Problema, kuri pasirodo tada, kai to mažiausiai tikitės
Prieš kokius šešerius metus buvau iškviestas į vandens valymo įrenginius. Operatoriai turėjo problemą, kurios jie negalėjo išspręsti. Kiekvieną kartą, kai išsijungdavo pagrindinis perpylimo siurblys, vamzdynu pasigirsdavo stiprus trenksmas,-girdimas iš valdymo patalpos. Techninės priežiūros žurnalai parodė, kad per pastaruosius aštuoniolika mėnesių buvo pakeisti trys slėgio matuokliai, du atbuliniai vožtuvai ir viena 200 mm vamzdžio dalis. Pakaitinis vamzdis buvo nurodytas storesnis nei originalus, tačiau dunksėjimas tęsėsi.
Problema buvo vandens plaktukas. Sistema buvo suprojektuota be viršįtampio rezervuaro, o siurblio išjungimo sukelta slėgio banga gerokai viršijo vamzdžio slėgio normą. Storesnis vamzdis gydė simptomą, o ne priežastį. Sumontavome hidropneumatikąviršįtampio bakasprie siurblio išleidimo antgalio -dydis, atitinkantis sistemos srautą ir vamzdyno ilgį-, ir dunkstelėjimas dingo. Matuokliai nustojo lūžinėti. Tai buvo prieš šešerius metus, o bakas vis dar eksploatuojamas.
Tai yra problema, kurią išsprendžia viršįtampio rezervuarai. Tai nėra sudėtingi įrenginiai, tačiau jų pasirinkimas ir dydis reikalauja aiškaus sistemos dinamikos supratimo, o klaidingų padarinių pasekmės gali būti išmatuojamos įrangos gedimais ir prastovomis.
Vandens plaktuko fizika
Mechanizmas yra paprastas. Dujotiekiu judantis skystis turi pagreitį. Kai vožtuvas užsidaro arba siurblys sustoja, šis impulsas paverčiamas slėgiu -slėgio banga, kuri skystyje sklinda garso greičiu ir atsispindi nuo vamzdžių galų ir jungiamųjų detalių, kol išsisklaido. Slėgio padidėjimo dydis priklauso nuo skysčio greičio, vamzdžio ilgio, vožtuvo uždarymo laiko ir skysčio bei vamzdžio sienelės elastingumo savybių.
Klasikinė Joukowsky lygtis suteikia slėgio padidėjimą momentiniam vožtuvo uždarymui:
ΔP = ρ × a × ΔV
Kur ΔP yra slėgio padidėjimas, ρ yra skysčio tankis, a yra bangos greitis (paprastai nuo 1000 iki 1200 m/s vandeniui plieniniame vamzdyje), o ΔV yra skysčio greičio pokytis.
ΔP = ρ × a × ΔV
Įprastoje komunalinio vandens sistemoje, kurios srauto greitis yra 2 m/s, momentinis uždarymas sukelia maždaug 200–240 metrų aukščio padidėjimą, kurio pakaktų daugumai standartinių vamzdynų sistemų plyšti. Tai nėra teorinis rūpestis. Esu tikrinęs gedimus, kai slėgio šuolis viršijo vamzdžio nominalą 300%, skilimo jungiamosios detalės ir kirpimo flanšo varžtai.
Viršutinio slėgio bakas padeda išspręsti šią problemą, tiekdamas suspaudžiamo skysčio,-paprastai oro arba azoto tūrį, kuris yra įstrigęs rezervuare arba atskirtas pūsle-, kuri sugeria slėgio bangą. Atėjus bangai, dujos susispaudžia, sugerdamos energiją, kuri kitu atveju būtų perduota vamzdžio sienelėms.
Dydis: kur svarbus inžinerinis sprendimas
Viršutinio rezervuaro dydis yra konkretus sistemos-skaičiavimas, o ne nykščio taisyklė. Tai priklauso nuo dujotiekio ilgio ir skersmens, srauto greičio, vožtuvo uždarymo laiko, siurblio charakteristikų ir norimos slėgio ribos.
Projektavimo metodas paprastai prasideda nustatant reikiamą viršįtampio tūrį. Naudojant paprastą siurbimo sistemą, reikia apskaičiuoti skysčio masę, kurią reikia sulėtinti, ir slėgio padidėjimą, kuris įvyktų be apsaugos nuo viršįtampių, tada nustatomas bako tūris, kurio reikia, kad slėgis būtų mažesnis už pasirinktą ribą.
Konservatyvus metodas naudoja šią sistemą:
- Nustatykite normalų darbinį slėgį ir didžiausią leistiną slėgį.
- Apskaičiuokite viršįtampio slėgį be apsaugos naudodami hidraulinę pereinamojo laikotarpio analizę.
- Bako dydį nustatykite taip, kad jis sugertų skirtumą tarp viršįtampio slėgio ir leistino slėgio.
- Nurodykite dujų išankstinio įkrovimo slėgį (paprastai 80–90 % normalaus darbinio slėgio pūslės bakams).
- Patikrinkite pasirinktą dydį naudodami trumpalaikę modeliavimo programinę įrangą.
Esu matęs projektų, kuriuose dydis buvo nustatytas pagal gamintojo pateiktą „vieno dydžio visiems“ lentelę. Vienu atveju tai lėmė, kad bakas buvo 40% mažesnio dydžio. Slėgio šuoliai paleidimo metu išliko pakankamai aukšti, kad sugadintų vožtuvo lizdą. Operatorius lygiagrečiai įrengė antrą baką po šešių mėnesių-bendra kaina buvo beveik dvigubai didesnė, nei būtų kainavęs tinkamo dydžio bakas iš anksto.
Pūslės rezervuarai, hidro-pneumatiniai rezervuarai ir atviros talpyklos
Trys pagrindiniai tipai naudojami skirtingoms programoms ir kiekvienas iš jų turi savo ypatybes.
- Atviri viršįtampio rezervuarai yra paprasti ir patikimi. Iš esmės tai yra atviri indai, prijungti prie dujotiekio, leidžiantys skysčiui tekėti ir ištekėti, kad sugertų slėgio pokyčius. Jie labiausiai tinka sistemoms su santykinai žemu slėgiu ir kuriose vandens kokybė leidžia veikti atmosferą. Trūkumas yra tas, kad norint, kad jie veiktų, reikia pakelti{3}}jie turi būti virš dujotiekio, kad būtų užtikrintas gravitacijos grįžimo kelias.
- Pūslės rezervuarai yra labiausiai paplitę komunalinių ir pramoninių vandens sistemų tipai. Lanksti šlapimo pūslė atskiria dujas nuo vandens, neleidžiant dujoms ištirpti vandenyje. Tai sumažina priežiūros poreikį ir palaiko pastovų veikimą laikui bėgant. Pūslės medžiaga turi būti suderinama su skysčių chemine medžiaga -EPDM vandeniui, Viton angliavandeniliams ir specializuotais junginiais, skirtais agresyvioms cheminėms medžiagoms.
- Hidro{0}}pneumatiniuose rezervuaruose sunaudojamas kiek sulaikytų dujų, kurios tiesiogiai liečiasi su vandeniu. Jie yra ekonomiški-paprasti ir nesudėtingi, tačiau reikia periodiškai papildyti dujas, nes laikui bėgant jos ištirpsta vandenyje. Mačiau, kad hidro-pneumatiniai bakai nepertraukiamai eksploatuojami 25 metus, atliekant reguliarius metinius patikrinimus ir -degalų papildymus-, kurių techninė priežiūra yra valdoma, bet neprivaloma.
Medžiagos pasirinkimas: daugiau nei tik plienas
Pats viršįtampio bakas yra slėginis indas, o jo konstrukcija turi atitikti atitinkamą kodą -ASME Section VIII Šiaurės Amerikoje, EN 13445 Europoje ir GB 150 Kinijoje. Tačiau vien kodas nenulemia medžiagų pasirinkimo.
- Anglies plienas yra numatytasis pasirinkimas daugeliui vandens ir švarių skysčių įrenginių. Tai ekonomiška-ir suvirinama. Vidinis paviršius turi būti apsaugotas nuo korozijos naudojant maistinę -epoksidinę dangą arba konstrukcijoje esantį korozijos ribą.
- Nerūdijantis plienas nurodomas ten, kur skystis yra korozinis arba kur to reikalauja vandens kokybės standartai. Nurodžiau 304 l geriamojo vandens reikmėms, kai klientas reikalavo visiškai sudrėkintų nerūdijančio plieno paviršių, ir 316 l, kai chlorido kiekis didesnis nei 200 ppm. Priemoka paprastai yra 2,5–3 kartus didesnė nei anglinis plienas, tačiau eksploatavimo laikas gali padvigubėti arba trigubai.
- Kompozitinių rezervuarų yra vis daugiau. Jie taupo svorį ir atsparumą korozijai, tačiau paprastai apsiriboja mažesniu slėgiu ir mažesniu skersmeniu. Naudojau FRP viršįtampio bakus chemijos gamykloje, kurioje skystis buvo silpnai rūgštus, o bakas buvo įrengtas aukštyje-sutaupytas svoris pateisino didesnę vieneto kainą.
Išankstinio{0}}įkrovimo slėgio klausimas
Viena detalė, kuri dažnai trikdo operatorius, yra išankstinis dujų{0}}įkrovimo slėgis. Pūslės rezervuarų išankstinis įkrovimo slėgis turi būti nustatytas maždaug nuo 80 % iki 90 % įprasto sistemos slėgio. Jei išankstinis-įkrovimas per didelis, bakas nepriima vandens viršįtampių metu; jei per žema, šlapimo pūslė per anksti išsiskleidžia.
Prisimenu atvejį, kai techninės priežiūros komanda įkrovė 500 -litrų pūslės baką iki netinkamo slėgio – jie nustatė 6 barus, kai sistema veikė 8 barais. Bakas priėmė vandenį per pirmąjį bangą, o tada pūslė nusileido, nesuteikdama jokios papildomos apsaugos nuo viršįtampių. Sistemoje įvyko vandens plaktukas, kuris sugadino atbulinį vožtuvą. Įvykis buvo užregistruotas ir klaida ištaisyta, tačiau vožtuvo keitimo kaina viršijo visų metų priežiūros biudžetą.
Diegimo detalės, kurios yra svarbios
Bakas turi būti pastatytas taip, kad užfiksuotų antplūdį, kol jis pasiekia jautrią įrangą. Tai paprastai reiškia įrengimą siurblio išleidimo antgalyje, po atbulinio vožtuvo. Jungiamasis vamzdynas turi būti kuo trumpesnis ir tiesesnis, be staigių posūkių, dėl kurių gali atsirasti slėgio nuostolių ar srauto apribojimų.
Mačiau įrengimų, kur jungiamasis vamzdis buvo per mažo dydžio. Viršįtampis pasklido į rezervuarą, tačiau vamzdžio apribojimas sukėlė slėgio kritimą, dėl kurio sumažėjo bako efektyvumas. Gamintojas nurodė minimalų jungties dydį 80 mm; montuotojas naudojo 50mm, nes buvo pigiau ir lengviau montuoti. Rezultatas buvo sistema, kuri vis dar patyrė pakankamai slėgio šuolių, kad sugadintų vožtuvų lizdus.
Pramonės standartai ir kodekso laikymasis
Šiaurės Amerikoje API 650 ir API 620 sudaro pagrindą didelio viršįtampio bako projektavimui. ASME VIII skyriaus 1 skyrius yra mažesnių slėginių indų viršįtampio rezervuarų kodas. Europoje EN 13445 yra standartinė nuoroda. Kinijoje GB 150 apima slėginius indus.
Šių kodų laikymasis neprivalomas. Be projektavimo standartų, bakas turi būti paženklintas galiojančiu sertifikavimo ženklu-ASME U-Antspaudas Šiaurės Amerikoje, CE ženklas Europoje.
Dirbau su projektais, kurių dizainas buvo nurodytas pagal API 650, bet gamyba vyko šalyje, kurioje API atitiktis paprastai nebuvo vykdoma. Suvirinimo kokybė buvo nenuosekli, o NDT dokumentacija buvo neišsami. Turėjome atmesti pirmąjį baką ir iš naujo-pagaminti laivą, papildydami projektą šešiomis savaitėmis.
Laikinoji analizė: pinigų taupymo modeliavimas
Tradicinis viršįtampio rezervuaro dydžio nustatymo metodas-naudojant empirines formules ir saugos ribas- buvo iš esmės pakeistas skaičiavimo pereinamojo laikotarpio analize. Programinės įrangos paketai, pvz., HAMMER, AFT Impulse ir Flowmaster, imituoja sistemos elgseną, modeliuoja vožtuvo uždarymo laiką, siurblio paleidimo kreives ir vamzdžių charakteristikas, kad tiksliai prognozuotų slėgio padidėjimą.
Viename projekte HAMMER buvo sumodeliuotas 3 km vamzdynas su tarpine slėgine stotimi. Analizė parodė, kad vienas 3000 -litrų viršįtampio bakas siurblio stotyje gali kontroliuoti slėgio viršįtampius visoje sistemoje. Be modeliavimo klientas buvo pasirengęs įrengti tris rezervuarus skirtinguose dujotiekio taškuose. Modeliavimas patvirtino, kad jo pakanka ir jis yra optimaliai išdėstytas. Bakas kainavo apie 18 000 USD; trijų bakų metodas būtų kainavęs 45 000 USD plius papildomi vamzdynai.
Tai nėra išskirtinis atvejis. Laikinoji analizė nebėra specializuotas įrankis dideliems projektams-tai standartinė inžinerinė procedūra, kuri turėtų būti bet kurios viršįtampio bako specifikacijos dalis.
Viršįtampio rezervuaro priežiūra per visą jo tarnavimo laiką
Pats viršįtampio bakas yra mažai{0}}priežiūros reikalaujantis komponentas. Išankstinis dujų įkrovimas{2}}turi būti tikrinamas kas ketvirtį ir prireikus koreguojamas. Pūslė (jei yra) turėtų būti tikrinama per suplanuotus išjungimus-, bako gamintojas nurodo rekomenduojamą tikrinimo intervalą, paprastai kas dvejus ar trejus metus.
Mačiau šlapimo pūslės rezervuarus, kurie veikė dešimt metų be patikrinimo, o šlapimo pūslė tapo trapi, atsirado įtrūkimų, dėl kurių galėjo išeiti dujos. Cisterna ir toliau veikė, bet sumažinta talpa. Iki to laiko, kai problema buvo aptikta atnaujinant sistemą, bakas veikė maždaug 40 % vardinės viršįtampio sugerties pajėgumo.
Jungiamieji vamzdynai ir vožtuvai turi būti periodiškai tikrinami dėl korozijos ir nusidėvėjimo. Atskyrimo vožtuvas turi būti tikrinamas kasmet, kad jis visiškai užsidarytų. Slėgio matuoklis turi būti sukalibruotas pagal etaloninį standartą, o apsauginis vožtuvas turi būti išbandytas esant nustatytam slėgiui, paprastai kas metus ar dvejus.
Kai neužtenka viršįtampio rezervuaro
Būna situacijų, kai vien viršįtampio bakas neužtikrina tinkamos apsaugos. Ilgi vamzdynai su keliomis slėginėmis stotimis dažnai turi sudėtingą hidraulinę veikimą. Šiose srityse viršįtampio rezervuarai gali būti derinami su kitais apsaugos įtaisais.
- Viršįtampio mažinimo vožtuvai atsidaro, kai slėgis viršija nustatytą tašką, nukreipdami srautą į rezervuarą arba izoliavimo zoną. Jie greitai-veikia, atsidaro per milisekundes, bet nesugeria energijos taip, kaip tai daro bakas.
- Oro vožtuvai aukštuose dujotiekio taškuose neleidžia susidaryti vakuumui pereinamųjų įvykių metu. Jie yra labai svarbūs sistemose su dideliais aukščio pokyčiais.
- Reguliuojamas vožtuvo uždarymas kartais nurodomas taip, kad vožtuvas užsidarytų per kelias sekundes, o ne akimirksniu. Tam nereikia bako, bet dažnai derinamas su viršįtampio rezervuarais, kad būtų užtikrinta visapusiška apsauga.
Paskutinė pastaba dėl išlaidų pagrindimo
Viršįtampio rezervuarų verslo atvejis nėra pagrįstas vien vamzdžių kaina. Jis pagrįstas neplanuotų prastovų, įrangos remonto ir darbo sąnaudomis, reikalingomis reaguoti į sistemos gedimus.
Mačiau vieną gamyklą, kurioje viršįtampio bako įrengimas kainavo 20 000 USD. Numatomas vožtuvų keitimo ir vamzdžių remonto sumažėjimas buvo įvertintas 5000 USD per metus. Atsipirkimo laikotarpis buvo ketveri metai. Tačiau gamykla anksčiau nesekė prastovų išlaidų. Kai techninės priežiūros vadovas pradėjo fiksuoti gedimus, jis nustatė, kad vandens plaktuko įvykiai prisidėjo prie vidutiniškai 3 neplanuotų išjungimų per metus, kurių kiekvienas kainuoja apie 4000 USD dėl prarastų gamybos ir remonto darbų. Buvo sumontuotas viršįtampio bakas, sustabdyti išjungimai, o atsipirkimo laikotarpis buvo kiek daugiau nei vieneri metai.
Kiekvienos sistemos skaičiai skiriasi, tačiau aritmetika yra nuosekli. Apsauga nuo viršįtampių nėra išlaidos; tai kapitalo investicija į sistemos patikimumą.
Baigiamosios mintys
Man buvo iškviesta per daug gamyklų, kad pastebėčiau, kad projekte neįtrauktas viršįtampio bakas arba kad sumontuotas bakas buvo netinkamo dydžio arba netinkamai prižiūrėtas. Kiekvienu atveju gedimas nebuvo techninė klaida-, o nesugebėjimas suprasti sistemos dinamikos, o to gedimo pasekmės buvo įvertintos remonto išlaidomis ir prarasta gamyba.
Viršįtampio bakas nėra sudėtingas įrenginys. Jo parinkimui reikia žinoti sistemą: dujotiekio ilgį, srautus, vožtuvo uždarymo charakteristikas ir leistinas slėgio ribas. Tinkamai įvertinus šiuos veiksnius, bakas tyliai ir patikimai atlieka savo funkciją dešimtmečius.
Jei nurodote sistemą su viršįtampio rizika, nepalikite bako pasirinkimo įrangos tiekėjui, nepateikę jam visų sistemos duomenų. Nenaudokite „nykščio taisyklės“, nebent esate pasirengę susitaikyti su neteisingo sprendimo pasekmėmis. O jei vertinate sistemą, kuri jau patiria vandens plaktuką, neatidėliokite tyrimo. Kitas slėgio šuolis gali sukelti didelį gedimą.