管线中水击现象的成因及设计预防措施.doc

管线中水击现象的成因及设计预防措施 随着科学技术的发展，特别是计算机技术的广泛运用，配管设计已逐渐发展成为独立的工程设计专业。在石油化工企业的新建、扩建、改建工程中，管道的设计与安装，已经成为整个工艺设计工作的重要组成部分。 在配管设计中，通过管道应力的分析计算，可以检查管道在设计条件下是否具有足够的柔性，保证管道的安全运行。但是，从配管模拟设计过程以及装置现场反馈信息中发现，石油化工装置运行中，尤其在装置的试车阶段，管线的振动问题仍有发生。致使管线振动的原因很多，水击是其中比较常见的原因之一。 因此，防止管道水击现象的发生是配管设计中不可忽视的重要因素。本文就水击现象的成因、设计预防措施进行初步的探讨，供配管设计人员参考。 1 水击现象的成因及危害 1．1 水击现象的基本概念 水击是管道瞬变流动中的一种压力波，它的产生是由于管道中某一截面的流速发生改变，这种改变可能是正常的流量调节，或因事故而使管道堵塞，从而使该处压力产生突然的跃升或下降，并以波的形式，以波速a向整个系统传播，这种现象称为水击。 根据水击发生的程度可以简单地分为一般性水击和破坏性水击。 1．2 水击现象的成因 在实际生产中，能够引起管道系统流速变化而导致水击的因素很多，如：（1）阀门的正常开、关或调节，事故的开、关和损坏堵塞； （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： a —— 水击波速 ，m/s； 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， =1439 m/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