Reklama
 
 
 
Uderzenia hydrauliczne w instalacjach amoniakalnych – przyczynek do poprawy bezpieczeństwa eksploatacyjnego
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 10.01.2018

Zjawisko uderzeń hydraulicznych nie jest zwykle kojarzone z instalacjami chłodniczymi. Pierwsze skojarzenie przywodzi raczej na myśl instalacje wodne lub pary wodnej, ze wskazaniem na tą drugą. W praktyce przemysłowej niemal każdy się z takim zjawiskiem zetknął lub o nim słyszał, ale dużo rzadziej zjawisko to jest łączone z instalacjami amoniakalnymi. 

 

 

W amoniakalnych instalacjach chłodniczych zjawisko uderzeń hydraulicznych jest często marginalizowane mimo, że jego konsekwencją może być katastrofa, a w najlepszym przypadku zdarzenie o ograniczonym zasięgu np. miejscowy wyciek .

 

Przypomnijmy sobie, kiedy na pytanie co to za stuki i hałasy uzyskujemy odpowiedź, że to „odtajka” – w żargonie maszynistów. Przyzwyczajamy się do tego zjawiska i przestajemy reagować uznając, że tak musi być. Nic bardziej błędnego, oczywiście instalacja chłodnicza nawet w stanie postoju nie jest „bezdźwięczna”, ale należy wyraźnie zaznaczyć, że jeśli mamy do czynienia ze stukami, łomotami, trzaskami, głuchymi odgłosami, a wizualnie z ruchami rurociągów to jest to bardzo poważny sygnał, że w naszej instalacji dzieje się coś niepokojącego.

 

Postaram się w dalszej części artykułu pokazać czym to zjawisko jest, jakie niesie zagrożenia i zilustruje je konkretnymi przykładami. Na koniec spróbuję podać kilka zaleceń dla uniknięcia tego problemu.

 

 

Czym jest uderzenie hydrauliczne ?

 

Zjawisko uderzenia hydraulicznego jest defi niowane jako wewnętrzny wzrost ciśnienia powstający w rurociągu na skutek nagłej zmiany prędkości cieczy.

 

Wyróżnia się dwa mechanizmy powstawania uderzeń hydraulicznych w rurociągach dwufazowych:

 

  • mechaniczny; 
  • termodynamiczny.

 

Mechaniczny: 

 

  • nagłe zatrzymanie przepływu, czyli np. nagłe zamknięcie cieczy między zaworami; 
  • korek cieczowy wprawiony w ruch poprzez impuls ciśnienia gazu – wyróżniamy tutaj dwa przypadki:

          a) korek statyczny – typowe zamknięcie cieczy w syfonie na rys. 1,

 

 

2017 09 70 1

Rys. 1

 

 

          b) korek dynamiczny – zilustrowany na rys. 2.

 

 

2017 09 70 2

Rys. 2

 

 

Przyjrzyjmy się z jakim ciśnieniem mamy do czynienia w przypadku nagłego zatrzymania przepływu. Rozważymy odcinek rurociągu o długości L i polu przekroju A przy ciśnieniu amoniaku p.

 

Z drugiej zasady dynamiki Newtona otrzymamy wartość siły F wprawiającej w ruch masę m ciekłego amoniaku o gęstości ρ:

 

F=m · a = m · ΔV/t,

 

gdzie ΔV zmiana prędkości w czasie t, czyli przyspieszenie.

 

Powyższą zależność możemy dalej przedstawić w następującej postaci:

 

F=L · A · ρ · ΔV/t

 

Jeżeli z drugiej strony podstawimy wzór na ciśnienie:


F=p · A

 

to otrzymamy następującą zależność określającą w tym wypadku przyrost ciśnienia:


Δp= L· ρ · ΔV /t

 

Załóżmy, że nasz rurociąg ma 25 m długości, prędkość cieczy NH₃ wynosi 3 m/s, a czas zamknięcia zaworu 20 ms. W takim przypadku przy gęstości ρ=650 kg/m³ otrzymamy:


Δp= 25 · 650 · 3 / 0,02= 2,4 · 10⁶Pa, czyli 2,4 MPa ! 

 

Wyliczona wartość stanowi nadciśnienie, a więc z powyższego wprost wynika, że rozpatrywanym odcinku rurociągu wystąpiło ciśnienie dużo wyższe niż obliczeniowe.

 

Termodynamiczny (uderzenie wywołane kondensacją gazowego czynnika):

 

 

Jest to bardzo groźne zjawisko, będące przyczyną zdarzeń o charakterze katastroficznym. W literaturze poświęconej uderzeniom hydraulicznym, czy też w biuletynach IIAR, można znaleźć sporo ciekawych wiadomości, jednak głównie poświęconym zasyfonowanej cieczy i nagłej zmianie prędkości. Zjawisko uderzenia wywołanego kondensacją gazowego amoniaku w kontakcie z zimną cieczą ma nieco mniej opracowań. Bardzo interesująco pisał o tym przed laty Lane Loyko w publikacji z 14-th Annual Meeting IIAR w 1992 roku.

 

 

Wystąpienie uderzenia hydraulicznego omawianego typu zależy od trzech zmiennych: 

 

  • wypełnienia rurociągu; 
  • stopnia przechłodzenia; 
  • wielkości strumienia gorącego gazu.

 

Prześledźmy jaki wpływ mają poszczególne zmienne. Jak pokazały badania, w przypadku danego wypełnienia i przy danej temperaturze, jeśli warunki graniczne zostały przekroczone to uderzenie następowało z większą siłą w przypadku gdy strumień gorącego gazu wzrastał – co wydaje się oczywistym wnioskiem. W czasie testów zaobserwowano także, że mniejsze przechłodzenie powodowało, że zjawisko było słabsze.

 

Ponadto, przy wystarczającym przechłodzeniu, jak pokazują badania, można się liczyć z wystąpieniem uderzenia hydraulicznego jeśli rurociąg jest wypełniony w zakresie od 25% do 95% przekroju poprzecznego, co jest dość niepokojące, bo jest to bardzo szeroki zakres pracy.

 

 

Dlaczego uderzenie hydrauliczne spowodowane kondensacją gazu jest tak groźne w niskich temperaturach?

 

(...)

 

 

Gdzie dochodzi do uderzeń hydraulicznych?

 

 

2017 09 72 1

Rys. 4. Rozerwany rurociąg – po niespełna 6-miesięcznej eksploatacji

 

 

(...)

 

 

Jak uniknąć uderzeń obu typów opisanych powyżej?

 

Można by tu stworzyć bardzo długą listę, ale chciałbym skupić się na sprawach kluczowych. Rozpoczniemy tu od rurociągów gorącego gazu, a skończymy na wytycznych eksploatacyjnych.

 

A zatem:

 

1. Należy unikać przewymiarowania tych rurociągów, żeby uniknąć skraplania się czynnika w tych odcinkach;

2. Należy izolować te rurociągi;

3. Należy prawidłowo ustawiać czasy opróżniania parowników przed odtajaniem, aby uniknąć wpuszczenia gorącego gazu do parownika z cieczą;

4. Prawidłowo ustawiać sekwencję programu odtajania, co jest szczególnie ważne w systemach centralnie sterowanych komputerowo;

5. Unikać syfonów w instalacjach gorącego gazu oraz ssących;

6. Unikać takiej lokalizacji zaworów, w wyniku której zachodzi niebezpieczeństwo zamknięcia cieczy miedzy elementami armatury;

7. W zakresie czynności konserwacyjnych prowadzić regularne oględziny połączeń spawanych na rurociągach oraz kontrolować stan podpór i konsoli;

8. Reagować na sygnały z instalacji: dźwiękowe i wizualne.

 

Bazując na swoich wieloletnich doświadczeniach w utrzymaniu ruchu w amoniakalnych instalacjach chłodniczych, chciałbym podkreślić szczególne znaczenie dwóch ostatnich punktów.

 

 

Podsumowanie

 

Czy uderzenia hydrauliczne muszą kończyć się katastrofą? Można odpowiedzieć, że to dobre pytanie. Analiza różnych sytuacji prowadzi do wniosku, że nie w każdej sytuacji efektem końcowym będzie rozerwanie rurociągu lub armatury, chociaż przykład katastrofy w zakładzie Millard w stanie Alabama 24.10.2010 roku (Literatura – pkt. 6) pokazuje realne oddziaływanie zjawiska będącego przedmiotem artykułu. Należy pamiętać, że nawet jeżeli w danym momencie nie dochodzi do spektakularnego wypadku, to często jest to jakby uruchomienie mechanizmu zegarowego dla zdarzenia w przyszłości. Dzieje się tak na skutek wystąpienia koncentracji naprężeń, które wystąpi w najsłabszym miejscu czyli na połączeniu spawanym. Doprowadzi to wcześniej czy później do pęknięcia i wycieku amoniaku, a prowadzący instalację nawet nie powiąże tego z uderzeniem hydraulicznym.

 

Należy tu też podkreślić, że w instalacjach pracujących bez stałego nadzoru, ale nie tylko, możemy fakt wystąpienia uderzenia najzwyczajniej przeoczyć. Dlaczego? Bardzo prosto można to wyjaśnić: czas tego impulsu jest bardzo krótki. Zwrócę też uwagę, że nie można liczyć na zawór bezpieczeństwa – on nie zadziała. Pamiętajmy, że zawór bezpieczeństwa potrzebuje pewnego czasu na swoją reakcję, potwierdzi to każdy, kto choć raz uczestniczył w próbie legalizacji takiego zaworu. Natomiast doświadczony operator może to rozpoznać np. po „przekręconej” wskazówce manometru.

 

Konsekwencje uderzeń hydraulicznych to nie tylko wycieki, ale również wewnętrzne „spustoszenia” w postaci np. deformacji pierścieni tefl onowych w zaworach, jak na rysunku 7., co prowadzi w konsekwencji do wewnętrznych nieszczelności wpływających na efektywność pracy danej instalacji, a więc do wzrostu kosztów w zakładzie.

 

Zamieszczone przykłady nie powinny pozostawiać wątpliwości co do powagi omawianego problemu. Zachęcam do odrzucenia poglądu, jak to często słyszę „w mojej instalacji się to zdarzyć nie może” – bądźmy przezorni i zapobiegajmy podobnym przypadkom.

 

Niniejszy artykuł ma być przyczynkiem do zwiększenia bezpieczeństwa w eksploatacji amoniakalnych instalacji chłodniczych poprzez zwrócenie uwagi na mało znane zjawisko i jego wpływ na poziom bezpieczeństwa w zakładach.

 

Na koniec chciałbym zachęcić do obejrzenia filmu dostępnego na stronie www.csb.gov, gdzie można zapoznać się dokładnie z przypadkiem uderzenia hydraulicznego, które doprowadziło do katastrofy.

 

 

Piotr KAMECKI
– Dyrektor Zakładu,
Greenyard Frozen Poland Sp. z o.o.

 

 

LITERATURA:

[1] J. C. SHELTON, A. M. JACOBI: A Fundamental Study of Refrigerant line Transient, 1995.

[2] Avoiding Component Failure in Industrial Refrigeration System Caused by Abnormal Pressure or Schock – Biuletyn Nr116 IIAR, 1992 r.

[3] L. LOYKO: Condensation-Induced Hydraulic Shock, 1992 r.

[4] Avoiding Liquid Hammer – Danfoss, 1997 r.

[5] P. S. NIELSEN: Uderzenia hydrauliczne i zmiany fazowe, 2000 r.

[6] www.csb.gov/video/shock-to-the-system/ 

[7] Materiały własne autora

 

 

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

Reklama

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.