化工装置蒸汽管道水击原因及预防

杨高峰

摘要：水击是化工装置中管线震动的常见原因之一。严重的水击现场会造成仪表指示错误、隔热材料损坏，甚至管线破裂等更加严重的后果。本文介绍和分析了氯乙烯分厂蒸汽管道以及相关设备水击现象的成因及危害，总结防范与预防水击的有效措施，提出合理化建议，避免和减少水击危害。

关键词：水击，蒸汽管道，震动

1、 蒸汽管线及设备的水击现象

在VCM分厂投产以来，蒸汽管线及相关设备在开车初期或者运行过程中的水击现象就一直伴随多年。判断水击现象相对很简单，当有新的操作后听到管线或者设备发出“咚咚”的振动声音，势如锤击，力量巨大，管道震动，这就是“水击”。水击是一种特殊的流体力学现象。在VCM分厂，水击现象主要集中在以下几个地方：中高压蒸汽冷凝水回管网，换热器、蒸汽包投用等等。

2、 水击发生的原因

在VCM分厂，蒸汽压力管道中常见的水击产生的原因主要分为两种：

2.1、外界的冷凝水进入蒸汽管道内

以TB102塔的虹吸式换热器EB105为例，当TB102塔开车投用EB105时，由于整个塔器及换热器温度較低，当中压蒸汽（压力为1.05MPa）对EB105进行加热后，很快冷凝成液体。如果此时将冷凝水切至中压回水管网中，极其容易发生水击现象。其原因为：当蒸汽中含有冷凝水或蒸汽管道初始预热不充分，部分蒸汽会在管道中冷凝，此时若未进行疏水，或者疏水不彻底，残留少量凝结水，进入蒸汽回水管网，会出现两相流，即蒸汽管道中有凝结水或蒸汽进入水管道后，汽水混合物在管道内一起流动。蒸汽冷凝形成冷凝水，冷凝水“水块”发生相互撞击，如图1所示。当管道内的冷凝水液位接近管道内径的五分之四（80%左右）时，蒸汽会在高速流动时带动冷凝水形成波浪，水块将蒸汽分割，高温蒸汽与冷凝水迅速凝结，产生局部低压区域或真空。冷凝区四周的冷凝水会向中间的低压区域冲击产生撞击，导致水击现象。

图1 蒸汽冷凝水块冲击产生的水击现象

2.2、 两相流

两相流，顾名思义是流体介质出现两种不同的相态。因此两种介质密度，表面张力，流动阻力等性质均不相同，流动状态可分为泡状流、塞状流、块状流、坏雾状流、分层流和波状流。当出现块状流时，由于介质质量、速度的不同，会在管道拐弯，变径，分支，阀门等处出现激振力，造成管线振动，严重者造成安全事故。我们可采用曼得汉流型图（图2）对水平管道内的气液两相流的流型进行判断。

曼德汉流型图参数按下面公式计算：

μls=3.35×104×qvl×di-2

μgs=3.35×104×qvg×di-2

式中：

μls—液相的表观速度，m/s ； μgs—气相的表观速度，m/s ；

qvl—液相的体积流量，m3/h； qvg—气相的体积流量，m3/h

di—管道内径，m。

图2 曼德汉流型图

汽液两相在管道内流动时，因液态水所受阻力远大于蒸汽，蒸汽则推动液态水高速前进。当遇到弯头，变径，阀门等管件时，水柱发生撞击，所产生的冲击力相当强烈，破坏力相当大。

3、 水击现象的危害与预防

因为两相流形成原因导致其力量以及频率的不可测性，使其很难定量或定性进行分析计算。操作工况，介质流动状况，传质传热情况以及管道布置设备安装都与之有密切关系。可通过管道布置以及工艺操作对两相流进行避免。

（1） 根据流体性质，控制相应工艺条件，使得流体远离汽液混合区。而对于不可避免的情况，则可根据上图1及图2确定流型，避免块状流，进而避免水击现象。

（2） 在不可避免的两相流段，应多采用直管，尽量减少弯头，变径，阀门的安装，同时管道铺设保证一定坡度，使汽液两相介质分层流动，避免液块形成，产生水击。

（3）蒸汽管线相隔固定间隔，在低点及末端设置疏水阀进行疏水。在蒸汽管道减压阀，或蒸汽流量调节阀前设置倒淋，方便手动疏水。

（4） 定期对疏水阀及相关管线进行巡检排查，及时清理堵塞物，发现故障疏水阀，并进行更换。

（5）厂区内不同压力等级的蒸汽应对各自的回水管网。防止不同压力回水混合，产生压力差进而产生二次蒸汽，形成汽液两相流。

4.结束语

石油化工行业日新月异。化工生产中，水与蒸汽管线的使用是不可避免的。与此同时，水击现象也会频繁出现，而水击带来的危害与损失是非常巨大的。因为，作为化工行业的生产人员以及设计人员应从现场操作及设计上，了解水击产生原因，熟悉生产工艺系统，采取有效预防方法，将水击产生的频次及造成的影响降低至最低，确保生产及人员安全。

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