液体输送管道水击现象的产生及防控

雷鸣远

北京石油化工工程有限公司西安分公司 西安 710075

在实际工程中，带压液体输送管道作为压力管道的一个类型，是电力、化工、钢铁、水泥等行业工艺流程中不可或缺的重要部分之一。在有压液体管道实际运行中，由于阀门快速开闭、泵启停、气体混入、流体相变等因素，造成管内液体流速发生激变，因此流体动能随之也发生激变，这种激变导致管内产生“压力波”，以接近音速的传播速度在管内流速发生突变的界面之间来回折返，从而在瞬间造成管内压力的急剧波动，对管道、阀门、连接件以及设备产生短暂且巨大的力学冲击，这种现象被称为水击现象。使管道压力升高的水击现象叫做正水击，使管道压力降低的水击现象叫做负水击。其破坏程度足以造成管道破裂或瘪塌、附件损坏、部件疲劳寿命缩短、环境噪音等危害。

1 水击现象的几个过程

水击现象既然是一种“压力波”，那么利用波的传播速度求出特征时间，就可将水击问题按照时间划分，便于对此问题展开研究。另外，讨论水击现象时，必须考虑水的压缩性和管壁的弹性，这是产生水击现象的基本条件[1]。

假设某压力源头(如水泵、水箱、水池等)压力值恒定为P0，有一长度L、内壁光滑、材质均匀的出水管道，管道设置一个阀门作为控制水流的开关。阀门开启时管内流速为V0，当B点阀门突然快速关闭之后，管内产生水击“压力波”，波速为a，按照时间划分，有以下4个典型过程：

图1 典型过程

图2 典型过程2(t=L/a～2L/a)

图3 典型过程3(t=2L/a～3L/a)

在此过程里，由于使管道压力继续降低，此过程为负水击波，水流方向由B指向A，水击波方向也与之相同。

图4 典型过程4(t=3L/a～4L/a)

2 水击现象的分类及计算

水击有两种类型：直接水击和间接水击。

式中，ΔP为管中发生水击时的水头，m;a为水击波速，m/s；g为重力加速度，取9.8 m/s2；V为管中流速，m/s；V0为管中初始流速，m/s。

其中水击波速[1]

由上述公式可知，阀门关闭时，V-V0<0为负值，ΔP为正，此时为正水击；反之，阀门开启为负水击。直接水击压力值大小只与流速变化率有关，而与开度变化率和水管长度无关。以水管道举例来说，一般的管内流速为2～6 m/s，钢管内波速a约为1000～1100 m/s，那么水击压力ΔP=200～660 mH2O，即2～6.6 MPa，并以波速a传播至整个管道系统，如果设备或管道在某处存在缺陷，则有可能发生破坏性结果，导致事故发生。因此在实际工程中，应避免直接水击。

(2)间接水击：当阀门动作时间小于Ts>tc时，在阀门动作结束前，压力源反射回来的水击波已到达阀门处，此时管道末端的水击压力是向上游传播的水击波和反射回来的水击波二者抵消的结果，这种水击称为间接水击，间接水击强度小于直接水击。发生间接水击时，水击压力波的变化过程是十分复杂的，也是工程中经常发生的水击现象。工程中计算间接水击的经验公式[2]：

即：

式中，ΔP为管中发生水击时的压力，MPa；ρ为水的密度，m3/kg；g为重力加速度，取9.8 m/s2；L为管道长度，m；V0为管中初始流速，m/s；Ts为阀门动作时间，s。

3 水击现象的危害

发生正水击时，管道内压力急剧增大至正常压力的几倍甚至几十倍，远远超过设备和管道系统的设计压力。发生负水击时，管道内局部产生真空，会造成水流局部断流，当正水击波到来时，水流再次结合形成弥合性水击。特别是输送特殊工质，如饱和水、高密度且低粘度流体等，分别由于流体相变和流体惯性大的特点，水击现象的破坏作用将被放大。水击发生后，由于受到正、负水击的共同影响，其特点是强度大、频率高、交变作用，会使设备、管道、阀门及连接件发生振动、疲劳、失稳甚至破坏。水击的回流作用会引发水泵停泵时的反转，反转速度与临界转速重合或此时电机重新启动，会引发水泵和电机转子的变形或断轴。在大型水泵房实际运行中，阀门启闭、工况的大幅变化或者水泵启停切换等动态过渡过程中产生的水击作用，甚至会引发水泵基础以及建筑物的明显振动，对厂房结构安全产生威胁。

4 工程设计中水击现象的防控措施

(1)工艺流程的优化。在制定工艺流程时应尽量减少系统中有可能产生水击的扰动源，比如在复杂管网系统中优化管道隔离方案，减少阀门数量，合理制定水泵的运行形式。对于会发生水击的局部系统，必须要考虑防止水击的措施，例如设置调压塔、缓冲罐，增加旁通管、旁通阀等方法。

(2)流速的合理选取。管内流速越低，流体惯性就越小，速度的微分变化率也就越小，对于防止水击的产生越有利。但是流速越低管道口径越大，工程建设成本越高。因此在短距离输送系统中，可以适当放大管道口径以降低流速。在长距离输送系统中，流速和管径的选取必须考虑建设成本因素，通常为了避免水击，会专门设置水击防护设备。

(3)管道布置。管道布置要结合管内静压，与管道始点、终点高程相匹配，管道标高越高的管段，由于静压力减小，容易产生管内汽化形成局部断流，当水柱再次弥合时形成弥合水击造成巨大的水压冲击。因此在管道布置时，尽量降低最高点高程，增加管内静压。

(4)管道材料的选择。不同的管道材料对于水击波的传导速度影响也不同，在条件允许的前提下，尽量选择纵向弹性模量较小的管道材质，可以减小水击波的传导速度，对于降低水击作用比较明显。

(5)管道的固定方式。由于水击的力学冲击对于管道会产生振动和破坏作用，因此需对管道进行刚性分析。在容易发生水击的管段上，适当增加管道刚性，如设置固定管架、限位管架等方式，提高管道刚度，改变管道固有频率，从而避免管道振动或被破坏。

(6)合理延长阀门动作时间。当管道长度及流速一定时，适当的延长阀门动作时间，对于减少水击压力的效果是十分显著的。因此在工艺原理及水泵回流量都允许的前提下，尽量选择动作时间长的阀门，如缓闭式止回阀等。

(7)适当增加水泵的转动惯量[3]。转动惯量反映了水泵转子转动时的惯性大小，在转矩一定时，转动惯量越大的转子角速度越小，越不容易发生转动或使其转动状态发生改变。因此，适当增加转子的转动惯量，当水泵停车时，依靠转子惯性也可以在短时间内继续维持水泵运转，使水泵转速变化率降低，相当于增加了动作时间，有利于减小水击作用。

5 结语

综上所述，从对水击现象的原理分析和理论计算可以获知，在工程设计中，通过制定合理的工艺流程、选取合适管径、管材、优化管道布置和支吊架选型、提高水泵转子转动惯量、适当增加阀门动作时间等一系列措施的灵活组合，可以对水击现象发挥预防控制的作用，对于确保压力管道在实际使用中的稳定性和安全性，有着不容忽视的实际意义。