管路的水击及其预防

４　蕾道执采与设备　２００２正　管路的水击及其预防　王建设　洛阳石化总厂化纤厂　河南省洛阳市４７１０１２　Ｉ摘要】在蒸汽管线和太口径管线上，经常会发生水击，对管道及相连设备的安全产生危害．严　重时甚至会造成管道、阀门等设备的破裂损坏，影响装置的安全运行及平稳生产。本文分析７水击　现象产生的原目，并针对水击压力的变化规律，提出ｊ减轻水击危害的对策。　关键词：管道水击预防　中圉分类号：Ｕ１７３　１水击现象　在蒸汽管线和大口径管线上，有时能听到“咣咣”　的声音，有经验的工人马上会意识到发生了水击。水　击现象是由于介质流动状态忽然改变，管内流体动量　发生变化而产生的压力瞬变过程，是管内不稳定流动　所引起的一种特殊振荡现象。急剧升降的压力渡通过　管路传递时产生一种犹如用锤子敲击管路时发出的噪　音，所以亦称为水锤。当水击发生时，会对管道及相连　设备的安全产生危害：轻微的水击会使管线固定件松　动，管道震动扭曲，使用寿命缩短；严重时甚至会造成　管道、阀门等设备的破裂损坏。所以在管路设计和生　产操作过程中都要尽可能避免发生水击。　２水击产生的机理　先以管路中阀门骤然关闭的情况为例来说明水击　发生时，冲击波产生的原因和传递过程，　圈Ｌ水击产生机理　如图１所示，当阀门在开启一定大小的正常情况　下，管中流速为　，进口压力为Ｐ０，当阀门骤然关闭　时　临近阀门的一层厚度为△ｓ的液体于　时间内首　先停止流动，该段液体被压缩，压力增高△Ｐ，此时由　于内部压力上升管壁会发生局部膨胀。此后紧相邻的　第二层流体由于受阻而停止流动，发生同样的变化。　这样管中流体压力一层层地相继增大及管壁相继膨胀　并以压力波的形式由近及远传播　设管长为Ｌ．水击波速为ｃ，则水击波从阀门传到　管入口所需时间为Ｌ／ｒ　夙ｆ＝０瞬时到ｔ＝Ｌ／Ｃ瞬时　的时段内水击传播过程如图２一ａ所示。　当阀门关闭后ｆ　＝Ｌ／ｃ时刻，压力波传至管入口　处。这时，全管流体处于暂时静止和被压缩状态，管入　口处左侧的压力为Ｐ０，右测压力为Ｐ０＋Ａｐ，该处流体　处于受力不平衡的不稳定状态，临近管入口处的一层　液体将在压差Ａｐ作用下，开始以速度口　返冲向入口　端，于是该处从被压缩状态及周围管壁膨胀状态首先　恢复原来的状态，压力从Ｐ０＋Ａｐ降为Ｐｏ，随后，一层　层的流体和周围的管壁相继恢复原状。如图２一ｂ所　示。　当阀门关闭ｔ　＝２Ｌ／ｃ时刻，紧临阀门的一层液　体压力恢复到原来的Ｐｏ，而流体由于惯性作用仍以　向管入口方向继续流动，此刻阀门已完全关闭，后　面没有液体补充，液体被拉伸膨胀产生负的水击压力　△ｐ，同样第二层也依次膨胀形成减压波仍以速度ｃ向　管入口方向传递。如图２一ｃ所示。　当阀门关闭后￡　＝３Ｌ／ｃ时刻，减压波传到管入　口处。全管内液体处于低压的静止状态，管于处于收缩　状态。此时管内压力低于管入口处　又失掉平衡处于　不稳定状态，在压力差作用下又以逮度ｃ向阀门处传　播。如图２一ｄ所示。　直到ｆ　＝４ＬＩｃ时传到阀门处，此时全管又恢复　到阀门关闭前的流动状态。随后又开始第二个压力波　传递过程。　如此反复，压力波在管线入口和阀门之间的管路　上来回振荡，对两端的设备不断产生冲击　并发出“咣　咣“的噪声，如果振荡频率和管线发生共振，其破坏力　会增强。　３衡量水击强度的参数　我们一般用水击的传播速度和水击压力来衡量水　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　・设计与研究・　５　击的强度。　３．１水击压力波的传播速度　如前所述，水击实际上是由于阀门的突然关闭和　开启，造成的压力波在管内的传播。其传播速度用ｃ　表示。取流体的纵弹性系数为Ｋ（ｋｇｆ／ｍ　），管材纵弹　性系数为Ｅ（ｋｇｆｆｍ　），流体比重ｙ（ｋｇｆ／ｍ　），管内径为　Ｄ（ｍ），管壁厚为　（ｒｎ），重力加速度为ｇ（ｍ／ｓ２），则有　公式（１）：　一　ｉ　一一　ｇ　ｚ　这里ｃ．是随管道的固定状况不同而变化的系数。　取泊松比为　，则：　（１）管子上游固定，无轴向位移限制时，ｃ．＝　１一　／２；　（２）整个管子有轴向位移限制时，｜ｌ＝１一　；　（３）管子有轴向位移限制，但中间有伸缩接头时，　（　Ｏ＜ｔ＜Ｌ／Ｃ　Ｃ　Ｌ／￣＜ｔ＜殂　℃　－－－ｔ　￣　（ｄ）３　＜ｔ＜４Ｌ／ｃ　囤２水击的传播过程　各种条件下的波速可以根据上式计算得出，对于　常用液体ｃ的大约值如下表所示。　表常用液体的ｃ值　３、２水击压力的计算　水击产生的压力高低是由流体加速时的激烈程度　决定的，严格地说就是由在压力渡从配管中速度变化　的原因点开始传播到管端部之后，再由管端部传播到　速度变化原因点的时间段内的流速变动量来决定。　当阀门关闭时间ｔ＜２Ｌ／ｃ时（急速关闭），最早由　阀门处产生的向上游传播而又反射回来的减压顺行波　在阀门全部关闭时还未达到阀门处，这对在阀门处产　生最大的水击压力，称为直接水击压力。水击压力可　按（２）式进行计算：　△　＝，℃　ｏ／ｇ　（２）　这里，△ｐ（ｋｇｆ／ｍ２）为由于水击产生的压力变动　值，　。（ｍ／ｓ）为阀门关闭前流体的初速度；ｙ为流体比　重。当阀门关闭时间　＞２Ｌ／ｃ时，产生的压力要小于　直接水击压力。　另外，当管内压力下降时，管内流体在压力未降到　蒸汽压ｐ　，以下便开始蒸发，占据管内一定空间，井保　持一定的压力　，这种现象称为液柱分离现象。分离　后的液柱再冲击时产生极高的压力，有可能产生震动　或损坏管道。如果介质中有气体存在，则会延长振荡　周期，但会增强冲击强度，延长水击时间，所以蒸汽管　线和处于未充满状态的管线最容易发生水击，水击强　度也最高。　４避免和减轻水击影响的措施　水击现象是一个客观存在的纯物理现象。但针对　其产生的机理和变化规律，如果在管路设计及日常操　作中采取一定的措施，是可以避免或减轻的。　４．１设计上可以采取的措施　４．１、１避免发生直接水击　由压力渡的传递过程可　知，如果阀门关闭时间ｔ＞２Ｌ／ｃ，在初生弹性渡继续　发生时，由上游反射回来的减压渡与水击渡波峰相反，　因此会部分抵消水击压力，使水击压力达不到直接水　击的增压值，这也称间接水击。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直接水　击的发生。　４．１．２延缓阀门的调节时间根据阀门特性，如截止　阀大约关到全开度的１５　９６管内流体的流速几乎不变　这一点来延缓其调节时间。由于阀门而　１起的压力损　失很小，剩余的１５％的开度成为造成管内不稳定流动　的关键，这段关闭时间也称为有效关闭时间。因此设　法使剩余的１５％的开度缓慢地关闭。便可使压力变化　值降低。例如当阀的有效关闭时间为２Ｌ／ｃ的１０倍　时，压力增大值约为△　的１／１０。因此，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。　４、１、３设置缓冲减压阀　由水击产生的机理可知，如　果能延长流体的被压缩时间　，那么动量转化来的　ｚ３，ｐ就会降低，所以如能将被压缩的流体流出配管之　外．使管内的流动可以持续一定时间的话，就可以使水　维普资讯 http://www.cqvip.com

６　营，ＩＬ技衷与设备　２００２年　击压力上升变小。由于水击波速度极快，压力的上升　是瞬间的．要求该泄压阀门也必须在瞬间打开．普通机　械构造的安全阀是不能在瞬间内完成的，因此要采用　可动部分质量极小并在极短时间内能够开启的缓冲减　压阍，该阀在日本、美国等发达地区已广泛使用，它可　水。另外，在蒸汽干管末端、调节阍前及切断阍前也要　设疏水点，用疏水器及时把冷凝水排出。　大大提高管路的安全性。该阀体结构如图３所示。　图４调压嚣　图３缓冲诚压阀　４．２操作上采取的措施　手动阀门的操作要注意在阀门开度较小时慢开慢　闭，一旦发生水击，应当立即调整阀门开度，改变其振　４．１．４设置调压器在完成向一定容积的罐内装载　流体后，如果迅速关闭入口阀门，配管不可避免地会产　生水击．一下子受到压缩变为高压的流体如果能导入　调压器里，配管内液体的流动就可以慢慢地减速，可以　通过设置如图４所示的调压器（或缓冲罐）来实现这一　目的。在调压器中有气球状的气囊，气囊中填充有氮　气等气体．一旦相连部位管内压力升高，就会压缩气囊　内气体，将流体积蓄在调压器内。这个调压器如果设　置在配管的重要之处，便增加了管内流体的压缩性。　调压器结构如图４所示。　４．１．５合理的管路布局　如果泵的出口管道突然向　荡周期，以缓和水击。在生产中，许多的水击如果操作　得当是完全可以减轻或避免的。　５结论　设计中采用合理的管路参数和布局是避免发生水　击的关键。选用适当的缓动电磁阀，缓冲减压阀及调压　器是防止水击发生，提高管路安全性的有效措施。操　作阀门时的缓开慢关，及时排除蒸汽管线中的玲凝水　是消除水击，使生产平稳、安全的有力保证。　参考文献　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　［１］　袁恩熙工程流体力学北京：石油工业出版社，１９８６：１６３　～管道安全。特别是蒸汽管线的水击产生的危害极大，　所以蒸汽管线每隔９０～２４０ｒａ，在低点处（如管线上积　前）和末端要设集液管和疏水点，以排出管线内的冷凝　１６９　ｆ２］　田中山配管的设计和施工日本求京：共立出版社，　１９吕０　７３９～７４３　ｒ｛堑　璺｛　—　—●——　　本刊在２００２年参加　下展览会，展会期间免费赠阅期刊，欢迎您光临展台，并提出宝贵意觅。　展会名称　时间　地址　１　２　２００２石油天然气管道与技术论坛会　２００２中国（国际）石油天然气管道建设与技术、装备展览会　第八屉中国国际表面工程与防腐蚀技术及设备展览会　４月２５－－２８日　廊坊国际会议展览中心　５月１５～１７日　上海国际展览中心　３　２００２年第三届山东国际给排水、水处理及管道阀门泵阀展览会　５月１５～１８日　４　２００２（大连）国际化工展览会　２００２（大连）清洗产业高新技术、产品及设备展览会　５月２３～２７日　山东国际博览中心　大连星海会展中心