Применение концепций закрытия клапанов к сложным технологическим трубопроводным системам

Явление, называемое гидравлическим ударом, может привести к опасным сценариям, таким как обрушение труб и срыв труб с опор. Гидравлический удар возникает, когда большие или малые скачки давления быстро проходят через систему трубопроводов. Это не только звучит ужасно, но и может быть невероятно разрушительным. Гидравлический удар — это процесс, которому подвергается трубопроводная система при переходе от одного установившегося режима работы к другому. Он присутствует во всех трубопроводных системах, а не только в системах водоснабжения. Гидравлический удар может быть вызван запланированными эксплуатационными изменениями, а также внезапными незапланированными сбоями.

Иногда пользователи утверждают, что в их системе нет гидроудара, что не соответствует действительности. Даже при запуске насоса в систему попадает гидроудар. Что является причиной гидравлического удара и насколько серьезным он может быть – вот что необходимо определить.

Нормы трубопроводов B31.3 и B31.4 Американского общества инженеров-механиков (ASME) являются стандартами, которые широко применимы к трубопроводным системам.1 В разделе 301.2.2 стандарта ASME B31.3 для технологических трубопроводов обсуждаются требования к сдерживанию или сбросу давления. В разделе 301.2.2 говорится следующее:

а) Должны быть предусмотрены меры для безопасного сдерживания или сброса любого давления, которому может подвергнуться трубопровод. Трубопроводы, не защищенные устройством сброса давления или которые могут быть изолированы от устройства сброса давления, должны быть рассчитаны как минимум на самое высокое давление, которое может быть создано.

б) Источники давления, которые следует учитывать, включают влияние окружающей среды, колебания и скачки давления, неправильную эксплуатацию, разложение нестабильных жидкостей, статический напор и отказ устройств управления.

в) Допуски по п. 302.2.4(f) допускаются при условии соблюдения других требований п. Зона 302.2.4 также встретилась.

Это требует, чтобы конструкция системы учитывала высокие давления. В других разделах обсуждается, что такое случайные колебания давления и что можно допустить. ASME B31.4 «Трубопроводные системы транспортировки жидких углеводородов и других жидкостей» также рассматривает внутренние расчетные давления и упоминает, что «повышение давления выше максимального установившегося рабочего давления из-за скачков давления и других отклонений от нормальных операций допускается в соответствии с параграфом 31.4». 402.2.4». В разделе 402.2.4 говорится: «Должны быть выполнены расчеты помпажа, а также должны быть предусмотрены соответствующие средства управления и защитное оборудование, чтобы уровень повышения давления из-за скачков и других отклонений от нормальной работы не превышал внутреннего расчетного давления ни при каких условиях. точки в системе трубопроводов и оборудовании более чем на 10%».

В целом, гидравлические удары и скачки давления должны быть количественно оценены и устранены для защиты системы. Гидравлический удар может быть нанесен разными способами. Классическим примером является быстрое закрытие клапана, и его часто используют для описания концепции гидравлического удара. В литературе о гидравлическом ударе события быстрого закрытия клапана довольно часто рассматриваются как наиболее потенциальные катастрофические причины гидравлического удара. Однако гидравлический удар также может быть вызван событиями отключения насоса, событиями запуска насоса, избыточным давлением, вызывающим открытие и закрытие предохранительных клапанов, выходом из строя регулирующих клапанов, захлопыванием обратных клапанов и т. д.

В классическом примере быстрого закрытия клапана, часто используемом для описания гидравлического удара, обычно обсуждается уравнение Жуковского, которое используется для расчета максимального теоретического скачка давления для мгновенного события. Уравнение Жуковского зависит от плотности жидкости, волновой скорости жидкости и изменения скорости.2 Уравнение Жуковского можно применять ко всему, что вызывает мгновенное изменение скорости. Использование уравнения Жуковского для определения максимального теоретического пикового давления является полезной отправной точкой. Однако бывают случаи, когда скачки давления могут быть больше, чем предсказывает уравнение.

Примером случаев, когда это может произойти, является наличие переходной кавитации в системе или насадке линии. При этом пример быстрого закрытия клапана — отличный способ получить представление о гидравлическом ударе. Доступны различные методы количественной оценки реакции давления во время гидравлического удара, и эти расчеты могут быть сложными и трудоемкими. Одним из методов является метод характеристик, который решает переходные уравнения баланса массы и импульса на основе характеристической сетки.4 Применение этих расчетов к примеру закрытия клапана для определения того, как ударное давление на клапане изменяется со временем, не представляет особых сложностей. Проблема заключается в том, что литература часто демонстрирует пример быстрого закрытия клапана в контексте одного прямого пути потока трубы с водой и редко дает рекомендации или демонстрирует расчеты для более сложной системы с несколькими путями потока, насосами, устройствами подавления пульсаций и т. д.