锅炉水封管内径

0 引言
　　众所周知，锅炉之类的热力设备可以采用水封管作为限压装置。设备工作时，水封管内的水将设备与大气隔绝，使设备保持一定的压力。水封管内水的多少，即水封管内的实际水位的高低与设备汽压大小有关。汽压大，水位就高；汽压小，水位就低。当设备压力升至额定蒸汽压力时，水封管内的水位应该达到最高水位；而在设备压力稍微大于额定蒸汽压力时，水封管内的水应能立即被冲除掉，使设备内的蒸汽能够迅速得到排放。但是，水封管的内径必须足够大；以保证它的排汽能力大于设备的最大蒸发量，从而防止设备发生超压事故。《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第132条规定：“对于额定蒸汽压力小于等于0.1MPa的锅炉可以采用静重式安全阀或水封式安全装置。水封装置的水封管内径不应小于25mm”。《小型和常压热水锅炉安全监察规定》第二十八条要求：“水封管的内径应当根据锅炉的额定容量和压力确定，且内径不得小于25毫米”。

　　但是，水封管的内径究竟应该根据什么样的公式去计算？这里没有具体加以规定。水封管的内径为何不能小于25mm？这里没有加以说明。

1 确定水封管内径的一种错误观点
　　有人说，可以按安全阀的排放量计算公式去间接确定水封管的内径。笔者认为这是不对的。理由如下：

　　其一，按流体力学，安全阀的局部阻碍因为其进出口呈直角型式，边壁是突变的，主流与边壁之间形成大尺度旋涡，蒸汽排放时能量损失很大；而水封管的边壁是渐变的，又不出现减速增压现象的部位，故蒸汽排放时的能量损失很小。其二，安全阀的出口之外肯定还有排汽管，它的排放量计算公式应该考虑这一额外的因素；而水封管却只相当于它的排汽管。其三，安全阀在排汽时，汽流还自始至终受到弹簧或者重锤施加的反方向作用力，能量损失非常之大；而水封管在排汽时却不会受到这样的反作用力，无此项能量损失。显然，安全阀排汽与水封管排汽区别太大，不能按安全阀排放量计算公式去确定水封管的内径。

2 用流体力学理论建立水封管内径计算方法
　　为了正确确定水封管的应有内径，我们有必要按流体力学的理论来分析一下水封管的流动阻力和能量损失。蒸汽流过水封管时的阻力损失ΔP等于水封管进口压力P1与出口压力P2之差。管道的阻力损失

　　ΔP＝Pa　　　　　　 （1）

　　式中λ—管道摩擦系数；
　　d —管道内径，m；
　　ρ—流体的密度，k g／m3；
　　u —流体在管内的流速，m／s；
　　L—平直管段的总长度，m；
　　Σξ—管道中各种局部阻力之和。

　　管道的摩擦系数λ值取决于流体流动的雷诺数Re 和管壁的相对粗糙度。管壁的相对粗糙度等于管壁的绝对粗糙度（即管壁内凸起高度）K与管内径d之比 。雷诺数

　　Re = (2)

　　式中ν－流体运动粘滞系数，m2／s；

　　其他符号说明同上。

　　由于水封管进出口压差通常大于40000Pa，排汽时的流速都大于100m／s ，雷诺数Re都大于80000000，所以蒸汽的流动状态为紊流流动，而且位于阻力平方区。在此　　区域内，摩擦阻力系数λ值仅取决于管壁的相对粗糙度，可以用尼古拉兹公式进行计算：

　　λ＝ （3）

　　一般管道的绝对粗糙度K=0.0002 m，但是水封管的直接接触大气的，在使用一段时间后，管内壁腐蚀必然较为严重，所以，笔者认为取K=0.0005 m才合理。这样，摩擦阻力系数λ值就完全可以确定了。

　　综合参考书2和3，笔者提出表1所列水封管的局部阻力系数ξ值。

水封管的局部阻力系数ξ值 表1 水封管

部位名称
水 封 管 内 径 （m m）

15
17
18
20
23
25
26
29
32
34
36
40
42
≥50

普通 90°弯头
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
0.5
0.5
0.5

煨制 90°弯头
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
0.5
0.5
0.5

U形煨制弯头
2.5
1.5
1.0

插入设备的入口
竖向
1.0

平向
1.0

平向骑座式入口
0.5

水封管出口
1.0

突然缩小
0.5

套管
0.5


　　将式（1）进行数学变换，可以得到水封管内流速u的计算公式： u =m/s (4)

　　至于流体的密度ρ，运动粘滞系数ν则可以从流体的物理参数表上查到。例如，压力为0.04MPa（表压）时，蒸汽的密度ρ=0.7943kg／m3，运动粘滞系数ν=16.06×10－6m2／s；压力为0.1MPa（表压）时，蒸汽的密度ρ=1.121kg／m3，运动粘滞系数ν=11.46×10－6m2／s 。水封管的阻力损失等于它的进出口压力之差。这样一来，我们只要根据水封管的进口压力P1（即设备额定压力）与出口压力P2（等于零）就可以计算出ΔP值；再采用试算法预先确定水封管的一个内径值d，根据水封管的结构从表1查得并计算出局部阻力系数之和∑ξ；将d值、K值代入式（3）可计算出摩擦阻力系数λ；根据d值可计算出水封管的横截面积A；然后根据式（4）计算出水封管排汽速度u ；最后根据下式就能够计算出水封管的排汽能力Q：

　　Q=3600uAρ kg / h (5)

　　只要计算出的排汽能力Q大于设备的最大蒸发量 ，即额定蒸发量D， 就可以认定我们预先确定的管径值是符合要求的。否则，还应加大管径d值重新进行试算，直到计算出的水封管排汽能力Q大于设备的额定蒸发量D。

　　对于水封保险器，笔者认为，只要按全部蒸汽都从主排汽管路通过，计算确定它应有的横截面积；然后计算出水封管排汽速度u；最后核算出水封管的排汽能力即可，不必考虑水箱下的那根小立管排汽所带来的影响。

3 结论
　　笔者曾对额定压力都是0.04MPa 、额定蒸发量分别为100kg /h 和50kg /h的小型汽水两用锅炉所用的、从封头竖向插入锅炉中、总高度为4m的水封管，用本文叙述的方法进行计算，规格依次为Φ29×3（内径为23mm）和Φ22×2.5（内径为17mm）的无缝钢管就分别符合要求。这两台锅炉于2001年先后在永州市冷水滩区一所学校和一家食品店使用。在当年对它们进行的水封管排汽试验结果是：锅炉汽压一旦达到0.04MPa ，水封管出口就马上冒水，蒸汽大量喷出： 不到30秒钟锅炉压力就下降到0.03MPa 。在排汽的整个过程中未见压力表指示值有向上偏移，从而证明了本文的计算方法是可靠的。

参考书
　　1.周谟仁主编《流体力学 泵与风机》中国建筑工业出版 1979
　　2.高等学校试用教材《供热工程》（第二版）中国建筑工业出版社 1985
　　3.А．М．Латышенков 、 В．Г．Лобачев《Гидравлика》 1956

作者简介：
　　胡石山 男 1946年1月生 大学 高级工程师 425000 湖南省永州市冷水滩区劳动街2号 市劳动局大院