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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

1.2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

时间间

阀门关闭瞬间

R

阀门关闭瞬间

p

x

V2

hL+—

2g

△P

─

γ

L

2─

cj

L

2─

cj

a

b

d

e

f

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）

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）的弹性模量：E=3×107Psi

代入公式:

△P=ρcjV=V

=59=59×25=1497Psi

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/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