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有效清除水錘現(xiàn)象

2020-06-08 09:26KARIMMAHRAZ
流程工業(yè) 2020年3期
關(guān)鍵詞:水錘球閥壓力表

文/KARIM MAHRAZ

工廠內(nèi),水錘現(xiàn)象可能難以查清,并會(huì)擾亂運(yùn)行和損壞設(shè)備

評(píng)估并盡量消除液體采集系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象——水錘現(xiàn)象這一普遍但經(jīng)常未能清理的故障會(huì)給所有液體采樣系統(tǒng)帶來(lái)重大威脅。水錘式敲擊可能潛伏在系統(tǒng)當(dāng)中,也可能隨時(shí)破壞液體系統(tǒng)部件。

對(duì)于工廠運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō),水錘現(xiàn)象難以查清,并會(huì)擾亂運(yùn)行和損壞設(shè)備。在家用水管領(lǐng)域,水錘現(xiàn)象是十分常見(jiàn)的。在突然關(guān)掉水龍頭時(shí),水管里會(huì)發(fā)出一種敲擊聲。而在精心調(diào)校好的液體采樣系統(tǒng)中,水錘現(xiàn)象則會(huì)造成更為嚴(yán)重的后果,這樣一種突然出現(xiàn)的壓力沖擊尖峰足以損壞壓力表、流量表、水泵和其它敏感的關(guān)鍵工藝組件,并且有可能波及整個(gè)系統(tǒng)。如果這種壓力脈動(dòng)強(qiáng)度足夠強(qiáng),甚至可以造成管道或管端接頭破裂,如果系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的是有毒或高溫液體時(shí),更會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的狀況發(fā)生。

當(dāng)突然關(guān)閉閥門(mén)而導(dǎo)致液體流動(dòng)停止時(shí),就有可能出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。在典型采樣系統(tǒng)當(dāng)中,水錘故障的根本原因經(jīng)常被人忽視或錯(cuò)誤判斷。如果系統(tǒng)的最大過(guò)程壓力不超過(guò)其設(shè)計(jì)的最大值時(shí),那么超出來(lái)的壓力來(lái)自何處?如果運(yùn)營(yíng)方知道從哪些原因著手分析水錘現(xiàn)象,并知道應(yīng)采取哪些正確措施,就可以識(shí)別、估算和盡量減輕水錘現(xiàn)象。本文將更深入地解釋水錘現(xiàn)象發(fā)生時(shí)采樣系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的狀況。

原因和影響

當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉并導(dǎo)致液體流動(dòng)中斷時(shí),必須采取一些機(jī)制來(lái)吸收液體的流動(dòng)動(dòng)量,這樣液體才能停止下來(lái)。該液體具有較大的重量并且流速較快,讓液體得以減速的作用力會(huì)形成一種壓力沖擊波。這種沖擊波源自于液體受到的壓縮作用以及管壁的變形作用,所生成的壓力沖擊波將在管道內(nèi)向上游傳播。

這種沖擊波發(fā)生速度很快,通常會(huì)快至典型比例泄壓閥無(wú)法發(fā)揮其預(yù)定功能的程度。這種快速出現(xiàn)的壓力尖峰也可能導(dǎo)致泄壓閥爆破片破裂,但這種破裂一般發(fā)生得過(guò)晚,以致無(wú)法減輕上游傳感器或流量表遭受的嚴(yán)重?fù)p壞,而這些上游部件在泄壓閥開(kāi)啟泄壓之前已經(jīng)承受了壓力尖峰帶來(lái)的全部作用力。

因此解決水錘問(wèn)題的第一步是估算這種沖擊現(xiàn)象給系統(tǒng)造成的壓力尖峰值。我們可以采用儒可夫斯基方程來(lái)計(jì)算此值。這里取采樣液體密度為p,此方程用于估算當(dāng)液體流速u(mài) 突然變化時(shí),相對(duì)于壓力脈動(dòng)ΔP 的水錘現(xiàn)象波幅:ΔP= c·p·Δu,參數(shù)c 為實(shí)際運(yùn)行條件下液體內(nèi)部聲速。例如,20℃時(shí)水內(nèi)聲速約為1 400 m/s。因此,當(dāng)閥門(mén)操作導(dǎo)致流速為1 m/s 的水流突然斷流時(shí),計(jì)算得到的壓力脈動(dòng)值為:ΔP = 1 400 m/s-1 000 kg/m3- 1 m/s,ΔP = 1.4 MPa。在上述例子中,結(jié)果為采樣系統(tǒng)當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)1.4 MPa 的額外壓力,而運(yùn)營(yíng)方極有可能根本未對(duì)這一額外壓力做出應(yīng)對(duì)計(jì)劃,系統(tǒng)也可能無(wú)法承受這一壓力。如果系統(tǒng)流速高于1 m/s,則壓力尖峰值會(huì)更高。

儒可夫斯基方程提供了一項(xiàng)理論尖峰壓力值,但在實(shí)際條件下,尖峰壓力可能沒(méi)有這么高。只有在流速突然變化時(shí),這種脈動(dòng)才會(huì)形成作用力。下一步,精調(diào)計(jì)算過(guò)程可以在下列公式當(dāng)中將這些實(shí)際條件納入考慮(其L 為液體管路的長(zhǎng)度):t ≥(2-L)/c,如果上例當(dāng)中的水管長(zhǎng)度為100 m,則:t ≥(200/1 400)-s,t ≥142 ms。在本例當(dāng)中,t 代表壓力波向上游傳播并反射回至閥門(mén)所用的時(shí)間。只有在反射回來(lái)的壓力波返回并碰到一個(gè)關(guān)閉閥門(mén)時(shí),完整的壓力脈沖波才會(huì)形成。而上述計(jì)算結(jié)果表明,如果該閥門(mén)關(guān)閉用時(shí)超過(guò)142 ms,則脈沖波壓力將低于計(jì)算所得壓力,水錘脈沖波值將減至最小。

圖1 本示意圖顯示了采用針形閥隔離和旁路快速回路流量的采樣系統(tǒng),閥門(mén)的慢速關(guān)斷流動(dòng)可以盡量減少水錘現(xiàn)象

圖2 本示意圖顯示了一種快速回路的采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,其中采用分流而不是斷流設(shè)計(jì),能夠徹底避免水錘現(xiàn)象,由一個(gè)共用手柄同時(shí)操作2 個(gè)旁路閥門(mén),閥門(mén)內(nèi)部采用特殊通路設(shè)計(jì),在關(guān)斷一條通路之前,會(huì)先開(kāi)啟另一條通路

減少水錘現(xiàn)象

在家用水管系統(tǒng)當(dāng)中,可在靠近水龍頭處安裝內(nèi)含滯留氣團(tuán)的垂直管道,就可解決水錘現(xiàn)象,從而消除令人不安的管內(nèi)敲擊聲。這種設(shè)計(jì)方案在理論上也適用于液體采樣系統(tǒng),但這樣會(huì)形成一段盲管段,還會(huì)導(dǎo)致樣品污染的現(xiàn)象。因此,這里要求采用差異化的方法,即通過(guò)管理流量來(lái)減輕水錘現(xiàn)象。

流量管理法

有一種可以更好管理流量的方案是采用緩慢截?cái)嗔鲃?dòng)并配備完全關(guān)斷型閥座的多回轉(zhuǎn)針形閥,而不采用會(huì)即時(shí)截?cái)嗔鲃?dòng)的球閥。球閥無(wú)法在不損壞閥門(mén)的條件下緩慢關(guān)閉(或節(jié)流)。球閥產(chǎn)生的突然斷流可能造成敏感采樣調(diào)節(jié)和輸送系統(tǒng)內(nèi)的重大壓力沖擊波,從而導(dǎo)致系統(tǒng)受損。而采用多回轉(zhuǎn)式針形閥(如圖1快速回路模塊當(dāng)中所示)系統(tǒng)允許操作者以較為緩慢的速度截?cái)嗔黧w,可有效地將液體動(dòng)量分布到較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi),盡量減少水錘沖擊波。但是,應(yīng)重點(diǎn)注意針形閥造成的壓力降大于球閥,運(yùn)營(yíng)方如果采用了針形閥,則應(yīng)確保系統(tǒng)供壓足夠大。

第2 種流量管理方法是直接在系統(tǒng)內(nèi)分流液體而不是截?cái)嘁后w流動(dòng)。圖2 所示為一種快速回路系統(tǒng),采用1 個(gè)共用手柄來(lái)控制2 個(gè)球閥,確保每個(gè)球閥都不能獨(dú)立開(kāi)閉。這里可以采用1 個(gè)帶有特殊通路設(shè)計(jì)的三向閥,在主路徑關(guān)閉之前開(kāi)啟一個(gè)旁路流動(dòng)路徑。在這樣的系統(tǒng)當(dāng)中,這些閥門(mén)從不關(guān)閉,這樣就有效減少了水錘現(xiàn)象的發(fā)生。

即使在一個(gè)如上述設(shè)計(jì)的系統(tǒng)當(dāng)中,閥門(mén)操作仍有可能造成微小的水錘現(xiàn)象,而相關(guān)的壓力沖擊波也有可能損壞壓力表。安裝壓力波阻尼器可以盡量減少這種可能性,保持可能暴露于意外壓力沖擊波危害下的壓力表。壓力波阻尼器可以直接放緩壓力表的響應(yīng)速度,保持壓力表不受管路內(nèi)發(fā)生的所有瞬態(tài)壓力沖擊波的影響。

水錘現(xiàn)象在任何液體采樣系統(tǒng)中都會(huì)造成影響,包括維護(hù)、停機(jī)時(shí)間問(wèn)題以及潛在危險(xiǎn)等。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循一些基本的設(shè)計(jì)提示,防止系統(tǒng)被水錘問(wèn)題影響。

水錘現(xiàn)象預(yù)防核查清單

●采用儒可夫斯基方程估算水錘現(xiàn)象幅度;

●采用針形閥關(guān)斷樣品管路;

●考慮分流方案而不是完全截流方案;

●在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)采用壓力波阻尼器以保護(hù)壓力表;

這些設(shè)計(jì)提示將有助于系統(tǒng)有效減輕水錘現(xiàn)象,從而提升系統(tǒng)安全性、減少維護(hù)工作量,并盡量縮短系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間。

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