流体力学水击现象在空分设备中的危害

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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

2、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

3、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.

4、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pxV2hL+—2g△P─γL2─cjL2─cjabdef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。

5、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724psi,358psi,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-

6、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

7、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.

8、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