System przesyłu ciepła w niemal każdej postaci – ciepłej wody, oleju o wysokiej temperaturze czy pary wodnej – wymaga starannego projektu i obsługi, ponieważ występuje wówczas różna temperatura i ciśnienie. Ogólnie mówiąc, system parowy jest najbezpieczniejszy wtedy, kiedy skroplina jest efektywnie usunięta. Właściwy projekt systemu parowego, instalacja, obsługa i konserwacja znacznie zmniejszają prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzeń destrukcyjnych, których jedną z przyczyn może być tzw. uderzenie wodne lub inaczej szok ciśnieniowy.
Co to jest uderzenie wodne?
Zjawisko to występuje wtedy, kiedy strumień wody przyspieszony ciśnieniem pary wodnej lub niskim ciśnieniem próżni nagle zatrzymuje się, natrafiając na zawór lub armaturę, taką jak np. kolanko lub trójnik (łącznik rurowy), zawór (np. szybkie zamknięcie zaworu), albo 
nawet na powierzchnię rury. Uderzenie wodne może wystąpić już podczas uruchomienia instalacji, wówczas prędkość wody może być znacznie większa od nominalnej prędkości pary w rurze. Kiedy te prędkości są nagle niwelowane przez uderzenie, energia kinetyczna cząsteczek wody jest zamieniana na energię ciśnienia, a nagły skok ciśnienia powiązany jest z powstaniem zatoru.
Uderzenie wodne wywołane przepływem pary może wystąpić w następstwie niesprawnego działania oddzielacza skroplin
W łagodnych przypadkach wystąpi hałas i ewentualnie drgania rur. W poważniejszych przypadkach prowadzi to do pęknięcia rury lub armatury z prawie eksplozyjnym efektem i w konsekwencji do wydostania się pary wodnej poprzez powstałą szczelinę. Rozpędzone odłamki pękniętych rur lub komponentów systemu mogą być przyczyną kontuzji lub nawet zagrożeniem dla życia obsługi lub osób postronnych.
Występują dwa typy uderzenia wodnego: wywołane przepływem pary wodnej oraz wywołany skropliną. Uderzenie wodne wywołane przepływem pary wodnej jest przypadkiem uderzeniowym, kiedy gwałtownie poruszająca się woda uderza w obiekt stacjonarny. Wymiana pędu tworzy ciśnienie wielkości około kilkuset psi (1 psi = 6 894,75729 Pa), czyli około 0,7 MPa w strefie uderzenia.
Z tych dwóch typów zdarzeń potężniejszy jest uderzenie wodne wywołane skropliną. Jest to zjawisko nagłego skroplenia, które zachodzi wtedy, kiedy strefa pary wodnej, otoczona kondensatem o znacznie niższej temperaturze, przekształca się w stan ciekły. W zależności od ciśnienia i temperatury możemy mieć do czynienia z kilkuset – do ponad tysiąckrotną redukcją objętości czynnika, w wyniku czego powstaje wolna przestrzeń niskiego ciśnienia (wytwarza się próżnia), która pozwala, aby sprężona skroplina nagle została wprawiona w ruch, co w rezultacie może powodować olbrzymią kolizję. To z kolei wywołuje kilkakrotne przekroczenie ciśnienia, do wartości ponad 1000 psi (~7 MPa). Uszczelki, zawory, armatura – praktycznie każda część instalacji rurowej jest podatna na awarię, często z tragicznymi skutkami.
Najczęściej spotykane miejsca, gdzie możemy znaleźć oba typy uderzenia wodnego, to parowe sieci zasilające, parowe linie przesyłowe i ogrzewane powietrzem wężownice.
Przyczyny powstawania uderzenia wodnego
Narastanie skropliny jest powszechne dla obu typów uderzenia wodnego. Może to być spowodowane przez straty wylotowe kotła, gromadzone w dużych ilościach pod postacią wody przekazywanej do sieci zasilającej, która z kolei obciąża oddzielacz skroplin. Inną przyczyną może być także odpływ wsteczny kondensatu z sieci zasilającej, wywołany przez ciśnienie z odpowietrznika albo przez wyciek części pary poprzez uszkodzenie w oddzielaczach skroplin lub zaworach zwrotnych. Nawet zmniejszona wydolność oddzielacza skroplin spowodowana niskimi warunkami ciśnienia sieci zasilającej może wywołać odpływ wsteczny kondensatu z sieci zasilającej.
Elementem niezbędnym do wystąpienia pierwszego typu uderzenia wodnego jest przepływ pary, (zależny od rodzaju obciążenia systemu parowego), który wywołuje siłę powodującą powstanie zatoru.
Niezbędnymi elementami do wystąpienia uderzenia wodnego wywołanego skropliną są:
-
skroplenie pary – uwięziona w przestrzeni para wodna zostaje skondensowana do postaci ciekłej,
-
spadek ciśnienia (prawdopodobnie powiązany z procesem otwarcia zaworów parowych), który może doprowadzić do powstania próżni
Uderzenie wodne wzbudzone skropliną występuje w wyniku nagłego skroplenia pary wodnej w pobliżu zgromadzonego kondensatu
Uderzenie wodne spowodowało pęknięcie tego 10-calowego zaworu zasuwowego i oddzielenia go od całej instalacji rurowej.
Obniżanie ryzyka
Operatorzy mogą obniżać ryzyko pojawienia się „uderzenia wodnego” poprzez zapobieganie lub rozwiązywaniem problemów projektu systemu parowego.
1. System odwadniający: możesz całkowicie uniknąć zjawiska uderzenia wodnego pilnując, aby woda (kondensat) przed jej skumulowaniem była odprowadzana w odpowiedniej ilości i zabraniem za pośrednictwem pary wodnej. Należy zapewnić właściwy drenaż; instalowanie komponentów o podwyższonym ciśnieniu lub wydajności znamionowej nie rozwiązuje problemu. Komponenty o parametrach spełniających ogólne wymogi bezpieczeństwa niekoniecznie mogą zapewnić bezpieczny i efektywny drenaż parowej sieci zasilającej.
2. Jakość pary wodnej: popraw jakość pary, trzymając ją w stanie suchym tak długo, jak to tylko możliwe. Zainstaluj stacje wentylacyjne pary w odległości ponad kilku metrów od siebie oraz inne urządzenia zabezpieczające system parowy.
3. Prędkość pary: nie dopuść, aby prędkość pary wzrosła nadmiernie w wyniku modyfikacji systemu. Im większa jest prędkość, tym większa siła uderzeniowa może wystąpić w przypadku uderzenia wodnego wywołanego przepływem pary.
4. Kocioł i zaopatrzenie pary: w większych systemach rozważ zastosowanie automatycznego zaworu w linii zaopatrzenia pary, wyregulowanego w ten sposób, aby pozostał zamknięty przez cały czas, aż do momentu, kiedy w kotle zostanie osiągnięte umiarkowane ciśnienie. Później zawór może być ustawiony w taki sposób, aby otwierał się stopniowo, dopuszczając przepływ, temperaturę i ciśnienie do systemu dystrybucji, w którym poziom równowagi osiągany jest powoli. Zainstaluj wstecznociśnieniowy zawór kontrolny w sieci zasilającej, który zapobiegnie przedostaniu się ciśnienia do wewnątrz kotła i zatopienia siebie samego w razie bardzo niekorzystnych warunków.
5. Oddzielacze skroplin: upewnij się, czy wykorzystane oddzielacze skroplin są odpowiedniego typu i odpowiedniej pojemności. Typ ten może zależeć od użytych metod uruchamiania. W przypadku zmiany procedury obsługi sieci mogą być potrzebne inne typy oddzielaczy skroplin. Jeśli masz wątpliwości, zadzwoń do eksperta od systemów parowych. Sprawdzaj oddzielacze skroplin regularnie oraz konserwuj je w odpowiedni sposób. Nigdy nie schodź poniżej minimum różnicy ciśnienia pomiędzy oddzielaczem skroplin. Zawsze oddziel rurowy system zaworów sieci zasilającej od oddzielaczy skroplin, aby odprowadzić skroplinę, która może się uformować, gdy zawory są zamknięte.
6. Instalacja rurowa – popraw, jeśli występują jakieś ugięcia lub braki rury, wilgotna albo zniszczona izolacja, która mogłaby spowodować nagromadzenie skropliny i przekroczenie pojemności oddzielacza skroplin.
7. Wężownice ogrzewane powietrzem: te urządzenia muszą powiązać ze sobą jednocześnie usuwanie skropliny oraz odprowadzenie powietrza, aby w ten sposób zapobiec wystąpieniu uderzenia wodnego. W wężownicach horyzontalnych rurki nie powinny być położone poziomo, tylko lekko pochylone od wlotu do wylotu. W ten sposób skroplina nie gromadzi się w rurkach, tylko odpływa naturalnie. Parowe wloty do horyzontalnych rur rozgałęzionych mogą się znajdować na jednym końcu albo w połowie odległości, jednak w przypadku poziomych rur zalecane jest, aby wloty parowe znajdowały się na górze.
Wężownice z wlotem centralnym sprawiają więcej problemów w zapewnieniu prawidłowej przepustowości powietrza od górnych rurek. Para wodna zbiera się zwykle po przejściu z rurek do rozgałęzienia rurowego. Przy tym rodzaju wężownicy zaleca się stosowanie automatycznego odpowietrzania. Ocena przy innych układach musi być przeprowadzona na podstawie analizy części urządzenia, w których zbierają się powietrze i nieskraplające się gazy. Jeśli występuje to w naturalnym punkcie odpływu skropliny, wówczas oddzielacz skroplin musi mieć najwyższą wydolność odprowadzenia powietrza. Zapewni to prawidłowy dobór typu pływaka termostatycznego. Przerywacz próżni powinien być zainstalowany w parowej rurze zaopatrującej – pomiędzy zaworem kontrolującym temperaturę a wlotem wężownicy.
Unikanie uderzenia wodnego w praktyce
Zapobieganie i rozwiązanie pewnych typowych problemów obsługowych pozwoli nam na uniknięcie zjawiska uderzenia wodnego:
1. Niebezpieczna mikstura: wysokociśnieniowa para wodna w połączeniu z przechłodzoną skropliną tworzą niestabilną i potencjalnie eksplozyjną miksturę.
2. Schłodzona skroplina: nie pozwól, aby para wodna była wprowadzona do rury, w której może znajdować się przechłodzona skroplina.
3. Kotły: miej pewność, że kotły pracują poprawnie w każdych warunkach, (np. nie występuje zjawisko pienienia się, zawór szybko działający, odmulający jest zainstalowany najbliżej kotła, jak to możliwe).
4. Ciśnienie pary wodnej: bądź ostrożny w sytuacji, kiedy ciśnienie pary w sieci zasilającej jest niskie lub równe zero. Zachowaj szczególną ostrożność podczas uruchamiania kotła, kiedy występuje samoczynne wyłączanie się lub kiedy proces technologiczny produkuje zbyt dużą ilość pary wodnej.
5. Uruchomienie i wyłączenie: są to krytyczne operacje. Nigdy nie pozwól, aby system wyłączał się albo restartował samoczynnie, bez zaangażowania operatora. W większych systemach stosuj specjalnie nadzorowaną procedurę załączania. Otwórz ręcznie zawory odpływowe, takie jak na przykład te, które występują na dnie zagłębień gromadzenia się skropliny, lub wydmuchowe zawory z filtrów – do momentu, aż sieć zasilająca będzie miała wystarczające ciśnienie, aby oddzielacze skroplin przejęły te funkcje. We wszystkich instalacjach (poza najmniejszymi) przepływ pary z kotła do zimnych rur podczas uruchamiania, nawet wtedy, kiedy ciśnienie w kotle jest bardzo niskie, może prowadzić do nadmiernych strat pary wodnej oraz wody w kotle.
6. Niesprawności oddzielacza skroplin: jeśli zauważysz pewne niesprawności podczas zamykania się oddzielacza, ustaw zawory filtrujące spaliny jako częściowo otwarte, co pozwoli skroplinie wypłynąć. W razie niesprawności otwierania się oddzielacza skroplin zawory nie powinny być zamknięte, gdyż powodowałoby to gromadzenie się skropliny w sieci zasilającej. Aby utrzymywać najlepsze własności oddzielacza skroplin, należy wdrożyć program regularnie sprawdzający działanie oddzielacza skroplin.
7. Obsługa wężownicy ogrzewanej powietrzem: najczęstszym problemem występującym przy ogrzewaniu wężownic jest ich gaśnięcie. Problem ten występuje wtedy, kiedy ciśnienie związane ze zmniejszaniem się objętości pary spada poniżej pewnych warunków użytkowych. Jeśli ciśnienie spadnie do tego poziomu, w którym skroplina spływa samoczynnie do ujść oddzielaczy skroplin, wtedy system zawodzi. Kiedy skroplina cofa się do wężownicy, zaczynają się problemy takie jak nasycenie wody związane ze zjawiskiem młotowania, stratyfi kacji temperatury, korozji oraz zamarzania. Nasycona wodą wężownica powinna stopniowo i swobodnie się odsączyć do oddzielacza skroplin, a później grawitacyjnie do odbiornika odpowietrzanego lub do pompy zwrotnej. Jeśli tak nie jest, możesz się spodziewać powstania próżni w wężownicy. Lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie automatycznej pompy oddzielającej skroplinę, zaliczanej do urządzeń o bardzo zaawansowanej technologii łączącej korzyści wynikające z zastosowania pływaka oraz pompy zasilanej ciśnieniem. Rozwiązanie to zapewnia najefektywniejszy drenaż skropliny z pustej przestrzeni pary niezależnie od panującego ciśnienia.
UR
Artykuł pod redakcją Kamila Żarów
