Как управлять клапанами для уменьшения или предотвращения гидроудара?

Гидроудар – это явление, возникающее на основе принципа несжимаемости. Он возникает при резком изменении направления движения большого объема жидкости, протекающей по трубопроводу. Из-за инерции жидкости, которая определяется ее массой, она внезапно останавливается, что приводит к быстрому повышению давления. В результате неупругой природы жидкости избыточная энергия не может рассеяться или поглотиться, что приводит к возникновению волн давления, которые распространяются по трубопроводу до тех пор, пока не найдут способ рассеять энергию.

Пиковое давление, связанное с гидроударом, пропорционально объему, подобно тому, как это происходит при столкновении неподдающегося объекта со стеной на высокой скорости. Например, трубопровод диаметром 24 дюйма и длиной 50 километров, заполненный водой, имеет массу около 16 000 тонн. Любое нарушение импульса такого вещества требует значительного количества энергии.

Поэтому в крупных трубопроводах это явление может привести к катастрофическим повреждениям, начиная от вибраций и шума и заканчивая полным разрушением трубопровода.

Существуют различные методы предотвращения или смягчения гидроударов, все они зависят от того, как избежать резких изменений в движении жидкости или безопасно рассеять энергию волн, не причиняя вреда системе. Клапаны играют решающую роль в этом явлении, поскольку их конструкция позволяет изменять направление движения жидкости. Обеспечение надлежащего функционирования клапанов в системе является основополагающим фактором при проектировании эффективной трубопроводной системы.

Как управлять клапанами для уменьшения или предотвращения гидроудара?

1. Продлить время закрытия

Эффективным методом является увеличение времени, в течение которого движение жидкости претерпевает изменения. В трубопроводах это часто достигается путем увеличения времени закрытия клапанов, что позволяет рассеивать энергию из-за потери давления. Когда клапан закрыт, его пропускная способность уменьшается, что определяется соотношением между разностью давлений на концах клапана и расходом через него. При заданном расходе чем выше скорость закрытия клапана, тем меньше расход и тем больше разность давлений для данного расхода. Пик давления, возникающий при закрытии клапана, зависит от времени, которое требуется для закрытия клапана. Мгновенное закрытие клапана приводит к максимальному пику давления. Хотя может показаться, что очень медленное закрытие клапана полностью устраняет гидроудар, это не является целесообразным решением во всех ситуациях или для определенных применений.

Во многих случаях применения запорной или отсечной арматуры клапаны должны срабатывать как можно быстрее, особенно если речь идет об аварийных запорных клапанах. Это необходимо не только для оперативного перекрытия потока жидкости, но и потому, что открытые/закрытые клапаны не должны оставаться частично открытыми в течение длительного времени, так как это может привести к повреждению запорных мембран, седел клапанов и других компонентов из-за коррозии. Эту проблему можно решить, используя для управления клапанами двухскоростную систему или систему с переменной скоростью. Такие системы позволяют оператору закрывать клапан на высокой скорости, например, сначала закрывая 80 % клапана, а затем постепенно закрывая оставшиеся 20 %, чтобы максимально рассеять энергию за минимальное время. Такой подход позволяет значительно сократить поток через клапан за короткое время, обеспечивая эффективное перекрытие потока с учетом необходимой потери давления для смягчения или предотвращения гидроударов.

Устройство управления работой привода опирается на обратную связь по положению клапана и систему энергоснабжения для управления системой. В простых системах гидравлических приводов или системах, использующих несжимаемые жидкости, синхронизация заданного положения обычно достигается с помощью концевых выключателей или датчиков положения. Как только клапан достигает желаемого положения, система уменьшает поток, чтобы замедлить время хода привода. Аналогичные конфигурации работы могут быть разработаны для пневматических систем или систем, использующих сжимаемые жидкости. Расчет времени, необходимого для смены жидкости в трубопроводе, определяется с помощью анализа передачи трубопроводной системы.

2. Уменьшите скорость потока

Другой распространенный метод смягчения потенциально разрушительных последствий гидроудара – намеренное снижение скорости потока жидкости в трубопроводе. В свою очередь, эта скорость связана с номинальным диаметром трубопровода. Ключ к решению проблемы лежит в понимании этой зависимости: при увеличении диаметра трубопровода увеличивается площадь поперечного сечения, через которую может протекать жидкость. Поэтому для поддержания постоянной скорости потока жидкость должна течь с меньшей скоростью в трубопроводе большего диаметра. И наоборот, при использовании трубопровода меньшего диаметра жидкость должна течь с большей скоростью для поддержания того же объема потока. Чем быстрее движется жидкость, тем больше ее кинетическая энергия, а значит, тем сильнее колебания давления, вызванные резкими изменениями.

В связи с этим выбор диаметра трубопровода становится критически важным моментом при проектировании. Хотя выбор в пользу меньших трубопроводов для удовлетворения теоретических требований к минимальному расходу может быть заманчивым, на практике такой подход часто приводит к увеличению скорости потока. Такие повышенные скорости, в свою очередь, усугубляют уязвимость к гидроударам при работе клапанов или других прерываниях потока.

Поэтому разумная и упреждающая стратегия включает выбор диаметра трубопровода, большего, чем минимальный диаметр, указанный в расчетах расхода. При выборе более крупных трубопроводов скорость потока естественным образом снижается при том же расходе. Это снижение скорости действует как буфер, способствуя более постепенной регулировке расхода и давления. Это, в свою очередь, снижает вероятность возникновения пиков давления и связанных с ними потенциальных рисков повреждения системы.

Заключение:

Правильное проектирование систем привода трубопроводной арматуры имеет решающее значение для предотвращения или смягчения воздействия гидроударов в трубопроводных системах. Клапаны играют роль в изменении направления потока, влияя на импульс жидкости в трубопроводе. В зависимости от области применения клапанам может потребоваться быстрое изменение направления потока, однако быстрые изменения могут привести к увеличению пиков давления и усилению волны давления. Внедрение системы переменной скорости для работы клапанов в проект трубопроводной системы в сочетании с подробным анализом передачи жидкости и учетом будущих приростов расхода может обеспечить жизнеспособное решение проблемы гидроударов при работе трубопроводной арматуры.