Руководство по Безопасности для Нефтяных Танкеров и Терминалов(isgott). Русская редакция Содержание 87

• Название: Руководство по Безопасности для Нефтяных Танкеров и Терминалов(isgott). Русская редакция Содержание 87
• Анкор: Isgot
• Дата: 12.09.2022
• Размер: 3.77 Mb.
• Имя файла: ISGOTT_Rus.doc
• Тип: Руководство; #673954
• страница: 24 из 45

Глава 21

Гидравлический удар

В этой главе содержится краткое объяснение такого явления, как гидравлический удар в трубопроводах и описываются способы, с помощью которых его можно предотвратить.

21.1 ВВЕДЕНИЕ

Гидравлический удар возникает в трубопроводной системе в момент резкого изменения скорости потока жидкости в трубе. При эксплуатации танкера с большей вероятностью это может произойти во время погрузки по одной из следующих причин:

• закрытие автоматического запорного клапана;

• перекрытие берегового невозвратного клапана;

• перекрытие впускного клапана;

• быстрое закрытие клапана с энергетическим приводом.

Если при гидравлическом ударе в трубопроводе возникают напряжения или продольные усилия, превышающие прочность трубопровода или его составных узлов, могут возникнуть повреждения, приводящие к интенсивной утечке нефти.

21.2 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА

Когда для подачи жидкости из питающего танка вниз по трубопроводу через клапан в приемный танк используется насос, давление в любой точке системы во время тока жидкости слагается из трех составляющих:

• давления на поверхности жидкости в питающем танке. Если незаполненное грузом пространство танка сообщается с атмосферой, то это давление является атмосферным;

• гидростатического давления в рассматриваемой точке системы;

• давления, созданного насосом. Это давление наибольшее на выходе насоса, затем оно постепенно уменьшается из-за продольного трения в трубе и при прохождении жидкости через клапан в приемный танк.

Из этих трех составляющих первые две во время гидравлического удара можно считать постоянными величинами, и нет необходимости рассматривать их в дальнейшем, хотя они всегда присутствуют, в значительной степени влияя на общее давление.

При быстром закрытии клапана неустановившееся давление накладывается на все три составляющие вследствие внезапного преобразования кинетической энергии движущейся жидкости в потенциальную энергию деформации, приводящую к сжатию жидкости и расширению стенки трубы. Последовательность явлений можно проиллюстрировать, приняв во внимание простейший гипотетический случай, то есть момент, когда клапан закрывается мгновенно, а расширения стенки трубы не происходит, при этом не учитывается рассеивание энергии в результате трения жидкости о поверхность трубы. В этом случае в системе возникает наибольшее давление.

Когда данный клапан закрывается, поток жидкости непосредственно выше клапана относительно направления истечения резко останавливается. Это приводит к увеличению давления жидкости на величину Р. Для любой системы единиц Р равно:

Р = wav, где w - массовая плотность жидкости;

а - скорость звука в жидкости;

v - изменение линейной скорости жидкости, т.е. линейная скорость потока до закрытия.

Прекращение тока жидкости передается в обратном направлении вверх по трубопроводу со скоростью звука в жидкости, и по мере остановки каждого элементарного объема жидкости ее давление возрастает на величину Р. По этой причине фронт чрезмерного давления, величина которого равна Р, перемещается вверх по трубопроводу со скоростью звука; Такое нарушение нормального режима работы известно как гидравлический удар.

Выше от места возникновения гидравлического удара жидкость продолжает течь в прежнем направлении и она все еще подвергается давлению, создаваемому насосом. Позади места возникновения гидравлического удара жидкость неподвижна, а ее давление возросло во всех точках на постоянную величину, равную Р. Ниже места возникновения удара разность давлений сохраняется, однако, в этой части трубопровода происходит непрерывное выравнивание давления, и, в конечном итоге, этот процесс начинает распространяться во всем объеме неподвижной жидкости. Процесс выравнивания давлений распространяется в жидкости также со скоростью звука.

Когда ударный фронт достигает насоса, давление на выходе насоса (при этом не берутся в расчет составляющие атмосферного и гидростатического давлений) становится равным сумме давления удара Р и давления, создаваемого на выходе насоса при нулевой производительности (при этом предполагается, что поток жидкости в обратном направлении отсутствует), так как поток жидкости, проходящей через насос, уже прекратился. Процесс выравнивания давления продолжается ниже насоса. Вновь принимая в расчет наихудший гипотетический случай, при котором давление не снижается каким-либо способом, то тогда в результате образуется волна давления, которая проходит по всей длине трубопроводной системы. Максимальная величина фронта давления равна сумме давления Р и давления на выходе насоса при нулевой производительности. Окончательное выравнивание окончательного давления по достижении этого состояния прекращается в насосе, как только первоначальный удар достигнет насоса и начнет распространяться вниз по направлению к клапану со скоростью звука. Поэтому на один цикл ударной волны требуется время, равное 2L/a, считая с момента закрытия клапана, где L - длина трубопровода и а - скорость звука в жидкости. Такой период времени называется фазой гидравлического удара.

Поэтому при такой упрощенной схеме жидкость в любой точке трубопровода испытывает давление, величина которого резко возросла на величину Р, и которое затем продолжает увеличиваться достаточно быстро, но не так резко до тех пор, пока его величина не станет равной сумме величин Р и давления на выходе насоса при нулевой производительности.

На практике закрыть клапан мгновенно нельзя и поэтому при закрытии клапана происходит некоторый сброс давления гидравлического удара. В результате этого величина давления удара становится меньше той, которая рассмотрена в гипотетическим случае, а фронт давления менее выраженным.

Из-за наличия насоса у верхнего конца трубы может происходить некоторый сброс давления, что также неизменно приведет к снижению достигнутого максимального давления. Если фактическое время, необходимое для закрытия клапана, в несколько раз превышает фазу гидравлического удара, сброс давления из-за наличия клапана и насоса происходит более интенсивно и возникновение опасной ситуации маловероятно.

Ниже клапана при его закрытии возникает аналогичный процесс, за исключением того, что по мере прекращения тока жидкости происходит падение давления, которое распространяется вниз по течению со скоростью звука. Однако понижения давления часто не происходит в результате выделения газа из жидкости, при этом, хотя сразу после закрытия клапана никаких серьезных последствий произойти не может, не исключено, что последующее разрушение газовых пузырьков приведет к возникновению ударных волн, подобных тем, которые возникают выше клапана.
21.3 ОЦЕНКА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ

21.3.1 Фактическое время закрытия клапана

Для того, чтобы можно было определить, существует ли опасность возникновения гидравлического удара в трубопроводной системе, в первую очередь необходимо сопоставить время, необходимое для закрытия клапана, с фазой гидравлического удара.

Фактическое время закрытия клапана, т.е. период, в течение которого фактическая скорость потока уменьшается очень быстро, обычно значительно меньше общего времени движения штока клапана. Оно зависит от конструкции клапана, которая определяется с учетом взаимосвязи площади проходного отверстия клапана и места расположения штока. Существенного ослабления интенсивности потока можно достичь, как правило, только во время перекрытия последней четверти или менее площади проходного отверстия клапана.

Если фактическое время закрытия клапана меньше или равно фазе гидравлического удара, то система может испытывать сильные гидравлические удары. Более слабых, но все еще существенных ударов можно ожидать, если фактическое время закрытия клапана не намного превышает фазу гидравлического удара, но ими можно пренебречь, если фактический период закрытия клапана в несколько раз превышает фазу гидравлического удара.

21.3.2 Определение общего давления в системе

В обычной системе перекачки жидких нефтепродуктов с судна на берег, когда береговая цистерна сообщается с атмосферой, максимальное давление, испытываемое во время гидравлического удара на любом участке стенки трубы в поперечном направлении, равно сумме гидростатического давления, давления на выходе насоса при нулевой производительности и давления удара. Первые две величины, как правило, известны.

Если фактическое время закрытия клапана меньше или равно фазе гидравлического удара, то величина давления удара, используемая при определении суммарного давления, должна быть равной величине Р, установленной, как указано в разделе 21.2. Если это время несколько превышает фазу гидравлического удара, вместо Р можно использовать меньшее значение, и давлением удара, как уже указывалось, можно пренебречь, если фактическое время закрытия клапана в несколько раз превышает фазу гидравлического удара.

21.3.3 Общий проект системы

В этой главе была рассмотрена простейшая система, состоящая из одной трубы. На практике может возникнуть необходимость рассмотрения более сложной системы. В частности, может потребоваться детальное рассмотрение взаимного воздействия клапанов, расположенных параллельно или последовательно. В некоторых случаях можно ожидать усиления действия гидравлического удара; это может произойти в двух параллельных линиях, если закрытие клапана на одной линии приводит к увеличению интенсивности потока на другой линии прежде, чем эта линия, в свою очередь, будет перекрыта. С другой стороны, правильная эксплуатация клапанов, расположенных последовательно в трубопроводе, может свести к минимуму давление гидравлического удара.

Неустановившиеся давления образуют в трубопроводной системе силы, которые могут привести к значительным смещениям трубопровода, разрушению трубы, поломкам опор, повреждению механизмов и другого подсоединяемого оборудования. Поэтому в проекте должны быть учтены конструктивная способность трубопроводной системы выдерживать нагрузки, оказываемые жидкостью, а также нагрузки, возникающие в результате давления жидкости и приложенных моментов. Кроме того, обычно требуется накладывать на трубопровод крепления для предотвращения повреждений, возникающих в результате значительных перемещений самого трубопровода. При выборе креплений важно учесть тот факт, что трубопровод состоит из длинных прямых труб, которые значительно расширяются под действием термических нагрузок. Эти крепления должны учитывать температурное расширение труб и поглощать воздействия гидравлического удара, не создавая при этом перенапряжения в трубопроводах.
21.4 СНИЖЕНИЕ ОПАСНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА

21.4.1 Общие меры предосторожности

Если в результате расчетов, обобщенных в разделе 21.3, обнаружится, что величина возможного общего давления превысит или будет соизмерима с величиной прочности любой части трубопроводной системы, рекомендуется проконсультироваться по этому поводу у специалиста.

Там, где клапаны имеют ручной привод, их надлежащая эксплуатация должна исключать вероятность возникновения гидравлического удара. Важно, чтобы клапан, встроенный в конце длинного трубопровода не закрывался внезапно против потока; все изменения регулировочного положения клапана должны производиться медленно.

Для устранения опасности гидравлического удара при установке клапанов с механическим приводом следует предпринять следующие меры:

• снизить линейную скорость потока, т.е. интенсивность перекачки груза, до величины, смягчающей воздействие гидравлического удара;

• увеличить фактическое время закрытия клапана. По очень приблизительным подсчетам суммарное время закрытия должно быть порядка 30 секунд или даже более. Скорость закрытия клапана должна быть постоянной и воспроизводимой, хотя это условие не всегда выполнимо, причем пружинные возвратные клапаны или приводы требуются в тех случаях, когда необходимо обеспечить, чтобы клапаны надежно перекрывали поток в закрытом положении. Более равномерного ослабления потока можно добиться с учетом особого конструктивного исполнения проходного отверстия клапана или путем использования привода клапана с очень низкой скоростью закрытия отверстия и, особенно, последних 15%-ов площади этого отверстия;

• использовать систему сброса давления, уравнительные танки или подобные устройства, достаточно интенсивно поглощающие воздействие гидравлического удара.
21.4.2 Ограничение скорости потока в целях предотвращения угрозы разрушающего воздействия гидравлического удара

С функциональной точки зрения длина трубопровода, а часто и время закрытия клапана являются заранее обусловленными, и поэтому на практике избежать непреднамеренного быстрого закрытия клапана, например при завершении налива, можно лишь путем ограничения линейной скорости потока максимальной величиной v_max . Зависимость между скоростью потока и предельно допустимым давлением гидравлического удара Р_max представлены в уравнении:

(см.раздел 21.2)

Если внутренний диаметр трубопровода равен d, то соответствующая скорость предельно допустимого объемного потока Q_max определяется по формуле:



Если с достаточной точностью принять, что

а - скорость звука в нефтепродукте - равна 1300 метров в секунду,

w - плотность нефтей - равна 850 килограмм на кубический метр, то тогда, приблизительно:



где Q_max выражается в кубических метрах в секунду, d - в метрах и Р_max в ньютонах/м².

В двух других системах единиц:



где Q_max выражена в кубических метрах в час, d - в метрах и Р_max в килограммосилах/м².

или приблизительно

где Q_max выражена в кубических метрах в час, d - в дюймах и Р_max в килограммосилах/см².