結(jié)合恩平組塊實(shí)例談水錘現(xiàn)象對管道的影響

徐騫，杜國強(qiáng)，董明遠(yuǎn)

結(jié)合恩平組塊實(shí)例談水錘現(xiàn)象對管道的影響

徐騫，杜國強(qiáng)，董明遠(yuǎn)

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

介紹了水錘效應(yīng)的定義及危害，結(jié)合恩平組塊消防系統(tǒng)的振動(dòng)實(shí)例，分析了停泵水錘效應(yīng)引起振動(dòng)的過程，由此提出防止或減輕停泵水錘效應(yīng)的建議方案，供海上平臺管道設(shè)計(jì)參考。

水錘效應(yīng)；振動(dòng)；防止；減輕

在壓力管道的設(shè)計(jì)中，管道振動(dòng)是非常常見的一種現(xiàn)象，振動(dòng)帶來的影響和破壞性不可忽視。對于供水系統(tǒng)管道，引起管道振動(dòng)的原因很多，包括電機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致的管道振動(dòng)、泵體振動(dòng)導(dǎo)致的管道振動(dòng)以及其他原因?qū)е碌恼駝?dòng)。其中，水錘效應(yīng)是引起管道振動(dòng)的一個(gè)重要因素，對管道系統(tǒng)具有很大的破壞作用，必須加以重視并想辦法防止或減輕。

1 水錘和水錘效應(yīng)

水錘是指在有壓力的管路中，由于某種外界原因（如閥門突然關(guān)閉、水泵機(jī)組突然停車）使水的流速突然發(fā)生劇烈變化而造成較大的壓力波動(dòng)并引起振動(dòng)的現(xiàn)象，又稱“水擊”。由此產(chǎn)生的瞬間壓力可大大超過正常壓力，很容易對管道系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性影響[1]。

水錘效應(yīng)是指給水泵在啟動(dòng)和停止時(shí)，水流對管道產(chǎn)生沖擊，形成的一種嚴(yán)重水擊。由于管道內(nèi)壁是光滑的，水流可以自由流動(dòng)。當(dāng)開啟的閥門突然關(guān)閉或給水泵停車，水流對閥門及管壁，主要是閥門或泵體會產(chǎn)生一個(gè)壓力。由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，水力迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就是“水錘效應(yīng)”，也就是正水錘。相反，關(guān)閉的閥門在突然打開或給水泵啟動(dòng)后，也會產(chǎn)生水錘，稱為負(fù)水錘。

2 恩平組塊水錘現(xiàn)象實(shí)例

恩平組塊海上調(diào)試期間，現(xiàn)場工作人員按照程序?qū)﹄妱?dòng)消防泵進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)停泵后排海管線出現(xiàn)了強(qiáng)烈振動(dòng)和巨大錘擊聲。此后，設(shè)計(jì)人員隨即趕赴現(xiàn)場查找分析振動(dòng)原因。

2.1 排海管線流程

該平臺的消防系統(tǒng)設(shè)置有電動(dòng)消防泵，其排海管線工藝流程如圖1所示。連接電動(dòng)消防泵出口的兩條10′′消防管線分別接入消防主環(huán)網(wǎng)。從這兩根管線上各引出一條10′′管線匯入12′′排海管線。排海管線上設(shè)有電磁流量計(jì)，以指示流量，同時(shí)設(shè)有調(diào)節(jié)閥，用以在消防系統(tǒng)排海時(shí)將排出的海水調(diào)節(jié)至額定流量。

圖1 排海管線工藝流程

2.2 排海管線材質(zhì)

這條排海管線甲板以上及以下分別使用了不同的材質(zhì)。雙相不銹鋼和銅鎳合金具有良好的耐海水腐蝕性能，但價(jià)格昂貴，且密度較大。為節(jié)約成本及減輕重量，該12′′排海管線甲板以上部分采用了密度較小、價(jià)格相對便宜的玻璃鋼材質(zhì)；而對甲板以下部分，考慮到玻璃鋼材料本身強(qiáng)度不如金屬管，在海浪拍擊下容易損壞，故而對甲板下的排海立管選用了耐海水腐蝕且相對便宜的碳鋼涂塑材質(zhì)。

2.3 現(xiàn)場振動(dòng)情況

在恩平組塊現(xiàn)場調(diào)試階段，消防主環(huán)網(wǎng)的調(diào)試很順利，隨后調(diào)試消防排海管線。首先啟動(dòng)電動(dòng)消防泵，待達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的流量和壓力（450 m3·h-1，1 200 kPaG）并穩(wěn)定運(yùn)行30 min后停泵。停泵瞬間沒有任何異常發(fā)生，但短暫幾秒鐘后突然出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，同時(shí)伴有巨大的錘擊聲，隨后振動(dòng)消失，調(diào)試結(jié)束。停泵后出現(xiàn)的振動(dòng)十分劇烈，現(xiàn)場感覺整個(gè)平臺甲板都被連帶著振動(dòng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是不正常的，這種程度的劇烈振動(dòng)對管線的破壞力不可小視，特別是對甲板以上使用玻璃鋼材質(zhì)的部分，很容易發(fā)生泄漏、破裂等問題。

2.4 振動(dòng)原因分析

觀察到振動(dòng)發(fā)生后，設(shè)計(jì)人員首先核查三維模型和工藝流程圖，檢查施工圖紙是否與流程圖相一致。檢查結(jié)果無誤。

隨后核實(shí)消防系統(tǒng)，特別是排海管線的應(yīng)力分析模型及應(yīng)力分析報(bào)告，進(jìn)而分析管線支吊架數(shù)量和形式（承重、導(dǎo)向、止推）是否正確。核實(shí)結(jié)果顯示消防系統(tǒng)及排海管線的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果正確，應(yīng)力在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，且模型中管線支吊架的數(shù)量和密度足夠多，足夠大，支吊架的形式符合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

工藝設(shè)計(jì)和理論計(jì)算都沒有問題，接下來，設(shè)計(jì)人員沿管線走向逐一排查，發(fā)現(xiàn)部分止推支架缺少玻璃鋼擋塊saddle，個(gè)別支架限位精度不夠，導(dǎo)向塊間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)圖要求，導(dǎo)致支架與圖紙和模型不符，理論計(jì)算無法全面反映現(xiàn)場真實(shí)情況。于是，首先要求現(xiàn)場施工人員及時(shí)對不符合圖紙的支架進(jìn)行整改。由于個(gè)別止推支架缺少saddle擋塊，要求現(xiàn)場施工人員將clamp的螺栓擰緊，抱死管線，待材料到齊后再補(bǔ)裝。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這種處理方式也可起到止推作用，作為短期的臨時(shí)處理方式是可以接受的?，F(xiàn)場整改完畢后，再次調(diào)試，停泵后振動(dòng)問題依舊。

排除設(shè)計(jì)原因和現(xiàn)場施工影響，結(jié)合振動(dòng)情況以及錘擊聲，初步判斷是在停泵時(shí)候發(fā)生了水錘效應(yīng)，分析如下：由于泵體很長以及平臺自身水平高度較高，電動(dòng)消防泵的出口處已經(jīng)是在海平面以上25 m的位置。停泵時(shí)，水泵電機(jī)停轉(zhuǎn)，此時(shí)不再有海水吸入管線。但受慣性作用，管線中的流體仍以高速沿流向運(yùn)動(dòng)，不斷涌入排海管線，沿著管路一直向前流動(dòng)，并在甲板下方豎直向下排入大海。此時(shí)，泵的吸入口后部空間中即形成接近真空的負(fù)壓狀態(tài)。待管線中的海水流速變緩，海水在負(fù)壓作用下迅速反向流動(dòng)，撞向電動(dòng)消防泵。由圖2電動(dòng)消防泵裝配圖可知，泵體中部設(shè)有止回閥，在閥板處形成了隔斷，可以理解為反向流動(dòng)的海水以極大的速度撞向止回閥的閥板，因而出現(xiàn)了劇烈振動(dòng)及巨大聲響。

圖2 電動(dòng)消防泵裝配圖

通常，為了避免水錘的發(fā)生，廠家一般會在消防泵出口設(shè)置自動(dòng)放空閥，這樣在停泵時(shí)外部空氣進(jìn)入管線，就可以避免在管道內(nèi)形成負(fù)壓，以減緩水錘現(xiàn)象的發(fā)生。但實(shí)際上，如圖2所示，廠家設(shè)置的放空閥只有1′′，而該電動(dòng)消防泵的額定流量為450 m3·h-1。在這樣大的流量下，通過放空閥進(jìn)入的空氣有限，不足以及時(shí)補(bǔ)償管道內(nèi)極速出現(xiàn)的負(fù)壓，因而造成了停泵水錘。

3 水錘的防止或減輕

通過分析可知管道內(nèi)極速出現(xiàn)的負(fù)壓是形成水錘的主要原因。從這個(gè)角度出發(fā)，提出以下解決辦法：

1）要求廠家在消防泵出口上設(shè)置更大尺寸的自動(dòng)放空閥或呼吸閥，當(dāng)管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，外部空氣可以及時(shí)進(jìn)入管道進(jìn)行補(bǔ)償。

2）取消泵體中部的止回閥。停泵后，管道內(nèi)回流的流體在負(fù)壓作用下迅速折返。止回閥雖然可以防止回流，但大量流體瞬間沖擊止回閥，容易產(chǎn)生水錘。

3）保留止回閥，改為微阻緩閉式，延緩止回閥的關(guān)閉時(shí)間，這樣既能防止產(chǎn)生水錘，又可避免管道內(nèi)的流體回流和倒灌。

4 結(jié)束語

作為引起管道振動(dòng)的重要因素之一，水錘效應(yīng)是不可忽視的，其破壞作用往往帶來巨大的危害和損失。本文通過恩平組塊電動(dòng)消防泵調(diào)試期間的管道振動(dòng)實(shí)例，分析了停泵水錘發(fā)生的原因，提出防止和減輕水錘效應(yīng)可能的解決辦法，供海上平臺管道設(shè)計(jì)參考。

作為一名管道設(shè)計(jì)工程師，特別是面對高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的海上生產(chǎn)平臺，水錘效應(yīng)的影響更是需要引起高度重視。通過分析其發(fā)生的原因，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，可以更好地避免危險(xiǎn)的發(fā)生，防止出現(xiàn)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

［1］崔克清．安全工程大辭典[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995．

Discussion on the Influence of Water Hammer on Piping Based on Enping Topside Example

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（Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China）

The definition and hazards of water hammer effectwere introduced, the process of vibration caused by water hammer effect happened after pump stopping was analyzed with the example of firefighting system of Enping Topside, and then some suggestions were put forward to prevent the water hammer effect.

Water hammer effect; Vibration; Prevention

2021-01-07

徐騫（1983-），男，天津市人，工程師，碩士， 2009年畢業(yè)于東北石油大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，研究方向：海洋石油平臺總體管道設(shè)計(jì)。

TE54

A

1004-0935（2021）06-0862-03