液體輸送管道水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生及防控

雷鳴遠

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

在實際工程中，帶壓液體輸送管道作為壓力管道的一個類型，是電力、化工、鋼鐵、水泥等行業(yè)工藝流程中不可或缺的重要部分之一。在有壓液體管道實際運行中，由于閥門快速開閉、泵啟停、氣體混入、流體相變等因素，造成管內液體流速發(fā)生激變，因此流體動能隨之也發(fā)生激變，這種激變導致管內產(chǎn)生“壓力波”，以接近音速的傳播速度在管內流速發(fā)生突變的界面之間來回折返，從而在瞬間造成管內壓力的急劇波動，對管道、閥門、連接件以及設備產(chǎn)生短暫且巨大的力學沖擊，這種現(xiàn)象被稱為水擊現(xiàn)象。使管道壓力升高的水擊現(xiàn)象叫做正水擊，使管道壓力降低的水擊現(xiàn)象叫做負水擊。其破壞程度足以造成管道破裂或癟塌、附件損壞、部件疲勞壽命縮短、環(huán)境噪音等危害。

1 水擊現(xiàn)象的幾個過程

水擊現(xiàn)象既然是一種“壓力波”，那么利用波的傳播速度求出特征時間，就可將水擊問題按照時間劃分，便于對此問題展開研究。另外，討論水擊現(xiàn)象時，必須考慮水的壓縮性和管壁的彈性，這是產(chǎn)生水擊現(xiàn)象的基本條件[1]。

假設某壓力源頭(如水泵、水箱、水池等)壓力值恒定為P0，有一長度L、內壁光滑、材質均勻的出水管道，管道設置一個閥門作為控制水流的開關。閥門開啟時管內流速為V0，當B點閥門突然快速關閉之后，管內產(chǎn)生水擊“壓力波”，波速為a，按照時間劃分，有以下4個典型過程：

圖1 典型過程

圖2 典型過程2(t=L/a～2L/a)

圖3 典型過程3(t=2L/a～3L/a)

在此過程里，由于使管道壓力繼續(xù)降低，此過程為負水擊波，水流方向由B指向A，水擊波方向也與之相同。

圖4 典型過程4(t=3L/a～4L/a)

2 水擊現(xiàn)象的分類及計算

水擊有兩種類型：直接水擊和間接水擊。

式中，ΔP為管中發(fā)生水擊時的水頭，m;a為水擊波速，m/s；g為重力加速度，取9.8 m/s2；V為管中流速，m/s；V0為管中初始流速，m/s。

其中水擊波速[1]

由上述公式可知，閥門關閉時，V-V0<0為負值，ΔP為正，此時為正水擊；反之，閥門開啟為負水擊。直接水擊壓力值大小只與流速變化率有關，而與開度變化率和水管長度無關。以水管道舉例來說，一般的管內流速為2～6 m/s，鋼管內波速a約為1000～1100 m/s，那么水擊壓力ΔP=200～660 mH2O，即2～6.6 MPa，并以波速a傳播至整個管道系統(tǒng)，如果設備或管道在某處存在缺陷，則有可能發(fā)生破壞性結果，導致事故發(fā)生。因此在實際工程中，應避免直接水擊。

(2)間接水擊：當閥門動作時間小于Ts>tc時，在閥門動作結束前，壓力源反射回來的水擊波已到達閥門處，此時管道末端的水擊壓力是向上游傳播的水擊波和反射回來的水擊波二者抵消的結果，這種水擊稱為間接水擊，間接水擊強度小于直接水擊。發(fā)生間接水擊時，水擊壓力波的變化過程是十分復雜的，也是工程中經(jīng)常發(fā)生的水擊現(xiàn)象。工程中計算間接水擊的經(jīng)驗公式[2]：

即：

式中，ΔP為管中發(fā)生水擊時的壓力，MPa；ρ為水的密度，m3/kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；L為管道長度，m；V0為管中初始流速，m/s；Ts為閥門動作時間，s。

3 水擊現(xiàn)象的危害

發(fā)生正水擊時，管道內壓力急劇增大至正常壓力的幾倍甚至幾十倍，遠遠超過設備和管道系統(tǒng)的設計壓力。發(fā)生負水擊時，管道內局部產(chǎn)生真空，會造成水流局部斷流，當正水擊波到來時，水流再次結合形成彌合性水擊。特別是輸送特殊工質，如飽和水、高密度且低粘度流體等，分別由于流體相變和流體慣性大的特點，水擊現(xiàn)象的破壞作用將被放大。水擊發(fā)生后，由于受到正、負水擊的共同影響，其特點是強度大、頻率高、交變作用，會使設備、管道、閥門及連接件發(fā)生振動、疲勞、失穩(wěn)甚至破壞。水擊的回流作用會引發(fā)水泵停泵時的反轉，反轉速度與臨界轉速重合或此時電機重新啟動，會引發(fā)水泵和電機轉子的變形或斷軸。在大型水泵房實際運行中，閥門啟閉、工況的大幅變化或者水泵啟停切換等動態(tài)過渡過程中產(chǎn)生的水擊作用，甚至會引發(fā)水泵基礎以及建筑物的明顯振動，對廠房結構安全產(chǎn)生威脅。

4 工程設計中水擊現(xiàn)象的防控措施

(1)工藝流程的優(yōu)化。在制定工藝流程時應盡量減少系統(tǒng)中有可能產(chǎn)生水擊的擾動源，比如在復雜管網(wǎng)系統(tǒng)中優(yōu)化管道隔離方案，減少閥門數(shù)量，合理制定水泵的運行形式。對于會發(fā)生水擊的局部系統(tǒng)，必須要考慮防止水擊的措施，例如設置調壓塔、緩沖罐，增加旁通管、旁通閥等方法。

(2)流速的合理選取。管內流速越低，流體慣性就越小，速度的微分變化率也就越小，對于防止水擊的產(chǎn)生越有利。但是流速越低管道口徑越大，工程建設成本越高。因此在短距離輸送系統(tǒng)中，可以適當放大管道口徑以降低流速。在長距離輸送系統(tǒng)中，流速和管徑的選取必須考慮建設成本因素，通常為了避免水擊，會專門設置水擊防護設備。

(3)管道布置。管道布置要結合管內靜壓，與管道始點、終點高程相匹配，管道標高越高的管段，由于靜壓力減小，容易產(chǎn)生管內汽化形成局部斷流，當水柱再次彌合時形成彌合水擊造成巨大的水壓沖擊。因此在管道布置時，盡量降低最高點高程，增加管內靜壓。

(4)管道材料的選擇。不同的管道材料對于水擊波的傳導速度影響也不同，在條件允許的前提下，盡量選擇縱向彈性模量較小的管道材質，可以減小水擊波的傳導速度，對于降低水擊作用比較明顯。

(5)管道的固定方式。由于水擊的力學沖擊對于管道會產(chǎn)生振動和破壞作用，因此需對管道進行剛性分析。在容易發(fā)生水擊的管段上，適當增加管道剛性，如設置固定管架、限位管架等方式，提高管道剛度，改變管道固有頻率，從而避免管道振動或被破壞。

(6)合理延長閥門動作時間。當管道長度及流速一定時，適當?shù)难娱L閥門動作時間，對于減少水擊壓力的效果是十分顯著的。因此在工藝原理及水泵回流量都允許的前提下，盡量選擇動作時間長的閥門，如緩閉式止回閥等。

(7)適當增加水泵的轉動慣量[3]。轉動慣量反映了水泵轉子轉動時的慣性大小，在轉矩一定時，轉動慣量越大的轉子角速度越小，越不容易發(fā)生轉動或使其轉動狀態(tài)發(fā)生改變。因此，適當增加轉子的轉動慣量，當水泵停車時，依靠轉子慣性也可以在短時間內繼續(xù)維持水泵運轉，使水泵轉速變化率降低，相當于增加了動作時間，有利于減小水擊作用。

5 結語

綜上所述，從對水擊現(xiàn)象的原理分析和理論計算可以獲知，在工程設計中，通過制定合理的工藝流程、選取合適管徑、管材、優(yōu)化管道布置和支吊架選型、提高水泵轉子轉動慣量、適當增加閥門動作時間等一系列措施的靈活組合，可以對水擊現(xiàn)象發(fā)揮預防控制的作用，對于確保壓力管道在實際使用中的穩(wěn)定性和安全性，有著不容忽視的實際意義。