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Jul 21, 2023

バルブ閉鎖の概念を複雑なプロセス配管システムに適用

Un fenomeno chiamato colpo d'ariete può portare a situazioni pericolose come il collasso.

ウォーターハンマーと呼ばれる現象は、パイプが崩壊したり、パイプが支柱から落ちたりするなどの危険な状況を引き起こす可能性があります。 ウォーターハンマーは、大小の圧力サージが配管システムを急速に通過するときに発生します。 それはひどい音であるだけでなく、信じられないほど破壊的なものになる可能性があります。 ウォーターハンマーは、配管システムがある定常状態の動作から別の定常状態の動作に移行する際に受けるプロセスです。 これはすべての配管システムに存在し、水システムだけに限定されません。 ウォーターハンマー現象は、計画された運用変更だけでなく、突然の計画外の混乱によって引き起こされる可能性があります。

時々、ユーザーが自分のシステムにはウォーターハンマーがないと主張することがありますが、これは真実ではありません。 ポンプの起動中であっても、システムにはウォーターハンマーが発生します。 何がウォーターハンマー現象を引き起こすのか、そしてそれがどの程度深刻になる可能性があるのか​​を判断する必要があります。

米国機械学会 (ASME) B31.3 および B31.4 の配管規格は、配管システムに広く適用される規格です。1 プロセス配管に関する ASME B31.3 のセクション 301.2.2 では、必要な圧力の封じ込めまたはリリーフについて説明しています。 セクション 301.2.2 には次のように記載されています。

a) 配管が受ける可能性のある圧力を安全に封じ込め、または軽減するための設備が講じられていなければなりません。 圧力解放装置によって保護されていない配管、または圧力解放装置から隔離できる配管は、少なくとも発生可能な最高圧力に合わせて設計されなければなりません。

b) 考慮すべき圧力源としては、周囲の影響、圧力振動や圧力サージ、不適切な操作、不安定な流体の分解、静水頭、制御装置の故障などが挙げられます。

c) 第 2 項の手当 302.2.4(f) は、パラグラフの他の要件を条件として許可されます。 302.2.4 も満たしています。

これには、高圧を考慮したシステム設計が必要です。 他のセクションでは、時折の圧力変動とは何か、また何が許容できるのかについて説明します。 「液体炭化水素およびその他の液体のパイプライン輸送システム」に関する ASME B31.4 も内部設計圧力について言及しており、「サージや通常動作からのその他の変動による最大定常動作圧力を超える圧力上昇は、パラグラフ 402.2 に従って許容されます」と述べています。 .4」。 セクション 402.2.4 では、「サージ計算が行われ、サージや通常動作からのその他の変動による圧力上昇レベルが内部設計圧力を超えないよう、適切な制御と保護装置が提供されなければならない」と記載されています。配管システムおよび機器のポイントを10％以上改善します。」

全体として、システムを保護するには、ウォーターハンマーと圧力サージを定量化し、対処する必要があります。 ウォーターハンマーはさまざまな方法で発生します。 古典的な例はバルブの高速閉鎖であり、ウォーター ハンマーの概念を説明するためによく使用されます。 ウォーターハンマーの文献では、最も悲惨なウォーターハンマーの原因となる可能性があるものとして、急速なバルブ閉鎖現象が頻繁に取り上げられています。 ただし、ウォーターハンマーは、ポンプトリップイベント、ポンプ始動イベント、リリーフバルブの開閉を引き起こす過圧、制御バルブの故障、逆止弁の閉まりなどによっても発生する可能性があります。

ウォーターハンマーを説明するためによく使用される古典的な高速バルブ閉鎖の例では、通常、瞬間的なイベントの理論上の最大圧力サージを計算するために使用されるジューコフスキー方程式について説明します。 ジューコフスキー方程式は、流体の密度、流体の波速、および速度の変化に依存します。2 ジューコフスキー方程式は、速度に瞬間的な変化を引き起こすあらゆるものに適用できます。 ジューコフスキー方程式を使用して理論上の最大サージ圧力を決定することは、出発点として役立ちます。 ただし、方程式で予測されるよりも大きな圧力サージが発生する可能性がある場合があります。

これが発生する可能性のある例としては、システムまたはラインのパッキン内に一時的なキャビテーションが存在する場合が挙げられます。 そうは言っても、バルブを素早く閉じる例は、ウォーター ハンマーを理解するのに最適な方法です。 ウォーターハンマー現象中の圧力応答を定量化するにはさまざまな方法が利用できますが、これらの計算は複雑で骨の折れる作業となる場合があります。 1 つの方法は、特性グリッド アプローチで過渡質量と運動量の平衡方程式を解く特性法です。4 これらの計算をバルブ閉鎖の例に適用して、バルブのサージ圧力が時間の経過とともにどのように変化するかを判断することは、それほど難しいことではありません。 課題は、文献では水が流れる単一の直線パイプ流路のコンテキストでバルブの高速閉鎖の例が実証されていることが多く、複数の流路、ポンプ、サージ抑制装置などを備えたより複雑なシステムのガイダンスや計算を示していることがほとんどないことです。

特性法を使用してスプレッドシートを作成し、より複雑な複数分岐またはループ状の配管システムにおける圧力と流量の変化を解決することができます。 ただし、スプレッドシートは大きくなり、実用的ではありません。 ウォーター ハンマー解析ソフトウェアは、ウォーター ハンマー理論の博士号の研究を必要とせずに、単純なシステムまたは複雑なシステムのウォーター ハンマー解析を実行するのに役立つ便利なツールです。 ウォーター ハンマー解析ソフトウェアは、多くの場合、過渡流量、圧力、速度などのシステムを解くために一次元のアプローチを採用します。これは、エンジニアが既存の問題やウォーター ハンマー関連の事故の根本原因を特定するための理解を深めるのに役立ちます。新しい設計や運用上の変更に対する予防的なアプローチ。

画像 1 の液化天然ガス (LNG) プラントの水撃解析モデルを考えてみましょう。このプラントは拡張中であり、当初は 3 台のポンプが並行して動作していました。 この拡張により、ポンプが 2 台追加され、3 台目は予備として機能します。 メインヘッダーに接続する独自のライザーパイプを備えた 2 セットのポンプがあることに注意してください。 流れは後で分岐し、2 つの別々の排出バルブにつながります。 青で強調表示されているパイプ経路は、パイプ応力解析に過渡力荷重が必要な脚です。 緑色で強調表示されたパイプ経路は、ポンプ P-101C からバルブ LV-1564A2 までの単一の連続流路です。

ウォーターハンマー解析には、閉じているバルブの圧力を確認するだけではありません。 過渡的な圧力波は配管システム内を毎秒数千フィートで伝播し、波形パターンが干渉して悲惨な影響をもたらす可能性があります。 高圧のスパイクでパイプが破裂する可能性があることは理解できますが、低圧でも同様に問題が発生する可能性があります。 大気圧以下の圧力が存在すると、パイプが崩壊する可能性があります。 圧力が蒸気圧に達した場所で一時的なキャビテーションが発生すると、パイプ内で大きな風船が割れるような大きな圧力スパイクが発生する可能性があります。 これは、蒸気圧が水ほど低くないため、LNG 施設の場合に特に当てはまります。

この施設の拡張に伴うウォーター ハンマー解析を完了するというタスクでは、ウォーター ハンマーが既存のシステムにどのような影響を与えるかを理解することが重要です。 モデル化できるシナリオの 1 つは、古典的なバルブ閉鎖の例です。 画像 1 では、システムの出口にある 2 つの排出バルブが直線的なバルブ閉鎖プロファイルで 3 秒以内に閉じます。 バルブを急速に閉じると、大きな圧力スパイクが発生します。 ウォーター ハンマーの研究には、バルブをさまざまな速度で閉じるいくつかのシナリオを含めて、どの程度の速さが速すぎるのか、どの程度の遅さが十分に遅いのかを確認することができます。 直線的なバルブ閉鎖が想定されることが多く、通常、バルブを長時間にわたって閉じると、見られるウォーターハンマーサージ圧力を軽減できます。 ただし、常にそうとは限りません。 場合によっては、特定のタイプのバルブでは、システム内の圧力と流量の変化が最後の数パーセントまで閉じられるまで見られないことがあります。 したがって、長期間バルブを閉じても必ずしも効果があるとは限りません。

バルブの閉じ方は、バルブが閉じている時間よりも圧力サージの低減に大きな影響を与える可能性があるため、バルブの特性を考慮することも重要です。 たとえば、Swaffield & Boldy は、バルブを閉じるのにかかる時間の最初の 20% でバルブの閉鎖の 80% が達成され、その後、残りの 20% のバルブの閉鎖が一定時間にわたって行われることを推奨しています。バルブ閉鎖までの残り時間が 80% 長くなると、結果として生じる圧力サージを減らすことができます。5 画像 2 の例では、アンモニア船から陸上への移送パイプラインの 2 つの異なるバルブ閉鎖速度を比較しています。 画像 2 の上部の流路は直線的な 2 秒のバルブ閉鎖を使用し、下部の流路も 2 秒のバルブ閉鎖を使用しますが、Swaffield & Boldy が推奨する 80/20 閉鎖プロファイルを採用しています。

画像 2 に見られるように、80/20 ガイドラインは、線形閉鎖プロファイルで同じ閉鎖時間を有する場合と比較して、バルブ閉鎖時の一時的なサージ圧力を低減します。 これは、バルブが長時間閉じている場合と同様に、バルブが閉じているプロファイルでもウォーターハンマーサージ圧力の低減に違いが生じることを示しています。 そうでない場合は、プロファイルの影響が大きくなります。 したがって、ウォーターハンマー解析研究全体を、制御システムによる問題の防止に役立つ適切なバルブ閉鎖時間とプロファイルの決定に充てることができます。

評価すべき重要なパラメータには、システム内の最小圧力と最大圧力、およびそれらを最大許容操作圧力と比較する方法が含まれます。 その他に評価すべき事項には、システム内にキャビテーションが存在する場合の蒸気形成の可能性、ポンプトリップが発生した場合にポンプの速度がどのように変化するか、吸入および吐出の圧力と流量がどのように変化するかなどのコンポーネントの過渡性能が含まれます。過渡現象中にポンプを介して変化すること、サージ状況中にリリーフがどのように循環するかなど。

画像 3 と 4 は、画像 1 のシステムから緑色で強調表示された流路の最大圧力プロファイルと最小圧力プロファイルを示しています。画像 3 には拡張前シナリオの結果が含まれており、画像 3 には拡張後シナリオの結果が含まれています。 画像 3 と 4 の両方のグラフで、プロット内の緑色の線は、バルブが 3 秒で閉じる正確な時点の流路に沿った圧力です。

画像 3 と 4 のプロットの緑色の線で示されている 3 秒時点の流路に沿った過渡圧力は類似しています。 追加のポンプを動作させた拡張後のシナリオの結果は、拡張前の結果と同様です。 画像 3 と 4 の最大圧力プロファイルを比較すると、拡張後のシナリオでは過渡圧力がより高くなります。 この理由は、ポンプがまだ動作しているため、ラインのパッキングとシステム内の流量の増加によるものです。 これは、過渡圧力がジューコフスキー方程式の予測よりも高くなる可能性がある別の例です。 画像 5 は、時間の経過に伴う閉鎖バルブ入口の過渡圧力に関する同様の結果をより明確に示しています。 バルブ入口での膨張後の圧力は膨張前のシナリオよりも高くなりますが、それでも同様です。

青色のパイプ配管フォース レッグ (画像 1) を調べると、両方のシナリオで最も高い過渡力荷重を持つフォース レッグはフォース レッグ 3 と 6 で発生します。最大の力荷重は閉じるバルブで発生する可能性がありますが、これはそうではありません。いつもそうだ。 一時的な力荷重に影響を与える油圧効果は数多くあり、ある場所で圧力と面積を単純に乗算しても、正しい力の値は得られません。 ウォーター ハンマー解析ソフトウェアは本質的に摩擦効果と運動量効果を考慮しており、これらを力荷重の計算に簡単に含めます 6。 図に示すように、どの力の脚に最大の過渡力が発生するかを推測するのは簡単ではありません。また、最大の力が発生するわけではない場合もあります。常にバルブが閉じるときに発生しますが、シミュレーションの後半で発生する可能性もあります。 これは、画像 1 のような複雑なシステム内で圧力波がどのように相互に干渉するかが原因である可能性があります。

画像 1 の LNG プラントにとって良いニュースは、拡張によって過渡圧力がシステムの最大許容圧力を超えることも、過渡力負荷も大きくならなかったことです。 このシステムの波速度は、通常の波速度の約半分です。 このシステムに別の流体が含まれていた場合、結果はさらに悲惨になる可能性があり、力の計算を含めてシステムが事前に注意深く分析されていなかった場合、まったく新しい一連の問題が簡単に明らかになる可能性があります。 さらに、ポンプ始動シナリオ、すべてのポンプが一緒にトリップするか、または 1 つのポンプが単独でトリップし、大規模な逆止弁の閉塞イベントなどを引き起こす可能性があるポンプトリップシナリオなど、他の多くのシナリオも同様に評価する必要があります。

参考文献

ウォーターハンマーに関する規定: ASME B31.3 および B31.4、waterhammer.com/en/blog/design/codes-concerning-waterhammer-asme-b31-3-and-b31-4

「ウォーターハンマー: その理由と理由」、pumpsandsystems.com/water-hammer-what-why

「ジューコフスキー方程式が最大水撃圧力を予測しない場合」、aft.com/documents/technicalpapers/2019_pvpjournal_when-the-joukowsky-equation-does-not-predict-maximum-water-hammer-pressures.pdf

「システムにおける流体過渡現象」、E. ベンジャミン ワイリー & ビクター L. ストリーター、第 1 版、1993 年

「パイプおよびダクト システムの圧力サージ」、JA Swaffield および Adrian P. Boldy、1993 年

「ウォーターハンマーによる配管システムの動的負荷の評価」、J. Wilcox & T. Walters、2012 年、aft.com/white-papers/evaluating-dynamic-loads-in-piping-systems-caused-by-waterhammer

Ben Keizer は、Applied Flow Technology (AFT) の技術セールス コンサルタントです。 Keizer は、コロラド鉱山学校で化学工学の学士号を取得しています。 Keizer へは [email protected] までご連絡ください。 詳細については、www.aft.com をご覧ください。