结合恩平组块实例谈水锤现象对管道的影响

徐骞，杜国强，董明远

结合恩平组块实例谈水锤现象对管道的影响

徐骞，杜国强，董明远

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

介绍了水锤效应的定义及危害，结合恩平组块消防系统的振动实例，分析了停泵水锤效应引起振动的过程，由此提出防止或减轻停泵水锤效应的建议方案，供海上平台管道设计参考。

水锤效应；振动；防止；减轻

在压力管道的设计中，管道振动是非常常见的一种现象，振动带来的影响和破坏性不可忽视。对于供水系统管道，引起管道振动的原因很多，包括电机振动导致的管道振动、泵体振动导致的管道振动以及其他原因导致的振动。其中，水锤效应是引起管道振动的一个重要因素，对管道系统具有很大的破坏作用，必须加以重视并想办法防止或减轻。

1 水锤和水锤效应

水锤是指在有压力的管路中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然停车）使水的流速突然发生剧烈变化而造成较大的压力波动并引起振动的现象，又称“水击”。由此产生的瞬间压力可大大超过正常压力，很容易对管道系统产生破坏性影响[1]。

水锤效应是指给水泵在启动和停止时，水流对管道产生冲击，形成的一种严重水击。由于管道内壁是光滑的，水流可以自由流动。当开启的阀门突然关闭或给水泵停车，水流对阀门及管壁，主要是阀门或泵体会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，水力迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是“水锤效应”，也就是正水锤。相反，关闭的阀门在突然打开或给水泵启动后，也会产生水锤，称为负水锤。

2 恩平组块水锤现象实例

恩平组块海上调试期间，现场工作人员按照程序对电动消防泵进行调试，发现停泵后排海管线出现了强烈振动和巨大锤击声。此后，设计人员随即赶赴现场查找分析振动原因。

2.1 排海管线流程

该平台的消防系统设置有电动消防泵，其排海管线工艺流程如图1所示。连接电动消防泵出口的两条10′′消防管线分别接入消防主环网。从这两根管线上各引出一条10′′管线汇入12′′排海管线。排海管线上设有电磁流量计，以指示流量，同时设有调节阀，用以在消防系统排海时将排出的海水调节至额定流量。

图1 排海管线工艺流程

2.2 排海管线材质

这条排海管线甲板以上及以下分别使用了不同的材质。双相不锈钢和铜镍合金具有良好的耐海水腐蚀性能，但价格昂贵，且密度较大。为节约成本及减轻重量，该12′′排海管线甲板以上部分采用了密度较小、价格相对便宜的玻璃钢材质；而对甲板以下部分，考虑到玻璃钢材料本身强度不如金属管，在海浪拍击下容易损坏，故而对甲板下的排海立管选用了耐海水腐蚀且相对便宜的碳钢涂塑材质。

2.3 现场振动情况

在恩平组块现场调试阶段，消防主环网的调试很顺利，随后调试消防排海管线。首先启动电动消防泵，待达到设计规定的流量和压力（450 m3·h-1，1 200 kPaG）并稳定运行30 min后停泵。停泵瞬间没有任何异常发生，但短暂几秒钟后突然出现剧烈振动，同时伴有巨大的锤击声，随后振动消失，调试结束。停泵后出现的振动十分剧烈，现场感觉整个平台甲板都被连带着振动。出现这种现象是不正常的，这种程度的剧烈振动对管线的破坏力不可小视，特别是对甲板以上使用玻璃钢材质的部分，很容易发生泄漏、破裂等问题。

2.4 振动原因分析

观察到振动发生后，设计人员首先核查三维模型和工艺流程图，检查施工图纸是否与流程图相一致。检查结果无误。

随后核实消防系统，特别是排海管线的应力分析模型及应力分析报告，进而分析管线支吊架数量和形式（承重、导向、止推）是否正确。核实结果显示消防系统及排海管线的应力计算结果正确，应力在标准规定范围内，且模型中管线支吊架的数量和密度足够多，足够大，支吊架的形式符合应力计算结果。

工艺设计和理论计算都没有问题，接下来，设计人员沿管线走向逐一排查，发现部分止推支架缺少玻璃钢挡块saddle，个别支架限位精度不够，导向块间隙不符合标准图要求，导致支架与图纸和模型不符，理论计算无法全面反映现场真实情况。于是，首先要求现场施工人员及时对不符合图纸的支架进行整改。由于个别止推支架缺少saddle挡块，要求现场施工人员将clamp的螺栓拧紧，抱死管线，待材料到齐后再补装。根据经验，这种处理方式也可起到止推作用，作为短期的临时处理方式是可以接受的。现场整改完毕后，再次调试，停泵后振动问题依旧。

排除设计原因和现场施工影响，结合振动情况以及锤击声，初步判断是在停泵时候发生了水锤效应，分析如下：由于泵体很长以及平台自身水平高度较高，电动消防泵的出口处已经是在海平面以上25 m的位置。停泵时，水泵电机停转，此时不再有海水吸入管线。但受惯性作用，管线中的流体仍以高速沿流向运动，不断涌入排海管线，沿着管路一直向前流动，并在甲板下方竖直向下排入大海。此时，泵的吸入口后部空间中即形成接近真空的负压状态。待管线中的海水流速变缓，海水在负压作用下迅速反向流动，撞向电动消防泵。由图2电动消防泵装配图可知，泵体中部设有止回阀，在阀板处形成了隔断，可以理解为反向流动的海水以极大的速度撞向止回阀的阀板，因而出现了剧烈振动及巨大声响。

图2 电动消防泵装配图

通常，为了避免水锤的发生，厂家一般会在消防泵出口设置自动放空阀，这样在停泵时外部空气进入管线，就可以避免在管道内形成负压，以减缓水锤现象的发生。但实际上，如图2所示，厂家设置的放空阀只有1′′，而该电动消防泵的额定流量为450 m3·h-1。在这样大的流量下，通过放空阀进入的空气有限，不足以及时补偿管道内极速出现的负压，因而造成了停泵水锤。

3 水锤的防止或减轻

通过分析可知管道内极速出现的负压是形成水锤的主要原因。从这个角度出发，提出以下解决办法：

1）要求厂家在消防泵出口上设置更大尺寸的自动放空阀或呼吸阀，当管道内出现负压时，外部空气可以及时进入管道进行补偿。

2）取消泵体中部的止回阀。停泵后，管道内回流的流体在负压作用下迅速折返。止回阀虽然可以防止回流，但大量流体瞬间冲击止回阀，容易产生水锤。

3）保留止回阀，改为微阻缓闭式，延缓止回阀的关闭时间，这样既能防止产生水锤，又可避免管道内的流体回流和倒灌。

4 结束语

作为引起管道振动的重要因素之一，水锤效应是不可忽视的，其破坏作用往往带来巨大的危害和损失。本文通过恩平组块电动消防泵调试期间的管道振动实例，分析了停泵水锤发生的原因，提出防止和减轻水锤效应可能的解决办法，供海上平台管道设计参考。

作为一名管道设计工程师，特别是面对高成本、高风险的海上生产平台，水锤效应的影响更是需要引起高度重视。通过分析其发生的原因，不断积累经验，可以更好地避免危险的发生，防止出现不必要的经济损失。

［1］崔克清．安全工程大辞典[M].北京：化学工业出版社，1995．

Discussion on the Influence of Water Hammer on Piping Based on Enping Topside Example

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（Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China）

The definition and hazards of water hammer effectwere introduced, the process of vibration caused by water hammer effect happened after pump stopping was analyzed with the example of firefighting system of Enping Topside, and then some suggestions were put forward to prevent the water hammer effect.

Water hammer effect; Vibration; Prevention

2021-01-07

徐骞（1983-），男，天津市人，工程师，硕士， 2009年毕业于东北石油大学化学工程专业，研究方向：海洋石油平台总体管道设计。

TE54

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1004-0935（2021）06-0862-03