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摘 要：在压力管道中，由于管道内液体流速的急剧改变，从而造成瞬时压力显著、反复、迅速变化对管道及管件造成冲击的现象，称为水击。水击现象发生时，压力升高值可能为正常压力的许多倍，使管壁材料承受很大压力;压力的反复变化，会引起管道和设备的振动，严重时会造成管道、管道附件及设备的损坏。所以在正常生产与设备运行中，尽可能地消除水击带来的影响就显得尤为重要。本文通过对装置实际水击产生的设备和状况进行分析。分析产生的原理与原因并且尝试找到解决方法。
关键词：水击;水击防护;压力管道
1.水击现象的简介与对装置设备的典型影响：
石油组分多级精馏、石油组分加氢两套装置在运行的过程中都会受到水击的影响。水击现象的发生会对装置的管线及管件造成很大的冲击。这两种现象在严重时有可能会造成装置的管线破裂、塌缩，管线连接件损坏或者阀门等管件的损坏，泄漏。给装置设备的安全有效运行造成很大的隐患。所以有效分析装置水击的形成原因规律和预防措施就显得格外重要。
2.装置内典型水击现象容易发生的部位及状况：
对于石油组分加氢装置来说，主要是在装置凝水冷却器（固定管板式）的凝水线出口段管线发生水击现象。发生时装置管线会产生明显的噪音与震动。在冬季尤其容易产生这种现象。
对于石油组分多级精馏装置来说，最典型的水击现象发生在一些间歇运行的机泵上，以产品中间泵（离心式）为例，每个班组在将中间产品罐（立式拱顶罐）中的物料输转到成品罐（内浮顶储罐）中时都需要开停一次这个机泵。在开停泵的过程中都会出现较为明显的水击现象。此时这段管线会产生明显的水击噪音和震动。
3.针对水击现象产生的实际情况作出的原因分析：
3.1石油组分加氢装置
针对石油组分加氢装置凝水冷却器（固定管板式）来说，换热器壳程冷凝水出水端在冬季时，较容易出现水击现象，导致冷凝水线震动并伴随着较大的噪声。对管线及管件造成冲击。换热器（固定管板式）壳程冷凝水出口端的温度长期高于100℃，如果达到使用压力下水的沸点，此时管线内就会存在水蒸气与凝水混合存在的情况。在管道内的气体和液体的流速存在不同，差别很大。高流速的气体会推动液体在管线内高速前进。在撞击到管壁和管件时发生锤击。这是其一。
另一种情况是高温的水蒸气在进入出口管线后迅速冷却，又形成凝水。气体变为液体导致体积减小。在体积减小的部位出现一个瞬时的真空区域。此时周围的液体就会瞬间向这个真空区域集中，造成水流冲击。这种猜测也解释了为什么在冬季时，这条管线出现水击的频率会远远高于炎热的夏季。冬季时管线内外的温差更大，管道内的气相凝结速率也更高。就更容易产生这种情况下的水击现象。在现阶段的情况下，装置采用减小凝水线阀门开度，降低凝水流量使凝水充分换热降低出口温度的方法来应对出现水击的情况。也从侧面反应出这种分析的合理性。
3.2石油组分多级精馏装置
针对石油组分多级精馏装置，产品中间泵（离心式）来说，产生的是典型的由于阀门突然开停引起的非恒定流现象形成的水击。这种水击现象是由于当有压管道中的阀门突然开启、关闭，使水流流速急剧变化，引起管内压强发生大幅度交替升降。这种变化以一定的速度向上游或下游传播，并且在边界上发生反射产生的。
因为液体存在惯性和可压缩性。水击现象的实质上是由于管道内液体流速的改变，导致液体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。所以解决这种水击问题的实质也是控制管道内的液体流速。反应在实际问题中就是控制机泵开停出口阀时的速度。
4.水击现象的危害及分析
在水击现象发生时。会对管线与管件造成很大的冲击。此时管道内流体的流速会瞬间下降。此时产生的冲击压力也就是我们所说的水击。此时的压力升高量可以由下式得到：
由此式可以看出，冲击压力的大小与压力波的流速与管道内流体流速的变化量有着直接的关系。而压力波的速度又可以根据下式求得：
由此式可以看出，压力波的速度取决于管道自身的特性（管径、管壁和弹性模量）和流体特性（体积模量和密度）。这就意味着，在输送不同介质的管道内，压力波会以不同的速度传播。管道管材的弹性越大，就越能减缓压力波的传播速度，而管道的直径与壁厚之比越大，波速就越小。再者，由于流体的可压缩性取决于流体自身的密度和体积模量，因此压力波的速度与流体压缩性成反比。在压缩性低的流体中压力波会以更快的速度传播。因此具有更大的势能。在实际情况中，烃类介质比水拥有更大的压缩比。所以相对来说水线更容易产生水击现象。这也是符合装置现场实际情况的。
此外，压力骤增的计算中还应该考虑水击波衰减的因素。在传播过程中，管内摩擦阻力损失影响会使得压力波衰减。这种衰减会随着传播距离的增加而增加。
在上述的公式与分析中管道内流体的流速发生了瞬时变化。如果能控制住流速的骤变，也就能控制住最大冲击压力。所以说控制住了管线内的流速骤变，也就能控制住流体内的最大冲击压力。所以就要盡可能地减少换热器换热时产生的凝水气化或者最大限度地减少管道中水蒸气重新冷凝回液体。使得管道内的液体能够以均匀的速度传播。
在石油组分多级精馏装置的典型水击现象中，由于机泵出口阀门的开关直接影响着管线内液体的流速。所以阀门就是这种情况下水击现象发生的主要原因。在这里引入两张阀门关闭时间对水击现象影响的经验图表。
图1是阀门关闭时间Ts分别为0.5 s和0.77 s时管线内压强的变化曲线。可以看出，当阀门关闭速度加快后，产生的最大水击压强也随之增大，阀门完全关闭后压强震荡的幅度和次数都有所增加。
图2是水击压强最大值Pmax与阀门关闭时间Ts之间的关系曲线。可以看出随着阀门关闭时间的缩短，Pmax急剧增大。说明适当增大阀门关闭时间可以有效减小水击压强。
5.水击现象的解决方法
5.1 针对石油组分加氢装置凝水冷却器（固定管板式）的情况
根据前文的分析与推测。首先是建议在凝结水线上加装管道保温，以减少管道与外界的热交换速率，最大限度保证管道内的气相不发生凝结。第二是在冬季生产允许的情况下，适当减小凝结水线的阀门开度，使凝结水更充分的进行换热，降低出换热器时的温度。从根本上减少管线中的气体组分含量。
5.2 针对石油组分多级精馏装置产品中间泵（离心式）的情况
根据前文的分析。首先应该在车间范围内组织操作人员进行有关规范开停机泵规范的培训。在开关机泵出口阀的开始、结束阶段不能过快过猛。并且严格杜绝在出口阀还未关闭的时候开关电机，造成止回阀，乃至机泵叶轮因为水击冲击造成的损坏。
总结：装置的水击现象在某些情况下会对管线管件及其连接的设备造成巨大的破坏，本文结合装置运行中出现的实际问题进行了简单的原因预测与趋势分析，并提出了简单的解决方法予以尝试。希望今后在经过更深入的学习与积累了更多的工作经验之后能够对这个问题产生更深入、正确的看法并提出更加科学、可行的解决方法。
参考文献：
[1] 冯明.简单实验管道中的水击计算[D].成都：西南石油学院，2003.
[2] 郭兰兰.基于UDF方法的阀门变速关闭过程中的水击压强计算研究[D].山东：山东大学，2014.
[3] 赵东瑞.管道水击压力的计算[D].中国石油天然气管道勘察设计院，1995.
（中国石油兰州石化公司，甘肃 兰州 730060）
关键词：水击;水击防护;压力管道
1.水击现象的简介与对装置设备的典型影响：
石油组分多级精馏、石油组分加氢两套装置在运行的过程中都会受到水击的影响。水击现象的发生会对装置的管线及管件造成很大的冲击。这两种现象在严重时有可能会造成装置的管线破裂、塌缩，管线连接件损坏或者阀门等管件的损坏，泄漏。给装置设备的安全有效运行造成很大的隐患。所以有效分析装置水击的形成原因规律和预防措施就显得格外重要。
2.装置内典型水击现象容易发生的部位及状况：
对于石油组分加氢装置来说，主要是在装置凝水冷却器（固定管板式）的凝水线出口段管线发生水击现象。发生时装置管线会产生明显的噪音与震动。在冬季尤其容易产生这种现象。
对于石油组分多级精馏装置来说，最典型的水击现象发生在一些间歇运行的机泵上，以产品中间泵（离心式）为例，每个班组在将中间产品罐（立式拱顶罐）中的物料输转到成品罐（内浮顶储罐）中时都需要开停一次这个机泵。在开停泵的过程中都会出现较为明显的水击现象。此时这段管线会产生明显的水击噪音和震动。
3.针对水击现象产生的实际情况作出的原因分析：
3.1石油组分加氢装置
针对石油组分加氢装置凝水冷却器（固定管板式）来说，换热器壳程冷凝水出水端在冬季时，较容易出现水击现象，导致冷凝水线震动并伴随着较大的噪声。对管线及管件造成冲击。换热器（固定管板式）壳程冷凝水出口端的温度长期高于100℃，如果达到使用压力下水的沸点，此时管线内就会存在水蒸气与凝水混合存在的情况。在管道内的气体和液体的流速存在不同，差别很大。高流速的气体会推动液体在管线内高速前进。在撞击到管壁和管件时发生锤击。这是其一。
另一种情况是高温的水蒸气在进入出口管线后迅速冷却，又形成凝水。气体变为液体导致体积减小。在体积减小的部位出现一个瞬时的真空区域。此时周围的液体就会瞬间向这个真空区域集中，造成水流冲击。这种猜测也解释了为什么在冬季时，这条管线出现水击的频率会远远高于炎热的夏季。冬季时管线内外的温差更大，管道内的气相凝结速率也更高。就更容易产生这种情况下的水击现象。在现阶段的情况下，装置采用减小凝水线阀门开度，降低凝水流量使凝水充分换热降低出口温度的方法来应对出现水击的情况。也从侧面反应出这种分析的合理性。
3.2石油组分多级精馏装置
针对石油组分多级精馏装置，产品中间泵（离心式）来说，产生的是典型的由于阀门突然开停引起的非恒定流现象形成的水击。这种水击现象是由于当有压管道中的阀门突然开启、关闭，使水流流速急剧变化，引起管内压强发生大幅度交替升降。这种变化以一定的速度向上游或下游传播，并且在边界上发生反射产生的。
因为液体存在惯性和可压缩性。水击现象的实质上是由于管道内液体流速的改变，导致液体的动量发生急剧改变而引起作用力变化的结果。所以解决这种水击问题的实质也是控制管道内的液体流速。反应在实际问题中就是控制机泵开停出口阀时的速度。
4.水击现象的危害及分析
在水击现象发生时。会对管线与管件造成很大的冲击。此时管道内流体的流速会瞬间下降。此时产生的冲击压力也就是我们所说的水击。此时的压力升高量可以由下式得到：
由此式可以看出，冲击压力的大小与压力波的流速与管道内流体流速的变化量有着直接的关系。而压力波的速度又可以根据下式求得：
由此式可以看出，压力波的速度取决于管道自身的特性（管径、管壁和弹性模量）和流体特性（体积模量和密度）。这就意味着，在输送不同介质的管道内，压力波会以不同的速度传播。管道管材的弹性越大，就越能减缓压力波的传播速度，而管道的直径与壁厚之比越大，波速就越小。再者，由于流体的可压缩性取决于流体自身的密度和体积模量，因此压力波的速度与流体压缩性成反比。在压缩性低的流体中压力波会以更快的速度传播。因此具有更大的势能。在实际情况中，烃类介质比水拥有更大的压缩比。所以相对来说水线更容易产生水击现象。这也是符合装置现场实际情况的。
此外，压力骤增的计算中还应该考虑水击波衰减的因素。在传播过程中，管内摩擦阻力损失影响会使得压力波衰减。这种衰减会随着传播距离的增加而增加。
在上述的公式与分析中管道内流体的流速发生了瞬时变化。如果能控制住流速的骤变，也就能控制住最大冲击压力。所以说控制住了管线内的流速骤变，也就能控制住流体内的最大冲击压力。所以就要盡可能地减少换热器换热时产生的凝水气化或者最大限度地减少管道中水蒸气重新冷凝回液体。使得管道内的液体能够以均匀的速度传播。
在石油组分多级精馏装置的典型水击现象中，由于机泵出口阀门的开关直接影响着管线内液体的流速。所以阀门就是这种情况下水击现象发生的主要原因。在这里引入两张阀门关闭时间对水击现象影响的经验图表。
图1是阀门关闭时间Ts分别为0.5 s和0.77 s时管线内压强的变化曲线。可以看出，当阀门关闭速度加快后，产生的最大水击压强也随之增大，阀门完全关闭后压强震荡的幅度和次数都有所增加。
图2是水击压强最大值Pmax与阀门关闭时间Ts之间的关系曲线。可以看出随着阀门关闭时间的缩短，Pmax急剧增大。说明适当增大阀门关闭时间可以有效减小水击压强。
5.水击现象的解决方法
5.1 针对石油组分加氢装置凝水冷却器（固定管板式）的情况
根据前文的分析与推测。首先是建议在凝结水线上加装管道保温，以减少管道与外界的热交换速率，最大限度保证管道内的气相不发生凝结。第二是在冬季生产允许的情况下，适当减小凝结水线的阀门开度，使凝结水更充分的进行换热，降低出换热器时的温度。从根本上减少管线中的气体组分含量。
5.2 针对石油组分多级精馏装置产品中间泵（离心式）的情况
根据前文的分析。首先应该在车间范围内组织操作人员进行有关规范开停机泵规范的培训。在开关机泵出口阀的开始、结束阶段不能过快过猛。并且严格杜绝在出口阀还未关闭的时候开关电机，造成止回阀，乃至机泵叶轮因为水击冲击造成的损坏。
总结：装置的水击现象在某些情况下会对管线管件及其连接的设备造成巨大的破坏，本文结合装置运行中出现的实际问题进行了简单的原因预测与趋势分析，并提出了简单的解决方法予以尝试。希望今后在经过更深入的学习与积累了更多的工作经验之后能够对这个问题产生更深入、正确的看法并提出更加科学、可行的解决方法。
参考文献：
[1] 冯明.简单实验管道中的水击计算[D].成都：西南石油学院，2003.
[2] 郭兰兰.基于UDF方法的阀门变速关闭过程中的水击压强计算研究[D].山东：山东大学，2014.
[3] 赵东瑞.管道水击压力的计算[D].中国石油天然气管道勘察设计院，1995.
（中国石油兰州石化公司，甘肃 兰州 730060）