Lepsze zrozumienie zjawiska uderzenia hydraulicznego może pomóc kierownictwu zakładów w podjęciu decyzji o wdrożeniu koniecznych zmian w celu wyeliminowania tego groźnego zjawiska, a dzięki temu – w zapewnieniu bezpieczeństwa personelowi, zmniejszeniu kosztów utrzymania ruchu oraz skróceniu czasu przestojów.
Wiele osób błędnie uważa, że uderzenie hydrauliczne (uderzenie wodne, water hammer – „młot wodny”) jest naturalnym zjawiskiem występującym w instalacjach pary i kondensatu, jednak przekonanie to jest błędne. Jeśli instalacja jest prawidłowo zaprojektowana i obsługiwana, uderzenie hydrauliczne nie wystąpi w żadnej formie. Możliwe jest eksploatowanie w zakładzie wysokociśnieniowych instalacji parowych, w których nie występuje uderzenie hydra-uliczne, dzięki czemu podzespoły systemu mogą być eksploatowane bezawaryjnie przez długi czas.
Uderzenie hydrauliczne nigdy nie jest normalnym zjawiskiem i zawsze powinno być traktowane jako negatywne. Stanowi ono problem dla instalacji, ale przede wszystkim zagrożenie dla bezpieczeństwa – w swojej najgroźniejszej formie może spowodować zranienie lub nawet śmierć pracownika. Zrozumienie natury i powagi uderzenia hydraulicznego w systemie parowym pozwoli uniknąć problemów związanych z bezpieczeństwem oraz zniszczeniami sprzętu.
Na fot. 1 przedstawiono nieprawidłowe podłączenie do bloku zaworów kondensatu, co powoduje powstanie udaru termicznego, a ten – zjawisko uderzenia hydraulicznego. Zamiast z boku linie powrotne kondensatu powinny być podłączane do bloku zaworów od góry.
Miejsca występowania uderzenia hydraulicznego
Zjawisko to może wystąpić w każdej linii pary i kondensatu. Bardzo duże ryzyko uderzenia hydraulicznego istnieje podczas uruchamiania instalacji parowej, gdy przy jej rozgrzewaniu się generowana jest największa ilość kondensatu. Jeśli linia zostanie napełniona parą zbyt szybko, bez zachowania prawidłowego czasu nagrzewania, a kondensat powstający podczas uruchamiania instalacji nie jest prawidłowo usuwany, wystąpi uderzenie hydrauliczne.
Inną przyczyną powstania uderzenia hydraulicznego w instalacji parowej może być nieprawidłowe usuwanie kondensatu z linii parowych podczas pracy instalacji.
Skutki uderzenia hydraulicznego mogą być nawet bardziej wyraźne w instalacjach heterogenicznych lub z dwufazowym usuwaniem kondensatu (para impulsowa i ciekły kondensat). W systemach dwufazowych usuwania kondensatu występują dwa stany: ciekły (kondensat) i parowy (para impulsowa lub generowana). Stan dwufazowy istnieje w instalacji parowej, w której kondensat koegzystuje z generowaną parą impulsową.
Typowe przykłady takich instalacji to wymienniki ciepła, linie ogrzewania towarzyszącego, główne linie parowe, linie powrotne kondensatu i czasami linie wylotowe pomp.
Skutki
Zjawiska uderzenia hydraulicznego nie można lekceważyć, ponieważ wywołuje ono następujące skutki:
→ pęknięcia złączy rur,
→ uszkodzenia zaworów,
→ uszkodzenia wyposażenia wymienników ciepła,
→ pęknięcia spawów rur, a nawet instalacji rurowych,
→ uszkodzenia uchwytów i konstrukcji wsporczych rur,
→ zgięcia w wewnętrznych mechanizmach instalacji,
→ uszkodzenia kryz,
→ przeciążenia wskaźników ciśnienia,
→ pęknięcia obudów odwadniaczy.
Gdy uderzenie hydrauliczne jest silne, jego skutkiem mogą być nie tylko uszkodzenia sprzętu, ale i zranienie personelu.
Występowanie tego zjawiska może nie być słyszalne dla personelu – nie zawsze towarzyszy mu słyszalny przez ludzkie ucho dźwięk. Na przykład pęcherzyki pary impulsowej dostarczanej do linii kondensatu poniżej poziomu kondensatu w instalacji rurowej mogą być małe, jednak te gwałtownie skraplające się pęcherzyki powodują udar termiczny, który nie jest słyszalny, a przy którym występuje uszkodzenie instalacji.
Utrzymujące się stukanie lub inne słyszalne dźwięki towarzyszące uderzeniu hydraulicznemu powinny być interpretowane jako sposób zakomunikowania czegoś przez instalację parową personelowi zakładu. Słyszalny dźwięk powinien być sygnałem alarmowym, który oznacza „proszę usunąć błędy w instalacji, aby wyeliminować problem z uderzeniem hydraulicznym, w przeciwnym razie wystąpi uszkodzenie instalacji”. Dźwięk sygnalizujący uderzenie hydrauliczne oznacza, że istnieje jakaś nieprawidłowość w instalacji, która powinna być usunięta.
Materiały zgromadzone podczas analiz podstawowych przyczyn awarii w instalacjach parowych sugerują, że uderzenie hydrauliczne powoduje 67% przedwczesnych awarii komponentów instalacji.
Przyczyny występowania
Zidentyfikowano cztery typowe warunki pracy instalacji parowych, które powodują gwałtowne reakcje w systemie, określane mianem uderzenia hydraulicznego. Są to:
→ udar hydrauliczny (hydraulic shock),
→ udar termiczny (thermal shock),
→ udar przepływowy (flow shock),
→ udar różnicowy (differential shock).
Udar hydrauliczny
Tylko niewielki procent problemów związanych z występowaniem uderzenia hydraulicznego w systemie parowym jest powodowany przez udar hydrauliczny. Zjawisko to można łatwo wyjaśnić na przykładzie działania kranu w domu. Gdy otwieramy zawór kranu, solidny strumień wody zaczyna płynąć przez rury instalacji wodociągowej, od punktu przyłącza do budynku do punktu wypływu z kranu. Masa tego strumienia wody, poruszającej się z prędkością 3 m/s (11 km/h) może wynosić 90,7 kg. Nagłe zamknięcie kranu można porównać do zatrzymania młota o masie 90,7 kg. W instalacji słychać wyraźny dźwięk typu „bang”. Ten dźwięk fali uderzeniowej jest podobny do odgłosu młotka uderzającego o stalowy element. Fala uderzeniowa o ciśnieniu ok. 21 barów ulega odbiciu w tę i z powrotem od końcowych punktów instalacji, aż cała jej energia zostanie rozproszona w rurach.
Jest to taki sam mechanizm, który może występować w rurach spustowych instalacji pomp kondensatu, gdy pompy te (elektryczne lub napędzane parą) wykorzystywane są w operacjach typu włącz/wyłącz przy dużych ilościach pompowanego kondensatu. System pomp ma zwykle zawory zwrotne, zainstalowane na wyjściach pomp. Gdy pompa rusza i zatrzymuje się, może wystąpić udar hydrauliczny, ponieważ przepływ skroplin zostaje gwałtownie zatrzymany i zawory zwrotne blokują przepływ w jednym kierunku.
Rozwiązania tego problemu są następujące:
- systemy odprowadzania skroplin o wydajności ponad 5443 kg/h wykorzystują system pomp o przepływie ciągłym, który zawiera silnik elektryczny zasilany z napędu umożliwiającego regulację prędkości obrotowej, lub zawór regulacji poziomu cieczy w linii odpływowej pompy skroplin (pompa pracuje cały czas).
- wykorzystanie zaworów zwrotnych dyskowych na wylotach pomp zamiast popularnych klapkowych.
Udar termiczny
Para o masie 0,45 kg przy ciśnieniu względnym 1 bar zajmuje 1600 razy większą objętość niż 0,45 kg wody w warunkach normalnych. Współczynnik ten maleje proporcjonalnie, gdy ciśnienie w rurach kondensatu rośnie. Wówczas strefa pary wodnej, otoczona kondensatem o znacznie niższej temperaturze, przekształca się w stan ciekły. Powstaje wolna przestrzeń niskiego ciśnienia (wytwarza się próżnia), która pozwala, aby sprężona skroplina nagle została wprawiona w ruch, uzyskując bardzo dużą prędkość.
W dwufazowych instalacjach kondensatu pęcherzyki pary mogą być wprowadzone poniżej poziomu linii kondensatu. Na przykład linia odgałęźna ze stacji odwadniającej (steam trap station) może być wykonana w postaci rur podłączonych do dolnej części głównego bloku zaworów kondensatu, jak pokazano na rys. 1.
Przykład:
Para wprowadzana jest do wymiennika ciepła (P2) pod ciśnieniem 7,9 bara lub w temperaturze 170°C i temperatura kondensatu w punkcie P3 będzie wynosić 170°C. Gdy kondensat przepływa przez stację odwadniającą w punkcie P4, to przy niższym ciśnieniu pewien procent cieczy gwałtownie zamieni się w parę z powodu zależności pomiędzy niskim ciśnieniem a temperaturą. Gdy pęcherzyk pary impulsowej przepływa do punktu P5 i jest wprowadzany poniżej poziomu kondensatu w rurach instalacji kondensatu, to różnica temperatur spowoduje gwałtowne skraplanie się tego pęcherzyka. Podczas skraplania powstająca woda jest przyspieszana do ekstremalnie wysokiej prędkości z powodu występującego wtedy podciśnienia. Wynikiem tego jest dźwięk typu „brzdęk” lub, gdy występuje duża ilość pary impulsowej (duży pęcherz pary), bardzo ostry dźwięk typu „bang”.
Rozwiązaniem tego problemu jest prawidłowe podłączenie rur do bloku zaworów kondensatu. Wszystkie linie odgałęźne muszą być podłączone do górnej części głównego bloku zaworów i nie ma od tej reguły wyjątku. Podłączenie rur kondensatu musi być wykonane u góry poziomego głównego bloku zaworów, nigdy zaś do bloku pionowego.
Udar przepływowy
Najczęstszą przyczyną występowania udaru przepływowego jest brak prawidłowego
odwadniania przed zaworem izolacyjnym linii parowej lub zaworem sterującym pary (rys. 2). Rozważmy przykład zaworu izolacyjnego linii pary (zwykle montowanego na rurach o średnicy 3 cale lub większej), otwieranego bez zastosowania podgrzewania. Gdy duży zawór zostaje otwarty, para gwałtownie płynie przez zimną rurę, co powoduje szybkie powstawanie dużej ilości skroplin. Ilość tego kondensatu zwiększa się w miarę, jak para płynie przez rurę, i w końcu powstaje duża fala kondensatu. Fala ta będzie rozprzestrzeniać się z dużą prędkością, aż wystąpi nagła zmiana kierunku przepływu, np. w kolanie instalacji lub zaworze linii. Gdy kondensat zmienia kierunek przepływu, nagłe zatrzymanie powoduje powstanie uderzenia hydraulicznego.
Gdy zawór sterujący pary otwiera się, pewna porcja kondensatu wpływa do komponentów instalacji z dużą prędkością. Gdy kondensat uderza w wymiennik ciepła, powstaje uderzenie hydrauliczne.
Rozwiązania tego problemu są takie:
1. zainstalowanie i wykorzystanie zaworu ogrzewanego, pokazanego na fot. 2;
2. zainstalowanie odwadniacza syfonowego (drip leg) ze stacją odwadniającą przed zaworem izolacyjnym.
Wykorzystanie tych zaleceń zapobiegnie powstaniu uderzenia hydraulicznego podczas uruchamiania systemu, a przede wszystkim zapewni długi czas eksploatacji zaworów.
Przykład prawidłowej instalacji rur systemu odprowadzania skroplin pokazano na rys. 3.
Sposoby zapobiegania występowaniu uderzeń hydraulicznych
1. Wdrożenie prawidłowego szkolenia personelu.
2. Zapewnienie prawidłowego zaprojektowania instalacji pary i kondensatu.
3. Posiadanie udokumentowanych standardowych procedur operacyjnych (standard operating procedures – SOP) uruchamiania i wyłączania instalacji parowej.
4. Posiadanie standardów instalacyjnych dla komponentów instalacji parowej.
5. Prawidłowe dobranie i zamontowanie odwadniaczy w instalacji parowej.
6. Wykonanie prawidłowych podłączeń linii odgałęźnych kondensatu do linii głównej oraz wykonanie podłączeń do bloku zaworów jedynie od góry.
7. Użycie takich odwadniaczy, które zostały prawidłowo dobrane dla danej aplikacji.
8. Użycie zaworów ogrzewanych na zaworach izolacyjnych linii parowych o średnicy ponad 2 cale. Nie należy pozostawiać otwartych dużych zaworów izolacyjnych pary z nadzieją uniknięcia uderzenia hydraulicznego spowodowanego skraplaniem się pary. To nie gwarantuje bezpiecznego działania.
9. Sprawdzanie lub naprawa izolacji rur. Oszczędza to znacznie energię i zmniejsza gromadzenie się kondensatu w instalacji rurowej.
10. Prawidłowe dobranie średnic linii. Jest to podstawą zapewnienia prawidłowego działania instalacji parowej. Zbyt małe średnice rur kondensatu są jedną z głównych przyczyn występowania uderzenia hydraulicznego.
11. Wszystkie zawory pary, które mogą znajdować się w położeniu zamkniętym, muszą posiadać prawidłowe odwadniacze syfonowe na linii parowej (rys. 5) w celu usuwania wszelkich skroplin, które tworzą się, gdy zawór jest zamknięty.
12. Skierowanie w każdym przypadku odwadniania grawitacyjnego z dala od aplikacji procesowych za pomocą modulującego zaworu sterującego.
13. Odprowadzanie kondensatu do linii powrotnej pod ciśnieniem tylko w przypadku utrzymywania prawidłowej różnicy ciśnień.
14. Prawidłowe oznakowanie linii parowych i kondensatu.
15. Usuwanie nieużywanych linii parowych i kondensatu z instalacji.
Udar różnicowy
Podobnie jak w przypadku udaru przepływowego, udar różnicowy występuje w instalacjach dwufazowych lub instalacji kondensatu (rys. 4). Występuje on zawsze, gdy para i kondensat płyną przez linie kondensatu, ale z różnymi prędkościami. W systemach dwufazowych prędkość pary jest często 10 razy większa niż prędkość płynu. Jeśli fale skroplin rosną i wypełniają rurę, tworzy się tymczasowy „korek” pomiędzy stronami „w górę” i „w dół” fali skroplin. Ponieważ para nie może płynąć przez korek z kondensatu, występuje spadek ciśnienia po stronie „w dół”. Różnica ciśnień napędza teraz korek z kondensatu z dużą prędkością „w dół”, przyspieszając ją jak tłok. Ponieważ napęd występuje w kierunku „w dół”, następuje porwanie większej ilości płynu, który dodaje się do istniejącej jego porcji i prędkość rośnie.
Dokładnie jak w opisanym przykładzie, porcja kondensatu uzyskuje duży pęd i zostaje zmuszona do zmiany kierunku w kolanku lub zaworze w linii. Wynikiem tego są zwykle duże zniszczenia, gdy porcja kondensatu uderza w ściankę zaworu lub armatury podczas zmiany kierunku przepływu.
Ponieważ istnienie mieszaniny dwufazowej jest możliwe w większości linii powrotnych kondensatu, prawidłowe dobranie wymiarów tych linii staje się sprawą zasadniczą. Kondensat zwykle płynie po dnie linii powrotnej, napędzany siłą grawitacji. Płynie on w sposób naturalny, ponieważ rura ma odpowiednio dużą średnicę oraz dodatkowo napędzany jest przez znajdującą się nad nim parę impulsową o większej prędkości. Para impulsowa porusza się z większą prędkością, ponieważ napędzana jest różnicą ciśnień.
Para impulsowa występuje w liniach powrotnych kondensatu, gdy jest on odprowadzany do tych linii, które pracują pod niższym ciśnieniem. To niższe ciśnienie powoduje, że pewien procent kondensatu błyskawicznie paruje pod danym ciśnieniem nasycenia. Jeśli linie powrotne ponadto mają zbyt małe średnice, to w linii tworzy się dodatkowe ciśnienie. Wypycha ono parę impulsową ze stosunkowo większymi prędkościami w kierunku odbieralnika kondensatu, gdzie następuje usunięcie nadmiaru pary do atmosfery.
Straty ciepła pary impulsowej poruszającej się w linii powodują, że część z tej pary ulega skropleniu, co dodaje się do tej różnicy ciśnień i wzmacnia prędkość. Ponieważ para impulsowa porusza się szybciej od skroplin, powoduje to powstanie fal. Tak długo, jak fale są zbyt niskie, aby osiągnąć górną część rury, i nie blokują drogi parze impulsowej, nie jest to problemem. Dlatego też preferowane są linie powrotne kondensatu o większej średnicy. Aby kontrolować udar różnicowy, konieczne jest zapobieganie powstawaniu korka z kondensatu w systemie dwufazowym.
Prędkość przepływu kondensatu w linii (przepływ dwufazowy) nigdy nie powinna przekraczać 22,86 m/s. Jeśli średnica linii kondensatu została prawidłowo dobrana dla przepływu kondensatu i pary impulsowej, ale zakład nie ma prawidłowego programu zarządzania stacjami odwadniania, odwadniacze działają nieskutecznie i wtłaczają parę do linii skroplin. Powoduje to zwiększenie prędkości przepływu ponad 22,86 m/s i występowanie w systemie uderzenia hydraulicznego.
Rozwiązania problemu są następujące:
1. instalowanie linii odprowadzania kondensatu o średnicy dobranej do prędkości 22,86 m/s lub mniejszej;
2. wdrożenie programu zarządzania stacją odwadniania w celu wyeliminowania niepotrzebnego wprowadzania pary do linii kondensatu.
Kelly Paffel pracuje na stanowisku dyrektora ds. technicznych w firmie Inveno Engineering. Jest ekspertem w dziedzinie instalacji parowych i odprowadzania skroplin. Pracuje również jako wykładowca i instruktor w zakresie projektowania i eksploatacji instalacji parowych.
