蒸汽輸送管道的水擊及其防范

1、第53卷第1期2016年2月化工設(shè)墨與簟遵PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVo153NO1Feb2016蒸汽輸送管道的水擊及其防范馬博(斯派莎克工程(中國(guó))有限公司，上海201114)摘要：工業(yè)蒸汽輸送管道中，水擊問(wèn)題始終困擾蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)人員。文章分析了蒸汽輸送系統(tǒng)水擊發(fā)生的機(jī)理及危害，并介紹如何通過(guò)有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置，良好的操作實(shí)踐來(lái)避免輸送系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的水擊事故。關(guān)鍵詞蒸汽；管道；水擊中圖分類號(hào)：TQ0507；T

2、H17文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009—3281(2016)01—0078—006典型的蒸汽和冷凝水系統(tǒng)通常由以下四部分組成：蒸汽的產(chǎn)生(蒸汽鍋爐或發(fā)生器)，蒸汽輸送管道，蒸汽使用點(diǎn)以及冷凝水的回收系統(tǒng)。在這四大系統(tǒng)中，蒸汽輸送管道起到連接蒸汽產(chǎn)生的源頭和使用點(diǎn)，輸送蒸汽的作用，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的大小及距離的長(zhǎng)短，輸送系統(tǒng)的規(guī)模也不盡相同。通常輸送管道的水擊發(fā)生在系統(tǒng)剛剛投用之初，用汽負(fù)荷由低到高突然變化”]，以及系統(tǒng)剛剛停運(yùn)等階段，每個(gè)過(guò)

3、程發(fā)生的水擊現(xiàn)象也不盡相同。例如在系統(tǒng)投運(yùn)以及負(fù)荷變大時(shí)，管道多階段性地發(fā)出“咚咚”的聲響；而停運(yùn)后，蒸汽管道多階段性的發(fā)出如金屬敲擊般的尖銳聲響。水擊現(xiàn)象輕微時(shí)，只表現(xiàn)為噪音與振動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管道振動(dòng)、搖晃并導(dǎo)致支架脫落。管道內(nèi)壓強(qiáng)變化甚至可超過(guò)管內(nèi)原有正常壓強(qiáng)的幾十倍甚至上百倍，以致超過(guò)了管壁材料的許用應(yīng)力，造成墊片失效、閥門(mén)損壞、管道和管件變形破裂。所以，了解水擊現(xiàn)象發(fā)生的原因，并研究應(yīng)對(duì)方法，可以有效地避免或削弱水擊所產(chǎn)生的

4、危害。1蒸汽輸送管道內(nèi)的水擊無(wú)論是輸送過(guò)熱蒸汽還是飽和蒸汽的管道，在系統(tǒng)啟動(dòng)或運(yùn)行時(shí)，都有可能由于暖管及散熱的原因產(chǎn)生冷凝水。在一定外界因素的影響下，例如流動(dòng)突然停止、水中氣泡冷凝等原因作用下，使得流體(冷凝水)的流速急劇變化。由于流體的慣性，管道內(nèi)液體壓力顯著、反復(fù)、迅速變化，產(chǎn)生水流沖擊波，沖擊管壁使其產(chǎn)生振動(dòng)，并伴有似鐵錘敲擊的聲音，這種現(xiàn)象稱為水擊(水錘)。11直接水擊在蒸汽管道啟動(dòng)過(guò)程中，蒸汽加熱管道會(huì)產(chǎn)生冷凝水；同樣在運(yùn)行過(guò)

5、程中，由于管道向外散熱的原因，也可能會(huì)產(chǎn)生冷凝水。特別是飽和蒸汽管道，冷凝水一經(jīng)產(chǎn)生，就會(huì)不斷聚集。通常由于密度的原因，冷凝水一般先從管道的底部開(kāi)始積聚，如圖1所示。冷凝水圖1管道底部流動(dòng)的冷凝水Fig1Condensateatthebottomofsteampipe如果不及時(shí)排出，冷凝水會(huì)不斷積聚，液位逐漸升高，如圖2所示。圖2管道底部的液位不斷上升Fig2Waterlevelriseduetocondensatebuildup收稿日

6、期：20150918；修回日期：2015l2—15作者簡(jiǎn)介：馬博(1977一)，男，安徽馬鞍山人，工程師。主要從事蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，咨詢方面r作。80化工設(shè)墨與誓譚第53卷第1期受蒸汽力推動(dòng)的冷凝水圖6水平管道內(nèi)的蒸汽進(jìn)入冷凝水內(nèi)部過(guò)程Fig6Howsteamsurroundedbycondensateinhorizontalsteampipe生空泡潰滅水擊]。高壓又使水體分別向兩邊激烈運(yùn)動(dòng)，造成液體的分離。當(dāng)分離處的壓力低于液體的汽化壓力

7、時(shí)，會(huì)有新的汽泡產(chǎn)生。由于水錘波反射傳回，壓力恢復(fù)，空泡再次潰滅，重復(fù)上述現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般會(huì)持續(xù)數(shù)次，造成管道劇烈振動(dòng)。乍一看，這個(gè)公式很難解答，但是根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，很明顯如果汽泡越大，冷凝水過(guò)冷度越大，蒸汽壓力越大，則產(chǎn)生的△就越大。以DN500蒸汽主管為例，計(jì)算得出的AP在5～20MPa之間，大概是18MPa左右?？张轁缢N和直接水錘發(fā)生的機(jī)理不同，直接水擊主要是由于蒸汽推動(dòng)水彈撞擊物體造成，主要發(fā)生在系統(tǒng)剛剛投用之初；而空泡

8、潰滅水擊主要發(fā)生在系統(tǒng)用氣負(fù)荷降低，冷凝水發(fā)生滯留，蒸汽進(jìn)入冷凝水后凝結(jié)形成空穴抽吸周圍冷凝水互相撞擊造成?？张轁缢N所產(chǎn)生的危害通常非常嚴(yán)重。2007年7月18日，紐約曼哈頓萊克星頓大街下DN500的蒸汽管道發(fā)生劇烈水擊，造成管道爆炸，蒸汽沖穿街道，造成1人死亡，2人嚴(yán)重受傷的事故就是由空泡潰滅水錘所造成】。當(dāng)時(shí)，管道中積滿了冷凝水，蒸汽汽泡進(jìn)入后發(fā)生了嚴(yán)重的水擊。2蒸汽輸送管道中水產(chǎn)生的根源如上所述，蒸汽輸送管道中有可能存在非常嚴(yán)

9、重的水擊，尤其容易發(fā)生在系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)或負(fù)荷南低到高轉(zhuǎn)變的階段。因此，當(dāng)系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)及負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的操作要特別關(guān)注。如何有效地防范輸送管道中水擊，歸根結(jié)底需要消除水擊的根源——水的產(chǎn)生和積聚。在輸送管道中，水的產(chǎn)生主要由以下幾個(gè)原因：(1)前端系統(tǒng)帶人，例如前端鍋爐蒸汽出口帶水或者前端輸送系統(tǒng)中的冷凝水進(jìn)入。(2)管道自身暖管產(chǎn)生的冷凝水，主要指啟動(dòng)過(guò)程中暖管負(fù)荷。(3)管道散熱產(chǎn)生冷凝水，主要指管道正常散熱，以及保溫不良造成熱

10、量散失產(chǎn)生的冷凝水。因此，蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行人員需要將鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)盡可能保持在良好的狀態(tài)，避免低壓運(yùn)行，負(fù)荷快速波動(dòng)，超負(fù)荷及排污不良造成的汽水共騰以及蒸汽帶水等現(xiàn)象。對(duì)于某些負(fù)荷波動(dòng)劇烈而又無(wú)法通過(guò)協(xié)調(diào)生產(chǎn)節(jié)奏來(lái)解決的鍋爐汽水共騰現(xiàn)象，町以采用蓄熱器儲(chǔ)存熱量，以應(yīng)對(duì)下游系統(tǒng)的負(fù)荷突變，避免鍋爐現(xiàn)大范圍壓力波動(dòng)造成的蒸汽帶水現(xiàn)象。同時(shí)，在鍋爐出口安裝有效的汽水分離裝置，也可減少進(jìn)入下游蒸汽管道的水量。在蒸汽管道暖管的過(guò)程中，蒸汽首先會(huì)加熱管

11、道，直至管道溫度接近蒸汽的溫度，通常稱此過(guò)程產(chǎn)生的冷凝水為蒸汽管道的啟動(dòng)負(fù)荷。對(duì)于某一規(guī)格的鋼制管道，單位長(zhǎng)度的質(zhì)量是一定的。以飽和蒸汽為例，如果已知蒸汽的壓力，可以通過(guò)公式(4)計(jì)算冷凝水的質(zhì)量：一(4)4——t)式中m——蒸汽量，kg；C——鋼管的比熱，048kJ／kg；——鋼管質(zhì)量，kg；△f——蒸汽溫度和鋼管的初始溫度之差，℃；——特定壓力下飽和蒸汽的汽化潛熱，kLI／。啟動(dòng)所產(chǎn)生的冷凝水量是一個(gè)絕對(duì)量，單位是kg。如果啟動(dòng)的時(shí)