Un problema que apareix quan menys t'ho esperes
Em van trucar a una depuradora fa uns sis anys. Els operadors tenien un problema que no van poder resoldre. Cada cop que s'apagava la bomba de transferència principal, un fort soroll travessava la canonada-audible des de la sala de control. Els registres de manteniment van mostrar que havien substituït tres manòmetres, dues vàlvules de retenció i una secció de canonada de 200 mm durant els divuit mesos anteriors. La canonada de substitució s'havia especificat més gruixuda que l'original, però el soroll va continuar.
El problema era el cop d'ariet. El sistema s'havia dissenyat sense un dipòsit de sobretensió, i l'ona de pressió generada per l'aturada de la bomba superava la pressió nominal de la canonada per un marge important. La canonada més gruixuda tractava el símptoma, no la causa. Hem instal·lat una hidropneumàticatanc de sobretensióa la capçalera de descàrrega de la bomba-dimensionada segons el cabal del sistema i la longitud de la canonada-i el soroll va desaparèixer. Els indicadors van deixar de trencar-se. Això va ser fa sis anys, i el dipòsit encara està en servei.
Aquest és el tipus de problemes que resolen els tancs de sobrecàrrega. No són dispositius complexos, però la seva selecció i dimensionament requereixen una comprensió clara de la dinàmica del sistema, i les conseqüències d'equivocar-se es poden mesurar en fallades d'equips i temps d'inactivitat.
La física del martell d'ariete
El mecanisme és senzill. Un fluid que es mou per una canonada té impuls. Quan una vàlvula es tanca o una bomba s'atura, aquest impuls es converteix en pressió-una ona de pressió que viatja a la velocitat del so en el fluid, reflectint-se als extrems de les canonades i als accessoris fins que es dissipa. La magnitud de l'augment de pressió és una funció de la velocitat del fluid, la longitud del tub, el temps de tancament de la vàlvula i les propietats elàstiques tant del fluid com de la paret del tub.
L'equació clàssica de Joukowsky dóna l'augment de pressió per al tancament instantani de la vàlvula:
ΔP = ρ × a × ΔV
On ΔP és l'augment de pressió, ρ és la densitat del fluid, a és la velocitat de l'ona (normalment de 1000 a 1200 m/s per a l'aigua en canonades d'acer) i ΔV és el canvi de velocitat del fluid.
ΔP = ρ × a × ΔV
Per a un sistema d'aigua municipal típic amb una velocitat de flux de 2 m/s, el tancament instantani produeix un augment de pressió d'aproximadament 200 a 240 metres de cap-suficient per trencar la majoria dels sistemes de canonades estàndard. Això no és una preocupació teòrica. He inspeccionat fallades en què la pujada de pressió va superar la classificació de la canonada en un 300%, dividint els accessoris i tallant els cargols de la brida.
Un dipòsit de sobretensió soluciona això proporcionant un volum de fluid compressible-normalment aire o nitrogen, ja sigui atrapat al dipòsit o separat per una bufeta-que absorbeix l'ona de pressió. Quan arriba l'ona, el gas es comprimeix, absorbint energia que, d'altra manera, es transmetria a les parets de la canonada.
Mida: on importa el judici d'enginyeria
La mida d'un tanc de sobrecàrrega és un càlcul-específic del sistema, no una regla general. Depèn de la longitud i el diàmetre de la canonada, el cabal, el temps de tancament de la vàlvula, les característiques de la bomba i el límit de pressió desitjat.
L'enfocament de disseny normalment comença amb la determinació del volum de sobrecàrrega requerit. Per a un sistema de bombeig senzill, això implica calcular la massa de fluid que s'ha de desaccelerar i l'augment de pressió que es produiria sense protecció contra sobretensions, i després determinar el volum del dipòsit necessari per mantenir la pressió per sota d'un límit seleccionat.
Un enfocament conservador utilitza el marc següent:
- Establir la pressió de funcionament normal i la pressió màxima permesa.
- Calculeu la pressió de sobrecàrrega sense protecció mitjançant l'anàlisi de transitori hidràulic.
- Mida el dipòsit per absorbir la diferència entre la pressió de sobrecàrrega i la pressió permesa.
- Especifiqueu la pressió de precàrrega del gas (normalment entre el 80 i el 90% de la pressió de funcionament normal per als dipòsits de bufeta).
- Verifiqueu la mida seleccionada mitjançant un programari de simulació de transitori.
He vist projectes en què la mida es basava en la taula "talla única" d'un fabricant. En un cas, això va donar lloc a un dipòsit que tenia una mida inferior al 40%. Els pics de pressió durant l'inici es van mantenir prou alts com per causar danys al seient de la vàlvula. L'operador va instal·lar un segon dipòsit en paral·lel sis mesos més tard-el cost total era gairebé el doble del que hauria costat per endavant un tanc de mida adequada.
Tancs de bufeta, tancs hidro-pneumàtics i tancs oberts
Els tres tipus principals serveixen a diferents aplicacions, i cadascun té les seves pròpies característiques en servei.
- Els dipòsits de sobrecàrrega oberts són senzills i fiables. Són bàsicament recipients oberts connectats a la canonada, que permeten que el fluid flueixi cap a dins i fora per absorbir els canvis de pressió. Són més adequats per a sistemes amb pressió relativament baixa i on la qualitat de l'aigua permet l'exposició atmosfèrica. L'inconvenient és que necessiten elevació per funcionar-s'han de col·locar per sobre de la canonada per proporcionar un camí de retorn per gravetat.
- Els dipòsits de bufeta són el tipus més comú en sistemes d'aigua municipals i industrials. Una bufeta flexible separa el gas de l'aigua, evitant que el gas es dissolgui a l'aigua. Això redueix el manteniment i manté un rendiment constant al llarg del temps. El material de la bufeta ha de ser compatible amb la química dels fluids-EPDM per a l'aigua, Viton per als hidrocarburs i els compostos especialitzats per a productes químics agressius.
- Els tancs hidro-pneumàtics utilitzen un volum de gas atrapat en contacte directe amb l'aigua. Són rendibles i senzills, però requereixen una reposició periòdica del gas, ja que es dissol a l'aigua amb el pas del temps. He vist tancs hidro-pneumàtics en servei continu durant 25 anys amb revisions anuals rutinàries i recàrregues-de gas-un compromís de manteniment que és manejable però no opcional.
Selecció de material: més que només acer
El dipòsit de sobretensió en si és un recipient a pressió i el seu disseny ha de complir el codi adequat-ASME Secció VIII a Amèrica del Nord, EN 13445 a Europa i GB 150 a la Xina. Però el codi per si sol no determina la selecció del material.
- L'acer al carboni és l'opció predeterminada per a la majoria d'aplicacions d'aigua i fluids nets. És rendible-i soldable. La superfície interna s'ha de protegir de la corrosió, ja sigui mitjançant un recobriment epoxi de grau alimentari-o mitjançant una tolerancia de corrosió en el disseny.
- L'acer inoxidable s'especifica quan el fluid és corrosiu o on els estàndards de qualitat de l'aigua ho requereixen. He especificat 304L per a aplicacions d'aigua potable on el client requeria superfícies humides completament inoxidables, i 316L per a aplicacions amb un contingut de clorur superior a 200 ppm. La prima de cost sol ser de 2,5 a 3 vegades l'acer al carboni, però la vida útil es pot duplicar o triplicar.
- Els tancs compostos estan cada cop més disponibles. Ofereixen estalvi de pes i resistència a la corrosió, però generalment es limiten a pressions més baixes i diàmetres més petits. He utilitzat tancs de sobrecàrrega de FRP en una planta química on el fluid era lleugerament àcid i el dipòsit es va instal·lar a elevació-l'estalvi de pes va justificar el cost unitari més elevat.
La pregunta sobre la pressió de-precàrrega
Un detall que sovint provoca que els operadors s'enfonsin és la pressió de pre{0}}càrrega del gas. Per als tancs de bufeta, la pressió de pre-càrrega s'hauria d'establir entre un 80% i un 90% aproximadament de la pressió normal del sistema. Si la pre-càrrega és massa alta, el dipòsit no accepta aigua durant les pujades; si és massa baixa, la bufeta arriba a fons prematurament.
Recordo un cas en què un equip de manteniment va recarregar un dipòsit de bufeta de 500-litres a la pressió incorrecta: el van posar a 6 bar quan el sistema funcionava a 8 bar. El dipòsit va acceptar aigua durant la primera onada i després la bufeta va tocar fons, sense oferir més protecció contra sobretensions. El sistema va experimentar un cop d'ariet que va danyar una vàlvula de retenció. Es va registrar l'esdeveniment i es va corregir l'error, però el cost de substitució de la vàlvula va superar el pressupost de manteniment de tot l'any.
Detalls de la instal·lació que importen
El dipòsit s'ha de col·locar per capturar la sobretensió abans que arribi a equips sensibles. Normalment, això significa la instal·lació al capçal de descàrrega de la bomba, aigües avall de la vàlvula de retenció. La canonada de connexió ha de ser tan curta i recta com sigui possible, sense corbes pronunciades que puguin generar pèrdues de pressió o restriccions de cabal.
He vist instal·lacions on la canonada de connexió era de mida inferior. La sobretensió es va propagar al dipòsit, però la restricció a la canonada va provocar una caiguda de pressió que va reduir l'eficàcia del dipòsit. El fabricant havia especificat una mida mínima de connexió de 80 mm; l'instal·lador va utilitzar 50 mm perquè era més barat i més fàcil d'ajustar. El resultat va ser un sistema que encara va experimentar prou pics de pressió per danyar els seients de les vàlvules.
Normes de la indústria i compliment del codi
A Amèrica del Nord, l'API 650 i l'API 620 proporcionen el marc per al disseny de grans dipòsits de sobretensió. ASME Secció VIII, Divisió 1 és el codi aplicable per als tancs de sobrecàrrega de recipients a pressió més petits. A Europa, la norma EN 13445 és la referència estàndard. A la Xina, GB 150 cobreix els recipients a pressió.
El compliment d'aquests codis no és opcional. A més dels estàndards de disseny, el dipòsit ha d'estar segellat amb la marca de certificació aplicable-ASME U-Segell a Amèrica del Nord, marcatge CE a Europa.
He treballat en projectes en què el disseny s'especificava a l'API 650, però la fabricació era en un país on normalment no s'imposava el compliment de l'API. La qualitat de la soldadura era inconsistent i la documentació NDT era incompleta. Vam haver de rebutjar el primer dipòsit i re-fabricar el vaixell, afegint sis setmanes al projecte.
Anàlisi transitori: la simulació que estalvia diners
L'enfocament tradicional de la mida dels tancs de sobretensió-utilitzant fórmules empíriques i marge de seguretat-s'ha substituït en gran part per l'anàlisi de transitoris computacionals. Els paquets de programari com HAMMER, AFT Impulse i Flowmaster simulen el comportament del sistema, modelen els temps de tancament de la vàlvula, les corbes d'arrencada-de la bomba i les característiques de les canonades per predir les pujades de pressió amb precisió.
En un projecte, es va modelar una canonada de 3 km amb una estació de reforç intermèdia a HAMMER. L'anàlisi va mostrar que un únic dipòsit de sobretensió de 3.000-litres a l'estació de bombeig podria controlar les pujades de pressió a tot el sistema. Sense la simulació, el client estava preparat per instal·lar tres dipòsits en diferents punts de la canonada. La simulació va comprovar que n'hi havia prou i que es col·locava de manera òptima. El cost del tanc era d'aproximadament 18.000 dòlars; l'enfocament de tres tancs hauria costat 45.000 dòlars més canonades addicionals.
Aquest no és un cas excepcional. L'anàlisi de transitoris ja no és una eina especialitzada per a grans projectes-és un procediment d'enginyeria estàndard que hauria de formar part de qualsevol especificació del tanc de sobretensió.
Manteniment d'un dipòsit de sobretensió durant la seva vida útil
El dipòsit de sobretensió en si és un component de baix-manteniment. La pre-càrrega de gas s'ha de comprovar trimestralment i ajustar-la segons sigui necessari. La bufeta (si n'hi ha) s'ha d'inspeccionar durant les parades programades-el fabricant del tanc proporciona un interval d'inspecció recomanat, normalment cada dos o tres anys.
He vist tancs de bufeta que van funcionar durant deu anys sense inspecció, i la bufeta s'havia tornat trencadissa, desenvolupant esquerdes que van permetre escapar el gas. El dipòsit va continuar funcionant però amb capacitat reduïda. Quan es va detectar el problema durant una actualització del sistema, el dipòsit funcionava a aproximadament el 40% de la seva capacitat d'absorció de sobretensió nominal.
Les canonades i les vàlvules de connexió requereixen una inspecció periòdica per detectar corrosió i desgast. La vàlvula d'aïllament s'ha d'exercir anualment per assegurar-se que tanca completament. El manòmetre s'ha de calibrar amb un estàndard de referència i la vàlvula de seguretat s'ha de provar a la pressió establerta, normalment cada any o dos.
Quan un dipòsit de sobretensió no és suficient
Hi ha situacions en què un tanc de sobretensió per si sol no proporciona una protecció adequada. Les canonades llargues amb múltiples estacions de reforç solen tenir un comportament hidràulic complex. En aquestes aplicacions, els dipòsits de sobretensió es poden combinar amb altres dispositius de protecció.
- Les vàlvules d'alleujament de sobretensió s'obren quan la pressió supera un punt de consigna, desviant el flux cap a un dipòsit o àrea de contenció. Actuen-ràpidament, s'obren en mil·lisegons, però no absorbeixen energia com ho fa un tanc.
- Les vàlvules d'aire en els punts alts de la canonada eviten la formació de buit durant els esdeveniments transitoris. Són crítics en sistemes amb canvis d'elevació importants.
- De vegades s'especifica el tancament controlat de la vàlvula per permetre que la vàlvula es tanqui durant un període de segons en lloc de fer-ho instantàniament. Això no requereix un dipòsit, però sovint es combina amb tancs de sobretensió per a una protecció integral.
Una nota final sobre la justificació de costos
El cas de negoci dels tancs de sobretensió no es basa només en el cost de la canonada. Es basa en el cost del temps d'inactivitat no planificat, reparacions d'equips i la mà d'obra necessària per respondre a fallades del sistema.
He vist una planta on la instal·lació del tanc de sobretensió va costar 20.000 dòlars. La reducció esperada de substitucions de vàlvules i reparacions de canonades s'estimava en 5.000 dòlars anuals. El període de recuperació va ser de quatre anys. Però la planta no havia fet un seguiment anterior dels costos d'inactivitat. Quan el gerent de manteniment va començar a registrar errors, va trobar que els esdeveniments de cop d'ariet van contribuir a una mitjana de 3 parades no planificades a l'any, cadascuna amb un cost d'aproximadament 4.000 dòlars en producció perduda i mà d'obra de reparació. Es va instal·lar el dipòsit de sobretensió, es van aturar les parades i el període de recuperació va ser de poc més d'un any.
Els nombres són diferents per a cada sistema, però l'aritmètica és coherent. La protecció contra sobretensions no és una despesa; és una inversió de capital en la fiabilitat del sistema.
Pensaments de tancament
M'han trucat a massa plantes per trobar que s'ha omès un dipòsit de sobretensió del disseny o que el dipòsit que s'ha instal·lat no tenia una mida o un manteniment incorrectes. En tots els casos, la fallada no va ser un descuit tècnic-va ser una fallada per entendre la dinàmica del sistema, i les conseqüències d'aquesta fallada es van mesurar en costos de reparació i pèrdua de producció.
Un dipòsit de sobrecàrrega no és un dispositiu complex. La seva selecció requereix el coneixement del sistema: la longitud de la canonada, els cabals, les característiques de tancament de la vàlvula i els límits de pressió acceptables. Quan aquests factors es consideren correctament, el dipòsit realitza la seva funció de manera silenciosa i fiable durant dècades.
Si esteu especificant un sistema amb risc de sobretensió, no deixeu la selecció del tanc al proveïdor de l'equip sense proporcionar-los les dades completes del sistema. No utilitzeu una "regla general" tret que estigueu preparat per acceptar les conseqüències d'una decisió equivocada. I si esteu avaluant un sistema que ja està patint un cop d'ariet, no posposeu la investigació. El següent pic de pressió podria ser el que provoqui una fallada important.