內(nèi)存水不可避免，且在堵塞時(shí)積水無(wú)法排除，無(wú)法使用蒸汽直接吹掃。目前已對(duì)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(shí)通過(guò)優(yōu)化生焦及放水操作，來(lái)防止堵塞情況的放生，若堵塞仍然發(fā)生，則需要通過(guò)高壓水來(lái)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(dòng)作可靠、排水量大、對(duì)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(jiàn)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(shí)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(shí)進(jìn)行調(diào)整，大致原則如下：

(1)關(guān)小上游閥門開(kāi)度，改變振蕩周期，以緩和水擊；

(2)立即關(guān)閉蒸汽或減小來(lái)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(duì)錯(cuò)誤的做法是盲目開(kāi)大導(dǎo)淋閥，迅速排放管道內(nèi)凝結(jié)水，以此來(lái)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(dòng)，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(shí)，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(dòng)的動(dòng)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(kāi)閥升壓。

3 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了在煉油裝置中蒸汽線和輸液線中常見(jiàn)的水擊現(xiàn)象，并給出了引起水擊的原因是流體動(dòng)量的變化，同時(shí)還淺析了水擊的機(jī)理：對(duì)于輸液線來(lái)說(shuō)，液體在流動(dòng)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(shí)，便產(chǎn)生強(qiáng)大的水擊，水中竄入蒸汽會(huì)使水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的更加頻繁強(qiáng)烈；對(duì)于蒸汽線來(lái)說(shuō)，水擊主要是由于水堵產(chǎn)生。文章還簡(jiǎn)單分析了列舉案例中水擊損壞管道設(shè)施的原因，同時(shí)，給出了水擊產(chǎn)生的常見(jiàn)原因及預(yù)防防治措施，對(duì)煉油裝置預(yù)防水擊及減小水擊危害提供了參考方向。