Ongelma, joka ilmenee, kun vähiten odotat sitä
Minut kutsuttiin vedenkäsittelylaitokselle noin kuusi vuotta sitten. Operaattoreilla oli ongelma, jota he eivät pystyneet ratkaisemaan. Joka kerta kun pääsiirtopumppu sammui, putkilinjan läpi-kuului voimakas pamaus, joka kuului valvomosta. Huoltopäiväkirjat osoittivat, että he olivat vaihtaneet kolme painemittaria, kaksi takaiskuventtiiliä ja yhden osion 200 mm:n putkesta viimeisen kahdeksantoista kuukauden aikana. Vaihtoputki oli määritelty alkuperäistä paksummaksi, mutta töksähdys jatkui.
Ongelmana oli vesivasara. Järjestelmä oli suunniteltu ilman painesäiliötä, ja pumpun sammuttamisen aiheuttama paineaalto ylitti putken painearvot merkittävästi. Paksumpi putki hoiti oiretta, ei syytä. Asensimme hydropneumaatinylivirtaussäiliöpumpun tyhjennyspäässä -järjestelmän virtausnopeuden ja putkilinjan pituuden mukaan-kokoinen, ja pamaus katosi. Mittarit lakkasivat rikkoutumasta. Se oli kuusi vuotta sitten, ja säiliö on edelleen käytössä.
Tämä on sellainen ongelma, jonka ylivirtaussäiliöt ratkaisevat. Ne eivät ole monimutkaisia laitteita, mutta niiden valinta ja mitoitus edellyttävät selkeää ymmärrystä järjestelmän dynamiikasta, ja väärinkäytön seuraukset ovat mitattavissa laitevioissa ja seisokeissa.
Vesivasaran fysiikka
Mekanismi on suoraviivainen. Putkilinjan läpi liikkuvalla nesteellä on vauhtia. Kun venttiili sulkeutuu tai pumppu pysähtyy, tämä liikemäärä muuttuu paineeksi-paineaaltoksi, joka etenee nesteessä äänen nopeudella ja heijastuu putken päistä ja liittimistä, kunnes se haihtuu. Paineen nousun suuruus riippuu nesteen nopeudesta, putken pituudesta, venttiilin sulkeutumisajasta ja sekä nesteen että putken seinämän elastisista ominaisuuksista.
Klassinen Joukowsky-yhtälö antaa paineen nousun venttiilin hetkelliseen sulkemiseen:
ΔP = ρ × a × ΔV
Missä ΔP on paineen nousu, ρ on nesteen tiheys, a on aallonnopeus (tyypillisesti 1000-1200 m/s teräsputkessa olevan veden osalta) ja ΔV on nesteen nopeuden muutos.
ΔP = ρ × a × ΔV
Tyypillisessä kunnallisessa vesijärjestelmässä, jonka virtausnopeus on 2 m/s, hetkellinen sulkeminen aiheuttaa noin 200–240 metrin paineen nousun, joka riittää useimpien standardiputkijärjestelmien rikkoutumiseen. Tämä ei ole teoreettinen huolenaihe. Olen tarkastanut vikoja, joissa painepiikki ylitti putken nimellisarvon 300 %, halkaisuliittimet ja leikkauslaippapultit.
Ylivirtaussäiliö ratkaisee tämän tarjoamalla tilavuuden kokoonpuristuvaa nestettä -tyypillisesti ilmaa tai typpeä, joko säiliössä tai erotettuna paineaallon absorboivalla rakolla-. Kun aalto saapuu, kaasu puristuu kokoon ja absorboi energiaa, joka muuten välittyisi putken seiniin.
Mitoitus: missä teknisellä arvioinnilla on merkitystä
Ylivirtaussäiliön mitoitus on järjestelmäkohtainen-laskelma, ei nyrkkisääntö. Se riippuu putkilinjan pituudesta ja halkaisijasta, virtausnopeudesta, venttiilin sulkeutumisajasta, pumpun ominaisuuksista ja halutusta painerajasta.
Suunnittelutapa alkaa tyypillisesti vaaditun aaltovoiman määrittämisellä. Yksinkertaisessa pumppausjärjestelmässä lasketaan nestemassa, jota on hidastettava, ja paineen nousu, joka tapahtuisi ilman ylijännitesuojaa, ja määritetään sitten säiliön tilavuus, joka tarvitaan paineen pitämiseksi valitun rajan alapuolella.
Konservatiivinen lähestymistapa käyttää seuraavaa kehystä:
- Määritä normaali käyttöpaine ja suurin sallittu paine.
- Laske ylijännite ilman suojausta hydraulisen transienttianalyysin avulla.
- Kokoa säiliö siten, että se absorboi aaltopaineen ja sallitun paineen välisen eron.
- Määritä kaasun esitäyttöpaine (tyypillisesti 80-90 % normaalista käyttöpaineesta rakkosäiliöissä).
- Tarkista valittu koko käyttämällä transienttisimulaatioohjelmistoa.
Olen nähnyt projekteja, joissa mitoitus perustui valmistajan "yksi koko sopii kaikille" -taulukkoon. Yhdessä tapauksessa tämä johti säiliöön, joka oli 40 % alimitoitettu. Painepiikit käynnistyksen aikana pysyivät riittävän korkeina aiheuttaen venttiilin istukan vaurioita. Kuljettaja asensi toisen säiliön rinnakkain kuusi kuukautta myöhemmin-kokonaiskustannukset olivat lähes kaksinkertaiset siihen verrattuna, mitä oikean kokoinen säiliö olisi maksanut etukäteen.
Virtsasäiliöt, Hydro{0}}pneumaattiset säiliöt ja avoimet säiliöt
Kolme päätyyppiä palvelevat erilaisia sovelluksia, ja jokaisella on omat ominaisuutensa käytössä.
- Avopainesäiliöt ovat yksinkertaisia ja luotettavia. Ne ovat pohjimmiltaan avoimia astioita, jotka on kytketty putkilinjaan, jolloin neste pääsee virtaamaan sisään ja ulos paineen muutosten absorboimiseksi. Ne soveltuvat parhaiten järjestelmiin, joissa on suhteellisen alhainen paine ja joissa veden laatu sallii ilmakehän altistumisen. Haittapuolena on, että ne vaativat korkeutta toimiakseen-ne on sijoitettava putkilinjan yläpuolelle painovoiman paluutien aikaansaamiseksi.
- Rakkosäiliöt ovat yleisin tyyppi kunnallisissa ja teollisissa vesijärjestelmissä. Joustava rakko erottaa kaasun vedestä ja estää kaasun liukenemisen veteen. Tämä vähentää huoltoa ja säilyttää tasaisen suorituskyvyn ajan mittaan. Virtsarakon materiaalin on oltava yhteensopiva nestekemiallisen -EPDM-veden, Viton-hiilivetyjen ja aggressiivisten kemikaalien erikoisyhdisteiden kanssa.
- Hydro{0}}pneumaattiset säiliöt käyttävät tietyn määrän loukkuun jäävää kaasua, joka on suorassa kosketuksessa veden kanssa. Ne ovat kustannustehokkaita ja yksinkertaisia, mutta vaativat säännöllisen kaasun lisäyksen, koska se liukenee veteen ajan myötä. Olen nähnyt hydro-pneumaattisia säiliöitä jatkuvassa käytössä 25 vuoden ajan rutiininomaisilla vuositarkastuksilla ja{6}}kaasun lisäyksillä-, mikä on hallittavissa, mutta ei valinnainen huolto.
Materiaalivalinta: enemmän kuin pelkkä teräs
Ylipainesäiliö itsessään on paineastia, ja sen suunnittelun on oltava asianmukaisten koodien -ASME Section VIII Pohjois-Amerikassa, EN 13445 Euroopassa ja GB 150 mukainen Kiinassa. Mutta koodi ei yksin määrää materiaalin valintaa.
- Hiiliteräs on oletusvalinta useimpiin vesi- ja puhtaisiin nesteisiin. Se on kustannustehokas-ja hitsattava. Sisäpinta on suojattava korroosiolta joko elintarvikelaatuisella-epoksipinnoitteella tai suunnittelussa olevan korroosiovaran avulla.
- Ruostumaton teräs määritellään silloin, kun neste on syövyttävää tai missä veden laatustandardit sitä edellyttävät. Olen määritellyt 304L juomavesisovelluksiin, joissa asiakas vaati täysin ruostumattomasta kostutetuista pinnoista, ja 316L sovelluksiin, joissa kloridipitoisuus on yli 200 ppm. Kustannuspalkkio on tyypillisesti 2,5-3 kertaa hiiliteräs, mutta käyttöikä voidaan kaksin- tai kolminkertaistaa.
- Komposiittisäiliöitä on yhä enemmän saatavilla. Ne tarjoavat painonsäästöjä ja korroosionkestävyyden, mutta ne ovat yleensä rajoitettuja alhaisempiin paineisiin ja pienempään halkaisijaan. Olen käyttänyt FRP-painesäiliöitä kemiantehtaassa, jossa neste oli lievästi hapanta, ja säiliö oli asennettu korkeuteen-painonsäästö oikeuttai korkeamman yksikköhinnan.
Esi{0}}latauspainekysymys
Yksi yksityiskohta, joka usein häiritsee käyttäjää, on kaasun{0}}esilatauspaine. Rakkosäiliöiden esitäyttöpaine on asetettava noin 80–90 %:iin normaalista järjestelmän paineesta. Jos esi-lataus on liian korkea, säiliö ei ota vastaan vettä ylikuormituksen aikana. jos se on liian alhainen, rakko pohjautuu ennenaikaisesti.
Muistan tapauksen, jossa huoltohenkilöstö latasi 500 - litran rakkosäiliön väärään paineeseen – he asettivat sen 6 baariin, kun järjestelmä toimi 8 baarilla. Säiliö otti vettä vastaan ensimmäisen aallon aikana, ja sitten rakko laskeutui pohjaan, mikä ei tarjoa ylijännitesuojaa. Järjestelmässä tapahtui vesivasara, joka vahingoitti takaiskuventtiiliä. Tapahtuma kirjattiin ja virhe korjattiin, mutta venttiilin vaihtokustannukset ylittivät koko vuoden huoltobudjetin.
Asennustiedot, joilla on merkitystä
Säiliö on sijoitettava niin, että se sieppaa aaltovirran ennen kuin se saavuttaa herkän laitteen. Tämä tarkoittaa tyypillisesti asennusta pumpun poistoputkeen takaiskuventtiilin jälkeen. Liitosputkiston tulee olla mahdollisimman lyhyt ja suora, eikä siinä saa olla jyrkkiä mutkia, jotka voisivat aiheuttaa painehäviöitä tai virtausrajoituksia.
Olen nähnyt asennuksia, joissa liitosputki oli alimitoitettu. Aalto levisi säiliöön, mutta putken rajoitus aiheutti paineen laskun, joka heikensi säiliön tehokkuutta. Valmistaja oli määritellyt vähimmäisliitäntäkoon 80 mm; asentaja käytti 50 mm, koska se oli halvempaa ja helpompi asentaa. Tuloksena oli järjestelmä, jossa oli edelleen tarpeeksi painepiikkejä vaurioittamaan venttiilin istukkaa.
Toimialan standardit ja sääntöjen noudattaminen
Pohjois-Amerikassa API 650 ja API 620 tarjoavat puitteet suurten aaltosäiliöiden suunnittelulle. ASME Section VIII, Division 1 on sovellettava koodi pienempien paineastioiden painesäiliöihin. Euroopassa EN 13445 on standardiviite. Kiinassa GB 150 kattaa paineastiat.
Näiden koodien noudattaminen ei ole valinnaista. Suunnittelustandardien lisäksi säiliössä on oltava sovellettava sertifiointimerkki-ASME U-Leima Pohjois-Amerikassa, CE-merkintä Euroopassa.
Olen työskennellyt projekteissa, joissa suunnittelu oli määritelty API 650:lle, mutta valmistus tapahtui maassa, jossa API-yhteensopivuutta ei normaalisti valvottu. Hitsauksen laatu oli epäjohdonmukainen, ja NDT-dokumentaatio oli puutteellinen. Meidän piti hylätä ensimmäinen säiliö ja valmistaa-alus uudelleen, mikä lisäsi projektiin kuusi viikkoa.
Ohimenevä analyysi: Simulaatio, joka säästää rahaa
Laskennallinen transienttianalyysi on suurelta osin korvannut perinteisen lähestymistavan aaltosäiliön mitoittamiseen-empiiristen kaavojen ja turvamarginaalin avulla-. Ohjelmistopaketit, kuten HAMMER, AFT Impulse ja Flowmaster, simuloivat järjestelmän toimintaa, mallintavat venttiilien sulkeutumisaikoja, pumpun käynnistyskäyriä-ja putkien ominaisuuksia ennustaakseen painepiikit tarkasti.
Yhdessä hankkeessa HAMMERissa mallinnettiin 3 km:n pituinen putkilinja, jossa on välitehostinasema. Analyysi osoitti, että yksi 3 000 -litran painesäiliö pumppuasemalla pystyi hallitsemaan painepiikkejä koko järjestelmässä. Ilman simulaatiota asiakas oli valmis asentamaan kolme säiliötä eri kohtiin putkilinjaa pitkin. Simulaatiossa varmistui, että yksi oli riittävä ja sijoitettu optimaalisesti. Säiliön hinta oli noin 18 000 dollaria; kolmen säiliön lähestymistapa olisi maksanut 45 000 dollaria plus lisäputket.
Tämä ei ole poikkeustapaus. Transienttianalyysi ei ole enää erikoistyökalu suuriin projekteihin-se on vakiomuotoinen suunnittelumenettely, jonka pitäisi olla osa kaikkia aaltosäiliön eritelmiä.
Ylivirtaussäiliön ylläpitäminen sen käyttöiän ajan
Ylipainesäiliö itsessään on vähän{0}}huoltoa vaativa komponentti. Kaasun -esilataus tulee tarkistaa neljännesvuosittain ja säätää tarpeen mukaan. Rakko (jos sellainen on) on tarkastettava suunniteltujen seisokkien aikana-säiliön valmistaja suosittelee tarkastusväliä, yleensä kahden tai kolmen vuoden välein.
Olen nähnyt rakkosäiliöitä, jotka toimivat kymmenen vuotta ilman tarkastusta, ja rakko oli haurastunut, ja siinä oli halkeamia, jotka mahdollistivat kaasun karkaamisen. Säiliö jatkoi toimintaansa, mutta pienemmällä kapasiteetilla. Kun ongelma havaittiin järjestelmän päivityksen aikana, säiliö toimi noin 40 %:lla nimellisylijänniteabsorptiokapasiteetistaan.
Liitosputket ja venttiilit vaativat määräajoin korroosion ja kulumisen tarkastuksen. Eristysventtiiliä tulee käyttää vuosittain sen varmistamiseksi, että se sulkeutuu kokonaan. Painemittari on kalibroitava vertailustandardin mukaan, ja varoventtiili tulee testata asetetulla paineella, tyypillisesti joka vuosi tai kaksi.
Kun ylivirtaussäiliö ei riitä
On tilanteita, joissa painesäiliö ei yksin tarjoa riittävää suojaa. Pitkät putkistot, joissa on useita paineenkorotusasemia, käyttäytyvät usein monimutkaisesti. Näissä sovelluksissa ylijännitesäiliöt voidaan yhdistää muihin suojalaitteisiin.
- Ylijännitesuojaventtiilit avautuvat, kun paine ylittää asetusarvon, mikä ohjaa virtauksen säiliöön tai suoja-alueelle. Ne ovat nopeasti-toimivia ja avautuvat millisekunneissa, mutta ne eivät ime energiaa säiliön tapaan.
- Putkilinjan korkeissa kohdissa olevat ilmaventtiilit estävät tyhjiön muodostumisen ohimenevien tapahtumien aikana. Ne ovat kriittisiä järjestelmissä, joissa on merkittäviä korkeusmuutoksia.
- Ohjattu venttiilin sulkeminen on toisinaan määritelty sallimaan venttiili sulkeutua sekuntien aikana hetkellisen sijaan. Tämä ei vaadi säiliötä, mutta se yhdistetään usein ylijännitesäiliöihin kattavan suojan aikaansaamiseksi.
Viimeinen huomautus kustannusten perusteluista
Ylivirtaussäiliöiden liiketoimintaperusteet eivät perustu pelkästään putken kustannuksiin. Se perustuu suunnittelemattomien seisokkien, laitekorjausten kustannuksiin ja järjestelmävikojen korjaamiseen tarvittavaan työvoimaan.
Olen nähnyt yhden tehtaan, jossa aaltosäiliön asennus maksoi 20 000 dollaria. Venttiilien vaihtojen ja putkien korjausten odotetun vähennyksen arvioitiin olevan 5 000 dollaria vuodessa. Takaisinmaksuaika oli neljä vuotta. Tehdas ei kuitenkaan ollut aiemmin seurannut seisokkien kustannuksia. Kun huoltopäällikkö aloitti puunkorjuun, hän havaitsi, että vesivasaratapahtumat aiheuttivat keskimäärin kolmea suunnittelematonta seisokkia vuodessa, joista kukin maksoi noin 4 000 dollaria menetetyistä tuotanto- ja korjaustyöstä. Ylipainesäiliö asennettiin, seisokit lopetettiin ja takaisinmaksuaika oli hieman yli vuosi.
Numerot ovat erilaisia jokaisessa järjestelmässä, mutta aritmetiikka on johdonmukainen. Ylijännitesuoja ei ole kulu; se on pääomasijoitus järjestelmän luotettavuuteen.
Loppuajattelua
Minulle on soiteltu liian monille tehtaille, jotta olen huomannut, että aaltosäiliö oli jätetty pois suunnittelusta tai että asennettu säiliö oli väärän kokoinen tai huollettu. Kummassakin tapauksessa vika ei ollut tekninen virhe-se oli epäonnistuminen järjestelmän dynamiikan ymmärtämisessä, ja vian seurauksia mitattiin korjauskustannuksina ja tuotannon menetyksissä.
Ylivirtaussäiliö ei ole monimutkainen laite. Sen valinta edellyttää järjestelmän tuntemusta: putkilinjan pituutta, virtausmääriä, venttiilin sulkeutumisominaisuuksia ja hyväksyttäviä painerajoja. Kun nämä tekijät otetaan oikein huomioon, säiliö hoitaa tehtävänsä hiljaa ja luotettavasti vuosikymmeniä.
Jos määrität järjestelmää, jossa on ylijänniteriski, älä jätä säiliön valintaa laitetoimittajalle toimittamatta heille kaikkia järjestelmätietoja. Älä käytä "peukalosääntöä", ellet ole valmis hyväksymään väärän päätöksen seurauksia. Ja jos olet arvioimassa järjestelmää, jossa on jo vesivasara, älä lykkää tutkimusta. Seuraava painepiikki saattaa aiheuttaa suuren vian.