流体力学水击现象在空分设备中的危害

1、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，来分析空分装置的一些事故。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，说明“水击现象”在空分装置的危害。关键词：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 阀门突然关闭 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一些规律和定律。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

2、们空分装置中的现象及其危害和预防。1、有压管路中阀门突然关闭或开启时的水击现象当压力管路中流体的运动速度，因外界的某种原因(例如阀门的突然关闭或开启)而发生急剧变化时，引起动量的迅速变化，从而造成压力的迅速变化，因此使流体中出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。出现这类现象时，流体压力对管壁或阀门的作用，犹如锤击一样，所以也称之为“水锤现象”。当发生水击时，管路中的压力升降不但可能达到较高的数值，而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（因为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

3、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=cjV=V 式中: P 为水锤压力 为密度，单位体积的质量=/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 L 2 cj L2 cjabd ef 图

4、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，同样的原因，线ef可能向下略微倾斜。同时，由于阻尼，波动将大幅度减弱直至达到最终压力平衡。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。二是压力的改变形成了压力冲击波，造成了管子震动。瞬间快速关闭阀门，在我们空分装置的运行中是一种保护行动，但却是一种不得已而为之的措施，是应该尽量避免出现的现象。2、例如某气体公司2006 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

5、故发生的原因，可能对我们有一些有益的启发。2.1 该换热器由法国诺顿公司（NORDON）制造，为单体设备，重12000KG,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从流程分析泄漏原因：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

6、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），形成一个闭路循环。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出现故障，机前进口控制阀（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，超出二级压力放散值后，“超压保护放散阀门”开始打开，直到压力小于或等于P1后，放散才

7、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，因此造成的危害也是巨大的。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结构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） 空气是从两个板式单元的连接之间，宽20毫米

8、的缝隙喷射出来的。那么空气是从哪里进入缝隙的呢？经过检查解剖，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，（从主换热器的后面缝隙也有少量泄漏。）三种压力的板翅通道都完好。 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：=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

9、）的弹性模量： E=3107 Psi代入公式: P=cjV=V = 59 = 5925 = 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，就是因为强制切换阀系统布置在地面，离主换热器的热段太近，每次切换都会造成气流震荡，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

10、/时制氧机的强制切换阀。3.寻求解决的办法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，减少其它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紧急关闭的同时，“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础课程之一，它和热

11、力学一样，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。参考文献：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 2006年2月2。流体力学基础 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 2001年7月6。青钢内压缩万立制氧机建设与运行总结 冶金动力 2004年第3期 作者简历：史作询，男，1