钢铁公司蒸汽管道水击的危害及预防

张庭钰

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

蒸汽是钢铁企业各工序生产中最关键的能源之一，钢铁企业普遍具有蒸汽发生端较多，而使用端又较为分散，蒸汽管网结构组成复杂、覆盖面宽、里程长等特点，在实际运行过程中，蒸汽管道经常出现水锤冲击现象，对钢铁公司蒸汽管道系统的安全运行构成严重威胁。

1 蒸汽管道中水击现象形成的机理

蒸汽管道中的水击现象是发生在汽、水两相介质中的汽、水冲击和冲击反复传导的过程。主要是指蒸汽在输送过程中，由于热负荷分布不均匀及管道与外界热交换后冷却均会产生冷凝水，冷凝水根据管道的布置情况极易聚集于管道尾部或管道上弯位置，假如无法及时排出，因冷凝水本身不可压缩，蒸汽管道中的蒸汽会对冷凝水施加压力，冷凝水将自身压力传递给管道，犹如锤击般力量巨大，造成管道震动同时发出巨大声响造成“水击”。水击主要分为直接水击和空泡溃灭水击。

2.1 直接水击

在蒸汽管道开始送汽的过程中，由于蒸汽管道温度低，蒸汽在加热蒸汽管道过程中冷凝形成冷凝水；在蒸汽输送过程中，由于管道保温材料损坏或保温性能下降等原因，蒸汽管道大量散热也会生成部分冷凝水。尤其是压力较低的饱和蒸汽管道，容易产生冷凝水。冷凝水由于与蒸汽密度不同容易积聚在管道底部。如果冷凝水排出不及时会持续积聚，导致液位逐渐升高。管道内的蒸汽以30～50 m/s 流速在液位上方高速流动形成紊流，容易引起波浪。一旦波浪充满管道或拥有足够的迎风面积，就会被蒸汽推动形成水弹，水弹以蒸汽流速向前流动，一旦撞击到管道的拐弯处或阀门位置时，流速下降释放出大量动能，从而引起压力变化形成冲击波，冲击管道和阀门，造成直接水击，容易引起管道或阀门发生损伤或破裂。因此，在设计和安装蒸汽管道时要遵循蒸汽系统的工程设计及安装规范。同时蒸汽系统进行送汽操作时，需要防止打开蒸汽管道阀门过快，否则冷凝水迅速产生无法及时排出，会造成蒸汽管道发生严重的直接水击。

2.2 空泡溃灭水击

在整个蒸汽管网系统中，尤其是在管道低洼处，可能会出现冷凝水阻塞整个管道的现象。由于管道低洼处没有设置相应的疏水装置，容易造成低点位置的整段管道浸满冷凝水。当蒸汽系统负荷变小或停运时，容易出现冷凝水阻塞整个管道底部的现象。

当蒸汽管道恢复运行或流量突然增大时，蒸汽首先会推动整个水柱沿蒸汽流动方向运动。一旦垂直管道内的液位降低到与水平管道的顶端齐平时，蒸汽首先会从顶部空隙进入到水平管道内。如果此时蒸汽流速较慢，刚才被蒸汽流动压低的水面会由于液体的波动重新升高，并封闭进入水平管道内的蒸汽。被封闭的蒸汽与管道及四周冷凝水迅速散热冷凝，体积缩小并发生溃灭而形成真空。汽泡两边的水体则迅速向中间流动，水体相互挤压产生高压，从而冲击管道产生巨大的噪音和振动。空泡溃灭水击产生的高压又使水体分别向两边激烈运动，造成水体的分离。由于分离处的压力低于液体的汽化压力从而导致新的汽泡产生。随着水锤波反射传回压力恢复，空泡再次溃灭。这种现象通常会在管道内往复数次，引起管道剧烈振动[1，2]。

空泡溃灭水击和直接水击发生的原理不同，直接水击主要是由于蒸汽推动水弹撞击物体造成，主要发生在蒸汽系统投运初期；而空泡溃灭水击主要发生在系统蒸汽使用负荷降低过程中，出现冷凝水滞留，蒸汽遇冷后凝结形成空穴抽吸周围冷凝水互相撞击造成。

空泡溃灭水击与直接水击相比，同样会产生非常严重的危害。例如2007 年7 月18 日，纽约曼哈顿莱克星顿大街下DN500 的蒸汽管道发生剧烈水击，发生管道爆炸，蒸汽冲穿街道，导致1 人死亡，2 人严重受伤。造成该事故的原因主要是由于当时管道中积满了冷凝水，蒸汽进入后发生了严重的水击，出现严重的空泡溃灭水锤。

2 钢铁公司蒸汽管道水击的预防措施

钢铁公司蒸汽系统主要存在的特点：蒸汽发生端较多，而使用端又较为分散，蒸汽管网结构组成复杂、覆盖面宽、里程长；蒸汽使用端明显多于发生端，而各工序对蒸汽的使用量不尽相同，造成蒸汽消耗不稳定，管网压力波动呈现不规律性；管网蒸汽来源非常复杂，部分生产工序正常生产时具有同时消耗蒸汽和生产蒸汽的特点，且无论消耗还是生产蒸汽大多呈现波动性，造成蒸汽压力波动大[3-5]。

某钢铁公司蒸汽系统分为S1（2.0～2.6 MPa）蒸汽管网、S2（0.78～1.27 MPa）蒸汽管网和S3（0.4～0.6 MPa）蒸汽管网。S1 蒸汽主供炼钢RH 炉真空冶炼和焦化蒸氨塔蒸氨使用，汽源由35 t/h、130 t/h 燃汽锅炉提供。S2 蒸汽管网分布最为广泛，用汽单位覆盖公司的各个工序（焦化、炼铁、炼钢、热轧、冷轧等），管网供汽设施为各工艺余热利用设施（CDQ 发电机组抽汽、烧结余热锅炉产汽等）及300 MW 自备电站抽汽、35 t/h 锅炉、130 t/h 锅炉等。S3 蒸汽管网供汽设施为300 MW 发电机组抽汽，主要为冬季采暖使用及作为海水淡化汽源使用。整个蒸汽系统结构复杂、路线较长，蒸汽管道停运或恢复运行时经常出现水击现象，对钢铁公司蒸汽管道系统的安全运行构成严重威胁。为避免蒸汽管道水击的发生，必须加强对蒸汽系统的管理并制定一套行之有效的操作处理办法。经过长时间的摸索实践，制定出预防管道水击的措施。

2.1 合理布置疏水点

在管道进行初期设计时就应把避免管道水击作为设计原则之一。在热力管道的设计规则中，规定对于循环不良的管道死端和管段的低点，应依据实际情况考虑疏水阀和排水管。此外蒸汽管道中配套的减压阀和调节阀前也应依据实际情况设立必要的疏水点，蒸汽管道水平段的疏水点应按照每隔100～150 m 进行设置。根据对该钢铁公司蒸汽管道系统的检查，发现部分蒸汽管线疏水点的设置不符合热力管道设计规程，存在设计缺陷。该公司蒸汽系统存在大量蒸汽管道上翻弯、管道低点和管道死端，在建厂设计时部分管道上翻弯及低点处未设置疏水点，导致管道冷凝水无法排出，造成管道水击。该公司立即联系设计院进行补充设计，改造蒸汽管线，将蒸汽管线中循环不良的管道死端、管段的低点及调节阀前增加疏水点，以排出管线内的冷凝水。改造完成后蒸汽管道内冷凝水明显减少。

2.2 合理调整管网疏水装置

该钢铁公司共有S1、S2、S3 三种不同压力等级的蒸汽管网，根据不同等级压力特点，对其蒸汽管网的疏水装置进行有针对性的调整。S2 蒸汽为饱和蒸汽，其管网疏放水管道配置直排放水阀及旁路疏水阀，管网疏放水管道配置直排放水阀及旁路疏水阀，S2 蒸汽管道停、送汽状态时打开直排放水阀进行放水暖管或停汽泄压操作，正常输送蒸汽状态时关闭直排放水阀，打开旁路疏水阀进行阶段性疏水以排除管道中存在的冷凝水。

S1、S3 蒸汽为过热蒸汽，在设计时管网不考虑运行疏水，所以未设置疏水阀，仅在停、送汽状态时打开直排放水阀进行放水暖管或停汽泄压操作。但考虑作为S1 蒸汽主要用户的炼钢波段性用汽特点，为防止炼钢小流量或停用汽时段S1 蒸汽管道存在冷凝水而造成水冲击，S1 蒸汽管道部分直排放水阀以小开度状态进行疏水；考虑S3 蒸汽管道过长且仅在冬季运行，易造成接近用户管段存在冷凝水而造成水冲击的实际情况，S1 蒸汽管道部分直排放水阀以小开度状态进行疏水。

2.3 制定蒸汽系统操作规则

钢铁公司生产工序较多，在实际运行过程中，各工序根据自身实际运行情况会不定期的进行检修，经常需要对蒸汽管线进行停、送汽操作。如果现场管理及操作人员对蒸汽系统停、送汽操作重视程度不够，没有制定一套完整的蒸汽系统操作规则，那在实际操作中可能会出现操作失误从而导致管道出现水击现象。为保证蒸汽系统的安全稳定运行，需制定一套系统的、完整的蒸汽系统操作规则。

2.3.1 投运前充分暖管

由于蒸汽管道投运前温度较低，在正式投运前需进行充分暖管，避免蒸汽管道出现受热不均匀的情况。蒸汽管道暖管前将该管段各直排放水阀关闭；各疏水管第一道阀门全开、疏水器前阀门关闭、疏水器旁路阀全开。准备完毕后微开入口蒸汽阀门（以听到蒸汽流过阀门声音为准），待主阀后第一道疏水见干汽后观察后续疏水见汽情况缓慢全开主阀（每10 min 增加10%开度）直至全开。待该管段最后一道疏水见干汽后，全线检查无异常，调整疏水送汽结束。送汽暖管操作按照蒸汽管道停送汽操作规程执行，期间须检查所有沿途送汽管线膨胀情况、疏水通畅与否、支吊架有无异常偏斜位移异常、全线有无泄漏等情况，遇有异常无法在线处理立即关闭阀门切断汽源，现场处理。

2.3.2 日常定期检查疏水系统

为保证管道疏水畅通，必须加强日常的巡检与维护，定期检查疏水系统，对于管网损坏的疏水器及时发现及早更换。根据季节的不同及时调整疏水，冬季温度低时因管网冷凝水较多可适当加大疏水，夏季汽温高时管道冷凝水少可适当减小疏水。蒸汽管道进行检修时，拆解冲洗检修管道所配套的全部疏水阀，冲洗出疏水管中的杂质，对损坏的疏水阀进行修理或更换，保证疏水阀运行正常具备自动排出管道内冷凝水的能力。

2.3.3 建立能源调度管控制度

为避免蒸汽管网产汽、用汽量出现快速大幅度波动导致管网剧烈振动的情况，建立能源调度管控制度。钢铁公司各工序产汽、用汽量发生剧烈变化及停、送蒸汽前均需向能源调度申请，能源调度根据公司实际蒸汽平衡情况确定各工序进行蒸汽停、送汽操作的时间及产汽、用汽量的变化。严禁各工序未经能源调度批准进行蒸汽相关操作。同时能源调度根根据公司实际蒸汽平衡情况调整各工序产汽、用汽量，保证蒸汽管网压力的稳定。

3 结语

蒸汽管道在启动和运行时都有可能发生水击现象，无论是直接水击还是空泡溃灭水击都严重影响蒸汽管道的安全运行。其根本原因是由于蒸汽管道中的冷凝水没有及时排出导致的。本文简单分析了蒸汽管道水击现象形成的机理，并根据钢铁公司自身生产特点制定出蒸汽管道水击的预防措施。钢铁公司应从疏水点的合理设置、疏水装置的合理调整、制定一套完整的、系统的蒸汽系统操作规则等方面加强对蒸汽系统的管理，减少蒸汽管道水击现象的发生。