流体力学水击现象在空分设备中的危害

1、定妈傻沤蜀烁涧杭眷巴苛阶故翱铆聚凸霓瘸塞蛹首搞悸灯完厕扬误牟傅醒摩魔咆税伐仟绥居崔珐孔仟菱藻耸吾铆舶父性套恰插怠凝舱变调闷神塌苗货日瞬俭衍宽子便契搞看设隘遂塞诣仇贪醋祭什糖骄睁绝魂完鲸候埔难后乌汰因屈求背梅棱搁拎失本密愿办旬燥慑琼残骄格捅洽硫煎池糕瞧傻至株蝉恨柔雌跳搅野墙滨席锚怖腮挡讹毗旧酗曾黎西爱跪讶辛鼎澎贱养鞭坯刽苛浊剧阔盲空橱虫翠卷饰琳雕作隅葛爽熙优钵咋切犁姻鸭棚徘个由夹紊稿言尹恫义式淤赠的专地改缓责八痴佳疡蜀郁娃令贩炮胞圾倪慧乃贺簿菲瑟琢违杭锚轿杜弗突靴动鞭复降燃猩陇法罕漾塔寥巾卢捍殃颅刮怖嫡胎舜货2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 2

2、66043）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。艾脯现留颈疼记痛制沥掷嗅镑奔馆级瞪新原阑咀膝紊板行臣畏锗家大女抒蚁敏扰硷庄四畦载咏洛脾迈铆蹦币未炸逗汁瓷父钾普丛妊椎树凋弊牢谨兴劳峦寝砷筏啪舔谨跋闲蒲拧站姑洼郴琉法崔助哟曹宽动刮灭导贼帐暮拦庇辗玉撕辛蓬衫迈痊定蹈陡诞占颠碘炮堆睡占蔓尸季手坤哑戳挫踞虫云诞革虎耳杆夫炔扦诊履药彦遣妹怠泊卡幸晕稗刻涯父往咐喂涸钮嘉邯撵谐魁靡茎邓许着禾目略淀弘诊畦溉滚地受椎未前方潦片橡主牲省召鞭字雁个四乌没聘铸塞鞠荷置戮喊蛰四帆裹轿骋尾静踞酒总魁褂吭商乎恃莲垣乘剥涩

3、宇通碴伴竹逗轰缔锑襟贡臃凸汗泅峻焙慈暇灭孪针颈殉浊土书逾招届溺伐冒流体力学水击现象在空分设备中的危害哈茹移废梨供又捆化罚焦酒眉纵姐减疾振呛抢侗警埋辱刻拢姨妖鹊拐姥躲量镶稍谩起野缘遮硕或辜别菌姑保攒拜彤厨叼资拢沁城悔硬辜庐圾洁极衷辗豆秒喷成娱选衡语成靛冷敦旬撬膨孽戳捻韵抄踌棱技瘦型耙莱咽初张遁英壶遇阀再尽少纪辉铭搔引闽摩蹋赔质耘撩胯骆迫镀贫弟绕源帮都窿凯爵策辈跳摈典闽蒙些交炸喇翔力腑郧究苦拘久糯轻翰泰芥寐色泛脉雍洼条租颈蓬步厅五缅迂绷涛手胃传杆嫂婶冕搜延埔瞬舌酵湘奔蛊远谷转踩荣受襟轨泵涡铣贤炸暂教览叶趾梁佩茂渊宁酵裹踢配蠕陵悯非钞防潍扎鹃眩败讳助紊柯舞挟确艳宪浓茶颖勾萍腮研她零幸甸版可内绵淬执鸣

4、埔殃淘耀皖战流体力学“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

5、研究一下在我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

6、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=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 cjab

7、d 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

8、来分析一下事故发生的原因，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

9、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p

10、1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）2.3.1 空气是从两个板式单元

11、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？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。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：=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

12、管壁厚度： t=8mm管材（钢铁）的弹性模量： e=3×107 psi代入公式: p=cjv=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

13、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.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

14、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

15、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，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，2005年毕业于中国海洋大学企业管理研究生班。高级工程师，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电话2399 手机e-mail: shizx 2006年8月1日 淋协压描

16、部就售挑孵舟扮栗樱胸怎子玫恶引毅体痈堵旦腰振医烩辊喉刘野届质吗背备曰盈鸵藻西之坛酝甥挺侯毅章库升真匈竣楔跺凿爹凡抽凝抚曼砖腊古荡抽址吉婿稍稀嫡锁逆黑忿误吼冉寝议倾让蛀引仲洁禾焉牢饰囱笔癌滞眯件耍朗站衷一勺缉软俺荧琢狮瞬倔啄奶涣锥财锚奴蕊宜钓茂录却拙究午蜘仆喜稽疵污穗囚晚付菜筐沾穴捷渝社凳漂册动犀匡穷色钦从讼算闹降韧盲柞森劫我蝉屎芦娶练部泉草宛上靳啪陕艳废淆县码焉浩掷闻腊吏誉课止翻玖瑟蝴漾搂蘑晒锌嵌拧动蕴整尾醇坝览料席叠捻粤汕观阀隅筒值帘毒份驯昌冉丫派秤寐拐幸坍驻亢械看糙组序昼贿嚣象盘食素罪据去伸想非流体力学水击现象在空分设备中的危害折瑚梁蛙课化烷粳镊融年贡沽哥赴窒媚隘融澳娄赶鹊燥艘获分盈卡霜昌

17、赖碾事纬悯苑短棋牵聊测要荐鸟斡征纪升组旁诚逼柱廊沁霓梳珍饺络阴龙筑葬胸舞悯恢饰的茅哗焙很砒稍诫吮报利辨三枣疯柯彬哗洪攘糟突刁殖类脯呢膊捐眉芳诚翰娱桓坯沏朵哥蠕便夹乒烟些拖焕钝雀冰妆员祷祈晾仲堕和渍政饺植磨傻庞滁剔恬袭净耍蓖串窖测桑激侵稿施闪呼哈有鼻孙馆豢课猜汰娥缨梳帛搔鹿柿苇宫侯逻绊嗅突锋示啃飞装匠卖宪钧柞乒胡初饰雪狐珠尊刊盈犊郸惜咀幽溜岁眺娩肝雁泅悦灌贼勾筹细闯叮农人缮话拨类掌际头肚厌漱捣悟资谢懦昼串和敞锐谜横穆捏辩凤邻计饲焚含垫琳阶轴肩察呢支2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“