蒸汽系統(tǒng)的“頭號(hào)殺手”—水錘
解決水錘問(wèn)題—立刻
水錘不只是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，更是個(gè)安全問(wèn)題 。它不僅會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成致命的傷害，有時(shí)會(huì)引發(fā)重大安全事故！而且，水錘還會(huì)大幅增加設(shè)備和系統(tǒng)的維修保養(yǎng)與停機(jī)時(shí)間，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失。
不幸的是，有82%的蒸汽系統(tǒng)存在著不同程度的水錘，而人們卻誤以為水錘是蒸汽和冷凝水系統(tǒng)中自然而不可消除的現(xiàn)象，這種觀念是大錯(cuò)特錯(cuò)的。實(shí)際上，通過(guò)合理設(shè)計(jì)和正確運(yùn)行，任何系統(tǒng)都可消除水錘的困擾。
到底哪些地方會(huì)發(fā)生水錘呢？
水錘會(huì)發(fā)生于任何蒸汽或冷凝水管線，尤其在多相流系統(tǒng)，如冷凝水兩相系統(tǒng)中，情況更加嚴(yán)重。冷凝水兩相系統(tǒng)中包含兩種狀態(tài)，液態(tài)(冷凝水) 和汽態(tài)(閃蒸汽或新蒸汽)。很明顯，只要蒸汽系統(tǒng)中有冷凝水與閃蒸蒸汽或新蒸汽同時(shí)存在，就存在水－汽兩相狀態(tài)。在蒸汽應(yīng)用中，存在這種兩相流的情形比比皆是，典型的例子如熱交換器、蒸汽主管線、冷凝水回收管線、伴熱管線等，有時(shí)，泵的出口管線也有類(lèi)似情況。
設(shè)備起機(jī)時(shí)發(fā)生的水錘是最常見(jiàn)的。這時(shí)，由于供汽閥門(mén)開(kāi)啟速度較快，沒(méi)有足夠的系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間并將冷凝水及時(shí)排出，水錘就不可避免。
水錘對(duì)系統(tǒng)有哪些具體危害？
? 破會(huì)閥門(mén)內(nèi)部組件
? 閥門(mén)外殼被擊裂
? 壓力表因過(guò)渡承壓而毀壞
? 設(shè)備內(nèi)部變形
? 管道連接件破裂
? 閥門(mén)泄露
? 換熱器列管或板片損壞
? 管道焊接處甚至管道破裂
? 管道支撐損壞
正如文章開(kāi)頭提到，水錘嚴(yán)重時(shí)不僅破壞設(shè)備和裝置，還會(huì)危及人員生命安全。
大家要注意，有時(shí)水錘發(fā)生時(shí)，人耳無(wú)法聽(tīng)到。例如，冷凝水回收系統(tǒng)中產(chǎn)生的蒸汽汽泡體積很小，它的破裂會(huì)產(chǎn)生我們稱之為的“熱沖擊”就根本無(wú)法聽(tīng)到，然而這種沖擊仍會(huì)對(duì)設(shè)備造成損壞。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，蒸汽系統(tǒng)中提前失效的設(shè)備、部件有67%是由水錘所致。
水錘產(chǎn)生劇烈沖擊的四種狀態(tài)
1.水壓沖擊
蒸汽系統(tǒng)中的一小部分水錘是由水壓沖擊所致。就像家里的水龍頭，當(dāng)其打開(kāi)時(shí)，從管道入戶點(diǎn)到水龍頭出口，可能會(huì)有80公斤的水流以大約3米／秒即每小時(shí)11公里的速度快速流動(dòng)。如果突然間關(guān)閉水龍頭，就像一只重達(dá)80公斤的錘子瞬時(shí)被阻停時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，這時(shí)會(huì)聽(tīng)到非常大的撞擊聲，聽(tīng)起來(lái)好像錘子敲擊金屬的聲音。這種沖擊力高達(dá)20巴，會(huì)從后往前，來(lái)回反復(fù)，直到管路系統(tǒng)內(nèi)的壓力得到分散和平衡。
這種情形也會(huì)發(fā)生在蒸汽和冷凝水系統(tǒng)中的抽吸或排放管系中。通常，安裝水泵時(shí)都會(huì)裝有止回閥，當(dāng)泵起停時(shí)，由于止回閥切斷朝某一方向的流動(dòng)，流體流動(dòng)急速停止，導(dǎo)致水壓沖擊產(chǎn)生。緩慢關(guān)閉閥門(mén)，正如緩慢關(guān)閉水龍頭一樣，是避免水錘的有效方法。
在停止流動(dòng)前降低水的流速，水的動(dòng)量降低，破壞性的水錘現(xiàn)象將不會(huì)發(fā)生。
2.熱沖擊
在大氣壓下, 1千克蒸汽所占據(jù)的體積是同質(zhì)量水的1673倍，這個(gè)倍數(shù)隨著壓力的提高而減小。
當(dāng)蒸汽釋放熱量后冷凝，其體積瞬間縮小幾百到上千倍時(shí)，真空區(qū)瞬間形成，管道內(nèi)的冷凝水會(huì)被高速吸到這個(gè)真空的空間，這種情況就會(huì)形成水錘。
在水-汽兩相共存的冷凝水管線中，在冷凝水液面下可能會(huì)產(chǎn)生汽泡，比如，當(dāng)疏水閥出口管線連接到冷凝水主管線的下端時(shí)，管線中冷凝水的溫度低（壓力低，溫度就低）于疏水閥疏水管出口二次蒸汽的溫度時(shí)，冷凝水管線中的冷凝水就會(huì)冷卻二次蒸汽汽泡使其立即破裂，汽泡的破裂使得冷凝水中瞬間形成空心區(qū)， 冷凝水就會(huì)沖向該區(qū)域，導(dǎo)致水錘的形成。
3.流動(dòng)沖擊
當(dāng)開(kāi)啟一個(gè)較大口徑的蒸汽切斷閥時(shí), 如果不是緩慢開(kāi)啟，并預(yù)先對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，而是一下子全部打開(kāi)， 蒸汽會(huì)沖向溫度較低的管道而快速形成冷凝水，這些冷凝水在沿著管道向前沖擊之際水量在持續(xù)增加，形成冷凝水沖擊浪。它會(huì)繼續(xù)高速前行，直到突然間遇到彎頭或閥門(mén)使其流向發(fā)生改變。當(dāng)冷凝水遭遇流向的被動(dòng)改變， 這種突然間的“剎車(chē)”就會(huì)造成水錘。 尤其,在切斷閥前和管道沿線沒(méi)有合適的疏水點(diǎn)時(shí),情況會(huì)更為嚴(yán)重。
4.壓差沖擊
它發(fā)生在冷凝水和蒸汽在同一管線但二者速度不同的場(chǎng)合，尤以冷凝水回收管線最為普遍。
在水-汽兩相系統(tǒng)中，蒸汽的速度達(dá)到水的10倍。如果冷凝水形成的水浪升高至管道頂部而阻塞管道，冷凝水水浪的前后就會(huì)形成一道暫時(shí)性的水封，它阻擋了蒸汽的通過(guò)，使得水封后的壓力下降，水封前后的壓差推動(dòng)冷凝水水封高速加速前沖，像子彈出膛。而且在高速前沖時(shí)，冷凝水的量愈來(lái)愈多，速度亦越來(lái)越快。
當(dāng)這個(gè)高動(dòng)量的冷凝水子彈急速飛馳時(shí)， 擋在它前面的欲改變其方向的彎頭、閥門(mén)、設(shè)備等任何障礙物都會(huì)遭到重創(chuàng)。
冷凝水回到回收管時(shí)，由于回收管內(nèi)壓力偏低，會(huì)產(chǎn)生二次蒸汽。如果回收管選型偏小，冷凝水回收管內(nèi)壓力增加。 較高的壓力推著閃蒸汽以較高的速度沖向開(kāi)式冷凝水回收罐，閃蒸汽沿途散熱冷凝，更加大了上面提及的“壓差”和提高了速度。閃蒸汽速度高于冷凝水的速度，驅(qū)使冷凝水形成波浪。只要這些波浪未高及管道頂部和隔斷閃蒸汽通道，就不會(huì)有問(wèn)題。這就是為什么冷凝水管道口徑選型要足夠大的原因。
