Vandamál sem birtist þegar þú átt síst von á því
Ég var kallaður í vatnshreinsistöð fyrir um sex árum. Rekstraraðilarnir voru með vandamál sem þeir gátu ekki leyst. Í hvert sinn sem aðalflutningsdælan stöðvaðist barst þungur dynkur í gegnum leiðsluna-sem heyrðist frá stjórnklefanum. Viðhaldsskrárnar sýndu að þeir höfðu skipt út þremur þrýstimælum, tveimur afturlokum og einum hluta af 200 mm pípu á síðustu átján mánuðum. Skiptalögnin hafði verið tilgreind þykkari en upprunalega, en dynkurinn hélt áfram.
Vandamálið var vatnshamar. Kerfið hafði verið hannað án bylgjutanks og þrýstingsbylgjan sem myndast við lokun dælunnar fór verulega yfir þrýstingsmat pípunnar. Þykkari pípan var að meðhöndla einkennin, ekki orsökina. Við settum upp vatnapneumaticbylgjutankurvið losunarhaus dælunnar-stærð að flæðihraða kerfisins og lengd leiðslunnar-og dynkurinn hvarf. Mælarnir hættu að bila. Það var fyrir sex árum og tankurinn er enn í notkun.
Þetta er svona vandamál sem bylgjutankar leysa. Þau eru ekki flókin tæki, en val þeirra og stærð krefjast glöggs skilnings á gangverki kerfisins og afleiðingar þess að misstíga sig eru mælanlegar í bilun í búnaði og niðritíma.
Eðlisfræði Water Hammer
Vélbúnaðurinn er einfaldur. Vökvi sem fer í gegnum leiðslu hefur skriðþunga. Þegar loki lokast eða dæla stöðvast breytist þessi skriðþunga í þrýsting-þrýstingsbylgju sem ferðast á hljóðhraða í vökvanum og endurkastar pípuendum og festingum þar til hún hverfur. Stærð þrýstingshækkunarinnar er fall af vökvahraða, pípulengd, lokunartíma og teygjanlegum eiginleikum bæði vökvans og pípuveggsins.
Klassíska Joukowsky-jöfnan gefur þrýstingshækkun fyrir tafarlausa lokun:
ΔP = ρ × a × ΔV
Þar sem ΔP er þrýstingshækkun, ρ er vökvaþéttleiki, a er bylgjuhraði (venjulega 1000 til 1200 m/s fyrir vatn í stálpípu) og ΔV er breyting á hraða vökva.
ΔP = ρ × a × ΔV
Fyrir dæmigert vatnskerfi sveitarfélaga með rennslishraða 2 m/s veldur tafarlaus lokun þrýstingshækkun upp á um það bil 200 til 240 metra að hæð -nógu til að springa flest venjuleg lagnakerfi. Þetta er ekki fræðilegt áhyggjuefni. Ég hef skoðað bilanir þar sem þrýstibrúninn fór 300% yfir pípustigið, klofandi festingar og klippa flansbolta.
Stækkunargeymir bregst við þessu með því að útvega rúmmál af þjöppanlegum vökva-venjulega lofti eða köfnunarefni, annaðhvort fast í tankinum eða aðskilið með þvagblöðru-sem gleypir þrýstingsbylgjuna. Þegar bylgjan kemur þjappast gasið saman og gleypir í sig orku sem annars myndi berast á pípuveggina.
Stærð: Þar sem verkfræðidómur skiptir máli
Stærð bylgjutanks er kerfissértækur-útreikningur, ekki þumalputtaregla. Það fer eftir lengd og þvermál leiðslunnar, flæðishraða, lokunartíma lokans, eiginleika dælunnar og æskilegum þrýstingsmörkum.
Hönnunaraðferðin byrjar venjulega á því að ákvarða nauðsynlega bylgjumagn. Fyrir einfalt dælukerfi felur þetta í sér að reikna út vökvamassann sem þarf að hægja á og þrýstingshækkunina sem myndi eiga sér stað án bylgjuvarnar, síðan ákvarða geymirúmmálið sem þarf til að halda þrýstingi undir völdum mörkum.
Íhaldssöm nálgun notar eftirfarandi ramma:
- Komdu á eðlilegum rekstrarþrýstingi og hámarks leyfilegum þrýstingi.
- Reiknaðu út þrýstinginn án verndar með því að nota vökva skammtímagreiningu.
- Stærð tankinn til að gleypa muninn á bylgjuþrýstingi og leyfilegum þrýstingi.
- Tilgreindu forhleðsluþrýsting gassins (venjulega 80-90% af venjulegum rekstrarþrýstingi fyrir þvagblöðrutanka).
- Staðfestu valda stærð með því að nota skammtímahermunarhugbúnað.
Ég hef séð verkefni þar sem stærðirnar voru byggðar á „ein stærð fyrir alla“ töflu framleiðanda. Í einu tilviki varð til tankur sem var 40% undirmáls. Þrýstilokarnir við ræsingu héldust nógu háir til að valda skemmdum á ventlasæti. Rekstraraðilinn setti upp annan tank samhliða sex mánuðum síðar-heildarkostnaðurinn var næstum því tvöfaldur á við það sem rétt stór tankur hefði kostað fyrirfram.
Þvagblöðrutankar, vatns-lofttankar og opnir tankar
Helstu gerðirnar þrjár þjóna mismunandi forritum og hafa hver sína eigin eiginleika í þjónustu.
- Opnir bylgjutankar eru einfaldir og áreiðanlegir. Þau eru í meginatriðum opin ílát sem eru tengd við leiðsluna, sem gerir vökva kleift að flæða inn og út til að gleypa þrýstingsbreytingar. Þau henta best fyrir kerfi með tiltölulega lágan þrýsting og þar sem vatnsgæði leyfa útsetningu í andrúmslofti. Gallinn er sá að þeir þurfa hækkun til að virka-þeir verða að vera staðsettir fyrir ofan leiðsluna til að veita þyngdarafl til baka.
- Þvagblöðrutankar eru algengustu gerðin í vatnskerfum sveitarfélaga og iðnaðar. Sveigjanleg þvagblöðra skilur gasið frá vatninu og kemur í veg fyrir að gasið leysist upp í vatnið. Þetta dregur úr viðhaldi og viðheldur stöðugri frammistöðu með tímanum. Þvagblöðruefnið verður að vera samhæft við vökvaefnafræði-EPDM fyrir vatn, Viton fyrir kolvetni og sérhæfð efnasambönd fyrir árásargjarn efni.
- Vatns-loftgeymar nota rúmmál af föstum gasi í beinni snertingu við vatnið. Þær eru -hagkvæmar og einfaldar en krefjast reglubundinnar áfyllingar á gasið, þar sem það leysist upp í vatnið með tímanum. Ég hef séð vatns-loftgeyma í samfelldri þjónustu í 25 ár með hefðbundnum árlegum skoðunum og bensínáfyllingu-uppbót-viðhaldsskuldbindingu sem er viðráðanleg en ekki valfrjáls.
Efnisval: Meira en bara stál
Stækkunargeymirinn sjálfur er þrýstihylki og hönnun hans verður að vera í samræmi við viðeigandi kóða-ASME Section VIII í Norður-Ameríku, EN 13445 í Evrópu og GB 150 í Kína. En kóðinn einn ræður ekki efnisvali.
- Kolefnisstál er sjálfgefið val fyrir flest vatn og hreinan vökva. Það er -hagkvæmt og hægt að suðu. Innra yfirborð verður að verja gegn tæringu, annaðhvort með epoxýhúð af matvæla-gráðu eða með tæringarhlunnindi í hönnuninni.
- Ryðfrítt stál er tilgreint þar sem vökvinn er ætandi eða þar sem vatnsgæðastaðlar krefjast þess. Ég hef tilgreint 304L fyrir notkun á drykkjarhæfu vatni þar sem viðskiptavinurinn krafðist fullt ryðfrítt blautt yfirborð, og 316L fyrir notkun með klóríðinnihald yfir 200 ppm. Kostnaðarálag er venjulega 2,5 til 3 sinnum kolefnisstál, en endingartíminn er hægt að tvöfalda eða þrefalda.
- Samsettir tankar eru í auknum mæli fáanlegir. Þau bjóða upp á þyngdarsparnað og tæringarþol en eru almennt takmörkuð við lægri þrýsting og minni þvermál. Ég hef notað FRP bylgjutanka í efnaverksmiðju þar sem vökvinn var örlítið súr og tankurinn var settur upp í hæð-þyngdarsparnaður réttlætti hærri einingakostnað.
Spurningin um for-álagsþrýsting
Eitt atriði sem oft slær rekstraraðilum er gasforhleðsluþrýstingur-. Fyrir þvagblöðruhylki ætti að stilla forhleðsluþrýstinginn á um það bil 80% til 90% af venjulegum kerfisþrýstingi. Ef for-hleðslan er of há tekur tankurinn ekki við vatni við bylgjur; ef það er of lágt botnar þvagblöðran of snemma.
Ég man eftir tilviki þar sem viðhaldsáhöfn hlóð 500-lítra þvagblöðrutank á rangan þrýsting - þeir stilltu hann á 6 bör þegar kerfið var í gangi á 8 börum. Geymirinn tók við vatni í fyrstu bylgjunni og síðan botnaðist þvagblöðran, sem bauð ekki frekari bylgjuvörn. Kerfið lenti í vatnshamri sem skemmdi afturloka. Atvikið var skráð og villan var leiðrétt, en endurnýjunarkostnaður ventla fór fram úr viðhaldsáætlun fyrir allt árið.
Upplýsingar um uppsetningu sem skipta máli
Tankurinn verður að vera staðsettur þannig að hann nái bylgjunni áður en hann nær viðkvæmum búnaði. Þetta þýðir venjulega uppsetningu við útblásturshaus dælunnar, neðan við afturlokann. Tengirörin ættu að vera eins stutt og bein og hægt er, án krappra beygja sem gætu valdið þrýstingstapi eða flæðishömlum.
Ég hef séð innsetningar þar sem tengirörið var undirstærð. Bylgjan barst inn í tankinn en takmörkunin í rörinu olli þrýstingsfalli sem dró úr virkni tanksins. Framleiðandinn hafði tilgreint lágmarks tengistærð 80 mm; uppsetningarforritið notaði 50mm vegna þess að það var ódýrara og auðveldara að koma fyrir. Niðurstaðan var kerfi sem enn fann fyrir nægum þrýstingsstökkum til að skemma ventlasæti.
Iðnaðarstaðla og samræmi við reglur
Í Norður-Ameríku, API 650 og API 620 veita ramma fyrir stóra bylgjutank hönnun. ASME kafli VIII, deild 1 er viðeigandi kóða fyrir smærri þrýstihylkisgeymar. Í Evrópu er EN 13445 staðaltilvísunin. Í Kína nær GB 150 yfir þrýstihylki.
Það er ekki valfrjálst að fylgja þessum reglum. Til viðbótar við hönnunarstaðlana verður tankurinn að vera stimplaður með viðeigandi vottunarmerki-ASME U-Stimpill í Norður-Ameríku, CE-merki í Evrópu.
Ég hef unnið að verkefnum þar sem hönnunin var tilgreind í API 650 en tilbúningurinn var í landi þar sem að reglubundnum API var ekki framfylgt. Suðugæðin voru ósamkvæm og NDT skjölin voru ófullnægjandi. Við þurftum að hafna fyrsta tankinum og endursmíða skipið- og bæta sex vikum við verkefnið.
Tímabundin greining: Uppgerðin sem sparar peninga
Hefðbundin nálgun við stærðarstærð bylgjutanks-með því að nota reynsluformúlur og öryggismörk- hefur að mestu verið leyst af hólmi með tímabundinni reiknigreiningu. Hugbúnaðarpakkar eins og HAMMER, AFT Impulse og Flowmaster líkja eftir kerfishegðun, reikna lokunartíma,-dæluræsingarferla og pípueiginleika til að spá fyrir um þrýstingshækkun með nákvæmni.
Í einu verkefninu var 3 km leiðsla með millistöðvunarstöð gerð fyrirmynd í HAMMER. Greiningin sýndi að einn 3.000-lítra stækkunargeymir við dælustöðina gæti stjórnað þrýstibylgjum um allt kerfið. Án uppgerðarinnar var viðskiptavinurinn reiðubúinn að setja upp þrjá tanka á mismunandi stöðum meðfram leiðslunni. Eftirlíkingin sannreyndi að einn væri nægjanlegur og staðsettur á besta stað. Tankurinn kostaði um það bil $18.000; þriggja tanka aðflugið hefði kostað $45.000 auk viðbótarlagna.
Þetta er ekki undantekningartilvik. Tímabundin greining er ekki lengur sérhæft tól fyrir stór verkefni-það er staðlað verkfræðilegt ferli sem ætti að vera hluti af hvers kyns forskriftum fyrir bylgjutank.
Að viðhalda bylgjutanki yfir endingartíma hans
Stækkunargeymirinn sjálfur er lítill-viðhaldshluti. Athuga skal gasforhleðslu- ársfjórðungslega og stilla eftir þörfum. Þvagblöðruna (ef hún er til staðar) ætti að skoða meðan á áætlaðri stöðvun stendur-framleiðandinn gefur upp ráðlagt skoðunartímabil, venjulega á tveggja til þriggja ára fresti.
Ég hef séð þvagblöðrutanka sem gengu í tíu ár án skoðunar og þvagblöðran var orðin stökk og mynduðu sprungur sem leyfðu gasi að komast út. Tankurinn hélt áfram að virka en minnkaði afkastagetu. Þegar vandamálið fannst við kerfisuppfærslu var tankurinn í gangi á um það bil 40% af álagsgleypni sinni.
Tengipípur og lokar þurfa reglubundna skoðun með tilliti til tæringar og slits. Einangrunarventilinn ætti að ræsa árlega til að tryggja að hann lokist að fullu. Þrýstimælirinn ætti að vera kvarðaður í samræmi við viðmiðunarstaðal og öryggisventillinn ætti að vera prófaður við stilltan þrýsting, venjulega á hverju ári eða annað hvert ár.
Þegar bylgjutankur er ekki nóg
Það eru aðstæður þar sem bylgjutankur einn og sér veitir ekki fullnægjandi vernd. Langar leiðslur með mörgum örvunarstöðvum hafa oft flókna vökvahegðun. Í þessum forritum er hægt að sameina straumgeyma með öðrum varnarbúnaði.
- Yfirfallslokar opnast þegar þrýstingur fer yfir ákveðinn punkt, sem leiðir flæði í lón eða innilokunarsvæði. Þeir eru hraðvirkir-, opnast á millisekúndum, en þeir gleypa ekki orku eins og tankur gerir.
- Loftlokar á háum stöðum í leiðslunni koma í veg fyrir lofttæmismyndun meðan á skammvinnum atburðum stendur. Þau eru mikilvæg í kerfum með verulegar hæðarbreytingar.
- Stýrð lokun er stundum tilgreind til að leyfa lokanum að loka á sekúndutímabili frekar en samstundis. Þetta krefst ekki tanks en er oft sameinað bylgjutankum fyrir alhliða vernd.
Lokaskýring um réttlætingu kostnaðar
Viðskiptamálið fyrir bylgjutanka er ekki byggt á pípukostnaði einum saman. Það er byggt á kostnaði við ófyrirséða niður í miðbæ, viðgerðir á búnaði og vinnuafli sem þarf til að bregðast við kerfisbilunum.
Ég hef séð eina verksmiðju þar sem uppsetning bylgjutanks kostaði $20.000. Áætluð lækkun á ventlaskiptum og pípuviðgerðum var metin á $5.000 á ári. Uppgreiðslutíminn var fjögur ár. En verksmiðjan hafði ekki áður fylgst með kostnaði við niðurgreiðslutíma. Þegar viðhaldsstjórinn byrjaði að skrá bilanir, komst hann að því að vatnshamaratburðir áttu þátt í að meðaltali 3 óskipulagðar stöðvun á ári, sem hver kostaði um $4.000 í tapað framleiðslu- og viðgerðarvinnu. Bylgjutankurinn var settur upp, stöðvun stöðvaðist og endurgreiðslutíminn var rúmlega eitt ár.
Tölurnar eru mismunandi fyrir hvert kerfi, en reikningurinn er í samræmi. Yfirspennuvörn er ekki kostnaður; það er fjárfesting í áreiðanleika kerfisins.
Lokahugsanir
Ég hef verið kallaður til of margra verksmiðja til að komast að því að bylgjutankur hafi verið sleppt úr hönnuninni eða að tankurinn sem settur var upp hafi verið rangt stór eða viðhaldið. Í hverju tilviki var bilunin ekki tæknileg yfirsjón-það var bilun í að skilja gangverk kerfisins og afleiðingar þeirrar bilunar voru mældar í viðgerðarkostnaði og tapaðri framleiðslu.
Stækkunargeymir er ekki flókið tæki. Val þess krefst þekkingar á kerfinu: lengd leiðslunnar, flæðishraða, eiginleika lokunar og ásættanleg þrýstingsmörk. Þegar þessir þættir eru skoðaðir rétt, sinnir tankurinn hlutverki sínu hljóðlega og áreiðanlega í áratugi.
Ef þú ert að tilgreina kerfi með bylgjuáhættu skaltu ekki láta búnaðarframleiðandann velja tankinn án þess að láta hann í té öll kerfisgögn. Ekki nota „þumalputtareglu“ nema þú sért tilbúinn að sætta þig við afleiðingar rangrar ákvörðunar. Og ef þú ert að meta kerfi sem er nú þegar í vatnshamri skaltu ekki fresta rannsókninni. Næsti þrýstingsauki gæti verið sá sem veldur meiriháttar bilun.