炼油装置水击现象的原因分析及防治

王 军

(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

水击是压力管道中的一种非恒定流。当介质沿着管道流动时，由于各种原因(如阀门突然关闭、水泵突然停机或启动、液体汽化、气相液化等)使液体的动量发生突变，造成管道中流体的压力发生反复、急剧的周期性变化的现象被称为水击。该现象宏观上表现为管线剧烈震动，甚至发出“咣咣”如锤击般的巨响，故这种现象也称为水锤。水击波的冲击力，可能达到额定工作压力的几十倍甚至几百倍[1]，当管道水击产生的振动与管道结构系统的固有频率相同或接近时，就会形成机械共振，此时管道水击破坏力最大[2]，可能严重破坏管道及其附件，严重时造成管线与管托脱离，管线焊缝开裂，弯头、阀门及相关管件和设备损坏。

2013年，某延迟焦化装置在放水阶段由于焦块堵塞致使放水线导致放水不畅，在操作人员试图用低压蒸汽吹通堵塞放水线的过程中，突然发生强大的水击，导致DN450 mm的放水管线焊缝撕裂，管线严重变形，最终装置不得不降量运行以腾出时间来维修更换放水管线，装置安全生产及经济效益受到影响。因此，了解水击的原理并寻找解决的方案，消除设备管线阀门等的安全隐患，确保装置安全生产是非常重要的。

1 水击原理概述

根据管线输送介质的不同，水击现象可以分成两大类，即非蒸汽管线水击和蒸汽管线水击。非蒸汽管线水击是指输液管道由于阀门突然开关、机泵突然起停、管网压力波动等原因造成的管内流体周期性震荡并冲击管线、管件、阀门等的现象。蒸汽管线水击是指由于当蒸汽管道中存在两相流(气液相流)时，蒸汽推动冷凝液迅速流动冲击管线、管件阀门，或由于两相流产生空穴湮灭或水堵而造成的水击现象。本质上，两种水击现象都是由于流体动量发生突变而造成的流体压力骤变。在炼油厂中，蒸汽管线水击现象比较常见。

在输液管线中，当局部压力降到汽化压力时，管内形成蒸汽空穴。如果流体内含有溶解的空气，那么压力下降到一定程度以后，溶解在液体中的空气就会释放出来，形成空气穴。假如压力下降的很快，蒸汽空穴在前后压差的影响下横向增大形成空穴段，就会产生液柱分离，当这两个分开的液面重新合拢时，会引起压力很大的瞬变过程，即水击，且瞬变时间越短，水击越强大。在热水系统中，空泡的形成几率更高，若在流体中引入蒸汽，则蒸汽在流动过程中会冷凝，体积瞬间缩小，形成真空区，快速流动中的液体迅速冲向真空区，形成撞击，产生水击，该过程的描述见图1。由于蒸汽的存在，空穴形成的几率及数量大大增加，水击现象不断发生并叠加，产生的危害也就比普通输液系统更大。

在蒸汽管线中，通常液体含量相对较少，水击多是由于水堵现象引起。当管道内高压蒸汽和凝结水两相混合流动时，蒸汽推动凝结水以极高的速度向前流动，就好像在管道内形成“风浪”，造成管道内水位逐渐升高，最终可能在管道内形成一堵“水墙”，阻碍了汽水继续流动，这种现象叫水堵。水堵一旦形成，就像在管道里突然增加了一道关闭的阀门，被蒸汽高速推动的流体瞬间降速，从而形成巨大的冲击现象。根据动量定理，蒸汽速度越快，水击越强，并且在压力一定的情况下，管线内凝结水的增加会导致水击现象发生的可能性增加[3]。水堵形成过程见图2所示。

图1 输液线中存在蒸汽时水击的产生过程

图2 蒸汽管道内形成水堵的过程

在蒸汽系统中，由于两相流的存在，空穴产生和湮灭现象比较普遍，水堵现象也常常发生，水击现象发生的频率也极高。利用上述原理来简单分析前言中焦化装置放水线水击撕裂事故的原因，具体见图3。

图3 某焦化装置放水线内形成水堵的过程

从图3可以看出：焦块的阻塞导致放水线中凝结水存积，当大量蒸汽进入管线时，蒸汽推动凝结水快速向前移动，在焦块处突然形成水堵，导致高速流动的液体瞬间降速，发生强大的水击，水击压强(△P)可以根据儒可夫斯基水击压强公式进行粗略计算[4]。

△P=ρa(V0-V)

(1)

式中：ρ为液体的密度，凝结水取1 000 kg/m3；a为蒸汽流动时钢管内凝结水水击波传播速度，一般取1 000 m/s；V0为流体初始速度，按HG/T 20570.7—1995《管道压力降计算》中取值，蒸汽流速为30～40 m/s，本例中假设为30 m/s；V为流体终止速度，本例中为0。

将上述数据代入式(1)中计算可得，水击压强△P=30 MPa。

根据GB 50316—2000，管道封头焊缝的承受压力(P)可用下式计算。

P=δ[σ]tE/D

(2)

式中：δ为管子壁厚，取14 mm；δ[σ]t为20#钢许用应力，在150 ℃以下取113 MPa；E为焊接接头因子，单面焊接100%无损检测，取0.9；D为管子公称直径，取450 mm。

将上述数据代入上式计算得，P=3.16 MPa，可见，放水线管道焊缝能够承受的压强远低于水击压强，在一定程度上解释了放水线发生水击时，为何能将管线焊缝撕裂。

2 水击现象的预防及治理

2.1 引起水击的原因

由上述分析可知，让管道内流体动量改变就可能造成水击，比如阀门突然开关、水线内窜入蒸汽、蒸汽管线产生冷凝水、管线内温度压力发生变化、流体发生相变等。具体来讲，有以下几点原因。

(1)蒸汽管线设计不合理，导致管线内产生蒸汽凝液，在本应该设置疏水器及导淋阀的位置，如管道末端、管线低点等处未设置疏水器及导淋，长距离输送管道每隔一定距离没有设置相应的疏水设备，导致凝液积聚，无法排除；或者设置了疏水器，但疏水器选型过小，或疏水器未正确投用，均会使产生的凝结水不能及时排除，导致水击。

(2)蒸汽线未按要求保温或保温损坏未及时修复，蒸汽温度突降，导致蒸汽过热度降低，产生的凝结水不能及时排除。

(3)操作不当，投用蒸汽管线时进汽阀开启过快、开度过大，或暖管不充分。输液管线内压力过低，管线内压力大都低于饱和蒸汽压，凝结水汽化形成汽化气穴，气穴不断增大并最终导致液柱分离，而液柱分离重新聚合就导致了水锤。

(4)管内压力发生改变也会引起水击，例如不同压力凝结水共网回收，容易引发主管中凝结水流速和流向的变化，导致管内压力变化产生空泡溃灭，形成水锤。

(5)输液线中阀门的快速关闭可能在阀门附近引起液柱分离，使得管线中大部分区域压力梯度接近蒸汽压力。只要阀门处有蒸汽空穴，逆压梯度会使流体朝阀门方向倒流，引起空穴溃灭闭合，导致系统中产生高压，发生水击。

2.2 预防及减少水击损害的措施

2.2.1 预防措施

(1)在进行工程设计时，可以通过合理选择管径、管长和管线布局来避免水击的发生。例如泵的出口管道突然向上并形成突起，则因易产生负压而发生液柱分离。因此，为避免水击的发生，设计施工中宜将管道布置成均匀上升并向下凹的平缓管道便可避免产生负压，保证管道安全。

(2)延缓阀门的调节时间，尤其是延缓阀门的有效关闭时间。根据阀门的特性，不同阀门的有效关闭时间不同，如截止阀的有效关闭时间大约是剩余15%开度的关闭时间，对于截止阀，设法使剩余的15%的开度缓慢地关闭，便可使压力变化值降低。在高速管线上有自动切断阀时，应当选用缓闭式电动阀等来有效地缓和水击的发生。

(3)对于蒸汽管线，编制新建蒸汽管线投运方案时，必须考虑管道内打压用水沉积的情况；操作过程中，必须确认管道内积水排放情况，缓慢平稳开关阀门。运行中应监控蒸汽参数的变化，尤其是对蒸汽温度的监视，发现异常降温，及时联系相关单位进行调整，及时开启管线疏水器及导淋阀。停运后的蒸汽管线的疏水器应保持开启状态，同时应定期维护进汽阀，确保其关闭严密，防止蒸汽漏入停运蒸汽管线。蒸汽管道由冷态备用状态投入运行时，操作人员应打开导淋阀，缓慢开启进汽阀，保持较小开度，进行暖管操作，待管道壁温升高，充分疏水后(评判标准为导淋见汽和工质或管壁温度达到规定值)，关闭导淋阀，投用疏水器，逐渐开大进汽阀。对于上述例子中焦化放水线堵塞的问题，因防水线内存水不可避免，且在堵塞时积水无法排除，无法使用蒸汽直接吹扫。目前已对放水线进行改造，减少水平管段，尽可能地防止焦块堵塞；同时通过优化生焦及放水操作，来防止堵塞情况的放生，若堵塞仍然发生，则需要通过高压水来疏通，禁止在管线存水的情况下，直接使用蒸汽吹扫。

(4)合理设置符合要求的疏水器。蒸汽管线的水击产生频率高，危害极大，所以蒸汽管线每隔一定距离，在低点处和末端要设集液管和疏水点。蒸汽干管末端、调节阀前及切断阀前等易积水处也要设疏水点，以排出管线内的冷凝水。选择安装性能稳定、动作可靠、排水量大、对负荷变化适应性强的疏水器能有效控制管线中水击现象的发生，此外，选择正确的导淋系统可以充分发挥疏水器的排水功能，可显著降低蒸汽管线水击的发生，见图4。

图4 导淋系统集水槽安装前后排水效果示意

2.2.2 水击发生时应采取的措施

在炼油装置生产中，应做好蒸汽管线水击的预防措施，尽量避免水击的发生。一旦发生水击，应及时进行调整，大致原则如下：

(1)关小上游阀门开度，改变振荡周期，以缓和水击；

(2)立即关闭蒸汽或减小来汽压力；

(3)保持引起水击的阀门前疏水阀的正常疏水；

(4)绝对错误的做法是盲目开大导淋阀，迅速排放管道内凝结水，以此来消除管道水击。这样的操作，只能加速管道内汽水两相的混合流动，很可能导致管道产生更强大的水击。正确的做法是根据管道水击的程度，关小或关闭送汽控制阀，同时，关小导淋阀，减少凝结水排放量。目的就是降低管道内汽水两相混合流动的动力，消除管道内水堵，从而消除管道水击，直到确认完全排净管道内凝结水后，才能进一步开阀升压。

3 结语

文章介绍了在炼油装置中蒸汽线和输液线中常见的水击现象，并给出了引起水击的原因是流体动量的变化，同时还浅析了水击的机理：对于输液线来说，液体在流动中因各种原因产生空穴或液柱分离，当空穴湮灭或分离的液柱重新闭合时，便产生强大的水击，水中窜入蒸汽会使水击现象产生的更加频繁强烈；对于蒸汽线来说，水击主要是由于水堵产生。文章还简单分析了列举案例中水击损坏管道设施的原因，同时，给出了水击产生的常见原因及预防防治措施，对炼油装置预防水击及减小水击危害提供了参考方向。