Проблем, който се проявява, когато най-малко го очаквате
Бях извикан в пречиствателна станция преди около шест години. Операторите имаха проблем, който не можеха да решат. Всеки път, когато главната трансферна помпа се изключваше, през тръбопровода-се чуваше силно туптене от контролната зала. Дневниците за поддръжка показват, че са подменили три манометъра, два възвратни клапана и една секция от 200 mm тръба през предходните осемнадесет месеца. Тръбата за смяна беше посочена по-дебела от оригиналната, но туптенето продължи.
Проблемът беше воден чук. Системата беше проектирана без компенсационен резервоар и вълната на налягането, генерирана от спирането на помпата, надвишаваше номиналното налягане на тръбата със значителна граница. По-дебелата тръба лекуваше симптома, а не причината. Монтирахме хидропневматикразширителен резервоарпри нагнетателния колектор на помпата-оразмерен според дебита на системата и дължината на тръбопровода-и туптенето изчезна. Датчиците спряха да се чупят. Това беше преди шест години и танкът все още е в експлоатация.
Това е проблемът, който разширителните резервоари решават. Те не са сложни устройства, но техният избор и оразмеряване изискват ясно разбиране на динамиката на системата, а последствията от погрешното пускане са измерими в откази на оборудването и прекъсвания.
Физиката на водния чук
Механизмът е ясен. Течност, движеща се през тръбопровод, има импулс. Когато вентилът се затвори или помпата спре, този импулс се превръща в налягане-вълна на налягане, която се движи със скоростта на звука в течността, отразявайки се от краищата на тръбите и фитингите, докато се разсее. Големината на повишаването на налягането е функция на скоростта на течността, дължината на тръбата, времето за затваряне на клапана и еластичните свойства както на течността, така и на стената на тръбата.
Класическото уравнение на Joukowsky дава повишаването на налягането за моментално затваряне на клапана:
ΔP = ρ × a × ΔV
Където ΔP е повишаването на налягането, ρ е плътността на течността, a е скоростта на вълната (обикновено 1000 до 1200 m/s за вода в стоманена тръба), а ΔV е промяната в скоростта на течността.
ΔP = ρ × a × ΔV
За типична общинска водоснабдителна система със скорост на потока от 2 m/s, моменталното затваряне води до повишаване на налягането от приблизително 200 до 240 метра напор-достатъчно за спукване на повечето стандартни тръбопроводни системи. Това не е теоретично безпокойство. Проверих повреди, при които пикът на налягането надвишава номиналната стойност на тръбата с 300%, разцепване на фитинги и срязване на фланцови болтове.
Разширителният резервоар се справя с това, като осигурява обем свиваем флуид-обикновено въздух или азот, хванат в резервоара или отделен от мехур-, който абсорбира вълната на налягането. Когато вълната пристигне, газът се компресира, поглъщайки енергия, която иначе би била предадена на стените на тръбата.
Оразмеряване: където инженерната преценка има значение
Оразмеряването на компенсационния резервоар е-специфично изчисление за системата, а не основно правило. Зависи от дължината и диаметъра на тръбопровода, дебита, времето за затваряне на клапана, характеристиките на помпата и желаната граница на налягането.
Подходът за проектиране обикновено започва с определяне на необходимия обем на пренапрежение. За проста помпена система това включва изчисляване на масата на флуида, която трябва да се забави, и повишаването на налягането, което би настъпило без защита от пренапрежение, след което се определя обемът на резервоара, необходим за поддържане на налягането под избрана граница.
Консервативният подход използва следната рамка:
- Установете нормалното работно налягане и максимално допустимото налягане.
- Изчислете ударното налягане без защита, като използвате анализ на хидравличен преходен процес.
- Оразмерете резервоара така, че да поеме разликата между налягането на удара и допустимото налягане.
- Посочете налягането на газта за предварително зареждане (обикновено 80-90% от нормалното работно налягане за резервоари с мехур).
- Проверете избрания размер с помощта на софтуер за симулация на преходни процеси.
Виждал съм проекти, при които оразмеряването се основава на таблицата „един размер за всички“ на производителя. В един случай това доведе до резервоар с 40% по-малък размер. Пиковете на налягането по време на стартиране остават достатъчно високи, за да причинят повреда на седлото на клапана. Операторът инсталира втори резервоар успоредно шест месеца по-късно-общата цена беше почти двойно по-висока от тази, която би струвал предварително резервоар с подходящ размер.
Резервоари с мехур, хидро{0}}пневматични резервоари и отворени резервоари
Трите основни типа обслужват различни приложения и всеки има свои собствени характеристики в обслужването.
- Отворените компенсационни резервоари са прости и надеждни. По същество те са отворени съдове, свързани към тръбопровода, позволяващи на течността да тече навътре и навън, за да абсорбира промените в налягането. Те са най-подходящи за системи с относително ниско налягане и където качеството на водата позволява атмосферно излагане. Недостатъкът им е, че те изискват повдигане, за да функционират-те трябва да бъдат разположени над тръбопровода, за да осигурят гравитационен обратен път.
- Резервоарите с мехур са най-често срещаният тип в общинските и промишлени водни системи. Гъвкав мехур отделя газа от водата, предотвратявайки разтварянето на газа във водата. Това намалява поддръжката и поддържа постоянна производителност във времето. Материалът на мехура трябва да е съвместим с флуидната химия-EPDM за вода, Viton за въглеводороди и специализирани съединения за агресивни химикали.
- Хидро{0}}пневматичните резервоари използват обем уловен газ в пряк контакт с водата. Те са икономически-ефективни и лесни, но изискват периодично попълване на газа, тъй като той се разтваря във водата с течение на времето. Виждал съм хидро-пневматични резервоари в непрекъсната експлоатация в продължение на 25 години с рутинни годишни проверки и допълване-на газ-ангажимент за поддръжка, който е управляем, но не е задължителен.
Избор на материал: Повече от стомана
Самият компенсационен резервоар е съд под налягане и неговият дизайн трябва да отговаря на съответния код-ASME, раздел VIII в Северна Америка, EN 13445 в Европа и GB 150 в Китай. Но кодът сам по себе си не определя избора на материал.
- Въглеродната стомана е изборът по подразбиране за повечето приложения с вода и чисти течности. Той е икономически-ефективен и заваряем. Вътрешната повърхност трябва да бъде защитена от корозия или чрез епоксидно покритие за храна-, или чрез допускане на корозия в дизайна.
- Неръждаемата стомана е посочена, когато течността е корозивна или където стандартите за качество на водата го изискват. Посочих 304L за приложения с питейна вода, където клиентът изисква изцяло намокрени повърхности от неръждаема стомана, и 316L за приложения със съдържание на хлорид над 200 ppm. Премията за разходите обикновено е 2,5 до 3 пъти въглеродна стомана, но експлоатационният живот може да бъде удвоен или утроен.
- Композитните резервоари са все по-достъпни. Те предлагат спестяване на тегло и устойчивост на корозия, но обикновено са ограничени до по-ниско налягане и по-малки диаметри. Използвал съм FRP разширителни резервоари в химически завод, където течността беше леко кисела и резервоарът беше монтиран на надморска височина-спестеното тегло оправда по-високата единична цена.
Въпросът за-налягането на предварително зареждане
Една подробност, която често спъва операторите, е налягането на-зареждането с газ. За резервоарите с мехур, налягането при предварително зареждане трябва да бъде настроено на приблизително 80% до 90% от нормалното налягане в системата. Ако предварителното -зареждане е твърде високо, резервоарът не приема вода по време на удари; ако е твърде ниско, дъното на пикочния мехур достига преждевременно.
Спомням си случай, при който екип за поддръжка презареди 500-литров резервоар с мехур до грешно налягане - те го настроиха на 6 бара, когато системата работеше на 8 бара. Резервоарът прие вода по време на първия удар и след това мехурът достигна дъното, без да предлага допълнителна защита от удар. Системата претърпя воден удар, който повреди възвратен клапан. Събитието беше регистрирано и грешката беше коригирана, но цената за подмяна на клапана надхвърли бюджета за поддръжка за цялата година.
Подробности за инсталиране, които имат значение
Резервоарът трябва да бъде позициониран така, че да улови вълната, преди да достигне чувствително оборудване. Това обикновено означава монтаж на нагнетателния колектор на помпата, след възвратния клапан. Свързващият тръбопровод трябва да бъде възможно най-къс и прав, без остри завои, които биха могли да създадат загуби на налягане или ограничения на потока.
Виждал съм инсталации, при които свързващата тръба е била под размер. Ударът се разпространи в резервоара, но ограничението в тръбата причини спад на налягането, което намали ефективността на резервоара. Производителят е посочил минимален размер на връзката от 80 mm; монтажникът използва 50 мм, защото беше по-евтино и по-лесно за поставяне. Резултатът беше система, която все още изпитваше достатъчно пикове на налягането, за да повреди леглата на клапаните.
Индустриални стандарти и съответствие с кодекса
В Северна Америка API 650 и API 620 осигуряват рамката за проектиране на голям резервоар за резервоар. ASME Раздел VIII, Раздел 1 е приложимият код за по-малки разширителни резервоари за съдове под налягане. В Европа EN 13445 е стандартна референция. В Китай GB 150 обхваща съдове под налягане.
Спазването на тези кодове не е задължително. В допълнение към стандартите за проектиране резервоарът трябва да бъде подпечатан с приложимата маркировка за сертифициране-ASME U-печат в Северна Америка, маркировка CE в Европа.
Работил съм по проекти, при които дизайнът беше определен за API 650, но производството беше в страна, където съответствието с API обикновено не се прилага. Качеството на заваръчния шев беше непостоянно и документацията за NDT беше непълна. Трябваше да отхвърлим първия резервоар и да -произведем отново кораба, добавяйки шест седмици към проекта.
Анализ на преходни процеси: Симулацията, която спестява пари
Традиционният подход за оразмеряване на компенсационния резервоар-с помощта на емпирични формули и марж на безопасност-е до голяма степен заменен от изчислителен анализ на преходните процеси. Софтуерни пакети като HAMMER, AFT Impulse и Flowmaster симулират поведението на системата, моделират времето за затваряне на клапаните, пусковите-криви на помпата и характеристиките на тръбата, за да предскажат с точност скокове на налягане.
В един проект 3 км тръбопровод с междинна нагнетателна станция беше моделиран в HAMMER. Анализът показа, че един резервоар за компенсация от 3000-литра в помпената станция може да контролира ударите на налягането в цялата система. Без симулацията клиентът беше готов да инсталира три резервоара в различни точки по тръбопровода. Симулацията потвърди, че един е достатъчен и позициониран оптимално. Цената на резервоара беше приблизително $18 000; подходът с три резервоара би струвал $45 000 плюс допълнителни тръбопроводи.
Това не е изключителен случай. Анализът на преходните процеси вече не е специализиран инструмент за големи проекти-това е стандартна инженерна процедура, която трябва да бъде част от всяка спецификация на компенсационния резервоар.
Поддръжка на разширителен резервоар през експлоатационния му живот
Самият разширителен резервоар е компонент с ниска поддръжка-. Предварителното -зареждане с газ трябва да се проверява на тримесечие и да се коригира, ако е необходимо. Мехурът (ако има) трябва да се проверява по време на планирани спирания-производителят на резервоара предоставя препоръчителен интервал за проверка, обикновено на всеки две до три години.
Виждал съм резервоари с пикочен мехур, които са работили десет години без проверка, и мехурът е станал крехък, образувайки пукнатини, които позволяват на газа да изтича. Резервоарът продължи да функционира, но с намален капацитет. По времето, когато проблемът беше открит по време на надстройка на системата, резервоарът работеше с приблизително 40% от номиналния си капацитет за абсорбиране на пренапрежения.
Свързващите тръбопроводи и вентили изискват периодична проверка за корозия и износване. Изолационният вентил трябва да се проверява всяка година, за да се гарантира, че се затваря напълно. Манометърът трябва да се калибрира спрямо референтен стандарт, а предпазният предпазен клапан трябва да се тества при зададеното налягане, обикновено на всяка година или две.
Когато разширителният резервоар не е достатъчен
Има ситуации, при които резервоарът сам по себе си не осигурява адекватна защита. Дългите тръбопроводи с множество бустерни станции често имат сложно хидравлично поведение. В тези приложения компенсационните резервоари могат да се комбинират с други защитни устройства.
- Предпазните клапани се отварят, когато налягането надвиши зададената точка, отклонявайки потока към резервоар или зона за задържане. Те действат бързо-, отварят се за милисекунди, но не абсорбират енергия по начина, по който го прави резервоарът.
- Въздушните клапани във високите точки на тръбопровода предотвратяват образуването на вакуум по време на преходни събития. Те са критични в системи със значителни промени в надморската височина.
- Понякога се определя контролирано затваряне на клапана, за да се позволи на клапана да се затвори за период от секунди, а не мигновено. Това не изисква резервоар, но често се комбинира с компенсационни резервоари за цялостна защита.
Последна бележка относно обосновката на разходите
Бизнес аргументът за компенсационните резервоари не се основава само на цената на тръбите. Базира се на разходите за непланиран престой, ремонт на оборудване и труд, необходим за реагиране на системни повреди.
Виждал съм един завод, където инсталацията на резервоар за компенсация струва $20 000. Очакваното намаление на подмяната на клапаните и ремонтите на тръбите се оценява на 5000 долара годишно. Срокът за изплащане беше четири години. Но заводът преди това не е проследявал разходите за престой. Когато мениджърът по поддръжката започна да регистрира неизправности, той откри, че събитията от воден чук са допринесли за средно 3 непланирани спирания на година, всяко от които струва приблизително $4000 за загуба на производство и ремонт. Разширителният резервоар беше инсталиран, спиранията спряха и периодът на изплащане беше малко над една година.
Числата са различни за всяка система, но аритметиката е последователна. Защитата от пренапрежение не е разход; това е капиталова инвестиция в надеждността на системата.
Заключителни мисли
Бях викан в твърде много заводи, за да открия, че резервоарът за компенсация е пропуснат от проекта или че резервоарът, който е инсталиран, е с неправилни размери или поддръжка. Във всеки случай повредата не беше техническа грешка-, а неспособност да се разбере динамиката на системата и последствията от тази повреда бяха измерени в разходи за ремонт и загуба на производство.
Разширителният резервоар не е сложно устройство. Изборът му изисква познаване на системата: дължината на тръбопровода, дебитите, характеристиките на затваряне на клапана и допустимите граници на налягането. Когато тези фактори се вземат предвид правилно, резервоарът изпълнява своята функция тихо и надеждно в продължение на десетилетия.
Ако посочвате система с риск от пренапрежение, не оставяйте избора на резервоар на доставчика на оборудването, без да му предоставите пълните данни за системата. Не използвайте „правило на палеца“, освен ако не сте готови да приемете последствията от грешно решение. И ако оценявате система, която вече изпитва воден удар, не отлагайте разследването. Следващият скок на налягането може да бъде този, който причинява голяма повреда.