鋼鐵公司蒸汽管道水擊的危害及預防

張庭鈺

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

蒸汽是鋼鐵企業各工序生產中最關鍵的能源之一，鋼鐵企業普遍具有蒸汽發生端較多，而使用端又較為分散，蒸汽管網結構組成復雜、覆蓋面寬、里程長等特點，在實際運行過程中，蒸汽管道經常出現水錘沖擊現象，對鋼鐵公司蒸汽管道系統的安全運行構成嚴重威脅。

1 蒸汽管道中水擊現象形成的機理

蒸汽管道中的水擊現象是發生在汽、水兩相介質中的汽、水沖擊和沖擊反復傳導的過程。主要是指蒸汽在輸送過程中，由于熱負荷分布不均勻及管道與外界熱交換后冷卻均會產生冷凝水，冷凝水根據管道的布置情況極易聚集于管道尾部或管道上彎位置，假如無法及時排出，因冷凝水本身不可壓縮，蒸汽管道中的蒸汽會對冷凝水施加壓力，冷凝水將自身壓力傳遞給管道，猶如錘擊般力量巨大，造成管道震動同時發出巨大聲響造成“水擊”。水擊主要分為直接水擊和空泡潰滅水擊。

2.1 直接水擊

在蒸汽管道開始送汽的過程中，由于蒸汽管道溫度低，蒸汽在加熱蒸汽管道過程中冷凝形成冷凝水；在蒸汽輸送過程中，由于管道保溫材料損壞或保溫性能下降等原因，蒸汽管道大量散熱也會生成部分冷凝水。尤其是壓力較低的飽和蒸汽管道，容易產生冷凝水。冷凝水由于與蒸汽密度不同容易積聚在管道底部。如果冷凝水排出不及時會持續積聚，導致液位逐漸升高。管道內的蒸汽以30～50 m/s 流速在液位上方高速流動形成紊流，容易引起波浪。一旦波浪充滿管道或擁有足夠的迎風面積，就會被蒸汽推動形成水彈，水彈以蒸汽流速向前流動，一旦撞擊到管道的拐彎處或閥門位置時，流速下降釋放出大量動能，從而引起壓力變化形成沖擊波，沖擊管道和閥門，造成直接水擊，容易引起管道或閥門發生損傷或破裂。因此，在設計和安裝蒸汽管道時要遵循蒸汽系統的工程設計及安裝規范。同時蒸汽系統進行送汽操作時，需要防止打開蒸汽管道閥門過快，否則冷凝水迅速產生無法及時排出，會造成蒸汽管道發生嚴重的直接水擊。

2.2 空泡潰滅水擊

在整個蒸汽管網系統中，尤其是在管道低洼處，可能會出現冷凝水阻塞整個管道的現象。由于管道低洼處沒有設置相應的疏水裝置，容易造成低點位置的整段管道浸滿冷凝水。當蒸汽系統負荷變小或停運時，容易出現冷凝水阻塞整個管道底部的現象。

當蒸汽管道恢復運行或流量突然增大時，蒸汽首先會推動整個水柱沿蒸汽流動方向運動。一旦垂直管道內的液位降低到與水平管道的頂端齊平時，蒸汽首先會從頂部空隙進入到水平管道內。如果此時蒸汽流速較慢，剛才被蒸汽流動壓低的水面會由于液體的波動重新升高，并封閉進入水平管道內的蒸汽。被封閉的蒸汽與管道及四周冷凝水迅速散熱冷凝，體積縮小并發生潰滅而形成真空。汽泡兩邊的水體則迅速向中間流動，水體相互擠壓產生高壓，從而沖擊管道產生巨大的噪音和振動。空泡潰滅水擊產生的高壓又使水體分別向兩邊激烈運動，造成水體的分離。由于分離處的壓力低于液體的汽化壓力從而導致新的汽泡產生。隨著水錘波反射傳回壓力恢復，空泡再次潰滅。這種現象通常會在管道內往復數次，引起管道劇烈振動[1，2]。

空泡潰滅水擊和直接水擊發生的原理不同，直接水擊主要是由于蒸汽推動水彈撞擊物體造成，主要發生在蒸汽系統投運初期；而空泡潰滅水擊主要發生在系統蒸汽使用負荷降低過程中，出現冷凝水滯留，蒸汽遇冷后凝結形成空穴抽吸周圍冷凝水互相撞擊造成。

空泡潰滅水擊與直接水擊相比，同樣會產生非常嚴重的危害。例如2007 年7 月18 日，紐約曼哈頓萊克星頓大街下DN500 的蒸汽管道發生劇烈水擊，發生管道爆炸，蒸汽沖穿街道，導致1 人死亡，2 人嚴重受傷。造成該事故的原因主要是由于當時管道中積滿了冷凝水，蒸汽進入后發生了嚴重的水擊，出現嚴重的空泡潰滅水錘。

2 鋼鐵公司蒸汽管道水擊的預防措施

鋼鐵公司蒸汽系統主要存在的特點：蒸汽發生端較多，而使用端又較為分散，蒸汽管網結構組成復雜、覆蓋面寬、里程長；蒸汽使用端明顯多于發生端，而各工序對蒸汽的使用量不盡相同，造成蒸汽消耗不穩定，管網壓力波動呈現不規律性；管網蒸汽來源非常復雜，部分生產工序正常生產時具有同時消耗蒸汽和生產蒸汽的特點，且無論消耗還是生產蒸汽大多呈現波動性，造成蒸汽壓力波動大[3-5]。

某鋼鐵公司蒸汽系統分為S1（2.0～2.6 MPa）蒸汽管網、S2（0.78～1.27 MPa）蒸汽管網和S3（0.4～0.6 MPa）蒸汽管網。S1 蒸汽主供煉鋼RH 爐真空冶煉和焦化蒸氨塔蒸氨使用，汽源由35 t/h、130 t/h 燃汽鍋爐提供。S2 蒸汽管網分布最為廣泛，用汽單位覆蓋公司的各個工序（焦化、煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋等），管網供汽設施為各工藝余熱利用設施（CDQ 發電機組抽汽、燒結余熱鍋爐產汽等）及300 MW 自備電站抽汽、35 t/h 鍋爐、130 t/h 鍋爐等。S3 蒸汽管網供汽設施為300 MW 發電機組抽汽，主要為冬季采暖使用及作為海水淡化汽源使用。整個蒸汽系統結構復雜、路線較長，蒸汽管道停運或恢復運行時經常出現水擊現象，對鋼鐵公司蒸汽管道系統的安全運行構成嚴重威脅。為避免蒸汽管道水擊的發生，必須加強對蒸汽系統的管理并制定一套行之有效的操作處理辦法。經過長時間的摸索實踐，制定出預防管道水擊的措施。

2.1 合理布置疏水點

在管道進行初期設計時就應把避免管道水擊作為設計原則之一。在熱力管道的設計規則中，規定對于循環不良的管道死端和管段的低點，應依據實際情況考慮疏水閥和排水管。此外蒸汽管道中配套的減壓閥和調節閥前也應依據實際情況設立必要的疏水點，蒸汽管道水平段的疏水點應按照每隔100～150 m 進行設置。根據對該鋼鐵公司蒸汽管道系統的檢查，發現部分蒸汽管線疏水點的設置不符合熱力管道設計規程，存在設計缺陷。該公司蒸汽系統存在大量蒸汽管道上翻彎、管道低點和管道死端，在建廠設計時部分管道上翻彎及低點處未設置疏水點，導致管道冷凝水無法排出，造成管道水擊。該公司立即聯系設計院進行補充設計，改造蒸汽管線，將蒸汽管線中循環不良的管道死端、管段的低點及調節閥前增加疏水點，以排出管線內的冷凝水。改造完成后蒸汽管道內冷凝水明顯減少。

2.2 合理調整管網疏水裝置

該鋼鐵公司共有S1、S2、S3 三種不同壓力等級的蒸汽管網，根據不同等級壓力特點，對其蒸汽管網的疏水裝置進行有針對性的調整。S2 蒸汽為飽和蒸汽，其管網疏放水管道配置直排放水閥及旁路疏水閥，管網疏放水管道配置直排放水閥及旁路疏水閥，S2 蒸汽管道停、送汽狀態時打開直排放水閥進行放水暖管或停汽泄壓操作，正常輸送蒸汽狀態時關閉直排放水閥，打開旁路疏水閥進行階段性疏水以排除管道中存在的冷凝水。

S1、S3 蒸汽為過熱蒸汽，在設計時管網不考慮運行疏水，所以未設置疏水閥，僅在停、送汽狀態時打開直排放水閥進行放水暖管或停汽泄壓操作。但考慮作為S1 蒸汽主要用戶的煉鋼波段性用汽特點，為防止煉鋼小流量或停用汽時段S1 蒸汽管道存在冷凝水而造成水沖擊，S1 蒸汽管道部分直排放水閥以小開度狀態進行疏水；考慮S3 蒸汽管道過長且僅在冬季運行，易造成接近用戶管段存在冷凝水而造成水沖擊的實際情況，S1 蒸汽管道部分直排放水閥以小開度狀態進行疏水。

2.3 制定蒸汽系統操作規則

鋼鐵公司生產工序較多，在實際運行過程中，各工序根據自身實際運行情況會不定期的進行檢修，經常需要對蒸汽管線進行停、送汽操作。如果現場管理及操作人員對蒸汽系統停、送汽操作重視程度不夠，沒有制定一套完整的蒸汽系統操作規則，那在實際操作中可能會出現操作失誤從而導致管道出現水擊現象。為保證蒸汽系統的安全穩定運行，需制定一套系統的、完整的蒸汽系統操作規則。

2.3.1 投運前充分暖管

由于蒸汽管道投運前溫度較低，在正式投運前需進行充分暖管，避免蒸汽管道出現受熱不均勻的情況。蒸汽管道暖管前將該管段各直排放水閥關閉；各疏水管第一道閥門全開、疏水器前閥門關閉、疏水器旁路閥全開。準備完畢后微開入口蒸汽閥門（以聽到蒸汽流過閥門聲音為準），待主閥后第一道疏水見干汽后觀察后續疏水見汽情況緩慢全開主閥（每10 min 增加10%開度）直至全開。待該管段最后一道疏水見干汽后，全線檢查無異常，調整疏水送汽結束。送汽暖管操作按照蒸汽管道停送汽操作規程執行，期間須檢查所有沿途送汽管線膨脹情況、疏水通暢與否、支吊架有無異常偏斜位移異常、全線有無泄漏等情況，遇有異常無法在線處理立即關閉閥門切斷汽源，現場處理。

2.3.2 日常定期檢查疏水系統

為保證管道疏水暢通，必須加強日常的巡檢與維護，定期檢查疏水系統，對于管網損壞的疏水器及時發現及早更換。根據季節的不同及時調整疏水，冬季溫度低時因管網冷凝水較多可適當加大疏水，夏季汽溫高時管道冷凝水少可適當減小疏水。蒸汽管道進行檢修時，拆解沖洗檢修管道所配套的全部疏水閥，沖洗出疏水管中的雜質，對損壞的疏水閥進行修理或更換，保證疏水閥運行正常具備自動排出管道內冷凝水的能力。

2.3.3 建立能源調度管控制度

為避免蒸汽管網產汽、用汽量出現快速大幅度波動導致管網劇烈振動的情況，建立能源調度管控制度。鋼鐵公司各工序產汽、用汽量發生劇烈變化及停、送蒸汽前均需向能源調度申請，能源調度根據公司實際蒸汽平衡情況確定各工序進行蒸汽停、送汽操作的時間及產汽、用汽量的變化。嚴禁各工序未經能源調度批準進行蒸汽相關操作。同時能源調度根根據公司實際蒸汽平衡情況調整各工序產汽、用汽量，保證蒸汽管網壓力的穩定。

3 結語

蒸汽管道在啟動和運行時都有可能發生水擊現象，無論是直接水擊還是空泡潰滅水擊都嚴重影響蒸汽管道的安全運行。其根本原因是由于蒸汽管道中的冷凝水沒有及時排出導致的。本文簡單分析了蒸汽管道水擊現象形成的機理，并根據鋼鐵公司自身生產特點制定出蒸汽管道水擊的預防措施。鋼鐵公司應從疏水點的合理設置、疏水裝置的合理調整、制定一套完整的、系統的蒸汽系統操作規則等方面加強對蒸汽系統的管理，減少蒸汽管道水擊現象的發生。