有效清除水锤现象

作者:KARIM MAHRAZ 发布时间:2020-04-02
评估并尽量消除液体采集系统的水锤现象——水锤现象这一普遍但经常未能清理的故障会给所有液体采样系统带来重大威胁。水锤式敲击可能潜伏在系统当中,也可能随时破坏液体系统部件。

对于工厂运营来说,水锤现象难以查清,并会扰乱运行和损坏设备。在家用水管领域,水锤现象是十分常见的。在突然关掉水龙头时,水管里会发出一种敲击声。而在精心调校好的液体采样系统中,水锤现象则会造成更为严重的后果,这样一种突然出现的压力冲击尖峰足以损坏压力表、流量表、水泵和其它敏感的关键工艺组件,并且有可能波及整个系统。如果这种压力脉动强度足够强,甚至可以造成管道或管端接头破裂,如果系统内流动的是有毒或高温液体时,更会导致危险的状况发生。


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当突然关闭阀门而导致液体流动停止时,就有可能出现水锤现象。在典型采样系统当中,水锤故障的根本原因经常被人忽视或错误判断。如果系统的最大过程压力不超过其设计的最大值时,那么超出来的压力来自何处?如果运营方知道从哪些原因着手分析水锤现象,并知道应采取哪些正确措施,就可以识别、估算和尽量减轻水锤现象。本文将更深入地解释水锤现象发生时采样系统内部出现的状况。

原因和影响


当阀门关闭并导致液体流动中断时,必须采取一些机制来吸收液体的流动动量,这样液体才能停止下来。该液体具有较大的重量并且流速较快,让液体得以减速的作用力会形成一种压力冲击波。这种冲击波源自于液体受到的压缩作用以及管壁的变形作用,所生成的压力冲击波将在管道内向上游传播。


这种冲击波发生速度很快,通常会快至典型比例泄压阀无法发挥其预定功能的程度。这种快速出现的压力尖峰也可能导致泄压阀爆破片破裂,但这种破裂一般发生得过晚,以致无法减轻上游传感器或流量表遭受的严重损坏,而这些上游部件在泄压阀开启泄压之前已经承受了压力尖峰带来的全部作用力。


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图1 本示意图显示了采用针形阀隔离和旁路快速回路流量的采样系统,阀门的慢速关断流动可以尽量减少水锤现象

因此解决水锤问题的第一步是估算这种冲击现象给系统造成的压力尖峰值。我们可以采用儒可夫斯基方程来计算此值。这里取采样液体密度为p,此方程用于估算当液体流速u突然变化时,相对于压力脉动ΔP的水锤现象波幅:ΔP = c·p·Δu,参数c为实际运行条件下液体内部声速。例如,20℃时水内声速约为1 400 m/s。因此,当阀门操作导致流速为1 m/s的水流突然断流时,计算得到的压力脉动值为:ΔP = 1 400 m/s-1 000 kg/m3 - 1 m/s,ΔP = 1.4 MPa。在上述例子中,结果为采样系统当中会出现1.4 MPa的额外压力,而运营方极有可能根本未对这一额外压力做出应对计划,系统也可能无法承受这一压力。如果系统流速高于1 m/s,则压力尖峰值会更高。


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图2 本示意图显示了一种快速回路的采样系统设计方案,其中采用分流而不是断流设计,能够彻底避免水锤现象,由一个共用手柄同时操作2个旁路阀门,阀门内部采用特殊通路设计,在关断一条通路之前,会先开启另一条通路


儒可夫斯基方程提供了一项理论尖峰压力值,但在实际条件下,尖峰压力可能没有这么高。只有在流速突然变化时,这种脉动才会形成作用力。下一步,精调计算过程可以在下列公式当中将这些实际条件纳入考虑(其L为液体管路的长度):t≥(2-L)/c,如果上例当中的水管长度为100 m,则:t≥(200/1 400)-s,t≥142 ms。在本例当中,t代表压力波向上游传播并反射回至阀门所用的时间。只有在反射回来的压力波返回并碰到一个关闭阀门时,完整的压力脉冲波才会形成。而上述计算结果表明,如果该阀门关闭用时超过142 ms,则脉冲波压力将低于计算所得压力,水锤脉冲波值将减至最小。

减少水锤现象


在家用水管系统当中,可在靠近水龙头处安装内含滞留气团的垂直管道,就可解决水锤现象,从而消除令人不安的管内敲击声。这种设计方案在理论上也适用于液体采样系统,但这样会形成一段盲管段,还会导致样品污染的现象。因此,这里要求采用差异化的方法,即通过管理流量来减轻水锤现象。

流量管理法


有一种可以更好管理流量的方案是采用缓慢截断流动并配备完全关断型阀座的多回转针形阀,而不采用会即时截断流动的球阀。球阀无法在不损坏阀门的条件下缓慢关闭(或节流)。球阀产生的突然断流可能造成敏感采样调节和输送系统内的重大压力冲击波,从而导致系统受损。而采用多回转式针形阀(如图1快速回路模块当中所示)系统允许操作者以较为缓慢的速度截断流体,可有效地将液体动量分布到较长时段内,尽量减少水锤冲击波。但是,应重点注意针形阀造成的压力降大于球阀,运营方如果采用了针形阀,则应确保系统供压足够大。


第2种流量管理方法是直接在系统内分流液体而不是截断液体流动。图2所示为一种快速回路系统,采用1个共用手柄来控制2个球阀,确保每个球阀都不能独立开闭。这里可以采用1个带有特殊通路设计的三向阀,在主路径关闭之前开启一个旁路流动路径。在这样的系统当中,这些阀门从不关闭,这样就有效减少了水锤现象的发生。


即使在一个如上述设计的系统当中,阀门操作仍有可能造成微小的水锤现象,而相关的压力冲击波也有可能损坏压力表。安装压力波阻尼器可以尽量减少这种可能性,保持可能暴露于意外压力冲击波危害下的压力表。压力波阻尼器可以直接放缓压力表的响应速度,保持压力表不受管路内发生的所有瞬态压力冲击波的影响。


水锤现象在任何液体采样系统中都会造成影响,包括维护、停机时间问题以及潜在危险等。在设计系统时,设计人员应遵循一些基本的设计提示,防止系统被水锤问题影响。


水锤现象预防核查清单
采用儒可夫斯基方程估算水锤现象幅度;
采用针形阀关断样品管路;
考虑分流方案而不是完全截流方案;
在整个系统内采用压力波阻尼器以保护压力表;
这些设计提示将有助于系统有效减轻水锤现象,从而提升系统安全性、减少维护工作量,并尽量缩短系统停运时间。


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