流体力学水击现象在空分设备中的危害.doc

流体力学“水击现象”在空分装置中的危害 史作询（青岛钢铁控股集团有限责任公司，青岛 266043）摘要：从流体力学的角度，来分析空分装置的某些事故引用某气体公司进口主换热器泄漏的事例，从气体流动上来分析，阐明“水击现象”在空分装置的危害核心词：流体力学 空分装置 水击现象 主换热器 中压泄漏 定常流 非定常流 增压膨胀 阀门忽然关闭 正流和倒流 震荡 我们在学习流体力学的时候，讨论过液体在园管中作不稳定有压流动的一种类型——水击现象，或称水锤作用空分装置管道中流动的虽是可压缩流体气体，但是也符合流体力学的某些规律和定律这里我们把它视为符合流体力学所研究的对象，用流体力学的理论来研究一下在我们空分装置中的现象及其危害和避免1、有压管路中阀门忽然关闭或启动时的水击现象当压力管路中流体的运动速度，因外界的某种因素(例如阀门的忽然关闭或启动)而发生急剧变化时，引起动量的迅速变化，从而导致压力的迅速变化，因此使流体中浮现一连串的压力交替升降的现象压力作用于管壁上，使管子发生振动浮现此类现象时，流体压力对管壁或阀门的作用，犹如锤击同样，因此也称之为“水锤现象”当发生水击时，管路中的压力升降不仅也许达到较高的数值，并且还具有较高的频率，其危害性很大。

在液体中，会使水管炸裂（由于液体是不可压缩流体）水击现象发生时，压力管路中任一点的压力和流速都是随时间而变化的因此这时的流动属于不定常流动在非定常流问题的研究中，我们明白了两点：1.1我们通过推导得出阀门瞬间关闭时计算压力增值的近似公式（儒可夫斯基公式）：△P=ρcjV=V 式中: △P 为水锤压力ρ 为密度，单位体积的质量=γ/g，sulg/ft3(kg/m3) cj 为弹性管道内弹性流体中压力波的传播速度（快捷度），ft/sec (m/s) V 为流体的平均速度，ft/sec (m/s) Ev 为介质的体积弹性模量 t 为管壁的厚度 E 为管材的弹性模量1.2 得出了阀门瞬间关闭时考虑管道摩擦和阻尼时的压力记录图 （图1） 时间间阀门关闭瞬间R 阀门关闭瞬间px V2 hL+— 2g △P ─ γ L 2─ cj L2─ cjabd ef 图1、阀门瞬时完全关闭考虑管道摩擦和阻尼时的压力记录图1所示的阀门历史记录的图表中，线ab略微向上倾斜；当所有条件都反过来时，同样的因素，线ef也许向下略微倾斜。

同步，由于阻尼，波动将大幅度削弱直至达到最后压力平衡通过压力增值的近似公式和压力记录图，我们可以得出两条结论：一是△P（水锤压力）是巨大的，对管路具有很大的破坏性二是压力的变化形成了压力冲击波，导致了管子震动瞬间迅速关闭阀门，在我们空分装置的运营中是一种保护行动，但却是一种不得已而为之的措施，是应当尽量避免浮现的现象2、例如某气体公司 年4月发生了一起内压缩流程万立制氧机板式主换热器泄漏的事故，用流体力学的观点来分析一下事故发生的因素，也许对我们有某些有益的启发2.1 该换热器由法国诺顿公司（NORDON）制造，为单体设备，重1KG,内置高、中、低三种压力通道设计工作压力分别为724 psi,358 psi,18psi其外形及泄漏示意图如下：（图2）图中; HA3-高压空气 PA3-中压空气 GO1-低压气氧 WN5-低压污氮气 A1-低压空气图2 主换热器泄漏示意图2.2从流程分析泄漏因素：该空分设备为KDON-10000/10000-1型，其空气增压膨胀流程工艺简图如下：（图3） 图3 空气增压膨胀流程工艺简图 2.2.1从图中可以看出，中压空气P1（260psi）从增压机二级出口引出-进入增压膨胀机组增压段-增压后压力升为P2(358psi)-一路进入主换热器降温后进入膨胀机膨胀，压力降为P3(84Psi)后直接进入下塔。

而另一路（P2）通过阀门V401回流到增压机二级出口（P1），形成一种闭路循环2.2.2 从这个空气的流路中可以发现，安全泄压的放散点，只有增压机组的二级出口压力“超压保护放散阀门”2.2.3一旦膨胀机的运转浮现故障，机迈进口控制阀（V441）就会紧急切断，关闭进气而此时增压机组仍旧运转，高压P2空气返流回到低压P1 ，而P1 还源源不断的流出压力P2倒流 和P1混合后，超过二级压力放散值后，“超压保护放散阀门”开始打开，直到压力不不小于或等于P1后，放散才趋于稳定平衡 2.2.4 在这个放散到平衡过程中，管道内的气流由定常流变为非定常流，主换热器不断被正流和倒流的空气所冲击，与流体力学中的“水击现象”十分相似，因此导致的危害也是巨大的2.2.5 该空分装置增压膨胀机组与增压机组相距约60余米，与主换热器相距约10米，由于距离短，时间短，从图1中可以看出其压力波动更大空气在主换热器的通道中由定常流变为紊流，正流和返流空气反复平衡压力，急剧震荡板翅式换热器的材料和构造以及钎焊强度都更容易受到损坏2.3从主换热器的泄漏点分析（见图4）图4 两个单元接缝之间（20毫米宽）中压空气喷射处（局部和放大）2.3.1 空气是从两个板式单元的连接之间，宽20毫米的缝隙喷射出来的。

那么空气是从哪里进入缝隙的呢？通过检查解剖，发现是从中压空气PA3的进口管口覆盖的缝隙中进入的，从位于进口封头的下部喷射出来，（从主换热器的背面缝隙也有少量泄漏三种压力的板翅通道都完好2.3.2 漏点找出来了，为什么相邻的高达724Psi的高压空气通道完好无损？单单压力仅有358Psi的中压出了问题呢？工艺布置的缺陷找出了答案2.4 从理论计算上分析已知条件：空气的密度：ρ=1.8kg/m3 （-120℃ ）空气的平均流体速度 V=15000m3/h=59m3/sec （膨胀空气流量）空气的体积弹性模量 Ev= 358Psi管子直径： D=300mm管壁厚度： t=8mm管材（钢铁）的弹性模量： E=3×107 Psi代入公式: △P=ρcjV=V = 59 = 59×25 = 1497 Psi经计算得知水锤压力为 1497Psi,是正常压力358Psi 的4倍多，可见其破坏性有多大2.5 查阅KDON10000/10000-1型制氧机运转备忘录，开车4年来，发现膨胀机组因故障而紧急停车已数十次，极大的危及主换热器的安全2.6 联系该公司80年代的全板式1500米3/时制氧机，就是由于强制切换阀系统布置在地面，离主换热器的热段太近，每次切换都会导致气流震荡，主换热器屡屡泄漏。

最后设备运转甚至坚持不了6个月的恶果这里万立制氧机的增压膨胀机组的进口紧急切断阀形同了1500米3/时制氧机的强制切换阀3.谋求解决的措施3.1 提高操作技术水平，尽量减少或杜绝膨胀机紧急停车的事故3.2 将制氧厂的电气线路单独敷设，单路供电，减少其他工序的电气故障影响3.3 将主换热器的PA3进气管口改为两管口两封头进气，彻底断路两个单元的拼接缝隙3.4在工艺布置上，尽量延长膨胀增压空气出主换热器到进膨胀机的这段管道的长度，以缓冲气流震荡的危害3.5建议在增压膨胀机组的机前紧急切断阀V441至主换热器这段管路上，就地安装“安全放散阀”此阀与V441连锁，V441紧急关闭的同步，“安全放散阀” 打开以降压和制止空气倒流主换热器结束语：流体力学是制氧专业的基本课程之一，它和热力学同样，是从事制氧工作的最基本的知识许多制氧机故障，都能与流体力学知识联系上以上分析和观点，虽系一家之言，但不虚抛砖引玉，与同行探讨，以达共同进步之目的参照文献：1流体力学及其工程应用 （美）E.约翰芬纳莫尔（E.John Finnemore） 约瑟夫B.弗朗兹尼（Joseph B.Franzini） 编著钱翼稷 周玉文 等译 机械工业出版社 2月2。

流体力学基本 李翼祺 马素贞 编著 科学出版社 1983年10月3国外空分设备铝制板翅式换热器 杭州制氧机研究所 1974年2月4制氧事故汇编 庄胜强主编 河海大学出版社 1996年12月5新编制氧工问答 汤学忠 顾福民 主编 冶金工业出版社 7月6青钢内压缩万立制氧机建设与运营总结 冶金动力 第3期 作者简历：史作询，男，1951年生，1977年毕业于东南大学（原南京工学院）动力工程系制氧专业，毕业于中国海洋大学公司管理研究生班高档工程师，山东制冷学会第二专业委员会副主任委员曾任青岛钢铁控股集团公司氧气厂厂长 地址：青岛市遵义路5号单位：青岛钢铁控股集团公司教育培训中心邮编：266043：-2399 ： E-mail: 8月1日 。