有效清除水錘現象

文/KARIM MAHRAZ

工廠內，水錘現象可能難以查清，并會擾亂運行和損壞設備

評估并盡量消除液體采集系統的水錘現象——水錘現象這一普遍但經常未能清理的故障會給所有液體采樣系統帶來重大威脅。水錘式敲擊可能潛伏在系統當中，也可能隨時破壞液體系統部件。

對于工廠運營來說，水錘現象難以查清，并會擾亂運行和損壞設備。在家用水管領域，水錘現象是十分常見的。在突然關掉水龍頭時，水管里會發出一種敲擊聲。而在精心調校好的液體采樣系統中，水錘現象則會造成更為嚴重的后果，這樣一種突然出現的壓力沖擊尖峰足以損壞壓力表、流量表、水泵和其它敏感的關鍵工藝組件，并且有可能波及整個系統。如果這種壓力脈動強度足夠強，甚至可以造成管道或管端接頭破裂，如果系統內流動的是有毒或高溫液體時，更會導致危險的狀況發生。

當突然關閉閥門而導致液體流動停止時，就有可能出現水錘現象。在典型采樣系統當中，水錘故障的根本原因經常被人忽視或錯誤判斷。如果系統的最大過程壓力不超過其設計的最大值時，那么超出來的壓力來自何處？如果運營方知道從哪些原因著手分析水錘現象，并知道應采取哪些正確措施，就可以識別、估算和盡量減輕水錘現象。本文將更深入地解釋水錘現象發生時采樣系統內部出現的狀況。

原因和影響

當閥門關閉并導致液體流動中斷時，必須采取一些機制來吸收液體的流動動量，這樣液體才能停止下來。該液體具有較大的重量并且流速較快，讓液體得以減速的作用力會形成一種壓力沖擊波。這種沖擊波源自于液體受到的壓縮作用以及管壁的變形作用，所生成的壓力沖擊波將在管道內向上游傳播。

這種沖擊波發生速度很快，通常會快至典型比例泄壓閥無法發揮其預定功能的程度。這種快速出現的壓力尖峰也可能導致泄壓閥爆破片破裂，但這種破裂一般發生得過晚，以致無法減輕上游傳感器或流量表遭受的嚴重損壞，而這些上游部件在泄壓閥開啟泄壓之前已經承受了壓力尖峰帶來的全部作用力。

因此解決水錘問題的第一步是估算這種沖擊現象給系統造成的壓力尖峰值。我們可以采用儒可夫斯基方程來計算此值。這里取采樣液體密度為p，此方程用于估算當液體流速u 突然變化時，相對于壓力脈動ΔP 的水錘現象波幅：ΔP= c·p·Δu，參數c 為實際運行條件下液體內部聲速。例如，20℃時水內聲速約為1 400 m/s。因此，當閥門操作導致流速為1 m/s 的水流突然斷流時，計算得到的壓力脈動值為：ΔP = 1 400 m/s-1 000 kg/m3- 1 m/s，ΔP = 1.4 MPa。在上述例子中，結果為采樣系統當中會出現1.4 MPa 的額外壓力，而運營方極有可能根本未對這一額外壓力做出應對計劃，系統也可能無法承受這一壓力。如果系統流速高于1 m/s，則壓力尖峰值會更高。

儒可夫斯基方程提供了一項理論尖峰壓力值，但在實際條件下，尖峰壓力可能沒有這么高。只有在流速突然變化時，這種脈動才會形成作用力。下一步，精調計算過程可以在下列公式當中將這些實際條件納入考慮（其L 為液體管路的長度）：t ≥(2-L)/c，如果上例當中的水管長度為100 m，則：t ≥(200/1 400)-s，t ≥142 ms。在本例當中，t 代表壓力波向上游傳播并反射回至閥門所用的時間。只有在反射回來的壓力波返回并碰到一個關閉閥門時，完整的壓力脈沖波才會形成。而上述計算結果表明，如果該閥門關閉用時超過142 ms，則脈沖波壓力將低于計算所得壓力，水錘脈沖波值將減至最小。

圖1 本示意圖顯示了采用針形閥隔離和旁路快速回路流量的采樣系統，閥門的慢速關斷流動可以盡量減少水錘現象

圖2 本示意圖顯示了一種快速回路的采樣系統設計方案，其中采用分流而不是斷流設計，能夠徹底避免水錘現象，由一個共用手柄同時操作2 個旁路閥門，閥門內部采用特殊通路設計，在關斷一條通路之前，會先開啟另一條通路

減少水錘現象

在家用水管系統當中，可在靠近水龍頭處安裝內含滯留氣團的垂直管道，就可解決水錘現象，從而消除令人不安的管內敲擊聲。這種設計方案在理論上也適用于液體采樣系統，但這樣會形成一段盲管段，還會導致樣品污染的現象。因此，這里要求采用差異化的方法，即通過管理流量來減輕水錘現象。

流量管理法

有一種可以更好管理流量的方案是采用緩慢截斷流動并配備完全關斷型閥座的多回轉針形閥，而不采用會即時截斷流動的球閥。球閥無法在不損壞閥門的條件下緩慢關閉（或節流）。球閥產生的突然斷流可能造成敏感采樣調節和輸送系統內的重大壓力沖擊波，從而導致系統受損。而采用多回轉式針形閥（如圖1快速回路模塊當中所示）系統允許操作者以較為緩慢的速度截斷流體，可有效地將液體動量分布到較長時段內，盡量減少水錘沖擊波。但是，應重點注意針形閥造成的壓力降大于球閥，運營方如果采用了針形閥，則應確保系統供壓足夠大。

第2 種流量管理方法是直接在系統內分流液體而不是截斷液體流動。圖2 所示為一種快速回路系統，采用1 個共用手柄來控制2 個球閥，確保每個球閥都不能獨立開閉。這里可以采用1 個帶有特殊通路設計的三向閥，在主路徑關閉之前開啟一個旁路流動路徑。在這樣的系統當中，這些閥門從不關閉，這樣就有效減少了水錘現象的發生。

即使在一個如上述設計的系統當中，閥門操作仍有可能造成微小的水錘現象，而相關的壓力沖擊波也有可能損壞壓力表。安裝壓力波阻尼器可以盡量減少這種可能性，保持可能暴露于意外壓力沖擊波危害下的壓力表。壓力波阻尼器可以直接放緩壓力表的響應速度，保持壓力表不受管路內發生的所有瞬態壓力沖擊波的影響。

水錘現象在任何液體采樣系統中都會造成影響，包括維護、停機時間問題以及潛在危險等。在設計系統時，設計人員應遵循一些基本的設計提示，防止系統被水錘問題影響。

水錘現象預防核查清單

●采用儒可夫斯基方程估算水錘現象幅度；

●采用針形閥關斷樣品管路；

●考慮分流方案而不是完全截流方案；

●在整個系統內采用壓力波阻尼器以保護壓力表；

這些設計提示將有助于系統有效減輕水錘現象，從而提升系統安全性、減少維護工作量，并盡量縮短系統停運時間。