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Jul 21, 2023

Anwendung von Ventilverschlusskonzepten auf komplexe Prozessrohrleitungssysteme

Ein Phänomen namens Wasserschlag kann zu gefährlichen Szenarien wie einem Einsturz führen

Ein Phänomen, das als Wasserschlag bezeichnet wird, kann zu gefährlichen Situationen führen, z. B. zum Einsturz von Rohren und zum Abstürzen von Rohren aus den Halterungen. Ein Wasserschlag entsteht, wenn große oder kleine Druckstöße schnell durch ein Rohrleitungssystem fließen. Es klingt nicht nur schrecklich, es kann auch unglaublich zerstörerisch sein. Unter Wasserschlag versteht man den Prozess, den ein Rohrleitungssystem beim Übergang von einem stationären Betrieb in einen anderen durchläuft. Es kommt in allen Rohrleitungssystemen vor und ist nicht nur auf Wassersysteme beschränkt. Ein Wasserschlagereignis kann durch geplante betriebliche Änderungen sowie durch plötzliche, ungeplante Störungen verursacht werden.

Manchmal behaupten Benutzer, sie hätten keinen Wasserschlag in ihrem System, was nicht stimmt. Selbst beim Starten einer Pumpe kommt es zu Wasserschlägen im System. Was den Wasserschlag verursacht und wie schlimm er sein kann, muss ermittelt werden.

Die Rohrleitungsnormen B31.3 und B31.4 der American Society of Mechanical Engineers (ASME) sind Standards, die allgemein auf Rohrleitungssysteme anwendbar sind.1 In ASME B31.3 für Prozessrohrleitungen wird in Abschnitt 301.2.2 die erforderliche Druckbegrenzung oder -entlastung erörtert. Abschnitt 301.2.2 besagt Folgendes:

a) Es müssen Vorkehrungen getroffen werden, um jeglichen Druck, dem die Rohrleitungen ausgesetzt sein könnten, sicher einzudämmen oder zu entlasten. Rohrleitungen, die nicht durch eine Druckentlastungsvorrichtung geschützt sind oder von einer Druckentlastungsvorrichtung isoliert werden können, müssen mindestens für den höchsten Druck ausgelegt sein, der entwickelt werden kann.

b) Zu den zu berücksichtigenden Druckquellen gehören Umgebungseinflüsse, Druckschwankungen und -stöße, unsachgemäßer Betrieb, Zersetzung instabiler Flüssigkeiten, statischer Druck und Ausfall von Steuergeräten.

c) Die Zulagen des Abs. 302.2.4(f) sind zulässig, sofern die anderen Anforderungen von Abs. 302.2.4(f) erfüllt sind. 302.2.4 werden ebenfalls erfüllt.

Dies erfordert Systemdesigns, die hohen Drücken Rechnung tragen. In anderen Abschnitten wird erläutert, was gelegentliche Druckschwankungen sind und was zulässig sein kann. ASME B31.4 für „Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids“ befasst sich auch mit internen Auslegungsdrücken und erwähnt: „Ein Druckanstieg über den maximalen stationären Betriebsdruck aufgrund von Druckstößen und anderen Abweichungen vom Normalbetrieb ist gemäß Abschnitt 402.2 zulässig.“ .4.“ In Abschnitt 402.2.4 heißt es: „Es müssen Stoßberechnungen durchgeführt und angemessene Kontrollen und Schutzausrüstung bereitgestellt werden, damit der Druckanstieg aufgrund von Stößen und anderen Abweichungen vom Normalbetrieb den internen Auslegungsdruck zu keinem Zeitpunkt überschreitet.“ Punkt im Rohrleitungssystem und in der Ausrüstung um mehr als 10 %.

Insgesamt müssen Wasserschläge und Druckstöße quantifiziert und behoben werden, um das System zu schützen. Wasserschläge können auf viele Arten verursacht werden. Das klassische Beispiel ist das schnelle Schließen eines Ventils und wird häufig zur Beschreibung der Konzepte von Wasserschlägen herangezogen. In der Fachliteratur zu Wasserschlägen werden häufig schnelle Ventilschließungen als die potenziell katastrophalsten Ursachen für Wasserschläge genannt. Wasserschläge können jedoch auch durch Pumpenauslöseereignisse, Pumpenstartereignisse, Überdruck, der zum Öffnen und Schließen von Überdruckventilen führt, ausgefallene Steuerventile, zuschlagende Rückschlagventile usw. verursacht werden.

Das klassische Beispiel eines schnellen Ventilschließens, das häufig zur Beschreibung von Wasserschlägen verwendet wird, befasst sich typischerweise mit der Joukowsky-Gleichung, die zur Berechnung des maximalen theoretischen Druckanstiegs für ein momentanes Ereignis verwendet wird. Die Joukowsky-Gleichung hängt von der Flüssigkeitsdichte, der Wellengeschwindigkeit der Flüssigkeit und der Geschwindigkeitsänderung ab.2 Die Joukowsky-Gleichung kann auf alles angewendet werden, was eine sofortige Geschwindigkeitsänderung verursacht. Die Verwendung der Joukowsky-Gleichung zur Bestimmung des maximalen theoretischen Druckstoßes ist ein hilfreicher Ausgangspunkt. Es kann jedoch vorkommen, dass Druckstöße auftreten, die größer sind, als die Gleichung vorhersagt.

Dies kann beispielsweise passieren, wenn in einem System oder einer Leitungspackung vorübergehende Kavitation vorliegt. Dennoch ist das Beispiel des schnellen Ventilschließens eine gute Möglichkeit, den Wasserschlag besser zu verstehen. Zur Quantifizierung der Druckreaktion während eines Wasserschlagereignisses stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, und diese Berechnungen können kompliziert und anstrengend sein. Eine Methode ist die Methode der Charakteristiken, die die Gleichgewichtsgleichungen für transiente Massen und Impulse in einem charakteristischen Gitteransatz löst.4 Die Anwendung dieser Berechnungen auf ein Ventilschließbeispiel, um zu bestimmen, wie sich der Druckstoß am Ventil mit der Zeit ändert, ist nicht allzu schwierig. Die Herausforderung besteht darin, dass in der Literatur häufig ein Beispiel für ein schnelles Ventilschließen im Zusammenhang mit einem einzelnen geraden Rohrströmungsweg mit Wasser gezeigt wird und selten Anleitungen oder Berechnungen für ein komplexeres System mit mehreren Strömungswegen, Pumpen, Druckstoßunterdrückungsgeräten usw. bereitgestellt werden.

Mithilfe der Kennlinienmethode kann eine Kalkulationstabelle erstellt werden, um die sich ändernden Drücke und Durchflussraten in einem komplexeren, mehrfach verzweigten oder schleifenförmigen Rohrleitungssystem zu ermitteln. Allerdings wäre die Tabelle groß und unpraktisch. Software zur Wasserschlaganalyse ist ein nützliches Werkzeug, das bei der Durchführung einer Wasserschlaganalyse für einfache oder komplizierte Systeme helfen kann, ohne dass ein Doktorstudium in Wasserschlagtheorie erforderlich ist. Software zur Analyse von Wasserschlägen verfolgt häufig einen eindimensionalen Ansatz zur Lösung des Systems aus transienten Durchflussraten, Drücken, Geschwindigkeiten usw. Dies kann Ingenieuren dabei helfen, ein besseres Verständnis zu erlangen, um entweder die Grundursache für bestehende Probleme oder Unfälle im Zusammenhang mit Wasserschlägen zu ermitteln oder für präventive Ansätze bei Neukonstruktionen oder Betriebsänderungen.

Betrachten Sie ein Wasserschlaganalysemodell für die Flüssigerdgasanlage (LNG) in Bild 1. Diese Anlage wurde erweitert und verfügte zunächst über drei parallel laufende Pumpen. Durch die Erweiterung würden zwei zusätzliche Pumpen entstehen, wobei eine dritte als Ersatz dienen würde. Beachten Sie, dass es zwei Pumpensätze mit eigenem Steigrohr gibt, die an einen Hauptverteiler angeschlossen sind. Der Fluss teilt sich später auf und führt zu zwei separaten Auslassventilen. Die blau hervorgehobenen Rohrstrecken sind Abschnitte, bei denen für die Rohrspannungsanalyse vorübergehende Kraftbelastungen erforderlich sind. Der grün hervorgehobene Rohrverlauf ist ein einzelner kontinuierlicher Strömungsweg von der Pumpe P-101C zum Ventil LV-1564A2.

Bei einer Wasserschlaganalyse geht es um mehr als nur um die Prüfung des Drucks an einem Schließventil. Vorübergehende Druckwellen breiten sich mit mehreren tausend Fuß pro Sekunde durch ein Rohrleitungssystem aus und die Wellenmuster können Interferenzen aufweisen, die katastrophale Auswirkungen haben können. Es ist verständlich, dass Rohre bei hohen Druckspitzen reißen können, aber niedrige Drücke können ebenso problematisch sein. Bei Unterdruck kann es zum Einsturz von Rohren kommen. Wenn vorübergehende Kavitation auftritt, bei der der Druck den Dampfdruck erreicht hat, können große Druckspitzen auftreten, die einem großen Ballon ähneln, der in einem Rohr platzt. Dies kann insbesondere bei einer LNG-Anlage der Fall sein, da der Dampfdruck nicht so niedrig ist wie der von Wasser.

Bei der Aufgabe, eine Wasserschlaganalyse für die Erweiterung dieser Anlage durchzuführen, ist es wichtig zu verstehen, welche Auswirkungen der Wasserschlag auf das bestehende System haben würde. Ein Szenario, das modelliert werden kann, ist das Beispiel des klassischen Ventilverschlusses. In Bild 1 schließen sich die beiden Auslassventile am Auslass des Systems innerhalb von drei Sekunden mit einem linearen Ventilschließprofil. Schnelle Ventilschließungen verursachen große Druckspitzen. Eine Wasserschlagstudie kann mehrere Szenarien umfassen, in denen Ventile unterschiedlich schnell geschlossen werden, um festzustellen, wie schnell zu schnell und wie langsam langsam genug ist. Häufig wird von linearen Ventilschließungen ausgegangen, und typischerweise kann das Schließen eines Ventils über längere Zeiträume dazu beitragen, die auftretenden Druckstöße durch Wasserschläge zu mildern. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Bei bestimmten Ventiltypen ist die Änderung der Drücke und Durchflussraten im System manchmal erst in den letzten paar Prozent der Schließung sichtbar. Daher hilft es möglicherweise nicht immer, Ventile über einen längeren Zeitraum zu schließen.

Es ist auch wichtig, die Ventilcharakteristik zu berücksichtigen, da die Art und Weise, wie das Ventil geschlossen wird, einen größeren Einfluss auf die Reduzierung von Druckstößen haben kann als die Dauer, wie lange das Ventil geschlossen bleibt. Swaffield & Boldy empfiehlt zum Beispiel, über einen bestimmten Zeitraum hinweg die Klappe zu schließen, wenn 80 % der Klappenschließung in den ersten 20 % der zum Schließen der Klappe benötigten Zeit erreicht wird, und dann die restlichen 20 % der Klappenschließung über die Zeit hinweg Wenn 80 % der Zeit zum Schließen des Ventils verbleiben, kann der resultierende Druckstoß reduziert werden.5 Ein Beispiel in Bild 2 vergleicht zwei verschiedene Ventilschließraten für eine Ammoniak-Schiffs-zu-Land-Transferpipeline. Der obere Strömungspfad in Bild 2 verwendet einen linearen Zwei-Sekunden-Ventilverschluss, während der untere Strömungspfad ebenfalls einen Zwei-Sekunden-Ventilverschluss verwendet, jedoch das von Swaffield & Boldy empfohlene 80/20-Verschlussprofil verwendet.

Wie in Bild 2 zu sehen ist, reduziert die 80/20-Richtlinie den vorübergehenden Druckstoß beim Schließen des Ventils im Vergleich zum Fall mit der gleichen Schließzeit und einem linearen Schließprofil. Dies zeigt, dass das Profil, in dem ein Ventil geschlossen ist, ebenso wie das Schließen von Ventilen über längere Zeiträume einen Unterschied bei der Reduzierung des Druckstoßes durch Wasserschläge macht. Wenn nicht, hat das Profil eine größere Wirkung. Somit kann eine komplette Studie zur Wasserschlaganalyse der Bestimmung geeigneter Ventilschließzeiten und -profile gewidmet werden, die den Steuerungssystemen dabei helfen können, Probleme zu verhindern.

Wichtige zu bewertende Parameter sind die minimalen und maximalen Drücke im System und deren Vergleich mit dem maximal zulässigen Betriebsdruck. Weitere zu bewertende Faktoren sind das mögliche Vorhandensein von Dampfbildung bei Kavitation im System, die vorübergehende Leistung von Komponenten, z. B. wie sich die Geschwindigkeit einer Pumpe ändern kann, wenn eine Pumpenstörung auftritt, wie sich der Ansaug- und Auslassdruck sowie die Durchflussrate ändern können Änderungen durch eine Pumpe während eines vorübergehenden Ereignisses, wie eine Entlastung während einer Überspannungssituation erfolgen kann usw.

Die Bilder 3 und 4 zeigen das maximale und minimale Druckprofil für den grün hervorgehobenen Strömungsweg des Systems in Bild 1. Bild 3 enthält die Ergebnisse für das Szenario vor der Expansion und Bild 3 zeigt die Ergebnisse des Szenarios nach der Expansion. In beiden Diagrammen in den Bildern 3 und 4 stellt die grüne Linie den Druck entlang des Strömungswegs zum genauen Zeitpunkt dar, zu dem die Ventile nach drei Sekunden schließen.

Der transiente Druck entlang des Strömungswegs nach drei Sekunden, dargestellt durch die grüne Linie in den Diagrammen für Bilder 3 und 4, ist ähnlich. Die Ergebnisse für das Szenario nach der Expansion mit zusätzlichen Pumpen ähneln den Ergebnissen vor der Expansion. Vergleicht man die maximalen Druckprofile in den Bildern 3 und 4, führt das Szenario nach der Expansion tatsächlich zu höheren Übergangsdrücken. Der Grund dafür liegt in der Verstopfung der Leitungen und einem höheren Durchfluss im System, da die Pumpen noch in Betrieb sind. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, dass die Übergangsdrücke höher sein können als die Vorhersage der Joukowsky-Gleichung. Bild 5 zeigt mehr Klarheit ähnlicher Ergebnisse mit den Übergangsdrücken am Einlass des Schließventils im Laufe der Zeit. Die Drücke nach der Expansion am Ventileinlass sind höher als in Szenarien vor der Expansion, aber immer noch ähnlich.

Betrachtet man die Rohrstrang-Kraftstränge in Blau (Bild 1), so treten die Kraftstränge mit den höchsten vorübergehenden Kraftbelastungen in beiden Szenarien in den Kraftsträngen 3 und 6 auf. Die größte Kraftbelastung kann an dem Ventil auftreten, das schließt, dies ist jedoch nicht der Fall Immer der Fall. Es gibt viele hydraulische Effekte, die sich auf die vorübergehenden Kraftbelastungen auswirken, und die einfache Multiplikation von Druck und Fläche an einem Ort liefert nicht die korrekten Kraftwerte. Wasserschlag-Analysesoftware berücksichtigt von Natur aus die Reibungseffekte und Impulseffekte und bezieht diese problemlos in die Kraftlastberechnungen ein.6 Wie gezeigt, ist es nicht einfach anzunehmen, in welchem ​​Kraftzweig die größten Übergangskräfte auftreten. Auch die größten Kräfte sind möglicherweise nicht vorhanden treten immer beim Schließen eines Ventils auf und können später in der Simulation auftreten. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass die Druckwellen in einem komplexen System wie in Bild 1 miteinander interferieren.

Die gute Nachricht für die LNG-Anlage in Bild 1 ist, dass die Erweiterung weder zu vorübergehenden Drücken führte, die über dem maximal zulässigen Druck des Systems lagen, noch zu höheren vorübergehenden Kraftbelastungen. Die Wellengeschwindigkeit in diesem System beträgt etwa die Hälfte der typischen Wellengeschwindigkeit. Wenn sich in diesem System eine andere Flüssigkeit befände, könnten die Ergebnisse katastrophaler ausfallen, und wenn das System zuvor nicht sorgfältig analysiert würde, einschließlich der Kraftberechnungen, könnte dies leicht eine ganze Reihe neuer Probleme aufdecken. Darüber hinaus sollten auch viele andere Szenarien bewertet werden, z. B. Pumpenanlaufszenarien, Pumpenauslöseszenarien, bei denen entweder alle Pumpen gemeinsam auslösen oder eine Pumpe allein auslöst, was möglicherweise zu einem großen Rückschlagventilschlagereignis führt, und mehr.

Verweise

Codes bezüglich Wasserhammer: ASME B31.3 UND B31.4, waterhammer.com/en/blog/design/codes-concerning-waterhammer-asme-b31-3-and-b31-4

„Wasserhammer: Was und warum“, pumpenandsystems.com/water-hammer-what-why

„Wenn die Joukowsky-Gleichung keine maximalen Wasserschlagdrücke vorhersagt“, aft.com/documents/technicalpapers/2019_pvpjournal_when-the-joukowsky-equation-does-not-predict-maximum-water-hammer-pressions.pdf

„Fluid Transients In Systems“, E. Benjamin Wylie & Victor L. Streeter, 1. Auflage, 1993

„Druckstoß in Rohr- und Kanalsystemen“, JA Swaffield & Adrian P. Boldy, 1993

„Evaluating Dynamic Loads in Piping Systems Caused by Waterhammer“, J. Wilcox & T. Walters, 2012, aft.com/white-papers/evaluating-dynamic-loads-in-piping-systems-caused-by-waterhammer

Ben Keiser ist technischer Verkaufsberater für Applied Flow Technology (AFT). Keiser hat einen Bachelor-Abschluss in Chemieingenieurwesen von der Colorado School of Mines. Keiser ist unter [email protected] erreichbar. Weitere Informationen finden Sie unter www.aft.com.