管线中水击现象的成因及设计预防措施Word文档下载推荐.docx

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（2）泵的启动和停运；

（3）蒸汽管道在暖管过程中出现凝结水。

从理论上讲，石油化工装置在设备切换——阀门关闭时，当阀门的开度逐渐减小时，管道中流体介质的流速也逐渐减小，由于介质的惯性作用，在阀门的上游部分产生压力升高，而在其下游部分产生压力降低；

反之，当阀门的开度逐渐增大时，管道中流体介质的流速逐渐增大，在阀门的上游部分产生压力降低，而在其下游部分产生压力升高，产生介质的不稳定流动——“水击”。

同样，由于操作压力和温度的波动等原因造成介质体积的膨胀和收缩，也会导致水击现象的发生。

当此压力、温度波动超过一定范围，或在事故状态、装置开停车状态需要快速关启阀门时，管内的液相介质部分汽化或气相介质部分液化，管内产生局部气、液两相流，从而有可能发生严重的不稳定状态，导致“破坏性水击”。

1．3水击的理论计算1．3．1一般性水击计算当发生水击现象时，根据流体力学原理，压力管道中任一点的流速和压力不仅与该点的位置有关，而且与时间有关，这一不稳定状态将持续过渡到下一个稳定状态。

当发生水击压力升高时，管道的管壁产生了弹性膨胀，介质受到压缩，介质的密度也会有所增加；

当发生水击压力降低时，管道的管壁产生了弹性收缩，介质受到的压力减小，介质的密度也会有所减小。

这是研究水击现象的理论基础。

如图1.1所示，设在水平管内取出一段流体，在时间段△t内，水击波从流体的一边传递到另一边。

水击波传播速度为a，所以流体长度为△L=a△t。

设原有的流速为V0，水击波通过后的流速为V0–△V，流速变化值为△V。

压强也从原有的H增大到（H+△H），同时流体密度和管道断面都有相应的变化。

错误！

未指定主题。

图1.1根据冲量变化应等于动量变化的原理，即△p△t=m△V[（+△）（H+△H）（A+△A）－HA]△t=（A+△A）△L△V忽略二阶微量，并且=a，得：

△H+H=△V再忽略管道断面的变化，得出水击压头的增值为：

△H=△V=（V0–V）（式1.1）式中：

△H——水击压头，m；

a——水击波速，m/s；

V0——起始流速，m/s；

V——终了流速，m/s；

A——管内截面积，m2；

——流体的容重，kg/m2.S2；

g——重力加速度，9.81m/s2。

再根据连续方程，求得水击波速为：

a=（式1.2）式中：

K——介质的体积弹性模量，Pa；

ρ——介质密度，kg/m3；

D——管道内径，m；

e——管壁厚度，m；

E——管材的弹性模量，Pa。

由式1.2可见，水击波速随着弹性变形的增大而减小。

在常温的水中，=1439m/s。

对于大直径钢管，a可能低于900m/s；

对于小直径的高压钢管，a约为1200~1350m/s。

由式1.1可得出如下结论：

（1）起始流速大，终了流速小，即V0>

V，△H为正值，产生正水击，代表阀门关闭情况。

反之，则为负水击，代表阀门开启。

（2）水击值的大小与波速a成正比。

（3）水击值的大小与流速变化的绝对值也成正比。

例如某管道的流速为2m/s，阀门突然关闭，流速瞬间降为零，如水击波速a为500m/s，则水击压头为：

△H=（V0–V）=×

2=102m这是一个相当大的压头，所以在设计中如不预先考虑到这种情况，将会造成严重后果。

1．3．2破坏性水击判断气、液两相流是产生“破坏性水击”现象的内在原因。

气、液两相流在管内的流动状态随管内的流速以及液相、气相介质的密度、表面张力等性质不同，大致可分为七种流型：

即分散流、环状流、气泡流、层流、波状流、柱状流和活塞流。

在这七种流型中，柱状流由于气体快速运动而引起周期性地起波状，形成泡沫栓，沿管道以比液体平均速度大得多的速度流动，碰撞回弯管件，会引起严重水击现象。

气、液两相流的流型判断：

气、液两相流体在水平管内流动流型可由图1.2中Bx，By值确定；

在垂直管内流型可由图1.3中Fv，Fr值确定。

但实际上图中各流型区域间存在一定范围的过渡区。

一．水平管内流型Bx=210（Wl/Wg）（/ρl2/3）（μl1/3/σl）（式1.3）By=7.1Wg/（A）（式1.4）式中：

Wg、Wl——气、液体流量，kg/h；

ρg、ρl——气、液体密度，kg/m3；

μl——液体粘度，厘泊；

A——管内截面积，m2；

σl——液体表面张力,N/m。

图1.2：

水平管内气、液两相流流型图通常可先计算出By，如By＞80000，对于一般粘度的液态烃类多为分散流区域，无需计算出Bx。

二．垂直管内流型Fr=/（g×

d）（式1.5）Fv=（式1.6）式中：

Fr——弗劳德数；

Fv——流动的气体分数；

D——管子内径,m；

A——管内截面积,m2；

g——重力加速度,9.81m/s2；

Qg、Ql——气、液体体积流量，m3/s。

图1.3：

垂直管内（向上流）气、液两相流流型图在管线设计中，首先计算出Bx、By值或Fv、Fr值，再根据图1.2或图1.3确定流体的流动状态。

在气、液两相流的七种流型中，柱状流、活塞流由于流动极其不稳定，容易形成水击，产生振动，导致管路损坏；

而其余五种流型，由于流动相对比较稳定，不容易形成水击现象。

所以在配管设计中，一般要求流体的流动型态为环状流或分散流，尽量避免柱状流、活塞流，以免造成水击现象，引起管线严重振动。

1．4水击现象的危害“水击”现象的发生会引起整个管系发生振动，使管道严重损坏；

管道法兰连接处泄漏；

管道推力和力矩过大，使与其连接的设备承受过大的应力或使其变形，影响设备的正常运行。

1987年，扬子乙二醇装置在装置试车水运阶段，多根管线发生严重水击。

水击主要发生在蒸汽管线、蒸汽冷凝液管线及部分带有调节阀的管线上。

R-520乙二醇管式反应器（长171米、DN700、操作压力2.2Mpa、操作温度250℃）系统在水运过程中发生水击，造成该反应器从托架上被“击”落，向前推出约0.6m。

与反应器连接的两根管线（DN200）造成严重损伤，影响了试车的正常进行。

从“事故”后情况分析结果，认为是由于冷凝液减压后，管内流体形成汽液二相柱状流，产生水击现象造成的。

1995年汽油加氢装置新增二段容积式氢气压缩机开车时，由于出口缓冲罐偏小，配管不合理等原因，导致缓冲罐出口管线振动，最大振幅达32.5mm，导致管线振裂，氢气泄漏发生火灾。

2水击的设计预防措施管线的振动是引起管路损坏的一个重要原因，而水击现象又是造成管线振动的一个极其重要的原因。

因此在进行配管设计时要防止或控制水击现象，避免管线发生振动，造成管线损坏。

2．1防止因两相流形成水击现象的设计要点

（1）首先，要从流体的性质上加以了解，控制介质的温度、压力、流速，使其不致于处于气、液相混合区内。

对于不可避免发生两相流的场所，一般要根据图1.2或图1.3确定其流型，尽量避免柱状流、活塞流，避免产生水击现象。

如果在配管设计时，选用的管道在操作温度、压力下属于柱状流，可以采取缩小管径，在允许的压差下使管径减至最小，使流速增大形成环状流或分散流，也可采用增加旁路、补充气体、增大流量等办法避免柱状流。

（2）两相流管线的设计应尽量采用直管段，减少弯头；

减压阀、安全阀、紧急切断阀后应采用大弯曲半径（R=5~6DN）的弯头或弯管。

对于两相流管线上的小口径接管（如压力计，排放管线等）要采用结构合理的支管凸台，以免凸台与管线焊接处焊接应力集中，产生疲劳裂纹损坏管线。

另外，引出接管应尽量短，对温度较低的可采用加强筋支承。

（3）两相流管线的振动与配管形状、管线的支承跨距、支承的形式有很大的关系。

对于两相流管线，应尽量地少采用吊架，在应力许可的情况下尽量少用弹簧架。

可用改变管线的刚度，增加管道阻尼的办法来减小振动，改管线的柔性设计为刚性设计，具体可减小管线的支承跨距、增加管道壁厚，根据应力分析、计算，正确合理地选择固定支架及其位置。

在管道与支架的连接处，加上阻尼材料设施（如石棉），以增加系统阻尼。

2．2蒸汽管线设计中防止发生水击现象的措施

（1）由于管线的散热损失，蒸汽管内产生凝结水，若不能及时排除，在管道改变走向处就会产生水击现象，造成振动、噪音甚至管道破裂。

因此，蒸汽管道需要疏水。

蒸汽管线每隔90~240米，在低点处（如蒸汽管上翻前）和末端要设集液管和疏水点，以排出管线内的冷凝水。

另外，在蒸汽管道的末端、最低点、立管下端以及蒸汽管道减压阀、调节阀前也要设疏水点，用疏水器把冷凝水排出。

（2）当回收蒸汽凝结水时，在流动过程中因压降而产生二次蒸汽，形成汽液混相流，当流速增加或改变流向时会引起水击现象，导致管道发生振动甚至破裂。

所以在确定总管的管径时应充分估计汽体的混相率，并使其有充分的安全率，同时为使凝液不致停滞，配管要波向流动方向。

为了不增加静压和防止水击现象的产生，凝结水总管不宜向上抬升（如图2.1所示）。

当蒸汽压力不同，但压差不大时，可合用一个回水系统。

此时在各疏水器支管进入凝结水回收总管前，应设止回阀，以防压力波动产生水击现象。

而当蒸汽压力不同，且压差较大时，不应接至同一回水系统。

图2.1：

疏水器凝结水管与凝结水总管的连接（3）对于蒸汽管线中由于疏水器不畅通而造成的水击现象，要从装置现场加以解决。

定期检查，及时发现，及早更换疏水器。

（4）蒸汽管线的支承。

蒸汽管线在管架或管廊上由于管子的自重和冷热伸缩，会使管线移动，为防止损坏保温层，要设管托。

蒸汽管线的固定支架，不仅承受管线的重量，还要承受热变形产生的水平推力和位移磨擦力。

在设计时必须充分考虑。

（5）蒸汽管线在试车及吹扫阶段，由于在升温过程