管線水擊現(xiàn)象對(duì)裝置的影響分析及應(yīng)對(duì)措施

吉柯州 周璟

摘 要：在壓力管道中，由于管道內(nèi)液體流速的急劇改變，從而造成瞬時(shí)壓力顯著、反復(fù)、迅速變化對(duì)管道及管件造成沖擊的現(xiàn)象，稱為水擊。水擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，壓力升高值可能為正常壓力的許多倍，使管壁材料承受很大壓力;壓力的反復(fù)變化，會(huì)引起管道和設(shè)備的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道、管道附件及設(shè)備的損壞。所以在正常生產(chǎn)與設(shè)備運(yùn)行中，盡可能地消除水擊帶來(lái)的影響就顯得尤為重要。本文通過(guò)對(duì)裝置實(shí)際水擊產(chǎn)生的設(shè)備和狀況進(jìn)行分析。分析產(chǎn)生的原理與原因并且嘗試找到解決方法。

關(guān)鍵詞：水擊;水擊防護(hù);壓力管道

1.水擊現(xiàn)象的簡(jiǎn)介與對(duì)裝置設(shè)備的典型影響：

石油組分多級(jí)精餾、石油組分加氫兩套裝置在運(yùn)行的過(guò)程中都會(huì)受到水擊的影響。水擊現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)對(duì)裝置的管線及管件造成很大的沖擊。這兩種現(xiàn)象在嚴(yán)重時(shí)有可能會(huì)造成裝置的管線破裂、塌縮，管線連接件損壞或者閥門等管件的損壞，泄漏。給裝置設(shè)備的安全有效運(yùn)行造成很大的隱患。所以有效分析裝置水擊的形成原因規(guī)律和預(yù)防措施就顯得格外重要。

2.裝置內(nèi)典型水擊現(xiàn)象容易發(fā)生的部位及狀況：

對(duì)于石油組分加氫裝置來(lái)說(shuō)，主要是在裝置凝水冷卻器（固定管板式）的凝水線出口段管線發(fā)生水擊現(xiàn)象。發(fā)生時(shí)裝置管線會(huì)產(chǎn)生明顯的噪音與震動(dòng)。在冬季尤其容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

對(duì)于石油組分多級(jí)精餾裝置來(lái)說(shuō)，最典型的水擊現(xiàn)象發(fā)生在一些間歇運(yùn)行的機(jī)泵上，以產(chǎn)品中間泵（離心式）為例，每個(gè)班組在將中間產(chǎn)品罐（立式拱頂罐）中的物料輸轉(zhuǎn)到成品罐（內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐）中時(shí)都需要開(kāi)停一次這個(gè)機(jī)泵。在開(kāi)停泵的過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)較為明顯的水擊現(xiàn)象。此時(shí)這段管線會(huì)產(chǎn)生明顯的水擊噪音和震動(dòng)。

3.針對(duì)水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的實(shí)際情況作出的原因分析：

3.1石油組分加氫裝置

針對(duì)石油組分加氫裝置凝水冷卻器（固定管板式）來(lái)說(shuō)，換熱器殼程冷凝水出水端在冬季時(shí)，較容易出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，導(dǎo)致冷凝水線震動(dòng)并伴隨著較大的噪聲。對(duì)管線及管件造成沖擊。換熱器（固定管板式）殼程冷凝水出口端的溫度長(zhǎng)期高于100℃，如果達(dá)到使用壓力下水的沸點(diǎn)，此時(shí)管線內(nèi)就會(huì)存在水蒸氣與凝水混合存在的情況。在管道內(nèi)的氣體和液體的流速存在不同，差別很大。高流速的氣體會(huì)推動(dòng)液體在管線內(nèi)高速前進(jìn)。在撞擊到管壁和管件時(shí)發(fā)生錘擊。這是其一。

另一種情況是高溫的水蒸氣在進(jìn)入出口管線后迅速冷卻，又形成凝水。氣體變?yōu)橐后w導(dǎo)致體積減小。在體積減小的部位出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)的真空區(qū)域。此時(shí)周圍的液體就會(huì)瞬間向這個(gè)真空區(qū)域集中，造成水流沖擊。這種猜測(cè)也解釋了為什么在冬季時(shí)，這條管線出現(xiàn)水擊的頻率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于炎熱的夏季。冬季時(shí)管線內(nèi)外的溫差更大，管道內(nèi)的氣相凝結(jié)速率也更高。就更容易產(chǎn)生這種情況下的水擊現(xiàn)象。在現(xiàn)階段的情況下，裝置采用減小凝水線閥門開(kāi)度，降低凝水流量使凝水充分換熱降低出口溫度的方法來(lái)應(yīng)對(duì)出現(xiàn)水擊的情況。也從側(cè)面反應(yīng)出這種分析的合理性。

3.2石油組分多級(jí)精餾裝置

針對(duì)石油組分多級(jí)精餾裝置，產(chǎn)品中間泵（離心式）來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生的是典型的由于閥門突然開(kāi)停引起的非恒定流現(xiàn)象形成的水擊。這種水擊現(xiàn)象是由于當(dāng)有壓管道中的閥門突然開(kāi)啟、關(guān)閉，使水流流速急劇變化，引起管內(nèi)壓強(qiáng)發(fā)生大幅度交替升降。這種變化以一定的速度向上游或下游傳播，并且在邊界上發(fā)生反射產(chǎn)生的。

因?yàn)橐后w存在慣性和可壓縮性。水擊現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)上是由于管道內(nèi)液體流速的改變，導(dǎo)致液體的動(dòng)量發(fā)生急劇改變而引起作用力變化的結(jié)果。所以解決這種水擊問(wèn)題的實(shí)質(zhì)也是控制管道內(nèi)的液體流速。反應(yīng)在實(shí)際問(wèn)題中就是控制機(jī)泵開(kāi)停出口閥時(shí)的速度。

4.水擊現(xiàn)象的危害及分析

在水擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)。會(huì)對(duì)管線與管件造成很大的沖擊。此時(shí)管道內(nèi)流體的流速會(huì)瞬間下降。此時(shí)產(chǎn)生的沖擊壓力也就是我們所說(shuō)的水擊。此時(shí)的壓力升高量可以由下式得到：

由此式可以看出，沖擊壓力的大小與壓力波的流速與管道內(nèi)流體流速的變化量有著直接的關(guān)系。而壓力波的速度又可以根據(jù)下式求得：

由此式可以看出，壓力波的速度取決于管道自身的特性（管徑、管壁和彈性模量）和流體特性（體積模量和密度）。這就意味著，在輸送不同介質(zhì)的管道內(nèi)，壓力波會(huì)以不同的速度傳播。管道管材的彈性越大，就越能減緩壓力波的傳播速度，而管道的直徑與壁厚之比越大，波速就越小。再者，由于流體的可壓縮性取決于流體自身的密度和體積模量，因此壓力波的速度與流體壓縮性成反比。在壓縮性低的流體中壓力波會(huì)以更快的速度傳播。因此具有更大的勢(shì)能。在實(shí)際情況中，烴類介質(zhì)比水擁有更大的壓縮比。所以相對(duì)來(lái)說(shuō)水線更容易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。這也是符合裝置現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的。

此外，壓力驟增的計(jì)算中還應(yīng)該考慮水擊波衰減的因素。在傳播過(guò)程中，管內(nèi)摩擦阻力損失影響會(huì)使得壓力波衰減。這種衰減會(huì)隨著傳播距離的增加而增加。

在上述的公式與分析中管道內(nèi)流體的流速發(fā)生了瞬時(shí)變化。如果能控制住流速的驟變，也就能控制住最大沖擊壓力。所以說(shuō)控制住了管線內(nèi)的流速驟變，也就能控制住流體內(nèi)的最大沖擊壓力。所以就要盡可能地減少換熱器換熱時(shí)產(chǎn)生的凝水氣化或者最大限度地減少管道中水蒸氣重新冷凝回液體。使得管道內(nèi)的液體能夠以均勻的速度傳播。

在石油組分多級(jí)精餾裝置的典型水擊現(xiàn)象中，由于機(jī)泵出口閥門的開(kāi)關(guān)直接影響著管線內(nèi)液體的流速。所以閥門就是這種情況下水擊現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。在這里引入兩張閥門關(guān)閉時(shí)間對(duì)水擊現(xiàn)象影響的經(jīng)驗(yàn)圖表。

圖1是閥門關(guān)閉時(shí)間Ts分別為0.5 s和0.77 s時(shí)管線內(nèi)壓強(qiáng)的變化曲線。可以看出，當(dāng)閥門關(guān)閉速度加快后，產(chǎn)生的最大水擊壓強(qiáng)也隨之增大，閥門完全關(guān)閉后壓強(qiáng)震蕩的幅度和次數(shù)都有所增加。

圖2是水擊壓強(qiáng)最大值Pmax與閥門關(guān)閉時(shí)間Ts之間的關(guān)系曲線?？梢钥闯鲭S著閥門關(guān)閉時(shí)間的縮短，Pmax急劇增大。說(shuō)明適當(dāng)增大閥門關(guān)閉時(shí)間可以有效減小水擊壓強(qiáng)。

5.水擊現(xiàn)象的解決方法

5.1 針對(duì)石油組分加氫裝置凝水冷卻器（固定管板式）的情況

根據(jù)前文的分析與推測(cè)。首先是建議在凝結(jié)水線上加裝管道保溫，以減少管道與外界的熱交換速率，最大限度保證管道內(nèi)的氣相不發(fā)生凝結(jié)。第二是在冬季生產(chǎn)允許的情況下，適當(dāng)減小凝結(jié)水線的閥門開(kāi)度，使凝結(jié)水更充分的進(jìn)行換熱，降低出換熱器時(shí)的溫度。從根本上減少管線中的氣體組分含量。

5.2 針對(duì)石油組分多級(jí)精餾裝置產(chǎn)品中間泵（離心式）的情況

根據(jù)前文的分析。首先應(yīng)該在車間范圍內(nèi)組織操作人員進(jìn)行有關(guān)規(guī)范開(kāi)停機(jī)泵規(guī)范的培訓(xùn)。在開(kāi)關(guān)機(jī)泵出口閥的開(kāi)始、結(jié)束階段不能過(guò)快過(guò)猛。并且嚴(yán)格杜絕在出口閥還未關(guān)閉的時(shí)候開(kāi)關(guān)電機(jī)，造成止回閥，乃至機(jī)泵葉輪因?yàn)樗畵魶_擊造成的損壞。

總結(jié)：裝置的水擊現(xiàn)象在某些情況下會(huì)對(duì)管線管件及其連接的設(shè)備造成巨大的破壞，本文結(jié)合裝置運(yùn)行中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的原因預(yù)測(cè)與趨勢(shì)分析，并提出了簡(jiǎn)單的解決方法予以嘗試。希望今后在經(jīng)過(guò)更深入的學(xué)習(xí)與積累了更多的工作經(jīng)驗(yàn)之后能夠?qū)@個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生更深入、正確的看法并提出更加科學(xué)、可行的解決方法。

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（中國(guó)石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060）