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关于水锤的浅谈

张贴者 The 福斯克Team 于05.22.17

By: Kevin Ramsden, FAI Chief Engineer, 福斯克& Associates, LLC

先前的技术公告已经讨论了用于解决特定类型的水锤(waterhammer)事件分析的计算方法。在此公告中,我们将讨论各种类型的水锤事件及其对工厂系统的影响。目的是为读者提供有关水锤事件后寻找什么以及可能产生的潜在影响的一些指导。

水锤事件分为几类。最常见的水锤类型包括柱封。这发生在一个系统中,该系统有可能在泵跳闸后排出,从而在升高的高点处形成真空。泵重新启动后,系统将重新注水,并且在重新注满高压点时会发生水对水的冲击。此类事件在供水量较低的冷却水系统中很常见,而冷却系统在海拔33英尺或更高的高度进给组件。

固定水锤水的典型例子
锤击伤害
发烧
交换器通道头

这种类型的事件可以通过Joukowsky方程来表征,该方程将因水锤引起的压力上升与密度,撞击时的流体速度和流体的声速的乘积相关联,所有这些因子均除以二要考虑水对水的影响。这些类型的事件通常会经历泵的跳动,从而导致关闭速度比标称工作速度高10-30%。

这的另一种变化发生在沸水反应堆(BWR)应急堆芯冷却系统(ECCS)中。由于这些系统通常具有来自抑制池的吸力供给,因此它们通常采用“保持填充”系统,该系统由泵组成,该泵在系统上保持正压,防止任何回流。如果该系统发生故障,则可能会向上排水,并且如果发出ECCS注入信号,则ECCS泵启动并迅速为空的管道重新注水时,会产生水锤现象。

在充满水的系统中出现的另一种水锤是由于流动系统上的阀门快速关闭而导致水流快速停滞所致。如果关闭时间少于声波路径长度(定​​义为管道长度除以声速)的10倍,则会产生传播波(水锤)。这种事件的一个例子是操作者在流动系统上迅速关闭球阀。如果关闭是缓慢而故意的,则将几乎没有或没有传播效果,因为流量将逐渐节流。如果他要迅速将阀门关闭,则可能会导致严重的水锤现象,因为流量将立即停滞。 Joukowsky方程式也适用于这种情况,但是分母中的因子2被单位代替,因为没有因水-水碰撞而产生的缓冲。因此,对于相同的关闭速度,这种水锤将产生两倍于柱关闭事件的压力上升。在这种类型的事件中引起关注的是,快速关闭实际上会导致两个水锤,一个水锤紧靠向后传播的阀门上游表面,而一个蒸汽袋在向前传播的阀门下游表面塌陷。在使用机动蝶阀的大型自来水或循环水系统中,此类事件非常严重。电动机操作员的故障(轴剪切力或齿轮齿条)可能会导致蝶形阀被流动快速关闭,从而造成灾难性后果。

水锤的最坏类型是由蒸汽冷凝事件引起的。这些类型的事件需要这样一种情况,即冷水团块与蒸汽囊接触,从而导致蒸汽快速凝结,并使流体加速进入坍塌的空隙。这些事件要求蒸汽温度和液体界面之间至少存在20°C的温差。这些类型的事件的示例包括将安全阀排放到冷水池中。当溢流阀关闭时,冷水会迅速进入排放管路,并使管路中的蒸汽冷凝。这种类型的应用通常需要使用真空破碎锤来防止凝结水锤事件。另一个例子是用冷水重新填充蒸汽管线。如果长时间水平运行(L / D>24)充满冷水,可能会在运行的顶部捕获并冷凝蒸汽囊,从而导致快速冷凝事件并导致水锤现象。值得注意的是,这些类型的事件可以通过冷凝过程“提供动力”,并且可能不需要主动压力源来驱动事件。鉴于此,在被动系统(例如BWR隔离冷凝器)以及主动系统中,完全可能会遇到明显的凝结水锤。蒸汽冷凝事件可能比先前描述的事件大一个数量级,因此需要非常重视。

最后一类水锤事件涉及在系统中出现的名义上为水固体的不凝性气体。这种情况通常是由于维护情况后排气不足而导致的。它也可能是由于溶解的气体离开溶液并在高处积聚而发生的。在加压水反应堆(PWR)残余热量去除(RHR)系统中,当从用氮气加压至约600 psig的蓄能器的回漏会释放大量气体到高压点时,这种情况尤为令人关注。启动ECCS泵时,由于排气的可压缩性,累积在排放管线高点的不可冷凝气体会导致动态事件。这些事件通常没有以前的例子那么严重,但仍然可能导致安全阀的挑战,并给管道系统造成动态负载。

既然我们已经描述了各种可能的水锤事件,那么考虑它们对系统的影响是合理的。水锤事件导致传播的压力波以声速传播通过受影响的管道系统。这种传播会产生波浪载荷,当压力波通过管道时,轴向轴向作用在每个管道段上。根据大小,这将导致管道系统在其支撑上加速。大多数水锤事件会导致管道支撑失效,然后损坏管道本身。支撑失效可通过嵌入板变形或从锚固件中拉出而表现出来。通过在弯头处使管道变平或其他塑性变形,可以观察到对管道系统的后续损坏。靠近水锤事件的人员通常会发现这种体验引人注目且令人难忘。

尽管轴向力和管道反作用是水锤的主要结果,但它们并不是唯一需要关注的问题。瞬态压力波会挑战管道系统中的许多组件。这些包括安全阀,安全阀,热交换器,法兰垫片和仪表。影响取决于压力波的大小和持续时间,以及部件的物理几何形状和磁化率。从大管道过渡到小管道的压力波会放大,并使压力振幅加倍。热交换器特别容易在通道顶部受到损坏,因为这种结构通常在设计时并未考虑到较大的瞬态压差。此外,由于水击事件而受到腐蚀而损坏的热交换器管可能会失效。由于压力波动,法兰上的垫片材料可能会从法兰上挤出,从而导致泄漏。在工厂系统发生水锤事件后,不仅要评估管道和支座,还要评估任何可能遭受持续损坏的组件,这一点很重要。

考虑到由水锤引起的一系列潜在问题,最佳实践是减轻或消除发生此类事件的可能性。在某些情况下,这可以通过真空断路器来实现,也可以通过在潜在的排空事件之后降低系统的填充率来实现。阀门操作员的正确维护可以帮助防止可能导致水锤事件的故障。对于蒸汽冷凝事件,最好的方法通常是修改操作程序,以排除可能导致事件发生的条件。这要求在正常和紧急情况下严格审查系统和操作程序。

有关更多信息,请联系FAI首席工程师Kevin Ramsden(630)887-5260, [email protected]www.yqlife.cn

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