流體力學(xué)水擊現(xiàn)象在空分設(shè)備中的危害VIP

1、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(tuán)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(jìn)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

2、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(dāng)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(dāng)發(fā)生水擊時，管路中的壓力升降不但可能達(dá)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

3、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=cjV=V 式中: P 為水錘壓力 為密度，單位體積的質(zhì)量=/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） 時間間閥門關(guān)閉瞬間R 閥門關(guān)閉瞬間px V2 hL+ 2g P L 2 cj L2 cjabd ef 圖

4、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(dāng)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(dá)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(hù)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(jī)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

5、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724 psi,358 psi,18psi。其外形及泄漏示意圖如下：（圖2）圖中; HA3-高壓空氣 PA3-中壓空氣 GO1-低壓氣氧 WN5-低壓污氮氣 A1-低壓空氣圖2 主換熱器泄漏示意圖2.2從流程分析泄漏原因：該空分設(shè)備為KDON-10000/10000-1型，其空氣增壓膨脹流程工藝簡圖如下：（圖3） 圖3 空氣增壓膨脹流程工藝簡圖 2.2.1從圖中可以看出，中壓空氣P1（260psi）從增壓機(jī)二級出口引出-進(jìn)入增

6、壓膨脹機(jī)組增壓段-增壓后壓力升為P2(358psi)-一路進(jìn)入主換熱器降溫后進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹，壓力降為P3(84Psi)后直接進(jìn)入下塔。而另一路（P2）通過閥門V401回流到增壓機(jī)二級出口（P1），形成一個閉路循環(huán)。2.2.2 從這個空氣的流路中可以發(fā)現(xiàn)，安全泄壓的放散點，只有增壓機(jī)組的二級出口壓力“超壓保護(hù)放散閥門”。2.2.3一旦膨脹機(jī)的運轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障，機(jī)前進(jìn)口控制閥（V441）就會緊急切斷，關(guān)閉進(jìn)氣。而此時增壓機(jī)組仍舊運轉(zhuǎn)，高壓P2空氣返流回到低壓P1 ，而P1 還源源不斷的流出。壓力P2倒流 和P1混合后，超出二級壓力放散值后，“超壓保護(hù)放散閥門”開始打開，直到壓力小于或等于P1后，放散才

7、趨于穩(wěn)定平衡。 2.2.4 在這個放散到平衡過程中，管道內(nèi)的氣流由定常流變?yōu)榉嵌ǔＡ?，主換熱器不斷被正流和倒流的空氣所沖擊，與流體力學(xué)中的“水擊現(xiàn)象”十分相似，因此造成的危害也是巨大的。2.2.5 該空分裝置增壓膨脹機(jī)組與增壓機(jī)組相距約60余米，與主換熱器相距約10米，由于距離短，時間短，從圖1中可以看出其壓力波動更大?？諝庠谥鲹Q熱器的通道中由定常流變?yōu)槲闪?，正流和返流空氣反?fù)平衡壓力，急劇震蕩。板翅式換熱器的材料和結(jié)構(gòu)以及釬焊強(qiáng)度都更容易受到損壞。2.3從主換熱器的泄漏點分析（見圖4）圖4 兩個單元接縫之間（20毫米寬）中壓空氣噴射處（局部和放大） 空氣是從兩個板式單元的連接之間，寬20毫米

8、的縫隙噴射出來的。那么空氣是從哪里進(jìn)入縫隙的呢？經(jīng)過檢查解剖，發(fā)現(xiàn)是從中壓空氣PA3的進(jìn)口管口覆蓋的縫隙中進(jìn)入的，從位于進(jìn)口封頭的下部噴射出來，（從主換熱器的后面縫隙也有少量泄漏。）三種壓力的板翅通道都完好。 漏點找出來了，為什么相鄰的高達(dá)724Psi的高壓空氣通道完好無損？單單壓力僅有358Psi的中壓出了問題呢？工藝布置的缺陷找出了答案。2.4 從理論計算上分析已知條件：空氣的密度：=1.8kg/m3 （-120 ）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

9、）的彈性模量： E=3107 Psi代入公式: P=cjV=V = 59 = 5925 = 1497 Psi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(jī)運轉(zhuǎn)備忘錄，開車4年來，發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)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(jī)，就是因為強(qiáng)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(jī)的增壓膨脹機(jī)組的進(jìn)口緊急切斷閥形同了1500米3

10、/時制氧機(jī)的強(qiáng)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(jī)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(jìn)氣管口改為兩管口兩封頭進(jìn)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(jìn)膨脹機(jī)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(jī)組的機(jī)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

11、力學(xué)一樣，是從事制氧工作的最基本的知識。許多制氧機(jī)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(dá)共同進(jìn)步之目的。參考文獻(xiàn)：1。流體力學(xué)及其工程應(yīng)用 （美）E.約翰芬納莫爾（E.John Finnemore） 約瑟夫B.弗朗茲尼（Joseph B.Franzini） 編著錢翼稷 周玉文 等譯 機(jī)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(jī)研究所 1974年2月4。制氧事故匯編 莊勝強(qiáng)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(jī)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，1