流体输送机泵管道中核级核心技术的应用

流体输送机泵管道中核级核心技术的应用

1口端连接的管道在大多数情况下，管道系统都由机泵、开口和管道组成。止回阀在管道系统中使用较广泛,一般情况下,该阀安装在机泵出口端连接的管道上,且离机泵出口端较近,用以阻止管内流体逆流对机泵可能造成的破坏,对机泵起保护作用。现在的管道系统使用最多的是旋启式和升降式止回阀,当其下游阀门在短时间内关闭时,管道系统就会发生水击现象,止回阀因管道内断流自动关闭,水击波直接作用在止回阀上,严重时会造成阀门的损坏。通过对管道系统的水击模拟分析,将有助于提高止回阀设计的可靠性。2压力正常流动图1是某化工公司汽油装槽车的管道节点图,也是工程中常用的一个典型图。图中PUMP1是装车泵,VALVE1是旋启式止回阀,PCV是距装车点30m处遥控的紧急切断阀,HV则是切断管路的气动阀门。当槽车装至额定重量时,管道末端的气动阀门快速关闭,泵借助于联锁信号同时停止运转,但管道内油品由于惯性继续流向节点8,此现象称做“线路充填”,即水击增压波沿初始流动方向运动。此时,止回阀出口侧(节点4)因泵停止运转而压力不断地降低。水击增压波返回时,管道充填现象消失,油品流离阀门(节点8),但在止回阀出口侧(节点4)出现“线路充填”,压力随之上升。如果泵出口端连接的管道上没有安装止回阀,水击增压波将直接进入泵体,可能会损坏泵的转动部件,而安装的止回阀恰好阻止了水击增压波的进入,对泵起到保护作用。根据对部分装车管道的调查,特别是管道上阀门启闭较为频繁时,经常出现旋启式或升降式止回阀失灵或损坏的现象,因此止回阀设计时应考虑水击的影响。3水打击分析3.1agwqbqp式以t时刻A点状态为例,其水击方程为沿正向波C+HP−(HA−f⋅ΔxQA|QA|1−m)=agw(QA−QP)沿负向波C−HP−(HB−f⋅ΔxQB|QB|1−m)=agw(QB−QP)式中HP——P点压头,mHA——A点压头,mΔx——A点与下游P点的距离,mQA——A点流量,m3/sQp——P点流量,m3/sa——水击波传播速度,m/sg——重力加速度,m/s2w——管道截面积,m2HB——B点压头,mQB——B点流量,m3/s其下游距离为Δx的P点流量也是QA,压头则为HA-f·ΔxQA|QA|1-m。在t+Δt时刻,P点流量为QP,变化了QP-QA,压头为HP,变化了HP-(HA-f·ΔXQA|QA|1-m)。3.2流场对阀瓣的作用力由于管道内流体具有一定的可压缩性,使得水击压力的计算很复杂,因此对止回阀(包括阀瓣和铰链等)冲击力的计算也很复杂。水击波对阀瓣的作用力F为F=Fe−ρ∫u⋅dA−∫PdA−ddtρ∫udV式中F——水击波对阀瓣的作用力,Nu——流体速度,m/sP——流体压力,MPaρ——流体密度,kg/m3A——阀瓣截面积,m2V——流体被压缩的体积,m3Fe——作用于流体上的外部作用力,N阀瓣受到的作用力与水击压力有关,水击瞬时压力越大,对阀瓣的作用力也越大。以图1所示为例,通过计算机模拟,可以比较下游气动阀门在5s和10s关闭时,阀瓣承受的交变载荷作用力变化情况(图2、图3)。水击波瞬时压力和止回阀承受的瞬时作用力与气动阀门关闭的时间有关。当气动阀门的关闭时间t=10s时,止回阀出口侧的瞬时最大压力值为0.63MPa,阀瓣的瞬时最大受力峰值为4.4kN。当t=5s时,则分别增大到1.10MPa和8.4kN。因此,管道的水击现象对止回阀的影响非常大。止回阀在进行常规设计时,一般以流体的静压值作为其设计的依据。但是,在一些特定的情况下,如装车管道,或经常切换操作的大流量泵的输送系统中,其中止回阀的强度设计必须考虑水击现象对其的影响。因为水击引起的压力峰值和流体瞬时冲击载荷已远远超过操作状态,此时需要根据压力容器分析设计标准,考虑其强度设计,并对承压部件(如图瓣、铰链等)进行疲劳分析,防止阀瓣和铰链的疲劳破坏。对于这些特殊的情况,最好的办法是加强阀门制造商与管道部门的协作,由管道设计部门提供水击模拟分析报告,阀门制造商根据报告进行止回阀的设计与分析。3.3带阻尼机构的微阻缓闭型断阀瓣对于安装在连续输送管道上的止回阀,虽然阀门启闭次数较少,止回阀阀瓣一直处于开启状态,但其下游阀门一旦关闭,管道系统仍然会产生水击现象,对止回阀的影响还是存在的。一般旋启式或升降式止回阀在结构设计上并未考虑水击现象的特点。当水击增压波经过时,止回阀的阀瓣关闭,而水击减压波经过时,止回阀的阀瓣打开。水击波往复振荡,止回阀的阀瓣频繁启闭,在这种状态下容易造成止回阀阀瓣密封面的磨损和阀瓣及铰链的损坏。针对这种特点,止回阀在结构设计上应避免阀瓣的频繁启闭,采用带阻尼机构微阻缓闭型止回阀能很好的解决这个问题。微阻缓闭型止回阀主要由阀体、阀盖、阀瓣轴组件、活塞组件和微量调节阀等组成。当管道内介质停流时(如下游阀门短时间内切断管路时),由于阀瓣的自重和管内流体“线路充填”现象的作用,使阀瓣自动关闭,由于活塞处于推出位置,顶住阀瓣,使阀座有20%左右的开启截面积不能关闭,因为活塞的作用而延长了阀瓣的关闭时间,部分流体流向止回阀进口侧,起到泄压作用。当水击减压波经过时,通过微量调节使部分流体由止回阀进口侧流回止回阀出口侧,起到平衡压力的作用,并对防止流体液柱分离起一定的作用。带阻尼机构的止回阀具有良好的防水击性能。图4和图5是把旋启式止回阀更换为微阻缓闭型止回阀后,气动阀门在5s和10s关闭时,阀瓣处压力和受力变化曲线。微阻缓闭型止回阀的受力和出口侧的压力曲线较平缓,没有呈现振荡状态,且受力明显小于旋启式止回阀。尽管气动阀门关闭时间缩短,但止回阀的瞬时冲击荷载并没有增大,这主要是通过其特有结构的缓冲作用,减小了水击增压波的压力峰值,也降低了瞬时冲击荷载,并能有效降低止回阀由于瞬时过载和疲劳产生破坏的可能性。这种带阻尼机构的止回阀在缓解管道的水击现象上有明显的优点,阀瓣启闭次数的降低,减轻了阀瓣密封面的磨损,使止回阀更安全可靠。所以,通过改变止回阀的结构来缓解管道的水击现象,是行之有效的措施。4可减少损失的原因目前国内的阀门设计和工程设计中对水击的模拟分析还不普遍,特别在止回阀的强度设计上很少考虑因水击现象而产生的交变载荷。虽然因水击现象而造成止回阀失效的实例不断发生,但由于种种原因而仍未引起重视。国内虽已有阀门制造企业生产带阻尼