管道中汽（氣）錘分析的重要性

孫希文,牛冠軍（中海油山東化學工程有限責任公司,濟南　250000）

管道中汽（氣）錘分析的重要性

孫希文,牛冠軍
（中海油山東化學工程有限責任公司,濟南250000）

摘要：汽（氣）錘是指在閥門打開或關(guān)閉時，汽（氣）流沖擊管道，會產(chǎn)生嚴重的汽（氣）錘現(xiàn)象。汽（氣）錘力是指彎頭對之間因閥門的快速打開或是關(guān)閉引起的壓力不平衡造成的不平衡力。對于一些高壓汽（氣）體輸送系統(tǒng)，因在閥門瞬間打開或關(guān)閉時壓力差較大，作用在彎頭上的汽（氣）錘力也較大，因此在管道應力分析時是必不可少的分析內(nèi)容。本文主要針對火電廠的主蒸汽、再熱蒸汽、高壓空氣、氣體的火炬泄放系統(tǒng)等管道系統(tǒng)中的氣錘力的重要性和對管道的影響。

關(guān)鍵詞：主蒸汽;再熱蒸汽;高壓空氣;氣體的火炬泄放

1　對電廠主蒸汽、再熱蒸汽管線的汽錘分析

主蒸汽管道、再熱蒸汽管道熱段、再熱蒸汽管道冷段、高壓給水管道是火電廠四大管道，也是設(shè)計院主要進行管道應力分析的管道系統(tǒng)，也是確保電廠可正常運營的管道系統(tǒng)。

目前火電廠的管道應力計算中除了進行靜態(tài)分析外，為了確保管道管道安全，還要對主蒸汽管道、再熱蒸汽管道地段進行動態(tài)載荷分析，分析主汽門或再熱主汽門突然關(guān)閉時引起的氣錘力作用到管道上的狀況。由于主蒸汽管道設(shè)計溫度較高，為保證管道具有足夠的柔性，從而吸收由于熱漲、冷縮及端點位移產(chǎn)生的變形，大量使用了彈簧吊架。尤其是在大容量高參數(shù)發(fā)電機組中，汽機跳閘是關(guān)閉主汽閥和再熱蒸汽閥時間很短，一般都在0.15S，因此會在主蒸汽和再熱蒸汽熱段中產(chǎn)生較為嚴重的汽錘現(xiàn)象。對于再熱蒸汽冷段，由于閥門處在管道上游，且中間還有汽機透平，雖然閥后流體壓力聚減，壓力波向下游傳遞，改變了管道內(nèi)的壓力分布，進而彎頭對之間形成了不平衡力，對管道有一定的沖擊力，但該氣錘力很小，一般都在2ton以下，可以不考慮氣錘力對其的影響。

汽錘力屬于沖擊載荷，其作用時間很短，但瞬時沖擊力可達到很大的數(shù)值，對管系可造成比較嚴重的破壞，必須加以防范。進行汽錘分析時，應得到動態(tài)工況下管道中各支架的應力水平、力的大小，必須滿足規(guī)范要求；并選擇合適的阻尼器。

當前，在600MW和1000MW的機組中，都需要考慮汽錘力載荷的影響。300MW及以下裝機容量很少考慮，但現(xiàn)在很多300MW的機組也采用超臨界機組，因此同樣需要考慮汽錘的影響。

進行汽錘載荷工況的分析時，得到關(guān)鍵管段的汽錘力是非常關(guān)鍵的，現(xiàn)一般多采用專業(yè)軟件來進行分析。現(xiàn)在市面上可進行汽錘分析的軟件有AFTImpulse、Fluent、Ρipenet等，東北電力院也專門對以上進行了比較，從計算得出汽錘力無論是從變化趨勢上還是絕對值大小上，AFTImpulse與Fluent比較接近；而Ρipenet計算得出的汽錘力比較大，結(jié)果非常保守，且汽錘力的變化趨勢沒有一定的規(guī)律，其計算方法有待修改更新。依據(jù)得出的汽錘力在CAESARⅡ中選擇的阻尼器，以及在現(xiàn)場運營情況來看，AFTImpulse軟件計算的結(jié)果是比較準確和可靠地，也與大量的運行電廠的實際運行方案相符。

2　對火炬泄放系統(tǒng)的汽錘分析

火炬系統(tǒng)是用來處理石油化工廠、煉油廠、化工廠及其其它工廠或裝置無法回收和再加工的可燃和可燃有毒氣體及蒸汽的特殊燃燒設(shè)施，是保證工廠安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項重要措施。

火炬系統(tǒng)可分為高架火炬和地面火炬，一般會根據(jù)火炬系統(tǒng)的設(shè)計處理量、工廠所處的地理條件以及環(huán)境保護要求等因素，決定采用何種形式的火炬。

排放氣介質(zhì)狀態(tài)中的任何一種情況，需設(shè)置一根總管。若是上述多種情況的組合，則要分開設(shè)置干火炬系統(tǒng)和濕火炬系統(tǒng)。當兩股物流相混可能產(chǎn)生固體或者發(fā)生危險的物理或化學變化時，兩股物料要分開。如果由于兩股混合使管道尺寸加大很多或使管道材質(zhì)升級時，兩股物料也要分開。一般排放的液體與排放的氣體是分開的，對于帶有液體的物流要設(shè)分離設(shè)施和單獨的液相系統(tǒng)。

含易液化的熱氣體沿著管道的傳輸時，易液化的介質(zhì)就會隨著熱量的散失而逐漸形成液滴并在管底形成液柱，若管道沿線設(shè)置的分離器不合理，就會在某段形成柱塞，從而形成柱塞流。此時就要對管道按照柱塞流的方法進行計算。當然如管線中液化量很小或沒有形成兩相流，安全閥起跳時，這就需要對管道進行汽錘分析。

對于不含易液化介質(zhì)的氣體火炬系統(tǒng)來說，安全閥突然起跳，介質(zhì)從很高的壓力噴出到幾乎接近大氣壓的管道中，其流速是非?？斓模鋵艿赖臎_擊力就需要考慮。這也就是氣錘力對管道的沖擊。管廊上的直管道一般比較長，管道兩端的壓差和流速都比較大，因此氣錘力對管道的偶然載荷就必須考慮。

3　對高壓空氣管線的氣錘分析

空氣管線在化工廠、石化廠、電廠等是非常常見的，但很多都是純的氮氣、氫氣、氧氣等。多數(shù)情況下都是常壓輸送，因此一般都不考慮氣錘力對管線的沖擊載荷。但對于高壓空氣管線壓力達到20Mpа的空氣管線，閥門打開和關(guān)閉時間又非常短的系統(tǒng)，空氣對管道的沖擊力是非常大的，當管徑在300mm時，有些管道的氣錘力可達20ton，管道應力分析選擇支架時，要選用門式支架，最好不用單柱支撐的方式，因為當較大氣錘力沖擊管道時會造成嚴重的晃動。

4　結(jié)語

綜上所述，電力、石化、化工行業(yè)為了確保電廠、化工廠可以安全的運行，管道應力分析時對汽錘力的沖擊載荷的重視程度在逐漸的提高。目前國內(nèi)大多數(shù)項目，雖然考慮了汽錘力的影響，但也都是講姜最大汽錘力直接帶入到管道中進行靜態(tài)分析；而國外都是將汽錘力沿時程的變化曲線導入到管道模型中進行動態(tài)分析，盡量與工廠實際運行時的狀態(tài)相一致。我相信，隨著國內(nèi)對動態(tài)分析的認識的逐漸加深，和先進計算手段的不斷引入，國內(nèi)很快也會將動態(tài)分析納入進來。

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作者簡介：孫希文(1981-)，女，山東即墨人，本科，研究方向：管道設(shè)計、管道機械。