硫酸厂管道水锤的产生与预防
2020-11-18张玉杰
张玉杰
（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）
1 水锤现象、种类与危害
1.1 水锤现象
水锤， 又称水击或水冲击， 英文为water hammer，也称hydraulic shock 或liquid slugging，常见于蒸汽管道携带水时，及管道中的水（或其他流体）在流速或流量发生骤然变化时，流体动量迅速变化引起压强的急剧交替上升与下降，流体对管道进行剧烈冲击，管道（甚至整个管系）振动巨大，并伴随着“咚咚”的声音，就像用锤子敲击管道一样，故称水锤。水锤造成的压强升高可达到管道正常工作压力的数倍，甚至十几倍。水锤的发生影响系统的正常运行，严重时甚至损坏管道、仪表和设备。
水锤/ 水击现象在水力、供输水、化工、石化、电力、核电、冶金、矿山等行业中发生较为普遍。水锤现象属于流体力学范畴。国外从十七世纪后期开始深入研究流体力学，经过十八、十九世纪已取得了很多成果；十九世纪后期、二十世纪初一些国外学者对水锤/ 水击进行深入研究，如德国Ludwig Prandtl、英国Geoffrey Ingram Taylor，意大利Luigi Menabrea、Lorenzo Allievi，前苏联H. E. Joukowshi、M. A. Moctkob，美国Streeter V. L.、Wylie E. B. 等。自二十世纪六七十年代一些国内学者开始对水锤进行研究，如刘竹溪、刘光临、王学芳、叶宏开、金锥、姜乃昌等；一些专家对水锤/ 水击现象进行了分析，有的学者对水锤进行了计算机软件模拟，如美国Bentley Hammer、Surge 及英国Flowmaster、Pipenet等[1-3]。
1.2 水锤的种类与危害
导致管道中发生水锤/ 水击的原因主要有关闭阀门、开启阀门、停泵、起泵、流量调节等，另外蒸汽管道疏水不畅、汽水管道配置不合理也会造成水击。
蒸汽带水水锤的产生一般是由于疏水不畅、汽水管道配置不合理等原因造成蒸汽管道内有积水产生，高速流动的蒸汽带动水快速流动，对管道内壁进行冲击，在弯头处冲击最大，形成管道系统的剧烈振动，并伴随敲击声。
关阀水锤的产生一般是由于管系内带有一定压力流动的流体流速突然变小，流体的惯性使流体局部压强突然升高；突然升高的压强首先出现在紧贴阻断流体的部位，然后迅速向上游传播，并在一定条件下反射回来，产生往复波动引起管系的振动，并伴随着响声。压强的升高值与流体种类、流体密度、管道材质、管道内流体流速等因素有关，有时压强升高值是工作压力的几倍，甚至十几倍。
开阀水锤、起泵水锤、停泵水锤、流量调节水锤主要是由于流体在流速或流量突然改变时对管道进行的冲击。一般管径越大、管道越长、流体密度越大、流体流速越大、流体抬升高度越大、泵出口止回阀关闭速度越快，水锤现象越明显，对管道的冲击越大。
2 水锤理论与发生过程[4-6]
水锤现象的发生是流体力学/ 水力学问题，属于流体力学的非恒定流（非稳定流）或瞬变流范畴。用欧拉法描述流体运动，将各运动要素都表示为空间坐标和时间的连续函数，流场中各空间点上的运动要素既随空间坐标变化而变化，又随时间变化而变化的为非恒定流。
这种非恒定流/ 瞬变流是流体从一种稳定流动过渡到另一种稳定流动的状态。管道输送能力（如流量等）的变化在管道内部引起瞬间变动，产生瞬变压力和压力波的传播。习惯上将这种瞬变流动称为水击过程，瞬变压力称为水击压力。在管道瞬变流动过程中，瞬变压力的大小与许多因素有关，如水击波在管道中的传播规律、流体流量的变化量、流体流量变化的持续时间、管道长度、稳态时的水力坡降，以及管道系统的调节、保护措施等。
由于非恒定流的变量比恒定流要多，非恒定流的求解要复杂的多，一般采用解析法/ 分析法、数值计算法及图解法。
2.1 水锤理论假设
对于非恒定/ 瞬变流动的流体，需要考虑流体的可压缩性，并考虑管道弹性，即水锤发生时造成的压强升高引起管道的局部膨胀，才容易解释水锤现象本身及其物理过程。
与管道刚性水击理论相比，管道弹性水击理论考虑管道的弹性和管道内流体的压缩性，把流体作为一种弹性介质进行处理。这种既考虑管道的弹性，又考虑管道内流体弹性的理论，是管道瞬变流动分析的理论基础。
为简化分析，做出以下假设：
1) 假设管道A 处能提供足够的容量，故可认为水锤发生后产生的水击波被截止在A 处；
2) 假设B 处的阀门瞬时关闭，即阀门关闭时间为零；
3) 假设管道中的流体由无数流体微段组成，流体微段彼此之间相互紧贴，但相互之间没有联系。
2.2 水锤发生过程
流体自管道A 处流向B 处，先忽略流体黏性的影响，设定管道长为L，管道直径不变；管道内流体速度、压力、相对位置等信息见图1。基于以上假设与设定，水锤的发生可以分解为以下4 个阶段。
图1 水锤现象简化模型
2.2.1 停止流动、压强升高的升压波过程
管道B 处阀门突然关闭时，紧贴阀门的流体微段立即停止流动，之后紧临该流体微段的另一流体微段也停止流动。以此类推，管道AB 中的所有流体微段逐渐停止流动。当流体突然停止流动时，流体的动能转化为压强能，使停止流动的流体压强升高，这种压强升高使流体被一定程度的压缩，同时管道也产生一定程度的膨胀。流体的停止流动和由此造成的压强升高以波的形式沿管道由B 处向上游的A 处传播，该波称为压强升高波或升压波。
因假设液体和管壁均匀，故管道中压强波的传播速度为常数，设为c。该管道长度为L，则经过一段时间t=L/c 后，升压波传播至管道A 处，AB段流体全部处于升压状态，整段流体液柱也停止流动。与管道内初始压强P0相比，升高的压强ΔP称为水击压强。经过时间t=L/c 后，AB 段管道中的流体流速v=0，压强P= P0+ΔP。
2.2.2 流体倒流、压强恢复的降压波过程
由于假设管道A 处能提供足够的容量，即压强波不会引起A 处上游压强明显的波动，故当升压波传播至A 点时被截止。不难看出，在A 点两侧由于压差ΔP 的作用将有流体向A 处上游（左侧）倒流，使压强恢复到初始压强P0，之后由于压差ΔP 的作用，紧邻A 处右侧的流体微段也向左侧做减压流动。以此类推，管道AB 中的流体微段逐段向左流动、压强下降至P0，形成了一个降压波。该降压波的传播速度为c。经过时间t=L/c 后，降压波传播至阀门B 处。
在此过程中，管道AB 内的流体自A 处向B 处逐段向左侧倒流，各点速度为原始速度，即v=v0，其压强由P0+ΔP 降为P0。
2.2.3 停止流动、压强降低的降压波过程
当压强恢复的降压波传播至阀门B 处后，紧贴阀门的B 处流体微段也有向左侧倒流而离开阀门的趋势。由于阀门已关闭，阀门下游没有流体可以补充，故管道B 处流体静止，流体压强降低，密度减小。在理想情况下，压强降低值等于过程2.2.1 中的压强升高值ΔP。同样，该压强下降与停止流动一起逐段自管道B 处传播至管道A 处，形成降压波。同样，降压波的传播速度为c，经过时间t=L/c 后，降压波传播至管道A 处。此时，管道AB 内流体全部静止，即v=0，压强为P0-ΔP。
2.2.4 恢复流动、压强恢复的升压波过程
降压波传播至管道A 处时，A 点左侧压强比右侧高ΔP，在压差ΔP 的作用下，A 处左侧的流体向右侧流动，流速仍为原始速度v0，A 处右侧的压强也恢复到原压强P0。同样，该过程自紧贴管道A处右侧的流体微段开始，依次传播至管道B 处左侧的流体微段；经过时间t=L/c 后，整个管道AB 内压强全部恢复至P0，速度也为恢复为初始值v0。
2.2.5 整个水锤周期过程
如果压强恢复的升压波传播至管道B 处阀门时，阀门仍然关闭，则又造成2.2.1 所描述的升压波，之后重复依次出现2.2.2 至2.2.4 的过程。理想状态下，流体没有黏性，没有阻力损失，管道没有变形，压强波在传播过程中能量没有消耗，水锤现象将依次以2.2.1 至2.2.4 四个波动过程往复、交替的在管道AB 中重复下去。
实际上，由于流体的黏性及阻力、管道的变形、管道的振动、水锤激发的噪声等因素引起能量损失，因此水锤现象引起的压强波的能量在传播过程中逐渐损失，最终完全消失。
管道B 处压强的变化规律见图2，其中红色曲线为理想状态下压强变化规律，蓝色曲线为实际状态的压强变化规律。
图2 发生水锤时管道内压强变化
2.2.6 直接水击与间接水击
从阀门突然关闭开始，到水击波第一次返回阀门需要时间2L/c，这个时间也是阀门第一次压强恢复的时间。令t0=2L/c 称为水击波的波相，每经过t0时间，水击压力变化一次，称为 “倒相”。每经过时间T=2t0=4L/c，水击现象重复一次，将T 称为水击波的周期。
实际过程中，不可能在瞬间将阀门关闭，阀门总有一个关闭时间，令该时间为tk。按tk和t0的相对大小，将水击分为 “直接水击” 和 “间接水击”。直接水击是指阀门关闭时间小于水击波的波相，即tk
2.2.7 正水击与负水击
阀门快速关闭，管道中流体流量急剧减少，流体压强显著增大的瞬变过程称为正水击。阀门迅速开启，管道中流体流量急剧增大，流体压强显著降低的瞬变过程称为负水击。
3 水锤相关计算公式
3.1 水锤发生的判定
阀门快速关闭是发生水锤的一个重要原因。当满足式（1）时管道系统会产生直接水锤/ 直接水击现象：
式中：T——阀门的有效关闭时间，s；
L——管系的长度，m；
v0——水击波的传播速度，m/s。
3.2 发生水锤时的管系压力升高
3.2.1 直接水锤
阀门快速关闭时管系中压力升高值的计算公式称为儒科夫斯基公式，见式（2）：
式中：ΔP——阀门快速关闭时管系中的压力升高 值，MPa；
v0——水击波的传播速度，m/s；
v——管道中流体的实际流速，m/s；
ρ——管道中流体的密度，kg/m3。
3.2.2 间接水锤
当阀门只有部分突然关闭时，或者阀门关闭时间小于水击波周期的一半（t0）时，管系中压力升高值见式（3）：
式中：ΔP——阀门快速关闭时管系中的压力升高 值，MPa；
ρ——管道中流体的密度，kg/m3；
v0——水击波的传播速度，m/s；
L——管道长度，m；
tk——阀门关闭时间，s。
3.3 水击波的传播速度
3.3.1 弹性管壁
流体的管道为弹性管壁时，水击波的传播速度见式（4）：
式中：v0——水击波的传播速度，m/s；
K——管道中流体的体积模量，Pa；
ρ——管道中流体的密度，kg/m3；
D——管道内直径，m；
δ——管壁厚度，m；
E——管道材料的弹性模量，Pa。
3.3.2 无弹性管壁
流体的管道为无弹性管壁时，水击波的传播速度见式（5）：
式中：v0——水击波的传播速度，m/s；
K——管道中流体的体积模量，Pa；
ρ——管道中流体的密度，kg/m3。
3.4 水锤的摩擦阻力损失
对于瞬变流动/ 非恒定流动的水锤/ 水击过程，由于流体流量随时间和空间位置的变化而变化，所以不同时刻不同空间位置的流体雷诺数不同，流态也不同。由于这是一个极为复杂的过程，目前世界上还没有统一的计算瞬变流动的摩擦阻力计算公式，工程上一般采用恒定流的摩擦阻力公式进行近似计算。
常用的恒定流沿程阻力损失计算公式有达西公式和列宾宗公式。达西公式采用固定的摩擦系数λ，由于摩擦系数λ 是雷诺数Re的函数，瞬变流的雷诺数随时间和空间在变化，故用达西公式计算的瞬变流摩擦阻力损失误差较大。对于某一特定流动区域，列宾宗公式中的系数f 和m 为或近似为常数，与流量无关或关系很小，因此选择恰当的流动区域，用列宾宗公式计算瞬变流的摩擦阻力是比较准确的。达西公式和列宾宗公式见下文。
3.4.1 达西公式
达西公式如下：
式中：hf——流体摩擦阻力损失，m；
λ——摩擦阻力系数，量纲为1；
L——管道长度，m；
D——管道内直径，m；
v——流体流速，m/s；
g——重力加速度，g/m2；
Q——流体体积流量，m3/s。
3.4.2 列宾宗公式
列宾宗公式如下：
式中：hf——流体摩擦阻力损失，m；
β——系数，s2/m；
Q——流体体积流量，m3/s；
m——系数，量纲为1；
v——流体流速，m/s；
D——管道内直径，m；
L——管道长度，m；
f——系数，量纲为1；
A——系数，量纲为1；
π——圆周率，量纲为1；
g——重力加速度，9.81 g/m2。
列宾宗公式中的各系数见表1。
4 硫磺制酸厂的水锤现象
4.1 可能发生水锤的流体
典型硫磺制酸厂（含发电站、除盐水站、循环水站、启动锅炉房等系统）的流体主要有液体硫磺、浓硫酸、烟气（含SO2、SO3）、中压蒸汽、低压蒸汽、透平/ 润滑油、冷却水、锅炉给水、冷凝水、污水、碱液、各类药剂水溶液、柴油/ 天然气等。在进行起泵、停泵、开阀、关阀、流量调节及汽水管道正常操作时，各类水、蒸汽、酸等管道容易发生水锤/ 水击。
4.2 硫磺制酸厂水锤现象示例
4.2.1 关阀水锤打坏压力表
某硫磺制酸厂除盐水站的原水由全厂水处理系统的工业水箱，经水泵通过综合管网输送至硫酸厂除盐水站原水箱，输送距离约1 000 m，管道材质Q235B，管径DN150 mm，进入硫酸厂除盐水站原水箱前分别有压力表、手动闸阀、气动蝶阀。原水供给示意见图3。
表1 列宾宗公式中的各系数
图3 除盐水站原水供给示意
除盐水站原水箱补水完成后，关闭原水箱进水管道阀门时进水管道发生剧烈振动，并伴随较大声响。技术人员现场检查发现压力表损坏，压力表指针脱落，分析认为产生了水锤现象。
根据式（4）计算，20 ℃时，一个大气压下，刚性管道中水的声速vs约为1 470 m/s。根据公式1计算，该管系产生关阀水锤的阀门关闭时间约为1.4 s。
原水箱进水管道蝶阀的气动执行器型号为AT115，厂家提供的关阀时间0.8 s，现场试验发现气动蝶阀关闭时间小于1 s。该阀门关闭时满足公式1 发生水锤的情况。
根据式（2）计算，管道中水流速度为2 m/s时，阀门快速闭关时管系中的压力升高ΔP约为2.9 MPa，即使不考虑供水压力，也远超过压力表的量程（1 MPa）。
4.2.2 蒸汽管道带水水击打坏阀门阀板
某硫酸厂投产后某天，听到发电站内发出持续的较大声响，操作人员赶紧去现场检查，发现某处蒸汽管道有极大振动，并带动毗邻管道振动，同时持续发出巨大的锤击声。该管道较长，有四组疏水阀组，紧急开大所有疏水阀组旁路阀（即图4 中阀4）以加强疏水。四组疏水阀组的三组，打开旁路阀仅有少量冷凝水流出，绝大多数是蒸汽。打开另一组疏水阀组旁路阀时，有大量冷凝水流出，之后管道振动及锤击声逐渐变小，最后管道基本无振动。检查发现该组疏水阀组的疏水阀前手阀（图4 中阀1）开度很小，水击原因是该组疏水管道疏水不及时造成疏水管道中满水，蒸汽管道带水所致。
图4 典型蒸汽管道输水阀组
蒸汽管道水击问题解决后，在现场进行仔细检查时，仍能听到有断续微小的金属撞击声，经过对多跟管道的多次检查与排查后，推测可能为蒸汽管道上的手动闸阀损坏。将该蒸汽管道停止进汽并进行隔离后，拆下该手动闸阀，发现阀板已碎成几片。分析认为蒸汽带水水击将该阀门阀板打坏。
4.2.3 其他
硫酸厂中其他可能发生的水锤/ 水击现象的情况还有不少，如循环酸泵出口阀门开大过快导致上塔酸管道振动较大、凝结水泵出口阀流量调节水锤、汽轮发电机透平油调节水锤，以及地坑泵的开停、排污泵排污后停泵/ 关阀水锤等。其中大部分为间接水击/ 水锤，对管道系统的危害程度相对较小。
5 水锤的预防与危害降低措施
管道的水锤/ 水击危害极大，可能造成管道及附件、仪表甚至设备损坏事故，要对管道系统进行水锤综合防护技术设计，预防水锤的发生、降低水锤危害。水锤防治的机理主要有控制或减少流体流速的变化，避免产生直接水击；在管道特征点设置降压、泄流等水锤消除装置；使用空气垫降低水锤冲击能量；缩短水锤波的传播距离，尽快形成水锤波的反射和干涉；以及使用水锤波速低的管道材质，降低流体流速等。
5.1 设计措施与注意
5.1.1 设计措施
重要的水泵（或其他流体）采用变频电机，变频电机不仅能节能降耗，在进行开泵、停泵及流量调节时，可以将电机频率与转速平滑缓慢改变，流量进行缓慢改变，可以避免直接水击/ 水锤的产生。采用变频调节流量，也可以一定程度的替代出口阀门流量调节，避免或减少开阀、关阀与阀门开度调节的操作，避免开阀水锤、关阀水锤及流量调节水锤的产生。
根据管道系统配置、管道材质、流体性质，进行阀门及附属设施的选型。选择流量特性曲线相对平缓的阀门，尽量使阀门开、关及流量调节时动作平缓；对于气动/ 电动开关阀，选择开关时间大于t0的阀门执行器；对于调节阀，尽量选择流量特性曲线变化相对较缓的阀门；若阀门流量曲线变化较陡峭，DCS 设置PID 参数时，比例增益P 的数值尽量不要过大。
管道设计应考虑防止流体速度剧烈变化产生水锤，应对管道系统进行水锤预防与减弱的综合防护设计，采取有效的水锤防护措施，尽量避免产生水锤，减轻增压、防止负压：
1) 对管道系统可能发生水锤的情况，如管道系统充水启动、加压调流、停泵关阀等非稳定/ 瞬变流过程，以及水锤防护后的控制效果进行分析计算。
2) 进行管道设计时，考虑水锤发生时的压力增高，考虑水锤/ 水击等动载荷或临时/ 偶然载荷，进行管道应力分析时考虑阀门关闭时的压力升高载荷。
3) 可能产生水锤风险的泵房，应进行事故停泵水锤计算，必要时采取防护措施。
4) 在管道的特征点设置泄流、降压设施，注意不同介质、不同位置要选择恰当的设施。
5) 采用消除正压、防止负压综合防治措施。常见的水锤消除定型装置有水锤吸纳器/ 消除器，常见的消除正压水锤（减轻水锤升压）措施有水泵出口设置多功能水泵控制阀、压力预置泄压阀、（微阻）缓闭止回阀、两阶段缓闭阀，管路上设双向稳压塔和管线末端设溢流设施等；常见的消除负压水锤（防止负压）措施有管道上设置空气阀、缓冲空气罐、真空破坏阀、单向稳压塔、双向稳压塔，管道末端设溢流装置、调蓄水池等。
6) 对汽水管道进行合理配置，避免配置不合理造成蒸汽管道易带水、形成的积水难排出。
7) 蒸汽管道要考虑冷凝引起的水击，蒸汽管道设置足够可靠的疏水装置，疏水装置位置要设置合理。
8) 管道支吊架设置要合理、充足，且考虑水锤/ 水击产生的冲击力。
9) 重要设备及管道区域设监控装置，设备及阀门操作时、系统正常运行时可远程监控设备及管道系统情况，发生问题时及时发现并妥善处理。
10) 选择合适的管道材质，选择恰当的流体流速，流速不要过大。
5.1.2 注意事项
对于水锤预防与消除危害的专项防止，进行工程设计时需要注意：
1) 采用瞬态水力过渡过程分析计算、管道系统水锤综合防护设计、配置合适的预防和减弱水锤措施后，进行开泵、停泵、开阀、关阀、流量调节等操作时，应能避免产生直接水击/ 水锤。
2) 间接水击/ 水锤的瞬时最高压力应小于管道水压试验压力，负压至少要控制在2 m 水柱之内，最好消除负压。
3) 注意管道系统任何部位不应出现水柱分离/断裂弥合现象。
4) 注意离心泵出口阀门的工作压力应按离心泵关阀启动时/ 零流量时的泵压头选定。
5) 注意普通阀门（如调节阀、开关阀、各类型式的手阀）及水锤消除装置的设置应符合相关标准规范及厂家文件的要求，并根据自身性能特点、设置位置、流体特性、要实现的功能进行选型。
6) 止回阀选型应根据自身结构特点、安装位置、阀前水压、阀门密封性能和关闭时引发的水锤、泵及电机的反转要求等因素综合确定，速闭止回阀和阻尼缓闭止回阀还应考虑自身结构与机理、自身阻力、管道口径等因素。
7) 采用两阶段缓闭阀时，还要复核阀门第二阶段关闭时不能引起泵的反转（或不超过电机有关技术标准要求）。
8) 多功能水泵控制阀的选型应根据自身功能、管道特性、管道口径等进行综合确定。
9) 采用真空破坏阀时，注意复核其过流面积。
10) 空气阀种类较多，应根据其自身性能特点，结合水力过渡过程计算结果进行选型。
11) 超压泄压装置要安装在管系中压力最大处，如泵出口、止回阀上方、关闭阀上游。
5.2 操作措施
系统试车、开车及试生产前期，要尽快摸清并熟悉系统、设备、管道及阀门的性能，熟悉正常运行时设备、阀门动作时的声音，平台、设备、管道及阀门的振动情况，阀门开度等。精细操作，加强巡检，发现问题及时彻底进行处理。
在进行设备（泵）开停、阀门开关及开度调整时，尽量有人员在现场监控，重点关注操作是否完成，设备、管道及阀门运行是否正常，是否有异响、振动等异常现象。
进行阀门（特别是液体管道阀门）开度调节时，速度要不要太快，应多次、逐渐调节，降低波动、减少水击，维持系统操作的稳定性。
未配置变频电机的离心泵，启动时需关闭泵出口阀门，或仅将出口阀门维持较小开度。泵启动后，再逐步开大出口阀，避免产生开泵水锤。
汽水管道要重点关注。对于蒸汽管道，暖管阶段要加大疏水；正常运行期间，疏水阀前、后手阀需全开，可以适当将疏水阀旁路手阀保持较小开度，避免因疏水阀堵塞或故障导致输水不畅，发生蒸汽带水水击。
重要设备与系统处有视频监控的，要经常进行观察，特别是设备或阀门有操作时、系统负荷进行调整时。
6 结论与建议
开泵、停泵、开阀、关阀和快速的流量调节等操作，容易造成管内流体流速的急剧变化而产生水锤，汽水管道设计不合理、蒸汽管道带水容易造成水击，影响系统正常操作，甚至危及管道系统、仪表及设备安全。
建议加强设备及阀门、水锤消除装置的设计选型，对管道系统及阀门、水锤消除装置进行合理配置；建议对各种可能产生水锤的瞬态水力过渡过程进行分析计算，并对管道系统进行水锤预防与消除的综合防护技术设计；建议采用避免产生水锤，减轻增压、防止负压的综合水锤防治措施；建议按不同流体性质不同系统配置，合理选型并设置泄压、消除负压的设施；建议优化并细化操作规程，操作人员熟悉系统、设备、管道及阀门的性能，并按章精细操作；建议系统开车时、系统投入或切除使用时、系统负荷变动时、设备启停时、阀门开关和流量调节时要加强现场巡检，重点检查设备、管道及阀门是否有异常，若发生水锤等问题及时进行处理，避免问题积累与加剧。各种操作尽量避免产生直接水击/水锤，降低间接水击/水锤的危害，确保系统生产安全，正常、稳定运行。
虽然通过增大管径降低流体流速、增加管道支吊架、进行管道应力计算与设计也可以降低水锤的影响，但由于不经济、降低效果不明显、难以彻底消除水锤，建议以上措施仅作为水锤预防与消除的辅助选择方案。
