蒸汽输送管道的水击及其防范

蒸汽输送管道的水击及其防范马博【摘要】工业蒸汽输送管道中,水击问题始终困扰蒸汽系统运行维护人员.文章分析了蒸汽输送系统水击发生的机理及危害，并介绍如何通过有效的系统设计和布置，良好的操作实践来避免输送系统产生严重的水击事故.％Inindustrialsteampiping,phenomenonofwaterhammeroftenmakesengineersdisturbed.Inthisarticle,themechanismandharmsofwaterhammeroccurredinsteamtransportationsystemwereanalyzed.Themethodswitheffectivesysmematicdesignandarrangementandgoodpracticaloperationtoavoidseriousaccidentinducedfromwaterhammerwereintroduced.【期刊名称】《化工设备与管道》【年（卷），期】2016（053）001【总页数】6页（P78-83）【关键词】蒸汽;管道;水击【作者】马博【作者单位】斯派莎克工程（中国）有限公司，上海201114【正文语种】中文【中图分类】TQ050.7;TH17典型的蒸汽和冷凝水系统通常由以下四部分组成：蒸汽的产生（蒸汽锅炉或发生器），蒸汽输送管道，蒸汽使用点以及冷凝水的回收系统。在这四大系统中，蒸汽输送管道起到连接蒸汽产生的源头和使用点，输送蒸汽的作用，根据系统规模的大小及距离的长短，输送系统的规模也不尽相同。通常输送管道的水击发生在系统刚刚投用之初，用汽负荷由低到高突然变化[1],以及系统刚刚停运等阶段，每个过程发生的水击现象也不尽相同。例如在系统投运以及负荷变大时，管道多阶段性地发出“咚咚”的声响；而停运后，蒸汽管道多阶段性的发出如金属敲击般的尖锐声响。水击现象轻微时，只表现为噪音与振动。严重时，会导致管道振动、摇晃并导致支架脱落。管道内压强变化甚至可超过管内原有正常压强的几十倍甚至上百倍，以致超过了管壁材料的许用应力，造成垫片失效、阀门损坏、管道和管件变形破裂。所以，了解水击现象发生的原因，并研究应对方法，可以有效地避免或削弱水击所产生的危害。无论是输送过热蒸汽还是饱和蒸汽的管道，在系统启动或运行时，都有可能由于暖管及散热的原因产生冷凝水。在一定外界因素的影响下，例如流动突然停止、水中气泡冷凝等原因作用下，使得流体（冷凝水）的流速急剧变化。由于流体的惯性，管道内液体压力显著、反复、迅速变化，产生水流冲击波，冲击管壁使其产生振动，并伴有似铁锤敲击的声音，这种现象称为水击（水锤）。1.1直接水击在蒸汽管道启动过程中，蒸汽加热管道会产生冷凝水；同样在运行过程中，由于管道向外散热的原因，也可能会产生冷凝水。特别是饱和蒸汽管道，冷凝水一经产生，就会不断聚集。通常由于密度的原因，冷凝水一般先从管道的底部开始积聚，如图1所示。如果不及时排出，冷凝水会不断积聚，液位逐渐升高，如图2所示。由于蒸汽的流速最高可达30~50m/s，在液位上方高速流动，造成紊流，很容易掀起波浪。一旦波浪充满管道或拥有足够的迎风面积，就会被蒸汽推动形成水弹，以蒸汽的流速向前流动，如图3所示。水弹一旦撞击到管道的拐弯处或阀门位置时，流动瞬间停止，释放出动能，造成压力变化，形成冲击波，冲击管道和阀门，造成直接水击［2］。水击所产生的冲击力可用水击公式（1）估算［2］:式中ah——水力压头变化；a——水击波的波速，满水钢管中通常取1000-1200m/s;△V 水流的速度变化，水流终速减水流的初速度V-V0,m/s；g 重力加速度，m/s2。水锤产生的冲击波是纵波，在反射波没有到来之前，上式一直成立。利用此公式可以计算一般摩阻不大的管道中最大水锤压力。很显然，当水流速度降为零时，速度能全部转化为压力能，此时V=0,AV=-V0水锤的最大压力可以通过公式（2）计算出来:假设水弹被蒸汽推动以30m/s的速度前进，突然停止，发生水击。取a=1000m/s带入上式，计算得到：通常由于水中含有汽包，或者水流不连续等原因，实际压力可能会小于计算值。但即便如此也完全有可能让管道或阀门发生损伤或破裂。因此，在管路设计和安装时要遵循蒸汽系统的良好工程设计及安装规范。同时，在操作蒸汽系统时，需要避免蒸汽管道阀门开启过快，否则快速产生的冷凝水来不及排放，会造成系统发生严重的直接水击。1.2空泡溃灭水击在蒸汽输送管道中，在某些特定的位置或特定情况下，可能会出现冷凝水阻塞整个管道的现象。这种现象特别容易出现在管道低洼处，如图4、5所示，管道低点处没有安装疏水装置，以及处于低点位置的整段管道浸满冷凝水。当蒸汽系统负荷变小或停机时，冷凝水阻塞整个管道底部的现象尤为明显。如图5管道所示，假设蒸汽从左向右流动，当蒸汽流量突然增大时，蒸汽首先会推动整个水柱向右运动。一旦垂直管道内的液位降低到与水平管道的顶端齐平时，蒸汽首先会从顶部进入到水平管道内。如果此时蒸汽流速没有达到一定程度，刚才被蒸汽流动压低的水面会由于液体的波动重新升高，并封闭这一部分进入水平管道内的蒸汽。整个过程如图6所示。封闭的这段蒸汽，由于向管道及四周冷凝水的散热而迅速冷凝，体积缩小并溃灭。气泡两边的水体迅速向中间靠拢，水体弥合产生高压。局部点的压力可由公式（3）计算：水体冲击管道产生巨大的噪音和振动，从而产生空泡溃灭水击［3］。高压又使水体分别向两边激烈运动，造成液体的分离。当分离处的压力低于液体的汽化压力时，会有新的汽泡产生。由于水锤波反射传回，压力恢复，空泡再次溃灭，重复上述现象。这种现象一般会持续数次，造成管道剧烈振动。乍一看，这个公式很难解答，但是根据牛顿运动定律，很明显如果汽泡越大，冷凝水过冷度越大，蒸汽压力越大，则产生的AV就越大。以DN500蒸汽主管为例，计算得出的Ap在5~20MPa之间，大概是18MPa左右。空泡溃灭水锤和直接水锤发生的机理不同，直接水击主要是由于蒸汽推动水弹撞击物体造成，主要发生在系统刚刚投用之初；而空泡溃灭水击主要发生在系统用气负荷降低，冷凝水发生滞留，蒸汽进入冷凝水后凝结形成空穴抽吸周围冷凝水互相撞击造成。空泡溃灭水锤所产生的危害通常非常严重。2007年7月18日，纽约曼哈顿莱克星顿大街下DN500的蒸汽管道发生剧烈水击，造成管道爆炸，蒸汽冲穿街道，造成1人死亡，2人严重受伤的事故就是由空泡溃灭水锤所造成［4］。当时，管道中积满了冷凝水，蒸汽汽泡进入后发生了严重的水击。如上所述，蒸汽输送管道中有可能存在非常严重的水击，尤其容易发生在系统刚刚启动或负荷由低到高转变的阶段。因此，当系统刚刚启动及负荷发生变动时，对系统的操作要特别关注。如何有效地防范输送管道中水击，归根结底需要消除水击的根源——水的产生和积聚。在输送管道中，水的产生主要由以下几个原因：（1） 前端系统带入，例如前端锅炉蒸汽出口带水或者前端输送系统中的冷凝水进入。（2） 管道自身暖管产生的冷凝水，主要指启动过程中暖管负荷。（3） 管道散热产生冷凝水，主要指管道正常散热，以及保温不良造成热量散失产生的冷凝水。因此，蒸汽系统运行人员需要将锅炉的运行状态尽可能保持在良好的状态，避免低压运行，负荷快速波动，超负荷及排污不良造成的汽水共腾以及蒸汽带水等现象。对于某些负荷波动剧烈而又无法通过协调生产节奏来解决的锅炉汽水共腾现象，可以采用蓄热器储存热量，以应对下游系统的负荷突变，避免锅炉出现大范围压力波动造成的蒸汽带水现象。同时，在锅炉出口安装有效的汽水分离装置，也可减少进入下游蒸汽管道的水量。在蒸汽管道暖管的过程中，蒸汽首先会加热管道，直至管道温度接近蒸汽的温度，通常称此过程产生的冷凝水为蒸汽管道的启动负荷。对于某一规格的钢制管道，单位长度的质量是一定的。以饱和蒸汽为例，如果已知蒸汽的压力，可以通过公式（4） 计算冷凝水的质量：式中ms 蒸汽量，kg；C——钢管的比热，0.48kJ/kg；m 钢管质量，kg;△t——蒸汽温度和钢管的初始温度之差，°C;Hfg——特定压力下饱和蒸汽的汽化潜热，kJ/kg。启动所产生的冷凝水量是一个绝对量，单位是kg。如果启动的时间很短，那么冷凝水的瞬时流量就会很大。蒸汽将管道加热之后，管壁面温度上升，和周围的保温材料和保温外壳产生温度差，热量会逐渐由管道壁面，向保温层以及保温外壳传递。当保温外壳的温度高于环境温度时，保温外壳会向周围的环境传递热量。以上两个过程分别为热传导和对流放热过程，只要管道壁面温度高于环境温度，这两个过程就会一直持续。这个过程散失的热量可以通过公式(5)计算：式中q——每米管道热量散失，W/m；K——安全系数，通常取1.15~1.25；t——管道内介质温度，°c；ta——环境温度，C;入——保温层导热系数，W/(mK);D0——管道保温层外径，m；Di 管道外径，m；ai——保温层内侧空气向保温层传热系数，一般取13.95W/(m2K)；a——保温层外侧向空气的传热系数，W/(m2K)。例如：当管道口径为DN100，保温层厚度为50mm，内部介质温度为152C,环境温度10C,保温层平均导热系数0.5W/(m-K)o如果外界风速为10m/s,保温层外侧向空气的传热系数可以用公式(6)估算：式中Vw代表平均风速，将风速代入上式计算得出a=33.7W/(m2K)所有数据代入公式(5)计算可得：如果考虑50m长度的管道，152C饱和蒸汽对应的压力(G)约为0.4MPa,汽化潜热为2108kJ/kg。可以计算得出的每50m管道运行时由于散热损失产生的冷凝水量约为5.85kg/h。在理论计算的情况下，对流换热散热损失并不大，但在实际情况下，考虑保温材料厚度、保温材料性能、安装情况、破损情况、风速等影响，该数值要比理论值大得多。同时，辐射散热的数值也随着外保温层表面温度、环境温度、及保温层表面的发射率的变化而变化，其数值和对流散热的损失差不多。表1列出了不同压力饱和蒸汽管道在环境温度20°C,保温效率80%的情况下，每50mSchedule40管道启动过程产生的冷凝水量（kg），和运行过程中由于散热损失所产生的冷凝水负荷（kg/h）。启动负荷很容易确定，而运行负荷却是随着蒸汽温度、管道口径、保温材料及效果、外卜部环境及风速等各种因素的影响，要得到确切的运行负荷并不容易。实际工程设计中，DN300以下的管道，在1.0MPa压力（G）以下运行时，每50m保温良好的饱和蒸汽管道的散热损失产生的冷凝水负荷一般不超过50kg/h。随着管道内压力的提高，散热损失会有所增加，在2.0MPa压力（G）以下时，散热损失产生的冷凝水负荷一般不会超过70kg/h。对于管道口径小于DN100的管道，散热损失产生的冷凝水负荷一般都不会超过30kg/h。3.1通过管路的设计有效的防范水击如果能够及时有效地排除蒸汽输送管道中的冷凝水，水击的发生概率就会大大降低，甚至不会发生水击现象。因此在系统管路设计时，要考虑如何有效地消除蒸汽管道启动及运行过程中所产生的冷凝水。对于蒸汽管道，每隔一段距离，需要布置疏水点。对此，设计手册和规范提到［5］，同一坡向的管段，顺坡情况下每隔400~500m，逆坡时每隔200~300m应设启动疏水和经常疏水装置。这一间距首先是蒸汽管道疏水点设置的最低要求，其次，间距的设置没有将饱和蒸汽管道和过热蒸汽管道区别开来。很显然，饱和蒸汽管道和过热蒸汽管道在正常运行时，产生的冷凝水量是完全不同的，采用同一标准并不合适。因此，在最佳工程实践中，考虑到不同的蒸汽管道，一般会将饱和蒸汽管道和过热蒸汽管道的疏水点布置区分开来。对于饱和蒸汽管道而言，一般每隔30-50m就需要布置疏水点，具体见图7。这样设计主要是考虑在启动、正常运行、以及负荷突然变化时，能够有效地避免蒸汽管道内的水积聚到能够产生危害的程度。对于过热蒸汽管道，疏水点之间的间距可以适当延长，但也不宜过长。因为过热蒸汽管道启动过程同样会产生冷凝水；运行过程中，也会随着过热度，负荷等不同，产生不同数量的冷凝水。因此，过热度在100°C以内的管道，一般建议每隔100-200m布置疏水点。蒸汽管道在铺设时，应沿蒸汽流向顺坡布置。当出现逆坡布置时，以上疏水点间隔距离需要缩短一半。在疏水点设置时，对于100mm以下口径的管道，应设置与管道同口径的集水槽;当管道口径较大时，应设置至少100mm或相当于1/2管道口径的集水槽。对于集水槽的深度以及疏水阀和排放阀安装的位置，图8给出了安装示意，每个部位的具体尺寸要求见表2。在图8中，集水槽的深度d2考虑到安装保温材料及疏水阀引出管至少取100mm,当管道口径大于200mm时，深度等同于管道口径。疏水阀的引出管一般安装于集水槽整个深度的1/4-1/3位置，引出管的口径d3-般取20-25mm。排放阀位置安装于整个集水槽的底部，用来排水和排污，其口径d4一般取25-50mm。3.2运行操作中的水击防范管路的良好设计和安装是保障蒸汽输送管道正常运行的基础。但是，即使管道的设计符合最佳工程实践，如果运行操作的过程中疏忽大意，特别是在系统启动的过程中操作过快，同样也很容易发生水击。从表1中可以看出，对于DN100的管道，在1.0MPa压力（G）下启动时，50m管道会产生29.2kg冷凝水。如果管道从常温经过10min逐渐暖管升压到1.0MPa，则50m管道冷凝水的平均负荷为175.2kg/h。如果暖管升压时间缩短到5min，平均负荷将会翻倍。同时暖管期间，蒸汽管道的压力还在逐渐上升的过程中，蒸汽管道上的疏水阀难以在压差较低的情况下排放大量的冷凝水，造成短时间蒸汽管道内的水位升高，极易发生水击。另一方面，如果暖管的时间过慢同样也容易造成水击。这主要是由于暖管阀门开度较小时，当管道内的空气排除完毕后，如果此时进入管道的蒸汽流量小于管道内的冷凝负荷时，就会在管道内部形成真空，造成冷凝水反向流动撞击管道和阀门，发生水击。因此，蒸汽管道的启动既不可过快，也不可过慢。启动时间控制在一定范围内就可以避免发生严重的水击。这个时间范围与管道的压力、口径、长度、布置方式、排水点的布置以及季节的变化都有关系。有经验的操作人员通过几次试操作就可以找到合适的启动时间，并可将操作方法编制成标准的操作程序来避免发生严重的水击。蒸汽输送管道在启动和运行时都有可能发生水击现象，无论