Опасность гидравлических ударов

выбрано
energybase

Определение (и минимизация) гидравлических ударов в системе отбора жидких проб — распространенная, но зачастую не опознанная проблема, которая представляет существенную угрозу для любой системы отбора жидких проб.

Эта проблема именуется гидравлическим ударом, она может притаиться в системе и быть готовой к нанесению серьезного вреда компонентам системы с жидкой средой.

Как смягчить гидравлические удары?

Явление гидравлического удара может быть хорошо знакомо благодаря водопроводной системе, имеющейся в любом доме. Это звук удара в трубе, когда внезапно перекрывается кран. Но в точно отрегулированных системах отбора жидких проб последствия более серьезны. Это внезапный скачок давления, достаточно сильный, чтобы повредить и разрушить многочисленные манометры, расходомеры, насосы и другие чувствительные, критические компоненты оборудования, он может создавать ударные импульсы по всей системе без какого-либо явного предупреждения. Если ударный импульс достаточно мощный, то он может даже разорвать трубопровод или оборвать торцевые соединения, что может быть очень опасно, если система содержит токсичные жидкости и/или высокотемпературные среды.

Гидравлические удары могут приводить в замешательство, могут быть разрушительными и пагубными для любого эксплуатирующего предприятия. Такое происходит, когда клапан внезапно закрывается и поток жидкости останавливается. В стандартных системах отбора проб зачастую суть проблемы можно не разглядеть, или неправильно диагностировать. Максимально допустимое технологическое давление системы не превышает расчетное, так откуда же берется дополнительное давление?

К счастью, оператор может идентифицировать, оценить и свести к минимуму гидравлический удар, если известно, что следует искать, и правильные действия, которые необходимо предпринять для смягчения последствий. Давайте более подробно рассмотрим, что происходит внутри системы отбора проб, когда происходит гидравлический удар.

Понятие гидравлического удара: Причина и последствия

Когда клапан закрывается и перекрывает поток жидкости, что-то должно поглотить инерцию движения этой жидкости, чтобы остановить его. Из-за того, что жидкость тяжелая и движется быстро, сила, необходимая для замедления скорости жидкости, создает скачок давления. Быстрое повышение давления возникает в результате сжатия жидкости и деформации стенок трубы; возникающая в результате этого волна давления движется далее по течению в трубе.

Этот скачок происходит быстро, обычно слишком быстро, чтобы стандартный пропорциональный предохранительный клапан смог сработать по назначению. Быстрый скачок давления вызывает срабатывание разрывного диска предохранительного клапана, как и положено, но это произойдет слишком поздно, чтобы снизить существенные повреждения датчиков или расходомеров, установленных далее по потоку. Эти компоненты уже примут на себя всю силу скачка давления до того, как сработает предохранительный клапан.

Явная и непосредственная опасность: Как смягчить угрозу

Первым этапом решения проблем гидравлического удара является оценка воздействия, которое скачки давления оказывают на систему. Определите это, воспользовавшись довольно простым расчетом, который известен как уравнение Жуковского. Используя плотность пробы жидкости (ρ), уравнение дает величину импульса давления по отношению к гидравлическому удару (ΔP), который возникает, когда скорость жидкости (u) внезапно изменяется на Δu, а именно:

ΔP = c · ρ · Δu

Параметр с — это скорость звука в жидкости в реальных условиях эксплуатации. Например, скорость звука в воде при температуре 20 °C составляет примерно 1 400 м/с. Поэтому, когда срабатывание клапана внезапно останавливает поток воды со скоростью 1 м/с, расчётный импульс давления будет равен:

ΔP = 1 400 м/с x 1000 кг/м3 x 1 м/с

ΔP = 1 400 кПа

В приведенном выше примере в результате получаем 14 бар дополнительного давления в системе отбора проб, которое, вероятнее всего, не было запланировано и может не допускаться системой. Если поток в системе протекает со скоростью, превышающей 1 м/с, скачок давления будет еще выше.

Уравнение Жуковского дает теоретическое импульсное давление, но в реальных условиях импульс может быть не таким высоким. Полная сила импульса развивается только тогда, когда происходит резкое изменение скорости, особенно когда Δu происходит в течение заданного периода времени (t). Далее настроим расчет, с учетом этих условий при помощи следующего уравнения (где L — длина трубопровода для жидкости):

t ≥ (2·L)/c

Если длина трубопровода воды в примере более, чем 100 м, тогда:

t ≥ (200/1400)/с

t ≥ 142 мс

В данном примере t — это время, необходимое для распространения волны давления вверх по течению и возврата обратно к клапану. Импульс полного давления возникает только тогда, когда отраженная волна давления возвращается для обнаружения закрытого клапана. Приведенный выше результат указывает на то, что импульс будет меньше расчетного давления, если для закрытия клапана потребуется более 142 мс. Другими словами, импульс гидравлического удара можно минимизировать, настроив клапан на срабатывание на более длительный период времени, чем 142 мс.

Минимизация гидравлического удара

В домашних водопроводных системах проблему гидравлического удара можно решить, установив возле каждого крана вертикальные трубы, в которых будет находиться захваченный воздух, что исключит неприятный звук удара.

Теоретически такая конструкция могла бы работать и в системах отбора жидких проб, но, к сожалению, это создало бы тупиковую ветку трубопровода, что может привести к недопустимому загрязнению проб. Таким образом, необходим другой подход; такой, который будет регулировать поток, смягчая гидравлические удары.

Одним из вариантов лучшего регулирования потока является использование многооборотных игольчатых клапанов с герметичными запорными седлами для медленного отсечения потока, а не шаровых клапанов, которые мгновенно останавливают поток.

Игольчатые клапаны для плавного отсечения потока
Игольчатые клапаны для плавного отсечения потока

Шаровые клапаны не могут закрываться плавно (или дросселировать), не повреждая конструкцию клапана. Внезапное прекращение потока через шаровой клапан может вызвать значительные скачки давления в чувствительных системах охлаждения и транспортировки проб и привести к нарушению ее работы. Система, оснащенная многооборотными игольчатыми клапанами, позволяет более медленно останавливать поток, эффективно рассеивая инерцию движения жидкости в течение более длительного периода времени, сводя к минимуму импульсы гидравлического удара. Также важно отметить, что несмотря на то, что игольчатые клапаны будут вызывать больше перепадов давления, чем шаровые клапаны, операторы должны быть уверены, что давления, подаваемого в систему, будет достаточно для использования игольчатых клапанов.

Управление потоком в системах с текучей средой

Второй метод управления потоком состоит в простом отведении потока жидкости в системе вместо его приостановки. Например, система с быстродействующим контуром с общим рычагом управления, который регулирует работу двух перепускных клапанов, исключая независимое срабатывание каждого клапана. Можно использовать трехходовой шаровой клапан со специализированным расположением каналов, открывающий поток на байпас до того, как закроется основной канал. В такой системе клапаны никогда не перекрываются, что эффективно исключает возможность возникновения гидравлического удара.

Даже если система спроектирована так, как описано, срабатывание клапана может все же вызвать небольшой гидравлический удар, а связанные с этим скачки давления могут повредить манометры. Установка гасителей пульсаций давления может свести к минимуму эту возможность и защитить все манометры, которые могут подвергаться непреднамеренному скачку давления. Гаситель пульсаций давления просто замедляет отклик манометра, защищая его от полного переходного импульса давления, возникающего в трубопроводе.

Соответствует ли Ваша система современным требованиям?

Гидравлические удары могут вызывать проблемы в работе любой системы отбора жидких проб, в том числе трудности, связанные с техническим обслуживанием, простоями и потенциально опасные ситуации.

При проектировании системы придерживайтесь следующих общих рекомендаций, чтобы защитить ее от воздействий гидравлического удара:

  • Используйте уравнение Жуковского для оценки гидравлического удара.
  • Используйте игольчатые клапаны для перекрытия трубопроводов отбора проб.
  • Рассмотрите вариант с отведением потока вместо полного перекрытия.
  • Используйте гасители пульсаций давления для защиты манометров на протяжении всей системы.

Эти советы помогут эффективно смягчить гидравлический удар, повышая, тем самым, уровень безопасности системы, сокращая потребности в техническом обслуживании и сводя к минимуму время простоев.


Материал предоставлен Компанией Swagelok Россия, Оригинал статьи https://www.process-worldwide…