化工裝置蒸汽管道水擊原因及預(yù)防

楊高峰

摘要：水擊是化工裝置中管線震動(dòng)的常見原因之一。嚴(yán)重的水擊現(xiàn)場會(huì)造成儀表指示錯(cuò)誤、隔熱材料損壞，甚至管線破裂等更加嚴(yán)重的后果。本文介紹和分析了氯乙烯分廠蒸汽管道以及相關(guān)設(shè)備水擊現(xiàn)象的成因及危害，總結(jié)防范與預(yù)防水擊的有效措施，提出合理化建議，避免和減少水擊危害。

關(guān)鍵詞：水擊，蒸汽管道，震動(dòng)

1、 蒸汽管線及設(shè)備的水擊現(xiàn)象

在VCM分廠投產(chǎn)以來，蒸汽管線及相關(guān)設(shè)備在開車初期或者運(yùn)行過程中的水擊現(xiàn)象就一直伴隨多年。判斷水擊現(xiàn)象相對很簡單，當(dāng)有新的操作后聽到管線或者設(shè)備發(fā)出“咚咚”的振動(dòng)聲音，勢如錘擊，力量巨大，管道震動(dòng)，這就是“水擊”。水擊是一種特殊的流體力學(xué)現(xiàn)象。在VCM分廠，水擊現(xiàn)象主要集中在以下幾個(gè)地方：中高壓蒸汽冷凝水回管網(wǎng)，換熱器、蒸汽包投用等等。

2、 水擊發(fā)生的原因

在VCM分廠，蒸汽壓力管道中常見的水擊產(chǎn)生的原因主要分為兩種：

2.1、外界的冷凝水進(jìn)入蒸汽管道內(nèi)

以TB102塔的虹吸式換熱器EB105為例，當(dāng)TB102塔開車投用EB105時(shí)，由于整個(gè)塔器及換熱器溫度較低，當(dāng)中壓蒸汽（壓力為1.05MPa）對EB105進(jìn)行加熱后，很快冷凝成液體。如果此時(shí)將冷凝水切至中壓回水管網(wǎng)中，極其容易發(fā)生水擊現(xiàn)象。其原因?yàn)椋寒?dāng)蒸汽中含有冷凝水或蒸汽管道初始預(yù)熱不充分，部分蒸汽會(huì)在管道中冷凝，此時(shí)若未進(jìn)行疏水，或者疏水不徹底，殘留少量凝結(jié)水，進(jìn)入蒸汽回水管網(wǎng)，會(huì)出現(xiàn)兩相流，即蒸汽管道中有凝結(jié)水或蒸汽進(jìn)入水管道后，汽水混合物在管道內(nèi)一起流動(dòng)。蒸汽冷凝形成冷凝水，冷凝水“水塊”發(fā)生相互撞擊，如圖1所示。當(dāng)管道內(nèi)的冷凝水液位接近管道內(nèi)徑的五分之四（80%左右）時(shí)，蒸汽會(huì)在高速流動(dòng)時(shí)帶動(dòng)冷凝水形成波浪，水塊將蒸汽分割，高溫蒸汽與冷凝水迅速凝結(jié)，產(chǎn)生局部低壓區(qū)域或真空。冷凝區(qū)四周的冷凝水會(huì)向中間的低壓區(qū)域沖擊產(chǎn)生撞擊，導(dǎo)致水擊現(xiàn)象。

圖1 蒸汽冷凝水塊沖擊產(chǎn)生的水擊現(xiàn)象

2.2、 兩相流

兩相流，顧名思義是流體介質(zhì)出現(xiàn)兩種不同的相態(tài)。因此兩種介質(zhì)密度，表面張力，流動(dòng)阻力等性質(zhì)均不相同，流動(dòng)狀態(tài)可分為泡狀流、塞狀流、塊狀流、壞霧狀流、分層流和波狀流。當(dāng)出現(xiàn)塊狀流時(shí)，由于介質(zhì)質(zhì)量、速度的不同，會(huì)在管道拐彎，變徑，分支，閥門等處出現(xiàn)激振力，造成管線振動(dòng)，嚴(yán)重者造成安全事故。我們可采用曼得漢流型圖（圖2）對水平管道內(nèi)的氣液兩相流的流型進(jìn)行判斷。

曼德漢流型圖參數(shù)按下面公式計(jì)算：

μls=3.35×104×qvl×di-2

μgs=3.35×104×qvg×di-2

式中：

μls—液相的表觀速度，m/s ； μgs—?dú)庀嗟谋碛^速度，m/s ；

qvl—液相的體積流量，m3/h； qvg—?dú)庀嗟捏w積流量，m3/h

di—管道內(nèi)徑，m。

圖2 曼德漢流型圖

汽液兩相在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，因液態(tài)水所受阻力遠(yuǎn)大于蒸汽，蒸汽則推動(dòng)液態(tài)水高速前進(jìn)。當(dāng)遇到彎頭，變徑，閥門等管件時(shí)，水柱發(fā)生撞擊，所產(chǎn)生的沖擊力相當(dāng)強(qiáng)烈，破壞力相當(dāng)大。

3、 水擊現(xiàn)象的危害與預(yù)防

因?yàn)閮上嗔餍纬稍驅(qū)е缕淞α恳约邦l率的不可測性，使其很難定量或定性進(jìn)行分析計(jì)算。操作工況，介質(zhì)流動(dòng)狀況，傳質(zhì)傳熱情況以及管道布置設(shè)備安裝都與之有密切關(guān)系。可通過管道布置以及工藝操作對兩相流進(jìn)行避免。

（1） 根據(jù)流體性質(zhì)，控制相應(yīng)工藝條件，使得流體遠(yuǎn)離汽液混合區(qū)。而對于不可避免的情況，則可根據(jù)上圖1及圖2確定流型，避免塊狀流，進(jìn)而避免水擊現(xiàn)象。

（2） 在不可避免的兩相流段，應(yīng)多采用直管，盡量減少彎頭，變徑，閥門的安裝，同時(shí)管道鋪設(shè)保證一定坡度，使汽液兩相介質(zhì)分層流動(dòng)，避免液塊形成，產(chǎn)生水擊。

（3）蒸汽管線相隔固定間隔，在低點(diǎn)及末端設(shè)置疏水閥進(jìn)行疏水。在蒸汽管道減壓閥，或蒸汽流量調(diào)節(jié)閥前設(shè)置倒淋，方便手動(dòng)疏水。

（4） 定期對疏水閥及相關(guān)管線進(jìn)行巡檢排查，及時(shí)清理堵塞物，發(fā)現(xiàn)故障疏水閥，并進(jìn)行更換。

（5）廠區(qū)內(nèi)不同壓力等級的蒸汽應(yīng)對各自的回水管網(wǎng)。防止不同壓力回水混合，產(chǎn)生壓力差進(jìn)而產(chǎn)生二次蒸汽，形成汽液兩相流。

4.結(jié)束語

石油化工行業(yè)日新月異。化工生產(chǎn)中，水與蒸汽管線的使用是不可避免的。與此同時(shí)，水擊現(xiàn)象也會(huì)頻繁出現(xiàn)，而水擊帶來的危害與損失是非常巨大的。因?yàn)椋鳛榛ば袠I(yè)的生產(chǎn)人員以及設(shè)計(jì)人員應(yīng)從現(xiàn)場操作及設(shè)計(jì)上，了解水擊產(chǎn)生原因，熟悉生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，采取有效預(yù)防方法，將水擊產(chǎn)生的頻次及造成的影響降低至最低，確保生產(chǎn)及人員安全。

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