有效清除水錘現(xiàn)象

文/KARIM MAHRAZ

工廠內(nèi)，水錘現(xiàn)象可能難以查清，并會(huì)擾亂運(yùn)行和損壞設(shè)備

評(píng)估并盡量消除液體采集系統(tǒng)的水錘現(xiàn)象——水錘現(xiàn)象這一普遍但經(jīng)常未能清理的故障會(huì)給所有液體采樣系統(tǒng)帶來(lái)重大威脅。水錘式敲擊可能潛伏在系統(tǒng)當(dāng)中，也可能隨時(shí)破壞液體系統(tǒng)部件。

對(duì)于工廠運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)，水錘現(xiàn)象難以查清，并會(huì)擾亂運(yùn)行和損壞設(shè)備。在家用水管領(lǐng)域，水錘現(xiàn)象是十分常見的。在突然關(guān)掉水龍頭時(shí)，水管里會(huì)發(fā)出一種敲擊聲。而在精心調(diào)校好的液體采樣系統(tǒng)中，水錘現(xiàn)象則會(huì)造成更為嚴(yán)重的后果，這樣一種突然出現(xiàn)的壓力沖擊尖峰足以損壞壓力表、流量表、水泵和其它敏感的關(guān)鍵工藝組件，并且有可能波及整個(gè)系統(tǒng)。如果這種壓力脈動(dòng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)，甚至可以造成管道或管端接頭破裂，如果系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的是有毒或高溫液體時(shí)，更會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)的狀況發(fā)生。

當(dāng)突然關(guān)閉閥門而導(dǎo)致液體流動(dòng)停止時(shí)，就有可能出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。在典型采樣系統(tǒng)當(dāng)中，水錘故障的根本原因經(jīng)常被人忽視或錯(cuò)誤判斷。如果系統(tǒng)的最大過程壓力不超過其設(shè)計(jì)的最大值時(shí)，那么超出來(lái)的壓力來(lái)自何處？如果運(yùn)營(yíng)方知道從哪些原因著手分析水錘現(xiàn)象，并知道應(yīng)采取哪些正確措施，就可以識(shí)別、估算和盡量減輕水錘現(xiàn)象。本文將更深入地解釋水錘現(xiàn)象發(fā)生時(shí)采樣系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)的狀況。

原因和影響

當(dāng)閥門關(guān)閉并導(dǎo)致液體流動(dòng)中斷時(shí)，必須采取一些機(jī)制來(lái)吸收液體的流動(dòng)動(dòng)量，這樣液體才能停止下來(lái)。該液體具有較大的重量并且流速較快，讓液體得以減速的作用力會(huì)形成一種壓力沖擊波。這種沖擊波源自于液體受到的壓縮作用以及管壁的變形作用，所生成的壓力沖擊波將在管道內(nèi)向上游傳播。

這種沖擊波發(fā)生速度很快，通常會(huì)快至典型比例泄壓閥無(wú)法發(fā)揮其預(yù)定功能的程度。這種快速出現(xiàn)的壓力尖峰也可能導(dǎo)致泄壓閥爆破片破裂，但這種破裂一般發(fā)生得過晚，以致無(wú)法減輕上游傳感器或流量表遭受的嚴(yán)重?fù)p壞，而這些上游部件在泄壓閥開啟泄壓之前已經(jīng)承受了壓力尖峰帶來(lái)的全部作用力。

因此解決水錘問題的第一步是估算這種沖擊現(xiàn)象給系統(tǒng)造成的壓力尖峰值。我們可以采用儒可夫斯基方程來(lái)計(jì)算此值。這里取采樣液體密度為p，此方程用于估算當(dāng)液體流速u 突然變化時(shí)，相對(duì)于壓力脈動(dòng)ΔP 的水錘現(xiàn)象波幅：ΔP= c·p·Δu，參數(shù)c 為實(shí)際運(yùn)行條件下液體內(nèi)部聲速。例如，20℃時(shí)水內(nèi)聲速約為1 400 m/s。因此，當(dāng)閥門操作導(dǎo)致流速為1 m/s 的水流突然斷流時(shí)，計(jì)算得到的壓力脈動(dòng)值為：ΔP = 1 400 m/s-1 000 kg/m3- 1 m/s，ΔP = 1.4 MPa。在上述例子中，結(jié)果為采樣系統(tǒng)當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)1.4 MPa 的額外壓力，而運(yùn)營(yíng)方極有可能根本未對(duì)這一額外壓力做出應(yīng)對(duì)計(jì)劃，系統(tǒng)也可能無(wú)法承受這一壓力。如果系統(tǒng)流速高于1 m/s，則壓力尖峰值會(huì)更高。

儒可夫斯基方程提供了一項(xiàng)理論尖峰壓力值，但在實(shí)際條件下，尖峰壓力可能沒有這么高。只有在流速突然變化時(shí)，這種脈動(dòng)才會(huì)形成作用力。下一步，精調(diào)計(jì)算過程可以在下列公式當(dāng)中將這些實(shí)際條件納入考慮（其L 為液體管路的長(zhǎng)度）：t ≥(2-L)/c，如果上例當(dāng)中的水管長(zhǎng)度為100 m，則：t ≥(200/1 400)-s，t ≥142 ms。在本例當(dāng)中，t 代表壓力波向上游傳播并反射回至閥門所用的時(shí)間。只有在反射回來(lái)的壓力波返回并碰到一個(gè)關(guān)閉閥門時(shí)，完整的壓力脈沖波才會(huì)形成。而上述計(jì)算結(jié)果表明，如果該閥門關(guān)閉用時(shí)超過142 ms，則脈沖波壓力將低于計(jì)算所得壓力，水錘脈沖波值將減至最小。

圖1 本示意圖顯示了采用針形閥隔離和旁路快速回路流量的采樣系統(tǒng)，閥門的慢速關(guān)斷流動(dòng)可以盡量減少水錘現(xiàn)象

圖2 本示意圖顯示了一種快速回路的采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其中采用分流而不是斷流設(shè)計(jì)，能夠徹底避免水錘現(xiàn)象，由一個(gè)共用手柄同時(shí)操作2 個(gè)旁路閥門，閥門內(nèi)部采用特殊通路設(shè)計(jì)，在關(guān)斷一條通路之前，會(huì)先開啟另一條通路

減少水錘現(xiàn)象

在家用水管系統(tǒng)當(dāng)中，可在靠近水龍頭處安裝內(nèi)含滯留氣團(tuán)的垂直管道，就可解決水錘現(xiàn)象，從而消除令人不安的管內(nèi)敲擊聲。這種設(shè)計(jì)方案在理論上也適用于液體采樣系統(tǒng)，但這樣會(huì)形成一段盲管段，還會(huì)導(dǎo)致樣品污染的現(xiàn)象。因此，這里要求采用差異化的方法，即通過管理流量來(lái)減輕水錘現(xiàn)象。

流量管理法

有一種可以更好管理流量的方案是采用緩慢截?cái)嗔鲃?dòng)并配備完全關(guān)斷型閥座的多回轉(zhuǎn)針形閥，而不采用會(huì)即時(shí)截?cái)嗔鲃?dòng)的球閥。球閥無(wú)法在不損壞閥門的條件下緩慢關(guān)閉（或節(jié)流）。球閥產(chǎn)生的突然斷流可能造成敏感采樣調(diào)節(jié)和輸送系統(tǒng)內(nèi)的重大壓力沖擊波，從而導(dǎo)致系統(tǒng)受損。而采用多回轉(zhuǎn)式針形閥（如圖1快速回路模塊當(dāng)中所示）系統(tǒng)允許操作者以較為緩慢的速度截?cái)嗔黧w，可有效地將液體動(dòng)量分布到較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)，盡量減少水錘沖擊波。但是，應(yīng)重點(diǎn)注意針形閥造成的壓力降大于球閥，運(yùn)營(yíng)方如果采用了針形閥，則應(yīng)確保系統(tǒng)供壓足夠大。

第2 種流量管理方法是直接在系統(tǒng)內(nèi)分流液體而不是截?cái)嘁后w流動(dòng)。圖2 所示為一種快速回路系統(tǒng)，采用1 個(gè)共用手柄來(lái)控制2 個(gè)球閥，確保每個(gè)球閥都不能獨(dú)立開閉。這里可以采用1 個(gè)帶有特殊通路設(shè)計(jì)的三向閥，在主路徑關(guān)閉之前開啟一個(gè)旁路流動(dòng)路徑。在這樣的系統(tǒng)當(dāng)中，這些閥門從不關(guān)閉，這樣就有效減少了水錘現(xiàn)象的發(fā)生。

即使在一個(gè)如上述設(shè)計(jì)的系統(tǒng)當(dāng)中，閥門操作仍有可能造成微小的水錘現(xiàn)象，而相關(guān)的壓力沖擊波也有可能損壞壓力表。安裝壓力波阻尼器可以盡量減少這種可能性，保持可能暴露于意外壓力沖擊波危害下的壓力表。壓力波阻尼器可以直接放緩壓力表的響應(yīng)速度，保持壓力表不受管路內(nèi)發(fā)生的所有瞬態(tài)壓力沖擊波的影響。

水錘現(xiàn)象在任何液體采樣系統(tǒng)中都會(huì)造成影響，包括維護(hù)、停機(jī)時(shí)間問題以及潛在危險(xiǎn)等。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循一些基本的設(shè)計(jì)提示，防止系統(tǒng)被水錘問題影響。

水錘現(xiàn)象預(yù)防核查清單

●采用儒可夫斯基方程估算水錘現(xiàn)象幅度；

●采用針形閥關(guān)斷樣品管路；

●考慮分流方案而不是完全截流方案；

●在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)采用壓力波阻尼器以保護(hù)壓力表；

這些設(shè)計(jì)提示將有助于系統(tǒng)有效減輕水錘現(xiàn)象，從而提升系統(tǒng)安全性、減少維護(hù)工作量，并盡量縮短系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間。