化工装置中防范管道水击设计的研究

董 新

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）



设计技术

化工装置中防范管道水击设计的研究

董 新

（中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223）

摘 要：从化工装置中管道内气-液两相混合流动的状态入手，综合分析了蒸汽管道、凝结水回收管道、气-液两相流管道产生水击的过程，并结合具体的工程实例，指出了水击现象是由管道内的介质冷热混合不均形成气-液两相造成的，并提出了管道水击的预防和消除措施。

关键词：化工装置；管道设计；水击；预防措施

水击，是指当水在管道中流动或者蒸汽进入含水的管道及容器中时，因速度突然发生变化导致该处压力突变，形成压力波并沿着管道传播的现象。

在管道输送蒸汽的过程中，管底容易积蓄凝结水，受高速蒸汽的推动形成流动的波峰会逐渐增高，最终凝结水成活塞状而充满管道，当这一水块到达管道的转弯处或阀门处时，就会对其产生激烈地冲击，给管道系统带来振动，并发出噪声。此外，在热力系统中当输出的蒸汽与少量积水相遇时，部分热量被水迅速吸收，使少量蒸汽冷凝成水，体积突然缩小，形成局部真空，水滴高速冲向真空区域，从而产生水击［1］。由于水击剧烈地震动，常常出现支吊架松脱等现象，轻则造成管系损伤，重则造成管系焊口撕裂甚至爆管，容易发生事故［2］。本文重点阐述了管道设计与水击的关系，提出了几种产生水击的类型，并分析了预防水击应采取的措施。

1 水击现象一般发生的位置

水击现象一般出现在管道疏水端附近及长输管线末端，具体主要包括下列部位。

（1）管路有变径时，尤其是在扩大的位置。

（2）管道疏水设计考虑不足，比如疏水管径过小、疏水阀形式选择不利等造成的水击。

（3）管道末端由于输送能力不足，末端全部是冷凝水，很容易产生水击。

（4）凝水闪蒸，管道内出现水、蒸汽气-液两相流而产生水击。

（5）压力比较高的蒸汽冷凝后通过疏水阀出来，由于压力突然降低，部分冷凝水出现二次汽化［2］，二次汽化的气体在冷凝水管道中急剧膨胀造成水击。

2 蒸汽管道产生水击的原因及防治措施

蒸汽输送管是用来从锅炉向各蒸汽使用设备内安全地输送优质的蒸汽。在此过程中，不可避免地会产生冷凝液，这些凝结水若不及时排除，将会聚积在管道内，导致水击等现象的发生。

2.1 蒸汽管道内水击发生的过程

当管道内高压蒸汽和凝结水两相混合流动时，就好像在管道内形成“风浪”一样，蒸汽推动凝结水向前流动，造成管道内水位逐渐升高，最终可能形成管道内水堵。这时，管道内形成的水堵相当于管道上一台瞬间关闭的阀门，阻碍了蒸汽向前流动，从而容易发生水击［3］，蒸汽管道内水击发生的过程见图1。此外，使用蒸汽的设备从停机状态进入送气状态时，蒸汽配管系统中很容易产生水击现象。在设备运行过程中，关闭的自动调节阀再次开启供汽时也容易产生水击现象。

图1 蒸汽管道内形成水堵的过程［3］

2.2 蒸汽输送管设计的基本原则

蒸汽输送管设计的基本原则是沿着蒸汽的流向要有一定的向下坡度，可以使凝结水和蒸汽同向流动，既利于防止水击，又便于排除凝结水。若蒸汽和凝结水的流向相反，就会在弯曲处（凹点）发生故障，此处极易形成水击。若因空间或其他原因受限，无法避免形成滞留点和凹处时，该处应设置蒸汽疏水阀，以及时地排除凝结水。

2.3 蒸汽输送管疏水阀的设计原则

蒸汽疏水阀最常用的一个场合就是蒸汽主管疏水，为了让使用蒸汽的设备能够正常运行，主管里需要保持无空气、无凝结水，若蒸汽主管的疏水阀选择不恰当或者配管不合适，会引起水击，也会使凝结水中夹带污物损坏控制阀或其他设备。

蒸汽管道在正常运行以及开停车阶段都会产生冷凝液，一般是在蒸汽管道的低点设置导淋，然后和疏水阀相连，但这样几乎不能彻底排除凝结水，仍会产生水击，使得输送的蒸汽质量低劣，含有较多水分。一般常用的蒸汽管道排水管设计见图2，这样会使凝结水在蒸汽速度的推动下越过排水孔，只能排除少量的凝结水，这种方式只适用于冷凝液很少，而且不用收集的场合。

如果需要收集的冷凝液量比较大，此法就不妥，容易将蒸汽带入冷凝液系统，形成气-液两相流而引起管道振动，从而产生水击。通常需要设置集液包［4］，然后再从集液包的侧面引出疏水阀管线，集液包接管与梁之间净距设计见图3。

此外，对于管廊上的蒸汽总管的末端，也要设置集液包，以排除蒸汽主管下部滞留的凝结水，防止水击和蒸汽汽锁等危害。此集液包的设计，还应考虑与梁之间的间距，即集液包及接管与梁之间的净距应该大于热位移量及保温所需要的空间，并且不小于200mm。

图2 蒸汽管道底部的排水管

图3 集液包接管与梁之间净距示意［5］

蒸汽疏水阀的安装位置，原则上应该安装在各种使用设备最低点的下方，在管线设计时应正确地确定排水点的位置，使凝结水自然地、顺利地流入到疏水阀（或靠自重流下），并能够顺利排出疏水阀。若违反这一原则，就会引起空气气堵和蒸汽汽锁现象。

综上所述，为了防止蒸汽管道内产生水击，应该注意以下几点。

（1）供汽时应慢慢地打开供汽阀，并在阀门小开度情况下保持一段时间对蒸汽系统进行充分暖管，暖管过程中产生的大量冷凝液排出，且当暖蒸汽系统管道温度得到较大提升时再逐渐开大供气阀门。

（2）蒸汽输送管的中途及末端的阀门应全开。

（3）在管线的弯曲处和凹处应设置蒸汽疏水阀，蒸汽主管应每隔一段距离设置集液包，从集液包侧面引出疏水阀管线。

（4）蒸汽支管向主蒸汽管取汽时，原则上蒸汽支管应设置在主蒸汽管的上部。

（5）蒸汽疏水阀的安装位置应该在需疏水设备最低点的下方。

3 凝结水回收管道产生水击的原因及防治措施

凝结水回收管道产生水击的原因有很多，本文仅对以下两种情况进行具体分析。

3.1 低压和高压管线上排水连接的设计

如果低压和高压管线上的排水连接在同一凝结水回收管线上（见图4），高压冷凝液容易二次闪蒸，产生蒸汽，这样管道内就形成气-液两相，造成管道震动，产生水击［6］，此外高压冷凝液会阻碍低压冷凝液的排出，导致低压冷凝液疏水阀的背压增大，使疏水阀运行不稳定，因此在设计的时候最好将不同压力的冷凝液管线分开。

图4 凝结水回收系统选用示意［6］

3.2 凝结水集合管的设计要求

凝结水集合管应坡向回收设备，为了不增加静压，防止水击现象的产生，集合管不宜向上升。凝结水回收管线尺寸太小，拐弯太多，也容易在弯头处引起水击，所以冷凝液集合管线尽量短而直，减少拐弯（见图5）。

图5 凝结水管线（集合管）的敷设示意［6］

通过对以上两种情形的分析，对于凝结水回收管道产生的水击，在管道设计时应该注意以下几点：改善用户凝结水回收管道，高压和低压凝结水回收分开；另外，为了保证凝结水畅通，各支管与集合管相接宜顺流由管上方45°斜交［6］（见图6）。

图6 疏水阀出口管与凝结水管斜交示意［6］

4 气液两相流管道产生水击的原因及防治措施

气-液两相混合物在管道中的流动是石油化工企业工艺装置中常见的流体流动过程之一，具有单相流动中所不存在的许多复杂因素，其流动状态不能仅由滞留和湍流确定，而是要取决于不同的流动形态和两相间的自由界面因素，所以对于气液两相流管子的管道布置也有其特殊的要求，配管不当就会引起管道严重振动，造成水击现象的发生，从而导致管道和设备破坏，所以对于两相流管线要精心布置［7］。

4.1 应避免两相流管线形成液袋

气液两相流管线是由气体和液体两种流体组成，如果配管时形成液袋，则液体就会在低点积聚，当介质流动速度过低时，有可能充满低点管道，见图7中的（a），接下来后面的气体则会把低点所积聚的液体推走，见图7中的（b），接下来又会有液体在低点积聚，气体再把液体推走，如此反复，最后形成柱状流，见图7中的（c），这种情况下气体以比液体平均速度大得多的速度推着液体流动，碰撞回弯管件，形成激震力，从而引起管道的严重振动，产生水击现象［7］。若不及时处理，久而久之就会出现焊口泄漏甚至撕裂，对企业生产造成损失。所以管道设计时应避免形成液袋。

图7 气体与液体在U形管中的流动状态［7］

4.2 应避免两相流管线形成气袋

气液两相流管道在最高点极易产生气袋，造成空气气堵。因此在管道的配置中，应尽量减少最高点，不可避免时，则应在最高点设置手动或者自动空气排放阀［7］（见图8）。

图8 气-液两相流管道的高点设置放空阀［7］

5 实例分析

某工程的冷凝液总管与大气连通，再沸器出来的冷凝液回到此总管外排。再沸器E-1004的冷凝液温度约为110℃，再沸器E-1008冷凝液温度约为70～80℃，再沸器E-1412冷凝液温度约为70～80℃，见图9。在运行过程中，发现再沸器E-1008、E-1412的冷凝液在与冷凝液主管连接处发生激烈的水击现象，连续产生剧烈的管道振动，发出被锤击一样的“咚咚”声响。冷凝液管道均有保温。

经分析，再沸器E-1004的冷凝液出口压力为0.3 MPa（g），进入冷凝液总管后，由于压力降低，在冷凝液总管处会发生闪蒸，闪蒸出的蒸汽遇低温冷凝液后（E-1008、E-1412的冷凝液温度为70～80℃），蒸汽泡由于激冷破裂产生局部真空，四周的冷凝液会迅速冲到真空地带互相撞击而产生水击，并伴随着“咚咚”声响，发出像锤子敲打管道的声音。

针对上述的现象，可采取的措施有2种：①为了保证本质安全，将再沸器E-1004的冷凝液单独走线；②把再沸器E-1004的冷凝液管线的保温拆掉，提前降温，避免回到冷凝液总管后闪蒸。

6 结语

综上所述，蒸汽管道内产生水击现象的主要原因是形成的冷凝液没有及时排除，高压管线和低压管线同时进入凝结水回收总管也容易造成水击。因此，在管道设计时，应注意合理设置疏水阀，注意高压管线和低压管线分开布置，并且管道应避免气袋和液袋等，这样就可以减少水击现象的发生。

参考文献：

［1］苏晃舜.蒸汽管道水冲击的分析处理及防范措施［J］.江西冶金，2005，25（1）：20-21.

［2］张德姜，赵勇.石油化工工艺管道设计与安装［M］.中国石化出版社，2001.

［3］金永秀.蒸汽管道产生水击的机理与防治［J］.化工设备与管道，2013，50（6）：22-24.

［4］宋岢岢.压力管道设计及工程实例（第二版）［M］.化学工业出版社，2012.

［5］HG/T20549—1998，化工装置管道布置设计规定［S］.

［6］HG/T 20570.21—95.蒸汽疏水阀的设置［S］.

［7］刘卫坤.煤制合成气气液两相流管道布置探讨［J］.化工设计通讯，2006，32（3）：42-43.

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.004 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.004

中图分类号：U178

文献标识码：B

文章编号：1004-8901（2016）03-0011-04

作者简介：董新（1986年-），男，湖北孝感人，2011年毕业于华南理工大学化学工程与工艺专业，工程师，现主要从事管道设计工作。

收稿日期：2016-03-08

Research on Design against Pipe Water Hammer in Chemical Unit

DONG Xin
（Wuhuan Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430223 China）

Abstract：Beginning from the flowing status of mixed gas and liquid in pipe of chemical unit，this paper analyzes the process in which water hammer occurs in steam pipe，condensate recovery pipe and two-phase gas-liquid pipe.It also sheds light on the reasons for water hammering in the pipe of chemical unit based on specific engineering example，and it puts forward measures for preventing and eliminating pipe water hammer.

Keywords：chemical unit；piping design；water hammer；preventive measure