化工裝置中防范管道水擊設計的研究

董 新

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

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設計技術

化工裝置中防范管道水擊設計的研究

董 新

（中國五環工程有限公司，湖北武漢 430223）

摘 要：從化工裝置中管道內氣-液兩相混合流動的狀態入手，綜合分析了蒸汽管道、凝結水回收管道、氣-液兩相流管道產生水擊的過程，并結合具體的工程實例，指出了水擊現象是由管道內的介質冷熱混合不均形成氣-液兩相造成的，并提出了管道水擊的預防和消除措施。

關鍵詞：化工裝置；管道設計；水擊；預防措施

水擊，是指當水在管道中流動或者蒸汽進入含水的管道及容器中時，因速度突然發生變化導致該處壓力突變，形成壓力波并沿著管道傳播的現象。

在管道輸送蒸汽的過程中，管底容易積蓄凝結水，受高速蒸汽的推動形成流動的波峰會逐漸增高，最終凝結水成活塞狀而充滿管道，當這一水塊到達管道的轉彎處或閥門處時，就會對其產生激烈地沖擊，給管道系統帶來振動，并發出噪聲。此外，在熱力系統中當輸出的蒸汽與少量積水相遇時，部分熱量被水迅速吸收，使少量蒸汽冷凝成水，體積突然縮小，形成局部真空，水滴高速沖向真空區域，從而產生水擊［1］。由于水擊劇烈地震動，常常出現支吊架松脫等現象，輕則造成管系損傷，重則造成管系焊口撕裂甚至爆管，容易發生事故［2］。本文重點闡述了管道設計與水擊的關系，提出了幾種產生水擊的類型，并分析了預防水擊應采取的措施。

1 水擊現象一般發生的位置

水擊現象一般出現在管道疏水端附近及長輸管線末端，具體主要包括下列部位。

（1）管路有變徑時，尤其是在擴大的位置。

（2）管道疏水設計考慮不足，比如疏水管徑過小、疏水閥形式選擇不利等造成的水擊。

（3）管道末端由于輸送能力不足，末端全部是冷凝水，很容易產生水擊。

（4）凝水閃蒸，管道內出現水、蒸汽氣-液兩相流而產生水擊。

（5）壓力比較高的蒸汽冷凝后通過疏水閥出來，由于壓力突然降低，部分冷凝水出現二次汽化［2］，二次汽化的氣體在冷凝水管道中急劇膨脹造成水擊。

2 蒸汽管道產生水擊的原因及防治措施

蒸汽輸送管是用來從鍋爐向各蒸汽使用設備內安全地輸送優質的蒸汽。在此過程中，不可避免地會產生冷凝液，這些凝結水若不及時排除，將會聚積在管道內，導致水擊等現象的發生。

2.1 蒸汽管道內水擊發生的過程

當管道內高壓蒸汽和凝結水兩相混合流動時，就好像在管道內形成“風浪”一樣，蒸汽推動凝結水向前流動，造成管道內水位逐漸升高，最終可能形成管道內水堵。這時，管道內形成的水堵相當于管道上一臺瞬間關閉的閥門，阻礙了蒸汽向前流動，從而容易發生水擊［3］，蒸汽管道內水擊發生的過程見圖1。此外，使用蒸汽的設備從停機狀態進入送氣狀態時，蒸汽配管系統中很容易產生水擊現象。在設備運行過程中，關閉的自動調節閥再次開啟供汽時也容易產生水擊現象。

圖1 蒸汽管道內形成水堵的過程［3］

2.2 蒸汽輸送管設計的基本原則

蒸汽輸送管設計的基本原則是沿著蒸汽的流向要有一定的向下坡度，可以使凝結水和蒸汽同向流動，既利于防止水擊，又便于排除凝結水。若蒸汽和凝結水的流向相反，就會在彎曲處（凹點）發生故障，此處極易形成水擊。若因空間或其他原因受限，無法避免形成滯留點和凹處時，該處應設置蒸汽疏水閥，以及時地排除凝結水。

2.3 蒸汽輸送管疏水閥的設計原則

蒸汽疏水閥最常用的一個場合就是蒸汽主管疏水，為了讓使用蒸汽的設備能夠正常運行，主管里需要保持無空氣、無凝結水，若蒸汽主管的疏水閥選擇不恰當或者配管不合適，會引起水擊，也會使凝結水中夾帶污物損壞控制閥或其他設備。

蒸汽管道在正常運行以及開停車階段都會產生冷凝液，一般是在蒸汽管道的低點設置導淋，然后和疏水閥相連，但這樣幾乎不能徹底排除凝結水，仍會產生水擊，使得輸送的蒸汽質量低劣，含有較多水分。一般常用的蒸汽管道排水管設計見圖2，這樣會使凝結水在蒸汽速度的推動下越過排水孔，只能排除少量的凝結水，這種方式只適用于冷凝液很少，而且不用收集的場合。

如果需要收集的冷凝液量比較大，此法就不妥，容易將蒸汽帶入冷凝液系統，形成氣-液兩相流而引起管道振動，從而產生水擊。通常需要設置集液包［4］，然后再從集液包的側面引出疏水閥管線，集液包接管與梁之間凈距設計見圖3。

此外，對于管廊上的蒸汽總管的末端，也要設置集液包，以排除蒸汽主管下部滯留的凝結水，防止水擊和蒸汽汽鎖等危害。此集液包的設計，還應考慮與梁之間的間距，即集液包及接管與梁之間的凈距應該大于熱位移量及保溫所需要的空間，并且不小于200mm。

圖2 蒸汽管道底部的排水管

圖3 集液包接管與梁之間凈距示意［5］

蒸汽疏水閥的安裝位置，原則上應該安裝在各種使用設備最低點的下方，在管線設計時應正確地確定排水點的位置，使凝結水自然地、順利地流入到疏水閥（或靠自重流下），并能夠順利排出疏水閥。若違反這一原則，就會引起空氣氣堵和蒸汽汽鎖現象。

綜上所述，為了防止蒸汽管道內產生水擊，應該注意以下幾點。

（1）供汽時應慢慢地打開供汽閥，并在閥門小開度情況下保持一段時間對蒸汽系統進行充分暖管，暖管過程中產生的大量冷凝液排出，且當暖蒸汽系統管道溫度得到較大提升時再逐漸開大供氣閥門。

（2）蒸汽輸送管的中途及末端的閥門應全開。

（3）在管線的彎曲處和凹處應設置蒸汽疏水閥，蒸汽主管應每隔一段距離設置集液包，從集液包側面引出疏水閥管線。

（4）蒸汽支管向主蒸汽管取汽時，原則上蒸汽支管應設置在主蒸汽管的上部。

（5）蒸汽疏水閥的安裝位置應該在需疏水設備最低點的下方。

3 凝結水回收管道產生水擊的原因及防治措施

凝結水回收管道產生水擊的原因有很多，本文僅對以下兩種情況進行具體分析。

3.1 低壓和高壓管線上排水連接的設計

如果低壓和高壓管線上的排水連接在同一凝結水回收管線上（見圖4），高壓冷凝液容易二次閃蒸，產生蒸汽，這樣管道內就形成氣-液兩相，造成管道震動，產生水擊［6］，此外高壓冷凝液會阻礙低壓冷凝液的排出，導致低壓冷凝液疏水閥的背壓增大，使疏水閥運行不穩定，因此在設計的時候最好將不同壓力的冷凝液管線分開。

圖4 凝結水回收系統選用示意［6］

3.2 凝結水集合管的設計要求

凝結水集合管應坡向回收設備，為了不增加靜壓，防止水擊現象的產生，集合管不宜向上升。凝結水回收管線尺寸太小，拐彎太多，也容易在彎頭處引起水擊，所以冷凝液集合管線盡量短而直，減少拐彎（見圖5）。

圖5 凝結水管線（集合管）的敷設示意［6］

通過對以上兩種情形的分析，對于凝結水回收管道產生的水擊，在管道設計時應該注意以下幾點：改善用戶凝結水回收管道，高壓和低壓凝結水回收分開；另外，為了保證凝結水暢通，各支管與集合管相接宜順流由管上方45°斜交［6］（見圖6）。

圖6 疏水閥出口管與凝結水管斜交示意［6］

4 氣液兩相流管道產生水擊的原因及防治措施

氣-液兩相混合物在管道中的流動是石油化工企業工藝裝置中常見的流體流動過程之一，具有單相流動中所不存在的許多復雜因素，其流動狀態不能僅由滯留和湍流確定，而是要取決于不同的流動形態和兩相間的自由界面因素，所以對于氣液兩相流管子的管道布置也有其特殊的要求，配管不當就會引起管道嚴重振動，造成水擊現象的發生，從而導致管道和設備破壞，所以對于兩相流管線要精心布置［7］。

4.1 應避免兩相流管線形成液袋

氣液兩相流管線是由氣體和液體兩種流體組成，如果配管時形成液袋，則液體就會在低點積聚，當介質流動速度過低時，有可能充滿低點管道，見圖7中的（a），接下來后面的氣體則會把低點所積聚的液體推走，見圖7中的（b），接下來又會有液體在低點積聚，氣體再把液體推走，如此反復，最后形成柱狀流，見圖7中的（c），這種情況下氣體以比液體平均速度大得多的速度推著液體流動，碰撞回彎管件，形成激震力，從而引起管道的嚴重振動，產生水擊現象［7］。若不及時處理，久而久之就會出現焊口泄漏甚至撕裂，對企業生產造成損失。所以管道設計時應避免形成液袋。

圖7 氣體與液體在U形管中的流動狀態［7］

4.2 應避免兩相流管線形成氣袋

氣液兩相流管道在最高點極易產生氣袋，造成空氣氣堵。因此在管道的配置中，應盡量減少最高點，不可避免時，則應在最高點設置手動或者自動空氣排放閥［7］（見圖8）。

圖8 氣-液兩相流管道的高點設置放空閥［7］

5 實例分析

某工程的冷凝液總管與大氣連通，再沸器出來的冷凝液回到此總管外排。再沸器E-1004的冷凝液溫度約為110℃，再沸器E-1008冷凝液溫度約為70～80℃，再沸器E-1412冷凝液溫度約為70～80℃，見圖9。在運行過程中，發現再沸器E-1008、E-1412的冷凝液在與冷凝液主管連接處發生激烈的水擊現象，連續產生劇烈的管道振動，發出被錘擊一樣的“咚咚”聲響。冷凝液管道均有保溫。

經分析，再沸器E-1004的冷凝液出口壓力為0.3 MPa（g），進入冷凝液總管后，由于壓力降低，在冷凝液總管處會發生閃蒸，閃蒸出的蒸汽遇低溫冷凝液后（E-1008、E-1412的冷凝液溫度為70～80℃），蒸汽泡由于激冷破裂產生局部真空，四周的冷凝液會迅速沖到真空地帶互相撞擊而產生水擊，并伴隨著“咚咚”聲響，發出像錘子敲打管道的聲音。

針對上述的現象，可采取的措施有2種：①為了保證本質安全，將再沸器E-1004的冷凝液單獨走線；②把再沸器E-1004的冷凝液管線的保溫拆掉，提前降溫，避免回到冷凝液總管后閃蒸。

6 結語

綜上所述，蒸汽管道內產生水擊現象的主要原因是形成的冷凝液沒有及時排除，高壓管線和低壓管線同時進入凝結水回收總管也容易造成水擊。因此，在管道設計時，應注意合理設置疏水閥，注意高壓管線和低壓管線分開布置，并且管道應避免氣袋和液袋等，這樣就可以減少水擊現象的發生。

參考文獻：

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［7］劉衛坤.煤制合成氣氣液兩相流管道布置探討［J］.化工設計通訊，2006，32（3）：42-43.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.004 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.004

中圖分類號：U178

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901（2016）03-0011-04

作者簡介：董新（1986年-），男，湖北孝感人，2011年畢業于華南理工大學化學工程與工藝專業，工程師，現主要從事管道設計工作。

收稿日期：2016-03-08

Research on Design against Pipe Water Hammer in Chemical Unit

DONG Xin
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Abstract：Beginning from the flowing status of mixed gas and liquid in pipe of chemical unit，this paper analyzes the process in which water hammer occurs in steam pipe，condensate recovery pipe and two-phase gas-liquid pipe.It also sheds light on the reasons for water hammering in the pipe of chemical unit based on specific engineering example，and it puts forward measures for preventing and eliminating pipe water hammer.

Keywords：chemical unit；piping design；water hammer；preventive measure