管線水擊現象對裝置的影響分析及應對措施

吉柯州 周璟

摘 要：在壓力管道中，由于管道內液體流速的急劇改變，從而造成瞬時壓力顯著、反復、迅速變化對管道及管件造成沖擊的現象，稱為水擊。水擊現象發生時，壓力升高值可能為正常壓力的許多倍，使管壁材料承受很大壓力;壓力的反復變化，會引起管道和設備的振動，嚴重時會造成管道、管道附件及設備的損壞。所以在正常生產與設備運行中，盡可能地消除水擊帶來的影響就顯得尤為重要。本文通過對裝置實際水擊產生的設備和狀況進行分析。分析產生的原理與原因并且嘗試找到解決方法。

關鍵詞：水擊;水擊防護;壓力管道

1.水擊現象的簡介與對裝置設備的典型影響：

石油組分多級精餾、石油組分加氫兩套裝置在運行的過程中都會受到水擊的影響。水擊現象的發生會對裝置的管線及管件造成很大的沖擊。這兩種現象在嚴重時有可能會造成裝置的管線破裂、塌縮，管線連接件損壞或者閥門等管件的損壞，泄漏。給裝置設備的安全有效運行造成很大的隱患。所以有效分析裝置水擊的形成原因規律和預防措施就顯得格外重要。

2.裝置內典型水擊現象容易發生的部位及狀況：

對于石油組分加氫裝置來說，主要是在裝置凝水冷卻器（固定管板式）的凝水線出口段管線發生水擊現象。發生時裝置管線會產生明顯的噪音與震動。在冬季尤其容易產生這種現象。

對于石油組分多級精餾裝置來說，最典型的水擊現象發生在一些間歇運行的機泵上，以產品中間泵（離心式）為例，每個班組在將中間產品罐（立式拱頂罐）中的物料輸轉到成品罐（內浮頂儲罐）中時都需要開停一次這個機泵。在開停泵的過程中都會出現較為明顯的水擊現象。此時這段管線會產生明顯的水擊噪音和震動。

3.針對水擊現象產生的實際情況作出的原因分析：

3.1石油組分加氫裝置

針對石油組分加氫裝置凝水冷卻器（固定管板式）來說，換熱器殼程冷凝水出水端在冬季時，較容易出現水擊現象，導致冷凝水線震動并伴隨著較大的噪聲。對管線及管件造成沖擊。換熱器（固定管板式）殼程冷凝水出口端的溫度長期高于100℃，如果達到使用壓力下水的沸點，此時管線內就會存在水蒸氣與凝水混合存在的情況。在管道內的氣體和液體的流速存在不同，差別很大。高流速的氣體會推動液體在管線內高速前進。在撞擊到管壁和管件時發生錘擊。這是其一。

另一種情況是高溫的水蒸氣在進入出口管線后迅速冷卻，又形成凝水。氣體變為液體導致體積減小。在體積減小的部位出現一個瞬時的真空區域。此時周圍的液體就會瞬間向這個真空區域集中，造成水流沖擊。這種猜測也解釋了為什么在冬季時，這條管線出現水擊的頻率會遠遠高于炎熱的夏季。冬季時管線內外的溫差更大，管道內的氣相凝結速率也更高。就更容易產生這種情況下的水擊現象。在現階段的情況下，裝置采用減小凝水線閥門開度，降低凝水流量使凝水充分換熱降低出口溫度的方法來應對出現水擊的情況。也從側面反應出這種分析的合理性。

3.2石油組分多級精餾裝置

針對石油組分多級精餾裝置，產品中間泵（離心式）來說，產生的是典型的由于閥門突然開停引起的非恒定流現象形成的水擊。這種水擊現象是由于當有壓管道中的閥門突然開啟、關閉，使水流流速急劇變化，引起管內壓強發生大幅度交替升降。這種變化以一定的速度向上游或下游傳播，并且在邊界上發生反射產生的。

因為液體存在慣性和可壓縮性。水擊現象的實質上是由于管道內液體流速的改變，導致液體的動量發生急劇改變而引起作用力變化的結果。所以解決這種水擊問題的實質也是控制管道內的液體流速。反應在實際問題中就是控制機泵開停出口閥時的速度。

4.水擊現象的危害及分析

在水擊現象發生時。會對管線與管件造成很大的沖擊。此時管道內流體的流速會瞬間下降。此時產生的沖擊壓力也就是我們所說的水擊。此時的壓力升高量可以由下式得到：

由此式可以看出，沖擊壓力的大小與壓力波的流速與管道內流體流速的變化量有著直接的關系。而壓力波的速度又可以根據下式求得：

由此式可以看出，壓力波的速度取決于管道自身的特性（管徑、管壁和彈性模量）和流體特性（體積模量和密度）。這就意味著，在輸送不同介質的管道內，壓力波會以不同的速度傳播。管道管材的彈性越大，就越能減緩壓力波的傳播速度，而管道的直徑與壁厚之比越大，波速就越小。再者，由于流體的可壓縮性取決于流體自身的密度和體積模量，因此壓力波的速度與流體壓縮性成反比。在壓縮性低的流體中壓力波會以更快的速度傳播。因此具有更大的勢能。在實際情況中，烴類介質比水擁有更大的壓縮比。所以相對來說水線更容易產生水擊現象。這也是符合裝置現場實際情況的。

此外，壓力驟增的計算中還應該考慮水擊波衰減的因素。在傳播過程中，管內摩擦阻力損失影響會使得壓力波衰減。這種衰減會隨著傳播距離的增加而增加。

在上述的公式與分析中管道內流體的流速發生了瞬時變化。如果能控制住流速的驟變，也就能控制住最大沖擊壓力。所以說控制住了管線內的流速驟變，也就能控制住流體內的最大沖擊壓力。所以就要盡可能地減少換熱器換熱時產生的凝水氣化或者最大限度地減少管道中水蒸氣重新冷凝回液體。使得管道內的液體能夠以均勻的速度傳播。

在石油組分多級精餾裝置的典型水擊現象中，由于機泵出口閥門的開關直接影響著管線內液體的流速。所以閥門就是這種情況下水擊現象發生的主要原因。在這里引入兩張閥門關閉時間對水擊現象影響的經驗圖表。

圖1是閥門關閉時間Ts分別為0.5 s和0.77 s時管線內壓強的變化曲線。可以看出，當閥門關閉速度加快后，產生的最大水擊壓強也隨之增大，閥門完全關閉后壓強震蕩的幅度和次數都有所增加。

圖2是水擊壓強最大值Pmax與閥門關閉時間Ts之間的關系曲線。可以看出隨著閥門關閉時間的縮短，Pmax急劇增大。說明適當增大閥門關閉時間可以有效減小水擊壓強。

5.水擊現象的解決方法

5.1 針對石油組分加氫裝置凝水冷卻器（固定管板式）的情況

根據前文的分析與推測。首先是建議在凝結水線上加裝管道保溫，以減少管道與外界的熱交換速率，最大限度保證管道內的氣相不發生凝結。第二是在冬季生產允許的情況下，適當減小凝結水線的閥門開度，使凝結水更充分的進行換熱，降低出換熱器時的溫度。從根本上減少管線中的氣體組分含量。

5.2 針對石油組分多級精餾裝置產品中間泵（離心式）的情況

根據前文的分析。首先應該在車間范圍內組織操作人員進行有關規范開停機泵規范的培訓。在開關機泵出口閥的開始、結束階段不能過快過猛。并且嚴格杜絕在出口閥還未關閉的時候開關電機，造成止回閥，乃至機泵葉輪因為水擊沖擊造成的損壞。

總結：裝置的水擊現象在某些情況下會對管線管件及其連接的設備造成巨大的破壞，本文結合裝置運行中出現的實際問題進行了簡單的原因預測與趨勢分析，并提出了簡單的解決方法予以嘗試。希望今后在經過更深入的學習與積累了更多的工作經驗之后能夠對這個問題產生更深入、正確的看法并提出更加科學、可行的解決方法。

參考文獻：

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（中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060）