結合恩平組塊實例談水錘現象對管道的影響

徐騫，杜國強，董明遠

結合恩平組塊實例談水錘現象對管道的影響

徐騫，杜國強，董明遠

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

介紹了水錘效應的定義及危害，結合恩平組塊消防系統的振動實例，分析了停泵水錘效應引起振動的過程，由此提出防止或減輕停泵水錘效應的建議方案，供海上平臺管道設計參考。

水錘效應；振動；防止；減輕

在壓力管道的設計中，管道振動是非常常見的一種現象，振動帶來的影響和破壞性不可忽視。對于供水系統管道，引起管道振動的原因很多，包括電機振動導致的管道振動、泵體振動導致的管道振動以及其他原因導致的振動。其中，水錘效應是引起管道振動的一個重要因素，對管道系統具有很大的破壞作用，必須加以重視并想辦法防止或減輕。

1 水錘和水錘效應

水錘是指在有壓力的管路中，由于某種外界原因（如閥門突然關閉、水泵機組突然停車）使水的流速突然發生劇烈變化而造成較大的壓力波動并引起振動的現象，又稱“水擊”。由此產生的瞬間壓力可大大超過正常壓力，很容易對管道系統產生破壞性影響[1]。

水錘效應是指給水泵在啟動和停止時，水流對管道產生沖擊，形成的一種嚴重水擊。由于管道內壁是光滑的，水流可以自由流動。當開啟的閥門突然關閉或給水泵停車，水流對閥門及管壁，主要是閥門或泵體會產生一個壓力。由于管壁光滑，后續水流在慣性的作用下，水力迅速達到最大，并產生破壞作用，這就是“水錘效應”，也就是正水錘。相反，關閉的閥門在突然打開或給水泵啟動后，也會產生水錘，稱為負水錘。

2 恩平組塊水錘現象實例

恩平組塊海上調試期間，現場工作人員按照程序對電動消防泵進行調試，發現停泵后排海管線出現了強烈振動和巨大錘擊聲。此后，設計人員隨即趕赴現場查找分析振動原因。

2.1 排海管線流程

該平臺的消防系統設置有電動消防泵，其排海管線工藝流程如圖1所示。連接電動消防泵出口的兩條10′′消防管線分別接入消防主環網。從這兩根管線上各引出一條10′′管線匯入12′′排海管線。排海管線上設有電磁流量計，以指示流量，同時設有調節閥，用以在消防系統排海時將排出的海水調節至額定流量。

圖1 排海管線工藝流程

2.2 排海管線材質

這條排海管線甲板以上及以下分別使用了不同的材質。雙相不銹鋼和銅鎳合金具有良好的耐海水腐蝕性能，但價格昂貴，且密度較大。為節約成本及減輕重量，該12′′排海管線甲板以上部分采用了密度較小、價格相對便宜的玻璃鋼材質；而對甲板以下部分，考慮到玻璃鋼材料本身強度不如金屬管，在海浪拍擊下容易損壞，故而對甲板下的排海立管選用了耐海水腐蝕且相對便宜的碳鋼涂塑材質。

2.3 現場振動情況

在恩平組塊現場調試階段，消防主環網的調試很順利，隨后調試消防排海管線。首先啟動電動消防泵，待達到設計規定的流量和壓力（450 m3·h-1，1 200 kPaG）并穩定運行30 min后停泵。停泵瞬間沒有任何異常發生，但短暫幾秒鐘后突然出現劇烈振動，同時伴有巨大的錘擊聲，隨后振動消失，調試結束。停泵后出現的振動十分劇烈，現場感覺整個平臺甲板都被連帶著振動。出現這種現象是不正常的，這種程度的劇烈振動對管線的破壞力不可小視，特別是對甲板以上使用玻璃鋼材質的部分，很容易發生泄漏、破裂等問題。

2.4 振動原因分析

觀察到振動發生后，設計人員首先核查三維模型和工藝流程圖，檢查施工圖紙是否與流程圖相一致。檢查結果無誤。

隨后核實消防系統，特別是排海管線的應力分析模型及應力分析報告，進而分析管線支吊架數量和形式（承重、導向、止推）是否正確。核實結果顯示消防系統及排海管線的應力計算結果正確，應力在標準規定范圍內，且模型中管線支吊架的數量和密度足夠多，足夠大，支吊架的形式符合應力計算結果。

工藝設計和理論計算都沒有問題，接下來，設計人員沿管線走向逐一排查，發現部分止推支架缺少玻璃鋼擋塊saddle，個別支架限位精度不夠，導向塊間隙不符合標準圖要求，導致支架與圖紙和模型不符，理論計算無法全面反映現場真實情況。于是，首先要求現場施工人員及時對不符合圖紙的支架進行整改。由于個別止推支架缺少saddle擋塊，要求現場施工人員將clamp的螺栓擰緊，抱死管線，待材料到齊后再補裝。根據經驗，這種處理方式也可起到止推作用，作為短期的臨時處理方式是可以接受的。現場整改完畢后，再次調試，停泵后振動問題依舊。

排除設計原因和現場施工影響，結合振動情況以及錘擊聲，初步判斷是在停泵時候發生了水錘效應，分析如下：由于泵體很長以及平臺自身水平高度較高，電動消防泵的出口處已經是在海平面以上25 m的位置。停泵時，水泵電機停轉，此時不再有海水吸入管線。但受慣性作用，管線中的流體仍以高速沿流向運動，不斷涌入排海管線，沿著管路一直向前流動，并在甲板下方豎直向下排入大海。此時，泵的吸入口后部空間中即形成接近真空的負壓狀態。待管線中的海水流速變緩，海水在負壓作用下迅速反向流動，撞向電動消防泵。由圖2電動消防泵裝配圖可知，泵體中部設有止回閥，在閥板處形成了隔斷，可以理解為反向流動的海水以極大的速度撞向止回閥的閥板，因而出現了劇烈振動及巨大聲響。

圖2 電動消防泵裝配圖

通常，為了避免水錘的發生，廠家一般會在消防泵出口設置自動放空閥，這樣在停泵時外部空氣進入管線，就可以避免在管道內形成負壓，以減緩水錘現象的發生。但實際上，如圖2所示，廠家設置的放空閥只有1′′，而該電動消防泵的額定流量為450 m3·h-1。在這樣大的流量下，通過放空閥進入的空氣有限，不足以及時補償管道內極速出現的負壓，因而造成了停泵水錘。

3 水錘的防止或減輕

通過分析可知管道內極速出現的負壓是形成水錘的主要原因。從這個角度出發，提出以下解決辦法：

1）要求廠家在消防泵出口上設置更大尺寸的自動放空閥或呼吸閥，當管道內出現負壓時，外部空氣可以及時進入管道進行補償。

2）取消泵體中部的止回閥。停泵后，管道內回流的流體在負壓作用下迅速折返。止回閥雖然可以防止回流，但大量流體瞬間沖擊止回閥，容易產生水錘。

3）保留止回閥，改為微阻緩閉式，延緩止回閥的關閉時間，這樣既能防止產生水錘，又可避免管道內的流體回流和倒灌。

4 結束語

作為引起管道振動的重要因素之一，水錘效應是不可忽視的，其破壞作用往往帶來巨大的危害和損失。本文通過恩平組塊電動消防泵調試期間的管道振動實例，分析了停泵水錘發生的原因，提出防止和減輕水錘效應可能的解決辦法，供海上平臺管道設計參考。

作為一名管道設計工程師，特別是面對高成本、高風險的海上生產平臺，水錘效應的影響更是需要引起高度重視。通過分析其發生的原因，不斷積累經驗，可以更好地避免危險的發生，防止出現不必要的經濟損失。

［1］崔克清．安全工程大辭典[M].北京：化學工業出版社，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

徐騫（1983-），男，天津市人，工程師，碩士， 2009年畢業于東北石油大學化學工程專業，研究方向：海洋石油平臺總體管道設計。

TE54

A

1004-0935（2021）06-0862-03