管道运输水击问题研究及预防_管道运输的优缺点

　　摘要 管道运输是一种应用广泛的运输方式，水击破坏的发生严重影响了管道安全、经济的运输。本文对管道水击现象的产生原因及水击的相关因素进行详细分析。通过分析实际应用中的水击压力波的传播速度和阀门关闭的临界时间，从设计、施工和运行管理3个方面提出有效的预防措施，降低水击破坏的影响程度，提高管道运输的可靠性。
　　关键词 管道；水击；水击压力；临界时间；预防
　　中图分类号U17 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2010）33-0214-02
　　The Problems of Water Hammer in Pipeline Transport and Its
　　Prevention
　　FAN Haifeng，BAI Lu，LOU Kai，LIANG Shaoting，WEI Ronglu
　　Zhejiang Ocean University， Zhoushan 316000，Zhejiang Province，China
　　Abstract Pipeline transport is a widely used mode of transportation， the damage of water hammer occurred serious impact on the pipeline security， economic transportation. In this paper， the causes of water hammer in pipeline transport and the related factors of Water hammer on detailed analysis. Through analyzing propagation speed of water hammer pressure wave and shut off the valve of critical time of the actual application， from design， construction， operation and management three aspects put forward effective measures to reduce the influence degree of water hammer， enhancing the reliability of pipeline transportation.
　　Keywords pipeline; water hammer; water hammer pressure; critical time; prevention
　　
　　管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的输方式，管道运输不仅运输量大、连续、迅速、经济、平稳以及投资少、占地少、费用低、损耗小，并可实现自动控制。因此已经广泛应用于石油、天然气、化工产品、居民生活用水等流体运输行业。随着国民经济的发展，管道运输在流体运输行业中所占的比重越来越大。但在运输过程中往往会发生水击现象，有可能造成管道及其相关部件的破坏，严重影响了运输的安全、稳定、经济的运行。
　　1 水击的概念及产生原因
　　在压力管道中，流体流经管道时，具有一定的动能。由于泵机组的突然起停、阀门的突然启闭等原因，受到流体较大的惯性作用，使管道中某一截面的流速发生突然变化，引起管道中液流压力的急剧上升或急剧下降，这种压力变化由于管壁和流体的弹性作用，造成压力波在管内迅速传播，管壁犹如受到锤击作用，还伴有轰轰的响声以及振动，这种现象就叫做水击现象，或称为水锤。
　　管道流体输送系统中，能够引起流速变化而导致水击产生的原因是多方面的，一是阀门的正常启闭和调节[1]，阀门事故的开、关和阀瓣的损坏脱落，造成管道中流体的不稳定运动；二是在管道运输过程中，汽轮机和泵等附属动力设备的相关部件发生不稳定振动，使流体流经动力设备时，引发流体的不稳定振动；三是管道运输中动力设备的正常或事故的启动和停止；四是管道本身发生事故而造成的堵塞或泄漏，从而造成管道内压力的变化；五是负压波时产生的空泡溃灭，造成局部压力的突然性变化，从而引发水击。从根本上来看，管道水击是由于流体的惯性造成的。
　　水击问题常常容易被忽略，是因为它在简单工艺输转系统、工艺短管输送、低压系统中显得不突出，而在大口径、长距离或高流速输转时则很明显，造成的破坏有时是灾难性的[2]。
　　2 水击的危害
　　在管道输送流体时，水击是经常发生的，有的水击事故会造成十分严重的破坏。当管道内水击发生轻微时，会引起管道及其相关设备的振动，产生噪音。严重时，会造成管道泄漏、管件接头破损爆裂和断开、阀门破坏、泵机组等设备被打坏以及中断运输，甚至可能造成人身伤亡事故。管道内水击的破坏，严重影响了管道运输安全、可靠、经济的运行。因此水击安全分析越来越被人们所认识和重视，保证管道输送的安全，预防和阻止水击现象的发生已成为管道运输中的重要任务。
　　3 判断水击的相关因素
　　3.1 水击压力
　　水击压力是反映管道水击现象的一个可观的数值。如果流体以一定流速流动（或处于静止状态）时，突然使之停止（或产生一定流速），由于流速的突然变化，引起惯性水头的作用使压力突然增加（或降低），这种突然增加或降低的压力就称为水击压力。
　　在运输工作中，存在多个因素共同影响水击产生的压力变化，如管路的长度、管路的直径、阀关闭时的初始流量、阀开启终了后的流量、压力波在管路中的冲击速度、末端阀的操作时间及末端阀的操作方式等。
　　如在相同的条件下，长的管路比短管路更容易产生水击现象，而且产生的水击压力相对较大；在相同的条件下，阀关闭时的初始流量越大，压力波在管道中的传播速度越快，产生的水击压力越大；在管路长度等条件相同时，阀门关闭的时间越长，产生的水击压力越小。因此在运行时采用合理有效的调整措施，就能减少管道水击现象发生的可能性，降低水击所造成的损失。
　　水击压力的变化常用下式计算：
　　由阀门的关闭时间与水击压力传播速度的关系，我们可以将水击分为直接水击和间接水击。而在实际运输过程中，管道存在一个允许最大冲击压力，如果能有效的控制流速的骤变，我们就能控制住最大冲击压力，使水击对管道的破坏降到最低。控制阀门的关闭时间即为一有效的控制措施。阀门关闭的临界时间为
　　式中：Tcr为临界时间，s；
　　L为输送管道长度，m[3]。
　　当阀门的关闭的很快，关闭时间小于其临界时间时，管道末端的水击压力只受阀门开度变化直接引起的水击波的影响，这样产生的水击为直接水击。当阀门关闭缓慢，其时间大于临界时间时，管道末端的水击压力是由向上游传播的水击波和反射回来的水击波叠加的结果，这样产生的水击即为间接水击。由于间接水击的压力要比直接水击的小，对管路的破坏作用也较微弱，因此在实际操作中，往往会延长阀门的关闭时间来减小水击造成的管路冲击。
　　但是应该注意的是，在实际阀门关闭的过程中，管道内流量的变化与阀门的开度不一定呈线性关系。因此在实际计算中，我们需要考虑的是阀门的有效关闭时间，而不是实际关闭时间。
　　4 预防措施
　　由于管道内水击现象受泵的扬程、管线的长短、管道内流体的流速、地形的变化、阀门关闭时间等因素的影响，所以在实际生产运行中，我们应从设计、施工及运行管理3个方面进行预防。
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　　1）在设计管路行程时，要尽量使管路布置在地形变化小、地势平顺的地方，这样可以有效的避免局部突起、急弯等现象；
　　2）选取合适型号的管材。在设计中，依据最大与最小冲击压力来选取强度合格的管材，这样可以有效的预防水击破坏造成的管道破裂以及管道爆炸等事故的发生，降低水击事故的损失和人员伤亡；
　　3）合理选择阀门种类[4]。阀门的关闭（或开启）时间与管道中流速的变化率密切相关，因此在设计中我们应选取多段式阀门或缓闭式阀门，这样可以延长阀门关闭和开启时间，从而减小水击压力的突然升降，使水击从直接水击转为间接水击，降低水击的破坏性；
　　4）设置水击消除器。水击消除器是一个具有升高或降低管路中压力的安全阀，它可以在管路中压力发生突然升降时，以泄水或者补充水的方式来减弱管道中的压力变化，减弱因压力的骤变而造成的管路及设备的破坏；
　　5）设置旁通管路。在管路中压力可能发生较大变化的位置，安装一旁通管路，在旁通管入口处安装一安全阀，设定安全阀的临界压力。当管路中的增压超过安全阀的设定压力时，安全阀打开，使一部分流体流入旁通管路，从而达到降低主管中流体的压力，保护管路的目的；
　　6）缩短压力管道长度，使从进水口反射回来的水击波能较早的回到压力管道末端，从而减小水击值。在长输管道中，可以通过设置调压室[5]，达到缩短压力管道的目的，从而减缓水击；
　　7）减小压力管道中流体的流速。水锤强度与管中流速成正比，而在输量一定的条件下，增大输送管径，可以减小管中流速，但增大管径势必会增加管道造价，所以用增大管径的办法来达到减小水击强度的目的，往往是不经济的。但在一定条件下，如果适当增大管径便可不必设置其它调压设备，还是比较合理的。
　　4.2 施工阶段[6]
　　施工质量的好坏，直接影响着今后工程的正常运行。在施工阶段应严格按照设计图纸施工，遵循相关施工规范、规程的要求，坚决不能为节省费用而私自更换管道型号、材料以及相关的设备，确保工程质量，防患于未然。
　　4.3 运行管理阶段
　　在实际生产运行中，发生的水击事故往往是由于操作人员的操作不当以及管道系统的带病运行引起的，因此在管路运行中，应加强管理，尽量避免事故的发生。
　　1）在工作前，要对员工做好技术培训，加强员工的安全教育，增强管理力度，使员工做到持证上岗。员工也应该自觉严格按照运行规程进行操作，不可随意找人替换自己的工作，相关人员应做好监督工作，以避免事故的发生；
　　2）要定期做好管路系统的维修和清理工作。要定期对管路及其附属构配件进行检查维修，更换工作性能不良的构配件，对有破损的管道进行修补加固，严重时进行管道更换。定时清理管道内的杂质沉淀，疏通管道，降低管道内杂质对流体运行的影响，也能有效的降低管道内自由气体的含量，防止因气泡破灭引发的气蚀破坏；
　　3）手动操作运行中应缓慢启闭阀门，在自动控制系统中，应对阀门的启闭程序进行设定，合理延长阀门的启闭时间，避免产生直接水击。有研究表明，只要确保流体被切断的实际操作时间是临界时间的5~10倍[7]，就可以使实际水击压力被限定在安全值以内，达到降低水击破坏的目的；
　　4）在起停泵过程中，要严格按照指定的程序操作，做到先启泵后开阀，先关阀后停泵，以防止起（停）泵水锤的发生。
　　5 结论
　　综上所述，压力管道系统的水击现象难以避免且危害性很大，我们需重视水击问题，可以从设计、施工及运行管理3个方面对其进行预防，做到早发现早预防，避免水击带来的危害。虽然在分析中提出众多预防水击现象发生的措施，但在生产运行中，应根据实际情况来选择合适的措施去预防水击现象的发生。同时也要加强对管道系统的检查维修，及时更换和弥补破损的部件，从而在使用中增强管道的使用寿命，提高管路的运行效率。
　　
　　参考文献
　　[1]王全胜，李树权，冯永新.发电厂水击现象探讨[J].四川电力技术，2004，1：45-47.
　　[2]富瑶.危险化学品库区水击危害与防控[J].化工时刊，2008，22(5)：69-72.
　　[3]赵东瑞.管道水击压力的计算[J].油气储运，1996，15(7)：59-60.
　　[4]温丙奎.工业管道系统的水锤及其防护措施[J].广东化工，2010，37(4)：199-200.
　　[5]陈贵清，王维军，周红星，等.压力管道水击危害及其预防[J].河北理工学院学报，2005，27(1)：128-131.
　　[6]赵向军.长距离输水工程水锤危害及防护措施[J].水利技术监督，2008，3：28-30.
　　[7]李建，徐广明.水锤的危害与防范[J].中国科技信息，2008，15：49-50.
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