流體力學(xué)水擊現(xiàn)象在空分設(shè)備中的危害

PAGEPAGE4流體力學(xué)“水擊現(xiàn)象”在空分裝置中的危害史作詢（青島鋼鐵控股集團有限責(zé)任公司，青島266043）摘要：從流體力學(xué)的角度，來分析空分裝置的一些事故。引用某氣體公司進口主換熱器泄漏的事例，從氣體流動上來分析，說明“水擊現(xiàn)象”在空分裝置的危害。關(guān)鍵詞：流體力學(xué)空分裝置水擊現(xiàn)象主換熱器中壓泄漏定常流非定常流增壓膨脹閥門突然關(guān)閉正流和倒流震蕩我們在學(xué)習(xí)流體力學(xué)的時候，討論過液體在園管中作不穩(wěn)定有壓流動的一種類型——水擊現(xiàn)象，或稱水錘作用?？辗盅b置管道中流動的雖是可壓縮流體氣體，但是也符合流體力學(xué)的一些規(guī)律和定律。這里我們把它視為符合流體力學(xué)所研究的對象，用流體力學(xué)的理論來研究一下在我們空分裝置中的現(xiàn)象及其危害和預(yù)防。1、有壓管路中閥門突然關(guān)閉或開啟時的水擊現(xiàn)象當壓力管路中流體的運動速度，因外界的某種原因(例如閥門的突然關(guān)閉或開啟)而發(fā)生急劇變化時，引起動量的迅速變化，從而造成壓力的迅速變化，因此使流體中出現(xiàn)一連串的壓力交替升降的現(xiàn)象。壓力作用于管壁上，使管子發(fā)生振動。出現(xiàn)這類現(xiàn)象時，流體壓力對管壁或閥門的作用，猶如錘擊一樣，所以也稱之為“水錘現(xiàn)象”。當發(fā)生水擊時，管路中的壓力升降不但可能達到較高的數(shù)值，而且還具有較高的頻率，其危害性很大。在液體中，會使水管炸裂（因為液體是不可壓縮流體）。水擊現(xiàn)象發(fā)生時，壓力管路中任一點的壓力和流速都是隨時間而變化的。因此這時的流動屬于不定常流動。在非定常流問題的研究中，我們明白了兩點：1.1我們通過推導(dǎo)得出閥門瞬間關(guān)閉時計算壓力增值的近似公式（儒可夫斯基公式）：△P=ρcjV=V式中:△P為水錘壓力ρ為密度，單位體積的質(zhì)量=γ/g，sulg/ft3(kg/m3)cj為彈性管道內(nèi)彈性流體中壓力波的傳播速度（快捷度），ft/sec(m/s)V為流體的平均速度，ft/sec(m/s)Ev為介質(zhì)的體積彈性模量t為管壁的厚度E為管材的彈性模量1.2得出了閥門瞬間關(guān)閉時考慮管道摩擦和阻尼時的壓力記錄圖（圖1）時間間時間間閥門關(guān)閉瞬間R閥門關(guān)閉瞬間pxV2hL+—2g△P─γL2─cjL2─cjabdef圖1、閥門瞬時完全關(guān)閉考慮管道摩擦和阻尼時的壓力記錄圖1所示的閥門歷史記錄的圖表中，線ab略微向上傾斜；當所有條件都反過來時，同樣的原因，線ef可能向下略微傾斜。同時，由于阻尼，波動將大幅度減弱直至達到最終壓力平衡。通過壓力增值的近似公式和壓力記錄圖，我們可以得出兩條結(jié)論：一是△P（水錘壓力）是巨大的，對管路具有很大的破壞性。二是壓力的改變形成了壓力沖擊波，造成了管子震動。瞬間快速關(guān)閉閥門，在我們空分裝置的運行中是一種保護行動，但卻是一種不得已而為之的措施，是應(yīng)該盡量避免出現(xiàn)的現(xiàn)象。2、例如某氣體公司2006年4月發(fā)生了一起內(nèi)壓縮流程萬立制氧機板式主換熱器泄漏的事故，用流體力學(xué)的觀點來分析一下事故發(fā)生的原因，可能對我們有一些有益的啟發(fā)。2.1該換熱器由法國諾頓公司（NORDON）制造，為單體設(shè)備，重12000KG,內(nèi)置高、中、低三種壓力通道。設(shè)計工作壓力分別為724psi,358psi,18psi。其外形及泄漏示意圖如下：（圖2）空氣的平均流體速度V=15000m3/h=59m3/sec（膨脹空氣流量）空氣的體積彈性模量Ev=358Psi管子直徑：D=300mm管壁厚度：t=8mm管材（鋼鐵）的彈性模量：E=3×107Psi代入公式:△P=ρcjV=V=59=59×25=1497Psi經(jīng)計算得知水錘壓力為1497Psi,是正常壓力358Psi的4倍多，可見其破壞性有多大。2.5查閱KDON10000/10000-1型制氧機運轉(zhuǎn)備忘錄，開車4年來，發(fā)現(xiàn)膨脹機組因故障而緊急停車已數(shù)十次，極大的危及主換熱器的安全。2.6聯(lián)系該公司80年代的全板式1500米3/時制氧機，就是因為強制切換閥系統(tǒng)布置在地面，離主換熱器的熱段太近，每次切換都會造成氣流震蕩，主換熱器屢屢泄漏。最后設(shè)備運轉(zhuǎn)甚至堅持不了6個月的惡果。這里萬立制氧機的增壓膨脹機組的進口緊急切斷閥形同了1500米3/時制氧機的強制切換閥。3.尋求解決的辦法3.1提高操作技術(shù)水平，盡量減少或杜絕膨脹機緊急停車的事故。3.2將制氧廠的電氣線路單獨敷設(shè)，單路供電，減少其它工序的電氣故障影響。3.3將主換熱器的PA3進氣管口改為兩管口兩封頭進氣，徹底斷路兩個單元的拼接縫隙。3.4在工藝布置上，盡量延長膨脹增壓空氣出主換熱器到進膨脹機的這段管道的長度，以緩沖氣流震蕩的危害。3.5建議在增壓膨脹機組的機前緊急切斷閥V441至主換熱器這段管路上，就地安裝“安全放散閥”。此閥與V441連鎖，V441緊急關(guān)閉的同時，“安全放散閥”打開。以降壓和制止空氣倒流主換熱器。結(jié)束語：流體力學(xué)是制氧專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，它和熱力學(xué)一樣，是從事制氧工作的最基本的知識。許多制氧機故障，都能與流體力學(xué)知識聯(lián)系上。以上分析和觀點，雖系一家之言，但不虛拋磚引玉，與同行探討，以達共同進步之目的。參考文獻：1。流體力學(xué)及其工程應(yīng)用（美）E.約翰芬納莫爾（E.JohnFinnemore）約瑟夫B.弗朗茲尼（JosephB.Franzini）編著錢翼稷周玉文等譯機械工業(yè)出版社2006年2月2。流體力學(xué)基礎(chǔ)李翼祺馬素貞編著科學(xué)出版社1983年10月3。國外空分設(shè)備鋁制板翅式換熱器杭州制氧機研究所1974年2月4。制氧事故匯編莊勝強主編河海大學(xué)出版社1996年12月5。新編制氧工問答湯學(xué)忠顧福民主編冶金工業(yè)出版社2001年7月6。青鋼內(nèi)壓縮萬立制氧機建設(shè)與運行總結(jié)冶金動力2004年第3期作者簡歷：史作詢，男，1951年生，1977年畢業(yè)于東南大學(xué)（原南京工學(xué)院）動力工程系制氧專業(yè)，2005年畢業(yè)于中國海洋大學(xué)企業(yè)管理研究生班。高級工程師，山東制冷學(xué)會第二專業(yè)