Если есть информация, по расчетам сценариев не описанных в РТМ (то есть почти всех лол) - пишите, всем будет интересно и полезно.
Насосы, насосы. Моя тайная любовь и волнующее очарование. Предмет ревности моей жены. Ну что ж попробуем разобраться с гидроударом.
Что такое гидроудар?Жидкость трудносжимаема и это вызывает проблемы. Из классической физики мы все знаем, что кинетическая энергия в газе и в жидкости передается не одномоментно, а со скоростью звука. Т.е. если в начале трубы начать двигать газ/жидкость (придать ему кинетическую энергию), то в конце трубы газ/жидкость начнет двигаться только через время, необходимое фронту давления со скоростью звука добежать от начала в конец. До тех пор пока волна бежит с начала в конец поток считается неустоявшимся и подчиняется совершенно другим законам нежели физика устоявшегося течения. Собственно на этом эффекте и построено использование ограничительных шайб для газа. Внутри шайбы звук не успевает добегать в начало шайбы - скорость газа в шайбе равна скорости звука и поэтому давление до шайбы не зависит от давления после шайбы. Соответственно больше проблем там, где:
- волне дальше нужно бежать (большая длина трубы)
- волна может быстрее прибежать (большая скорость звука)
- большая масса газа/жидкости, которую нужно разогнать/остановить
Волны сжатия в жидкости принципиально отличаются от газа. Бытовые аналогии с воздушной взрывной волной от взрыва бомбы здесь не работают. Лучше всего подходит аналогия с движущимся поездом. Несётся поезд на 100 вагонов общей массой 8000 тонн. Локомотив врезается в стену. Создается неустоявшийся режим течения - локомотив уже остановился, а вагоны еще двигаются. Что происходит? Вагоны начинают сжиматься (важно - именно сжиматься). Один за одним вагоны ударяются о впереди идущий и сжимаются. Насколько сожмется каждый вагон? На величину коэффициента сжатия (обратная величина от модуля Юнга). Кинетическая энергия каждого вагона перейдет в потенциальную энергию в виде сжатия вагона.
Но вот все 100 вагонов остановились и сжались. Что потом? Потом они начинают разжиматься. В обратном порядке идет волна разрежения, вагоны разжимаются. Вагоны стали больше, чем были до столкновения, создается волна пониженного давления. Она со скоростью звука идет к локомотиву. Но вот уже разжался локомотив. Что дальше? Опять сжатие. Волна повышенного давления снова возвращается в начало поезда. И так до бесконечности по затухающей синусоиде с острыми пиками.
Перейдем от вагонов к жидкости. Вагоны это слои жидкости, стенка это клин задвижки. Жидкость двигалась, первый слой (локомотив) остановился и сжался, остальные слои стали ударятся о впереди идущий и сжиматься, скорость распространения волны сжатия равна скорости звука. Скоростной напор (он же динамический напор) это суть есть кинетическая энергия движения жидкости. Весь скоростной напор переходит в статический напор - потенциальную энергию. Но вот слои стали разжиматься. Статический напор поменял полярность. Потенциальная энергия выраженная в сжатии слоя потратилась на разжатие. Статический напор со знаком + превратился в статический напор со знаком -.
Важно понимать принципиально отличие волны сжатия/разряжения жидкости от ударной волны газа:
1.
Эта волна не способна отражаться от поверхностей. Волна сжатия/разряжения отражается (меняет полярность) от неподвижной жидкости, где слои могут полностью разжаться/сжаться. Соответственно большой объем неподвижной жидкости не поглощает волну сжатия - он её конвертирует в волну разряжения.
2.
Волне сжатия соответствует точно такая же
волна разряжения. Когда мы говорим про гидроудар Рраб = 1 МПа, ΔP = 1.7 МПа это означает, что будет:
- сначала волна сжатия Р=1,0+1,7 МПа
- потом волна разряжения Р=1,0-1,7 МПа (да, в формуле ошибка - почему так см. ниже).
- потом снова волна сжатия 2,7 МПа
- потом снова волна разряжения
- и так до бесконечности по затухающей синусоиде с острыми пиками
3.
Гидроудар есть только
там, где есть движение жидкости. Участки с неподвижной жидкостью не передают волну сжатия. Т.е. если у Вас есть У-образная труба и жидкость движется только по одному концу, а второй непроточный, то в непроточном участке гидроудара не будет.
4. Волны сжатия и разряжения гасят друг друга. Если у Вас длинная прямая труба, то ещё ну хоть как-то понятно как её посчитать. Трубы с непроточными ответвлениями (даже с короткими), коллекторы с разной скоростью движения жидкости, трубы со сложными или меняющимися профилями скорости движения жидкости (сужения, расширения, диафрагмы, резкие повороты) это всё предмет одновременного решения 5-ти треъэтажных уравнений с 3-5 неизвестными со слабой доказательной базой.
5. Гидроудар создается не только перед задвижкой, но и после задвижки. Единственно отличие - после задвижки сначала создается волна разрежения и только потом волна сжатия. Механизм полностью аналогичный.
6. Профиль (эпюра) скорости в сечении трубы не равномерна, для примера см. эпюру скоростей в ламинарном режиме. Соответственно и гидроудар распространяется по сечению трубопровода не равномерно.
7. Гидроудар в каждой конкретной точке трубы зависит от скоростного напора в этой точке трубы.
Посчитать только 1 точку, например задвижку, и говорить, что такой ΔP будет во всей трубе
нельзя. Нужно рассчитывать весь профиль скоростного напора по длине. В гидравлических системах со смешением разных жидкостей сложность возрастает на порядок.
8. Гидроудары вызывают кавитацию. Кавитационные карманы вызывают дополнительные хаотичные гидроудары. Кавитационные пузырьки в свою очередь сильно влияют на скорость звука и коэффициент сжимаемости жидкости.
9. Ударную волну можно использовать для перекачивания - гуглите насосы типа гидротаран.
10. Если трубопровод течёт (например подземный водопровод) по скачку давления при гидроударе можно рассчитать место утечки.
Как посчитать гидроудар?Чтобы посчитать гидроудар нужно выполнить динамическое моделирование неустоявшегося потока одновременно в каждой точке (!) гидравлической системы с интервалом около 1 сек (лучше меньше). При этом для всех элементов гидравлической системы нужно ввести дополнительно динамические характеристики. Для секущей арматуры это скорость закрытия и зависимость пропускная способность vs ход штока. Для арматуры с "мягким" закрытием еще и скорость закрытия vs ход штока.
Слепая подстановка исходных данных в формулы Жуковского (прямой гидроудар в РТМ 38.001-94) даёт:
- очень завышенные результаты
- игнорирование кавитации, свойств жидкости, трубы и проч. проч.
Формула Мишо (непрямой гидроудар в РТМ 38.001-94) непонятно как сформирована и тоже даёт завышенный результат. Её применение под вопросом.
Поэтому руками практически никак. Единственный способ руками это воспользоваться эмпирическими формулами без границ применимости, погрешности и достоверности. Можно воспользоваться следующими источниками:
-
Pipeline Rules of Thumb Handbook (см. стр. 386)
-
Shell (см. п. 2.3.4)
Программно посчитать можно, но нужно очень внимательно отнестись к выбору программы, т.к. каждый разработчик предлагает свою матмодель. На примере Гидросистемы расчет гидроудара может являться только маркетинговым ходом и быть выполненным халтурно.
Обратите внимание, что многие исходные данные не могут быть перенесены в программу напрямую. Расчету в программе должна предшествовать большая работа по сбору и расчету исходных данных. Необходимо:
1. Рассчитать давление при котором жидкость испаряется в количестве, влияющем на гидроудар (учет волны разрежения)
2. Рассчитать (!) скорость звука. При расчете ввести поправочные коэффициенты на:
- материал, толщину и упругость трубы, обратите внимание, что фактический коэффициент сжимаемости нагруженных труб отличается от табличных (полученных без нагрузки). Например для пластиковых труб разница в скорости звука может составлять 30%
- форму трубы (да, форма тоже влияет на скорость)
- вязкость
- способ крепления трубопровода (да, тоже заметно влияет), для разных участков одного трубопровода в зависимости от способа крепления скорость может быть разной
- пузырьки газа
- твердые эластичные включения (полимер, резина, каучук и т.д.)
- кавитационные пузырьки если давление волны разряжения ниже давления начала кипения
Готовая динамическая модель неустоявшегося потока в гидравлической системе должна быть критично оценена. На данный момент вообще не существует хоть какого-нибудь матаппарата оценивать влияние кавитационных полостей и кавитационных пузырьков. Понятно, что если волна разряжения будет образовывать 0,001% об. пузырьков, то это Вы еще хоть как-то сможете учесть в расчете. Но если пузырьков уже много, а если тем более если возможна полость, то как она себя поведет хз.
Также нужно понимать, что все матмодели получены на стендовых испытаниях смеси вода-воздух и в нефтехимию могут быть перенесены только с очень большой осторожностью. Любые граничные условия по умолчанию недопустимы. Динамическая модель только даст Вам ответ проблемы нет или проблема может быть. Динамическая модель не отвечает на вопрос "проблема есть?" или "может быть проблема, но сколько ещё можно?". Никаких "если". Или проблемы нет, или отрицательный результат.
