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管道技术与设备
2002 年
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
摘要 在蒸汽管线和大口径管线上, 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。本文分析了水击 现象产生的原因, 并针对水击压力的变化规律, 提出了减轻水击危害的对策。 关键词: 管道 水击 预防 中图分类号: U173
水。另外, 在蒸汽干管末端、调节阀前及切断阀前也要 设疏水点, 用疏水器及时把冷凝水排出。
图 3 缓冲减压阀
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 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。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~ 240m, 在低点处( 如管线上翻 前) 和末端要设集液管和疏水点, 以排出管线内的冷凝
展会名称
时间
1
2002 石油天然气管道与技术论坛会
4 月 25~ 28 日
2002 中国( 国际) 石油天然气管道建设与技术、装备展览会
2
第八届中国国际表面工程与防腐蚀技术及设备展览会
5 月 15~ 17 日
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
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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/ m2) , 管材纵弹 性系数为 E ( kg f/ m2) , 流体比重 ( kgf / m3) , 管内径为 D ( m) , 管壁厚为 e( m) , 重力加速度为 g ( m/ s2 ) , 则有 公式( 1) :
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 / c, 从 t = 0 瞬时到 t = L / c 瞬时 的时段内水击传播过程如图 2- a 所示。
当阀门关闭后 t 1= 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 p 0, 右测压力为 p 0+ p , 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 p 作用下, 开始以速度 v 0 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 p 0+ p 降为 p 0, 随后, 一层 层的流体和周围的管壁相继恢复原状。如图 2- b 所 示。
当阀门关闭后 t 3= 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, 管子处于收缩 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速度 c 向阀门处传 播。如图 2- d 所示。
直到 t 4= 4L / c 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。
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
地址 廊坊国际会议展览中心
上海国际展览中心 山东国际博览中心 大连星海会展中心
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 v 以下便开始蒸发, 占据管内一定空间, 并保 持一定的压力 p v , 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
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
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管道技术与设备
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 压阀, 该阀在日本、美国等发达地区已广泛使用, 它可 大大提高管路的安全性。该阀体结构如图 3 所示。
c1= 1。
图 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
种类
水
原油 轻油 汽油 液化气 喷气燃料
c ( m/ s)

1440 1240 1350 1150 ~ 1550 ~ 1480 ~ 1400 ~ 1250
1000
1290 ~ 1350
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。急剧升降的压力波通过 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。
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波从配管中速度变化 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
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
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
c=
Kg/
1+ ( K / E) (D / e) c1
这里 c1 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, c1 =
1- / 2; ( 2) 整个管子有轴向位移限制时, c1= 1- 2;
( 3) 管子有轴向位移限制, 但中间有伸缩接头时,
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。
图 1 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 v 0, 进 口压力为 p 0, 当阀门骤然关闭 时, 临近阀门的一层厚度为 s 的液体于 t 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。
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 由压力波的传递过程可 知, 如果阀门关闭时间 t > 2L / c, 在初生弹性波继续 发生时, 由上游反射回来的减压波与水击波波峰相反, 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% 管内流体的流速几乎不变 这一点来延缓其调节时间。由于阀门而引起的压力损 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 p 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 t , 那么动 量转化来的
图 4 调压器
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 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冷凝水 是消除水击, 使生产平稳、安全的有力保证。