压力浪涌分析简介(附PDF)

亚博竞彩群什么是压力激增或水锤?

压力浪涌是当流动速度突然变化时，由运动流体的动能引起的压力波。当流动的液体迅速停止时，由于动量瞬间转换为压力，因此会经历压力的突然增加或激增。压力冲击通常被称为水锤或流体锤或液压冲击。

在管道/管道系统网络中，这种现象是管道/管道/工艺工程师主要关注的问题。如下图(图1)所示，压力尖峰将继续撞击管道，试图释放产生的过多能量，因此系统将处于高风险之中。

ASME B31.3规定，由于压力浪涌和其他正常运行变化引起的压力升高不应超过管道系统和设备任何一点的内部设计压力的33%。

亚博竞彩群什么会导致压力激增?

压力波动或突然变化的速度和或压力可以产生由于各种原因。管道流量变化时发生的水力瞬变，这可能是由于:

• 泵启动和停止，特别是由于负载脱落或突然断电
• 阀门快速操作(突然关闭/开启)
• 止回阀突然关闭
• 管道系统内存在气囊，特别是在泵启动时
• 空气的突然释放
• 管路灌装
• 压力波动也可能发生在明渠和部分充液管道中

以上所有原因都会产生高压波，高压波可以从源头向上游和下游传播。请注意

• 一些管道75%以上的时间都处于瞬态运行状态。
• 压力波动(压力上升)随着管道直管长度的增加而增加，因为两个方向变化(弯头/三通)内的包含动量会更高(体积更大)。
• 压力激增通常由多个事件组成，导致的压力高达正常管道压力的十倍。当浪涌安全阀打开时，它将压力释放到安全系统中。
• 在阀门关闭的最后20%时产生浪涌压力。

水锤危险吗?

参考图2了解压力波动对管道系统的影响。亚博竞彩群重大性质的压力激增产生高压和速度上升，可导致:

• 管道管件故障
• 水管爆裂
• 泵/泵系统损坏
• 阀门和管道支架变形
• 管道/管道系统的振动或晃动

压力浪涌的基本定义:

• 压力波动:-它基本上是由于流速突然变化而引起的压力波。
• 波速或声速:-压力波通过液体/流体的速度。
• 儒科夫斯基方程:-头部变化与速度变化及声速的关系。
• 管道内:-压力波穿过管道并返回所需的时间。
• 压头:-以流体高度测量的压力(10米水头约为1个大气压)
• 有效阀门关闭时间:阀门将流量从其稳定状态的90%减少到零的时间。关于总阀门关闭时间，这通常是蝶阀的最后15%开度，球阀的最后25%开度和旋塞阀的最后30%开度。这可以作为初始评估阶段的经验法则。

水锤/压力冲击分析

估算瞬态压力大小的最重要参数是:

• 声波速度，a
• 管道/管道周期，T
• 朱科夫斯基头，Δh

的声波速度公式取决于流体和管道特性，表示为:

• a =压力波的速度
• K =流体的体积模量
• ρ =液体密度
• D =管道内径
• E =管道材料的杨氏模量
• e =壁厚
• n = constraint factor(通常取1)

压力波从它的发源地穿过系统并返回它的源头所花费的时间被定义为管。对于管道长度为L的单根管道，其规定如下:

• 临界期
• L =管子的长度
• a =压力波的速度

发生时间小于T的事件被称为“快速”事件，这些事件可能会导致压力激增问题。

按朱科夫斯基公式时，瞬时速度变化(ΔV)引起的压头变化(Δh)表示为:在这里,

• Δh =抬头
• ΔV =速度变化量
• 波速
• G =重力加速度

这是一个非常有用的指南，解释了压力激增事件的可能严重程度，但不能取代适当的激增分析!

Joukowsky公式的局限性

朱可夫斯基公式适用于有限的流体体系。

• 它的应用应限于符合以下条件的情况:
  • 简单的“线性”管道系统，即没有可以反射压力波并在主线中造成建设性干扰的分支。
  • 阀门关闭时间明显短于压力波通信时间。
  • 系统摩擦损失与水运系统的摩擦损失相似。
• 朱科夫斯基方程在分析流体锤时没有考虑柱分离。柱分离通常会导致浪涌压力超过Joukowsky方程预测的压力，因此在分析管道压力可迅速降至流体蒸汽压以下的系统时，不应应用Joukowsky方程。

如何避免压力激增

为了避免压力激增，必须对系统进行保护。系统防水锤保护可分为三类:

1.0:系统设计方案:

• 使用具有较高压力等级的管道，即使管道更坚固，以承受浪涌压力的影响(通常用于放射性、高腐蚀性或致命流体，不允许流体逸出)。
• 管道重新布线，避免高/低点
• 改变管道材料，从而改变波速
• 增大管径，从而减小流速
• 通过加入飞轮来增加泵的惯性
• 增加旁路
• 提供额外的管道支撑:通过在管道系统中增加更多的支撑，系统的固有频率增加。这样，振动倾向就会降低。此外，在集中质量附近提供支撑将减少局部高应力。

2.0主动保护:

管道/管道系统可以通过在管道正常运行期间使用以下设备来保护免受浪涌冲击:

• 变速泵送:变速驱动器提供了一种可靠的方法来防止压力激增事件造成的损坏。
• 软首发:软起动器的主要目的是减少设备电源上的电气负荷。
• 慢速关闭和开启阀门:压力浪涌引发的一种常见形式是由于阀门的快速关闭。延长关闭时间可以降低压力激增的可能性。

请注意，这些设备需要电力，在负载脱落或电源故障期间不能使用。

3.0:被动保护(图5):

市场上有几种被动保护设备，不需要额外的电力即可运行。以下是一些例子:

• 增加血管
• 增加轴
• 空气阀门
• 真空断路阀
• 减压阀/浪涌安全阀:点击这里了解更多关于浪涌安全阀
• 浪涌预测阀:浪涌预测阀是专门设计用于在发生压力浪涌事件时提供分流流体的阀门。
• 中间止回阀:在长管道中，中间止回阀具有防止破坏性反向速度到达泵站的能力。有效地将压力波动降低一半。
• 气体蓄电池:当泵止回阀下游立即产生负压波时，由于断电导致的压力激增情况下，气体蓄能器尤其有效。液体柱的减速被气体蓄能器中的残余压力降低，并防止柱分离。但是，气体蓄能器应位于引起瞬态事件的边界元件附近。
• 液体蓄电池:液体蓄能器是一种比管道本身弹性更低的容器。容器将表现出比管道更高程度的应变，从而减轻压力瞬变。
• 将低模量热塑性材料与黑色金属材料结合使用可以减轻压力波动。

防雷系统的选择

请参考下面的图6，提供了防雷系统选择的流程图。

压力浪涌模拟软件

目前有各种各样的软件包可以用于分析：

• HyTran
• Flowmaster
• 万达
• 锤
• 船尾的冲动
• 管网
• PTRAN
• 通过/水电系统
• Flownex仿真环境

方法(图7):

压力浪涌释放系统的设计

• 在设计一个完整的浪涌减压系统时，需要考虑一系列复杂的因素，如压力增加的可能性、运行中的浪涌减压设备要通过的体积以及系统承载压力的能力等。
• 控制或防静电阀关闭时间也会影响管道中的浪涌压力。通过增加阀门关闭时间，可以实现流量逐渐衰减，从而减少潜在的压力波动。
• 当设备与装载泊位/码头连接时，控制叙述和系统联锁可确保分段泵停机顺序和连接船舶/岸上esd。
• 使用上述软件进行详细的计算机建模，以模拟设备、管道和流体与正常、故障和紧急事件之间的复杂相互作用，从而进行瞬态/浪涌分析。
• 设计能够承受最大浪涌压力的管道- MSP。
• 虽然许多设计方法都可以帮助降低管道中的浪涌压力，但由于相关的重大成本，不建议采用更高的管道等级或大规模的支撑布置，浪涌安全阀是保护系统的最可行的选择。
• 正确设计的浪涌溢流系统将包括在安全阀关闭时抑制或减缓安全阀的组件，这通常需要复杂的逆流图。
• 在氮气负荷浪涌溢流阀中，必须注意氮气系统。即使在环境温度变化的情况下，氮气系统也必须向调节阀提供恒定的压力(设定点)。通常情况下，该系统设计使用标准气瓶，并有自己的控制系统来调节氮气供应压力。

结论:

• 瞬态事件中的压力激增现象非常重要，因为它们会将系统的完整性置于高风险之中。
• 在风险和HAZOP分析过程中，应始终考虑压力浪涌事件和相应的缓解装置。
• 系统操作人员必须经过培训，以防止可能损害系统完整性的操作。
• 防雷设备必须定期维护。
• 通过采取预防措施降低压力激增事件导致的故障风险，提高系统的可靠性和预期寿命是很有可能的。
• 管道系统应适当地用压紧器、导轨和止水带支撑，在设计支撑结构时，必须考虑到浪涌事件期间的动态力。

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引用:

• https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/pressure-surge

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