1.1 原因分析
某厂新扩建的甲醇工段所需蒸汽从0.8 MPa蒸汽总管的末端引入到甲醇工段边界处，这段甲醇工段专用蒸汽管线(以下简称M管线)全长约100 m。在1991年9月大修时，M管线与0.8 MPa蒸汽总管连接处未加切断阀，由于甲醇工段未竣工投产，故一直未投用蒸汽，仅将蒸汽引到甲醇工段边界处并在末端用切断阀关闭。在全厂正常生产时，M管内就有冷凝水的形成和集结，但该管线未安装疏水阀，只在两处设有放凝阀，需要不定期手动排放冷凝水。1991年11月14日9时，因电力问题全厂紧急停车，也停止向此蒸汽总管送汽，11时恢复供电，开始向蒸汽总管送汽。因M管线内的冷凝水在送汽前未及时排出，当蒸汽进入M管线后可听到水击声，而且还可看到管线的轻微振动，故操作人员立即打开放凝阀，欲将冷凝水排出，以消除管线内水击和管线振动，但所起作用正好相反，水击更加剧烈，并产生刺耳的声音，而且管线猛烈振动，不久就将M管线位于甲醇工段边界处的切断阀击毁，切断阀法兰垫片几处被刺穿[4]。
上述水锤事故产生的后果较严重，并且类似事故经常发生，需引起相关设计和操作人员的高度重视。下文为对上述事故产生原因的进一步探讨。
(1) 引入甲醇工段的蒸汽因散热产生冷凝水，由于未安装疏水阀，冷凝水在M管线的低点处积聚，并越积越多。
(2) 停电后，锅炉停止向蒸汽总管送汽，管内存留的蒸汽也开始冷凝，蒸汽总管压力下降。未停电时已存在于M管线的冷凝水进一步过冷，过冷度很容易达到25 ℃以上。
(3) 2 h后，锅炉开启，经总管来的蒸汽进入M管线并窜入冷凝水上部，形成较高压力的蒸汽和冷凝水的混合流动。蒸汽因向周围的冷凝水和管壁散热而冷凝，新鲜蒸汽就会取代被冷凝的蒸汽。蒸汽在快速流动过程中推动冷凝水向前流动，造成管线内水位逐渐升高，在管线内掀起波浪，波浪顶点处的蒸汽流通面积缩小，蒸汽流速变大，推动波浪逐渐变大，直至充满整个管线的横截面，这时前面流动的蒸汽就会被冷凝水包围，形成“空穴”或汽泡。当打开冷凝水放凝阀时，管线内被放掉的冷凝水的位置被蒸汽迅速占据，加剧管线内汽液两相的混合流动，有助于“空穴”或汽泡的形成(见图 1(a)和图 1(b))[5]。
(4) 这些被冷凝水封闭的“空穴”或汽泡内蒸汽体积虽然较大，但质量和热容很小，很容易向周边的冷凝水和管线散热而迅速冷凝。相同质量的冷凝水的体积仅为蒸汽体积的几百分之一甚至千分之一以下，“空穴”或汽泡溃灭时，冷凝水只占原体积的很小一部分，故该区域成为“真空地带”(见图 1(c))。
(5) 周边的冷凝水在蒸汽操作压力与低压区域间双重作用产生的压差的作用下，迅速流向“真空区域”，发生剧烈撞击产生高压(见图 1(d))。产生的最大压力见式(1)[5]：
| ${p_{\max }} = \rho c\nu
$ |
(1) |
式中：pmax为过冷冷凝水撞击产生的最大压力，Pa；ρ为过冷冷凝水的密度，kg/m3；c为声音在水中传播的速度，m/s；ν为在蒸汽推动下冷凝水流向溃灭的“空穴”或汽泡处的流速，m/s。
假定在当时情况下冷凝水密度为986 kg/m3，冷凝水流向溃灭的“空穴”或汽泡处的流速约为12 m/s，声音在水中传播的速度一般为1 310 m/s，则根据式(1)，过冷冷凝水撞击产生的最大压力为986×1 310×12=1.55×107 Pa=15.5 MPa。15.5 MPa高压在冷凝水中以声波速度向周边传播，撞击附近的管线和管件。因M管切断阀和法兰承受不住如此高的压力，导致被击毁和几处被刺穿。
文献[5]指出，这种由蒸汽冷凝引发的水锤在发生前必须具备至少3个条件，即：①管内较高压力的蒸汽和冷凝水并存；②冷凝水是过冷的，且过冷度≥25 ℃；③管线沿蒸汽流动方向无坡度或顺坡坡度不够，当顺坡坡度≥1/24时不会发生水锤，但对于垂直管道，当冷凝液以极快速度排出或蒸汽快速冷凝时也会发生水锤。
该水锤产生的压力和破坏程度与4个因素有关，即：①管内蒸汽压力；②冷凝水过冷度；③形成的“空穴”或汽泡的大小；④“空穴”或汽泡内不凝气体含量。一般而言，前3项值越大，后一项值越小，水锤产生的压力和破坏程度越大。但TLV(Trouble Less Valve)公司的实验表明，并非冷凝水温度越低(即过冷度越大)造成的水锤事故就越严重，当过冷度大到一定程度时，造成的水锤事故的严重程度反而降低(见图 2)[6]。
在图 2的左边，冷凝水温度最低，过冷度最高，蒸汽接触到低温的冷凝水后以较快的速度冷凝。在这种情况下，不会形成大的蒸汽气泡，当气泡破灭时，冷凝水之间相互撞击的程度较轻，因此只会发生较小的水锤。
在图 2的中间，冷凝水与蒸汽的温差相对较小，过冷度在20~30 ℃之间，因此蒸汽不会被迅速冷凝。由于冷凝相对缓慢，蒸汽与冷凝水接触的时间较长，在这段时间内会产生大量的蒸汽气泡。蒸汽气泡在运动过程中也因发生碰撞、较小的气泡合二为一等原因逐渐变大，当这些较大的气泡破灭时就会产生较大的水锤。
在图 2的右边，蒸汽与冷凝水接触时的温度相同。在这种情况下，不会形成“空穴”或汽泡，因而也不会产生水锤。这一现象证明了“自疏水阀排出的饱和冷凝水温度与闪蒸汽温度相同时，就不会产生水锤事故”的说法是正确的。
这种由蒸汽冷凝引发的水锤事故的危害性相当严重，如2007年7月18日发生在纽约曼哈顿莱克星顿大街的地下蒸汽管线爆炸事故就是一个典型案例[2]，此次事故共造成1人死亡，至少20人受伤。后经调查，爆炸的原因是由蒸汽管线内发生的水锤所致。当时，管线中积满了冷凝水，引入蒸汽后发生了严重的水锤。
1.2 处理措施
(1) 水锤事故往往发生在系统开始运行阶段，其中一个主要原因是蒸汽管线内存水没清理干净，因此在启动蒸汽管线前，应先将积聚在管线内的水排净。
(2) 当排净蒸汽管线内的存水后，应对蒸汽管线进行暖管。暖管速度应控制在合适的范围内。暖管速度过快，单位时间蒸汽冷凝量过大，蒸汽会在管线的某区域产生冷凝水，很容易产生水锤现象；暖管速度过慢，如果进入管线的蒸汽流量小于因散热而冷凝的流量，也会在管线内部形成真空，造成冷凝水反向流动撞击管线和阀门，发生水锤。
(3) 对于蒸汽管线，应按规定设置疏水阀，以便及时有效地排除其中的冷凝水，避免汽水共存。一般而言，对于过热蒸汽管线，同一坡向的管段，顺坡情况下每隔400~500 m、逆坡时每隔200~300 m设疏水阀。但对于过热度在100 ℃以内的管线，两相邻疏水阀之间的间距可适当缩短为100~200 m。对于饱和蒸汽管线，每隔30~50 m设置疏水阀[2]。
(4) 当蒸汽管线发生水锤事故时，不应首先开启冷凝水放凝阀，否则只会加速管线内汽液两相的混合流动，加快“空穴”或汽泡的形成，造成管线内水锤越来越严重。正确的做法应首先关闭蒸汽进料阀，再开大疏水阀并打开放凝阀，待冷凝水放净后再进行暖管供汽。
(5) 当蒸汽管线长时间不投用时，应在该管线与蒸汽总管连接处的根部设切断阀，这样蒸汽就不会流入到该管线中，也就不会产生大量的冷凝水，从而避免了水锤事故的发生。
2 可凝液体与冷凝液间发生的水锤事故及处理措施
由冷凝引发的水锤事故不仅发生在蒸汽和冷凝水之间，而且还大量发生于氨、LNG、较纯组分如丙烷等可凝气体及其凝液之间，其水锤产生机理和破坏程度与蒸汽和冷凝水的相同，如设计或操作不当，也会产生严重的后果。
2.1 原因分析
2.1.1 实例1:塔顶回流罐安全阀安装位置不当引起的水锤事故
如图 3所示，某脱丙烷塔将丙烷从天然气凝液(NGL)中分离出去，要求塔顶丙烷的纯度达到97%(体积分数)以上。该塔压力控制采用改变冷凝器冷凝面积的控制方案。在该控制方案中，回流罐内全部充满液体，部分冷凝器面积始终被冷凝液浸没，被冷凝液浸没部分因只有显热变化，故传热系数很低。当塔顶压力高于设定值时，压力调节阀开度增大，产品出料量增加，冷凝器内液位就会下降，被冷凝液浸没的面积减少而用于气体冷凝的有效面积增大，故气体被冷凝速率加大，塔内储存的气体量降低，使塔压逐渐下降直至恢复到设定值，反之亦然。
另外，该塔同时采用浮动塔压控制方案。该方案基于脱丙烷塔塔顶丙烷馏出物与塔底重组分之间相对挥发度随压力的降低而增大，因而塔的操作压力应尽量低，这样达到同样的分离度所需的能量相对较低这一基本原则实施控制。具体地说，就是根据昼夜环境温度变化改变塔的操作压力，以降低脱丙烷塔的能耗。
原设计在该塔塔顶回流罐处设有安全阀，但在操作过程中发现该安全阀入口管线处频繁发生水锤和产生撞击声，且绝大多数发生在夜晚。该事故已对安全阀造成实质性损坏，并成为装置操作的安全隐患，迫切需要解决。
原因分析：由于该塔采用浮动压力控制，夜晚的操作压力一般为1 200~1 400 kPa，远低于白天的1 700 kPa，这说明安全阀入口管嘴处的水锤事故和撞击声并非是由超压或操作压力变化引起的。通过大量的分析和调查后发现，产生这一现象的原因是由安全阀的安装位置不当引起的[7]。如图 4所示，安全阀入口管嘴的位置要比空冷器出口管嘴的位置高出约1 150 mm。在白天，随着气温升高，塔压有升高的趋势，控制系统将降低空冷器中的液位以降低塔压，由于回流罐充满液体，安全阀入口管线内的液位也相应下降，导致安全阀入口管线内存有气体；到了夜晚，气温下降，空冷器中的液位升高，安全阀入口管线内的液位也有升高的趋势，同时管线内的气相介质也因环境温度下降而冷凝，导致原气相区域变为真空地带，下边的冷凝液会以极高的速度冲向该区域，产生瞬时压力很大的冲击，引起水锤发生，从而发出安全阀入口管嘴处的撞击声。
2.1.2 实例2：冷凝液进回流罐入口管嘴设置不当引起的水锤事故
某石脑油分离塔对轻、重石脑油进行分离，其目的是使重石脑油中不含苯及苯的前身物，然后将其作为重整原料。如图 5所示，该塔采用“卡脖子”加热旁路控制方案，塔顶压力和温度分别控制在200 kPa和103 ℃，冷凝器出口设计温度为82 ℃，热旁路调节阀压差设定为35~70 kPa。在热旁路控制系统中，位于回流罐气、液两相界面处存在一层厚度约为25 mm的“液膜”[8-11]。该“液膜”的温度高于回流罐冷凝液的主体温度并与回流罐上部的热旁路气体呈平衡状态，且对应的饱和蒸气压即为回流罐的操作压力，也就是说，回流罐压力仅与“液膜”温度有关，而与过冷的冷凝液温度无关[8-11]。故当塔顶压力高于设定值时，伴随着热旁路调节阀开度降低，热旁路气体进罐流量降低，则气、液两相界面间“液膜”温度降低，回流罐压力就会降低，冷凝器和回流罐间的压差增加，更多的冷凝液被压送至回流罐中，冷凝器内液位下降。此后的控制过程与案例1相同，即气体被冷凝的速率加大，使塔压逐渐下降，直至恢复到设定值。
开工初期，该塔在气相馏出物空冷器出口至回流罐入口这段冷凝液管线上频繁发生水锤事故，其中有两次较严重：一次将塔顶气相线的切断阀手轮振飞，法兰垫片撕裂；另一次造成塔顶气相线上用于控制空冷器叶片转速的热电偶损坏。另外，水锤事故只发生在空冷器出口温度过低的情况下，当空冷器出口温度超过77 ℃时，不会发生水锤事件。
原因分析：自空冷器出口至回流罐的冷凝液管线入口管嘴的设置见图 6[12]。
该管线公称直径DN300 mm，伸入到回流罐底部液相空间，末端敞口；在靠近罐顶部位设有4个长约300 mm、宽约50 mm的小槽，小槽位于回流罐的气相空间。4个小槽在冷凝液管线横截面圆周上呈90°均布。设置小槽的目的在于排净冷凝液中可能存在的不凝气体。根据计算，冷凝器出口的轻石脑油出口温度每下降1 ℃，其饱和蒸汽压下降4.9 kPa。另外，自空冷器中冷凝液正常液位处至冷凝液管线开口小槽中间位置的垂直高度为4.9 m，该高度可产生28.5 kPa的静压头，因此只要过冷度小于5.8 ℃(28.5/4.9=5.8)，由高度差产生的静压头大于蒸汽压下降值，冷凝液就能从小槽流入到回流罐中。但空冷器出口冷凝液的过冷度由于环境温度、进料流量和组成等的变化常常超过5.8 ℃，有时甚至高达30.0 ℃，造成回流罐内可凝的热旁路气体的压力远大于管线内冷凝液饱和蒸汽压与静压头之和，导致罐内的热旁路气体从小槽倒流至冷凝液管线，与管线内冷凝液接触后被快速冷凝而发生水锤事故。
2.1.3 实例3：热旁路气体进回流罐的位置设计不当引起的水锤事故
图 7为某石化公司MTBE装置催化蒸馏塔采用的热旁路控制流程。与常规流程不同的是，该流程在设计时将热旁路管线接至冷凝液管线上，使热旁路气体与冷凝液混合后再从罐底进入回流罐。这种设置的目的被认为是可消除回流罐内气、液两相的温差，能更加灵活地调节回流罐内冷凝液的温度，有利于塔压的控制。
催化蒸馏塔塔顶为C4组分，塔底为MTBE产品。该塔正常操作压力为0.55 MPa，塔顶温度为52.6 ℃，塔底温度126.2 ℃，冷凝器出口温度40 ℃。但在实际操作时，冷凝器出口温度甚至低于25 ℃。当投用热旁路气体调节阀时，冷凝液管线时常发生水击声，且塔压有时控制不稳定。
图 8所示为该塔压力波动情况截图。由图 8可见，在投用热旁路气体调节阀时，塔压呈波浪型变化，最高时达0.70 MPa，最低时至0.45 MPa，造成塔的操作不稳定，MTBE产品中C4组分增多，因此被迫关闭热旁路气体调节阀，但这又造成塔压控制不灵敏的问题。
原因分析：在上述控制方案中，当温度约为52 ℃的热旁路气体与温度为25 ℃的冷凝液混合时，管路内热旁路气体被周边过冷液体迅速冷凝，热旁路气体所占区域便形成真空，周边的冷凝液向该区域运动并发生碰撞，产生较高的瞬时压力，引起水锤现象[11]。
另外，如前所述, 在热旁路塔压控制方案中保持回流罐两相界面的稳定是保证塔的操作压力稳定的前提条件，热旁路气体与冷凝液混合后再从罐底进入回流罐，对回流罐两相界面的稳定造成破坏，使两相界面的温度呈波浪形变化，导致塔压相应变化。
2.2 处理措施
2.2.1 实例1处理措施
(1) 将脱丙烷塔至回流罐主管路上的所有切断阀改为铅封开，在塔顶气相馏出线调节阀处增设阀门限位器，使调节阀在事故状态下也不能全部关闭，这样可将脱丙烷塔和回流罐看作一个系统，因而可取消回流罐上的安全阀，回流罐共用脱丙烷塔塔顶的安全阀。
(2) 另一种处理措施是将回流罐上的安全阀整体下移，使其入口管嘴位于空冷器出口管嘴以下，以保证安全阀入口管线始终充满液体。
2.2.2 实例2处理措施
取消冷凝液管线上部开设的4个小槽，使回流罐内的热旁路气体不与管线内冷凝液直接接触。
2.2.3 实例3处理措施
为减少水锤事故的发生和对回流罐两相界面的扰动，自冷凝器来的冷凝液进罐管线应从罐底进入回流罐，即便从顶部进入，也应伸入到回流罐的底部；热旁路管线应从罐顶部单独进入回流罐，且配管时不应出现任何形式的袋形以防止积液，对于水平管段也要有2‰~3‰的坡度并坡向回流罐，以便使可能存在的凝液不受约束地自流至回流罐中。
3 结语
水锤事故源于管线内介质流速发生剧烈变化所造成的压力变化而引起的冲击。在所有水锤事故中，由冷凝引发的水锤事故最为严重。这类水锤事故除发生于蒸汽和冷凝水之间，也发生于纯度较高的轻烃组分、LNG、氨等介质气液两相之间。
本研究结合几个具体实例说明了冷凝引发水锤事故的危害，分析了事故发生的原因并提出了处理措施。指出了当蒸汽和过冷的冷凝水、可凝气体与过冷的冷凝液并存时，都有发生水锤事故的潜在危险，必须引起高度重视。对于蒸汽管线应注重疏水，及时将可能产生的冷凝水排掉，当发生水锤事故时，应首先关闭蒸汽进料阀，再打开冷凝水放凝阀，待冷凝水放干净后再进行供汽。对于可凝气体管线，在设计或操作时应避免可凝气体因温度变化或与过冷的冷凝液混合后快速冷凝而引起的水锤事故，特别是对塔顶压力热旁路控制方案，在设计时应做到冷凝液进回流罐液体部分，热旁路气体进回流罐的气体部分，两者互不混合。
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KIRSNER W. Condensation-Induced Water hammer[J]. HPAC, 1999(1): 112-122. |
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TLV Co. How does condensate temperature affect water hammer [EB/OL]. (2017-07-27). https: //www. tlv. com/ global/US/steam-theory/water hammer-mechanism. html.
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2018, Vol. 47