摘要：詳細介紹了蒸汽汽錘的成因和汽錘的5種具體的物理形態(tài)。在此基礎(chǔ)上，安裝在蒸汽管線上的渦街流量和孔板流量計的設計選型，進行了詳細的比較和分析。并對比了蒸汽流量測量的種不同的溫壓補償設計方案。然后，對氣動球閥和氣動單座閥在蒸汽工況下的應用也進行了深入探討。最后，指出了于蒸汽工況下流量計和氣動開關(guān)閥設計選型的若干建議。
1.概述
　　化工行業(yè)經(jīng)常使用飽和蒸汽對工藝介質(zhì)進行加熱，因此蒸汽管線在化工廠里隨處可見。蒸汽管線中的飽和蒸汽很容易發(fā)生冷凝，并形成冷凝水。如果蒸汽管線過長，且未進行合理支撐，那么，在重力的作用下，管道的中間部分會下垂，并在蒸汽管線停用后，積存一部分冷凝水。蒸汽疏水閥設置和安裝的不合理，也會導致蒸汽管路的排水不暢。當蒸汽管線再次啟用時，入管道的蒸汽和積存在管道內(nèi)的冷凝水相遇，就會在管道內(nèi)形成汽錘。汽錘會對安裝在蒸汽管線上的設備、儀表和閥門造成破壞。此外，蒸汽的溫度也較高。在工程設計中，對這些不利因素都應加以考慮和防范。
2.汽錘的物理形態(tài)
　　汽錘有以下5種主要的物理形態(tài)：
1）蒸汽管線里積存的冷凝水，在蒸汽的加熱下快速蒸發(fā)，使得管道內(nèi)的氣體體積迅速膨脹，壓力上升，從而對安裝在管線上的儀表和閥門形成壓力沖擊。
2）蒸汽流速過快，部分蒸汽沖入積存的冷凝水之中，使得中間一段管道全部被蒸汽占據(jù)，而兩側(cè)則仍然是冷凝水，當這部分蒸汽在冷凝水中發(fā)生冷凝時，形成局部真空，使冷凝水從兩頭向中間快速流動，填補真空，并發(fā)生激烈碰撞，在管線中產(chǎn)生較大的壓強和沖擊波。
3）冷凝水在管線底部，被進入管線的蒸汽吹動，向下游流動，像海水被海風吹拂著，形成了海浪。當管線上的開關(guān)閥關(guān)閉過于迅速時，流動的冷凝水漣漪，也會如海浪疊加撞擊岸邊的峭壁一樣，疊加撞擊并損壞開關(guān)閥的閥內(nèi)件。
4）如果蒸汽管線上的開關(guān)閥打開過快，則閥后的冷凝水有可能會被高速流動的蒸汽吹起，如子彈一般的，撞擊下游的管件和儀表，并造成相應的損壞。
5）如果蒸汽管線上的開關(guān)閥打開過快，蒸汽流速較快，則蒸汽會和原積存在管線內(nèi)的，低溫的冷凝水混合在一起，并在冷凝水內(nèi)部形成由蒸汽構(gòu)成的氣泡，當這些蒸汽氣泡破裂時，周圍的冷凝水在瞬間填補蒸汽氣泡破裂后形成的空間，形成高壓強，并破壞臨近的管件、閥門和儀表。這個過程有點類似于氣蝕里的空化。
3.渦街流量計和孔板流量計分別應用于蒸汽管線
　　渦街流量計通常是利用差動電容，測量漩渦發(fā)生體后產(chǎn)生的卡門渦街的漩渦頻率，從而推算出被測流體的流量。其量程比大致為10∶1�？装辶髁坑媱t是通過測量孔板前后的壓差，由伯努利方程（孔板兩側(cè)的壓差的開方值，與流經(jīng)孔板的流體的流量成正比），推算出流體的流量。其量程比比渦街流量計狹窄，大致為3∶1。當渦街流量計和孔板流量計分別應用在蒸汽管線上時：
1）渦街流量計測量漩渦的差動電容是完全處于蒸汽管線內(nèi)部的。因此，差動電容幾乎時刻處于高溫之中，其使用壽命較短�？装辶髁坑嫹謨煞N：一體化孔板流量計和帶冷凝罐的孔板流量計。一體化孔板流量計的差壓測量元件，在管道上方，并不在管道內(nèi)。而帶冷凝罐的孔板流量計，其差壓測量元件，只接觸冷凝罐內(nèi)的冷凝水，與蒸汽是完全隔絕的。因此，孔板流量計差壓測量元件的使用壽命較長。
　　渦街流量計通過可動部件（通常為機械件極小的位移），去檢測卡門渦街的漩渦，并通過機械傳動，將這一物理位移傳遞給差動電容。當蒸汽管線內(nèi)發(fā)生汽錘時，該可動部件將受到較大的沖擊力，有可能發(fā)生永久形變。同時，差動電容本身也可能被該可動部件傳來的力直接破壞，從而導致渦街流量計傳感器損壞。而孔板流量計則沒有任何可動部件。且安裝在管道內(nèi)，作為孔板流量計一次測量部件的孔板，機構(gòu)簡單，非常堅固。因此，孔板流量計很難被汽錘打壞。
　　當汽錘發(fā)生時，蒸汽管線內(nèi)的蒸汽受到壓力波的干擾，流場發(fā)生紊亂，管線本身也強烈震動。這會嚴重干擾卡門渦街的穩(wěn)定生成，從而影響渦街流量計的正常測量。當然，對渦街流量計兩側(cè)的管道，進行額外的加固支撐，可以在一定程度上減輕渦街流量計的震動。但卻無法消除，臨近管道內(nèi)所發(fā)生的汽錘所帶來的管道內(nèi)蒸汽流場本身的紊亂和波動。而對孔板流量計來說，汽錘所產(chǎn)生的管道震動和流場紊亂，并不會影響孔板前后的壓差，也就不會影響孔板流量計進行準確可靠的流量測量。
4.蒸汽流量測量的溫壓補償
　　蒸汽管線流量計設計選型的另一個要點是溫壓補償。蒸汽在化工生產(chǎn)中的主要作用是對工藝介質(zhì)進行加熱，工藝設計師和生產(chǎn)操作員所關(guān)心的是蒸汽的質(zhì)量流量，而不是體積流量。但渦街流量計和孔板流量計都是體積流量計，無法直接測量質(zhì)量流量。因此，必須對渦街流量計和孔板流量計的測量結(jié)果進行溫壓補償。過熱蒸汽的溫度和壓力沒有對應關(guān)系，需對過熱蒸汽的體積流量同時進行溫度補償和壓力補償。飽和蒸汽的溫度和壓力是一一對應的，只需對飽和蒸汽的體積流量進行單一的溫度補償或壓力補償即可。
　　溫壓補償有兩種方案。第一種是在流量計內(nèi)集成溫度測量和壓力測量元件，并在變送器內(nèi)進行溫壓補償計算，然后將補償后的質(zhì)量流量信號傳給集散控制系統(tǒng)（DCS）。第二種方案是在管線上加裝溫度變送器和壓力變送器，然后將測得的壓力信號，和蒸汽流量計測得的補償前的體積流量信號，一起上傳DCS，并在DCS內(nèi)根據(jù)公式進行溫壓補償計算。
　　對過熱蒸汽來說，僅有個別品牌的渦街流量計和孔板流量計，同時集成了溫度測量和壓力測量的功能，而這些型號的流量計價格也較貴。當溫度或壓力測量元件損壞后，需更換整個流量計，則更換成本和備品備件成本都非常昂貴。而采用第二種設計方案，不但采購和更換成本低，同時，也可將過熱蒸汽管線內(nèi)的溫度和壓力信號一起上傳至DCS。有利于生產(chǎn)操作人員更好的掌握蒸汽管線內(nèi)的實際工況。
　　對飽和蒸汽來說，可提供單一溫度補償?shù)臏u街流量計或孔板流量計都較為常見，采購和更換成本都相對較低。且采用第一種方案可以簡化設計，減少施工現(xiàn)場的施工量和未來運行階段的維護工作量，因此相對較為合理。
5.球閥切斷閥和單座切斷閥分別應用于蒸汽管線
　　與管道專業(yè)不同，儀表專業(yè)通常不會選擇單座閥作為氣動切斷閥。這不僅僅是因為單座閥所占用的安裝空間較大，也是因為單座閥的開關(guān)速度比球閥更慢。但在蒸汽管線上，和氣動球閥相比，氣動單座切斷閥卻有若干優(yōu)勢：
蒸汽汽錘的破壞力驚人，實際工業(yè)生產(chǎn)中，不止一次發(fā)生過閥門被汽錘打壞的案例。球閥的閥體和閥芯比較單薄，所用鋼材較少，結(jié)構(gòu)相對脆弱。而單座閥的閥體和閥芯用料厚實，結(jié)構(gòu)堅固。當汽錘發(fā)生在切斷閥附近時，閥體和閥內(nèi)件會承受較大的沖擊力。此時，單座閥會比球閥更加堅固可靠，不容易被汽錘打壞。
　　閥芯和閥座間密封的可靠性和密封面上的密封壓力有很大的關(guān)系。球閥分浮動球球閥和固定球球閥兩種。浮動球球閥關(guān)閉時，依靠上下游的壓差來實現(xiàn)閥芯和閥座間的密封，固定球球閥關(guān)閉時，依靠閥座內(nèi)的彈簧來實現(xiàn)密封，這兩種密封力相對都較小。而單座閥則依靠執(zhí)行機構(gòu)的輸出力，將閥芯壓在閥座上。因此，只要選擇合適的執(zhí)行機構(gòu)，就能在單座閥閥芯閥座處獲得較大的密封壓力，從而改善閥座處的密封性。當蒸汽管線停用時，單座閥的密封性更好，泄漏到下游管道的蒸汽量就較少，管道內(nèi)的凝結(jié)水也會隨之減少。當蒸汽管線再次啟用時，汽錘的發(fā)生概率也會更低。
　　當蒸汽通過球閥時，閥內(nèi)溫度上升，球閥的閥球和閥座會發(fā)生熱膨脹，但由于鋼材用料量的不同，閥球和閥座的膨脹程度也會有所不同。這樣一來，閥球就有可能被閥座抱死無法動作。而直行程的單座閥，其打開時，閥芯直接提升，離開閥座。閥芯和閥座之間不存在靜摩擦力，不會被抱死，因此不存在球閥那樣的問題。
6.結(jié)束語
　　發(fā)生在蒸汽管線內(nèi)的汽錘有5種主要的物理形態(tài)，并且會對安裝在蒸汽管線上的儀表和閥門造成破壞�？装辶髁坑嬙诠艿纼�(nèi)沒有測量元件和可動部件，其測量也不受管道震動和流體紊亂的影響，因此，在量程比允許的情況下，比渦街流量計更適合應用于蒸汽流量測量。蒸汽流量的測量需進行溫壓補償，對過熱蒸汽而言，應在管道上安裝獨立的溫度變送器和壓力變送器，然后在DCS上進行補償計算。而對飽和蒸汽來說，可在渦街流量計或孔板流量計內(nèi)部集成溫度傳感器，并在流量變送器內(nèi)部進行溫度補償計算。氣動單座閥的閥內(nèi)件堅固可靠，關(guān)閉時的密封壓力較大，泄漏量小，且可選擇線性或等百分比的流量特性，能較好的限制蒸汽流量的快速增加，其閥芯也不會因為熱膨脹而被閥座抱死。因此，氣動單座閥比氣動球閥更適合應用于蒸汽管線的切斷。

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