まったく予期しないときに現れる問題
私は6年ほど前に浄水場に呼ばれました。オペレーターたちは解決できない問題を抱えていました。メイン移送ポンプが停止するたびに、パイプラインを伝わる激しい音が制御室から聞こえました。-メンテナンス記録には、過去 18 か月間に 3 つの圧力計、2 つの逆止弁、および 200 mm パイプの 1 つのセクションを交換したことが示されています。交換用のパイプは元のパイプよりも太い仕様になっていましたが、ゴツゴツという音は鳴り続けました。
問題はウォーターハンマーでした。このシステムはサージ タンクなしで設計されており、ポンプの停止によって発生する圧力波がパイプの圧力定格を大幅に超えていました。太いパイプは原因ではなく症状を治療していました。ハイドロニューマチックを導入しましたサージタンクポンプ吐出ヘッダーが-システムの流量とパイプラインの長さに応じたサイズに設定され-、ドスンという音は消えました。計器が壊れなくなりました。それは 6 年前のことであり、タンクはまだ使用されています。
サージタンクはこのような問題を解決します。これらは複雑なデバイスではありませんが、その選択とサイジングにはシステムのダイナミクスを明確に理解する必要があり、それを誤った場合の影響は、機器の故障やダウンタイムとして測定できます。
ウォーターハンマーの物理学
仕組みは簡単です。パイプライン内を移動する流体には運動量があります。バルブが閉じるかポンプが停止すると、その運動量が圧力に変換されます。-圧力波は流体中を音速で伝わり、パイプの端や継手に反射して消散します。圧力上昇の大きさは、流体の速度、パイプの長さ、バルブの閉鎖時間、および流体とパイプ壁の両方の弾性特性の関数です。
古典的なジューコフスキー方程式は、バルブが瞬時に閉じるときの圧力上昇を与えます。
ΔP = ρ × a × ΔV
ここで、ΔP は圧力上昇、ρ は流体密度、a は波の速度 (通常、鋼管内の水の場合は 1000 ～ 1200 m/s)、ΔV は流体速度の変化です。
ΔP = ρ × a × ΔV
流速 2 m/s の一般的な都市水道システムの場合、瞬間的な閉鎖により水頭約 200 ～ 240 メートルの圧力上昇が生じます。-これは、ほとんどの標準的な配管システムが破裂するのに十分です。これは理論的な懸念ではありません。私は、圧力スパイクがパイプの定格を 300% 超え、継手が割れたり、フランジ ボルトが剪断されたりする故障を検査しました。
サージ タンクは、タンク内に閉じ込められるか、圧力波を吸収するブラダーによって分離された大量の圧縮性流体、{0}}通常は空気または窒素を提供することでこの問題に対処します。-波が到達すると、ガスが圧縮され、パイプ壁に伝わるエネルギーを吸収します。
サイジング: エンジニアリング上の判断が重要となる場合
サージ タンクのサイズはシステム固有の計算であり、経験則ではありません。{0}それはパイプラインの長さと直径、流量、バルブの閉鎖時間、ポンプの特性、および必要な圧力制限によって異なります。
設計アプローチは通常、必要なサージ量を決定することから始まります。単純なポンプ システムの場合、これには、減速する必要がある流体の質量とサージ保護なしで発生する圧力上昇を計算し、圧力を選択した制限値未満に保つために必要なタンク容積を決定することが含まれます。
保守的なアプローチでは、次のフレームワークが使用されます。
- 通常の作動圧力と最大許容圧力を確立します。
- 油圧過渡解析を使用して、保護なしのサージ圧力を計算します。
- サージ圧力と許容圧力の差を吸収できるタンクサイズにしてください。
- ガスの事前充填圧力を指定します (通常、ブラダー タンクの通常の動作圧力の 80 ～ 90%)。
- 過渡シミュレーション ソフトウェアを使用して、選択したサイズを確認します。
メーカーの「フリーサイズ」表に基づいてサイズ設定が行われているプロジェクトを見たことがあります。あるケースでは、これによりタンクのサイズが 40% 小さくなりました。始動中の圧力スパイクは、バルブシートの損傷を引き起こすのに十分な高さのままでした。オペレーターは 6 か月後に 2 台目のタンクを並行して設置しました。-総コストは、適切なサイズのタンクの初期費用のほぼ 2 倍でした。
ブラダー タンク、水圧{0}}タンク、オープン タンク
主要な 3 つのタイプは異なる用途に使用され、それぞれにサービス上の独自の特徴があります。
- オープンサージタンクはシンプルで信頼性が高いです。これらは本質的に、パイプラインに接続された開いた容器であり、圧力変化を吸収するために流体の出入りを可能にします。これらは、比較的低圧で、水質が大気暴露を許容するシステムに最適です。欠点は、機能するには高度が必要であることです。-重力帰還経路を提供するためにパイプラインの上に配置する必要があります。
- ブラダー タンクは、都市および工業用水道システムで最も一般的なタイプです。柔軟なブラダーがガスを水から分離し、ガスが水に溶けるのを防ぎます。これによりメンテナンスが軽減され、長期にわたり一貫したパフォーマンスが維持されます。ブラダーの材質は、流体化学に適合する必要があります。-水には EPDM、炭化水素にはバイトン、攻撃的な化学物質には特殊な化合物が使用されます。
- 水圧-タンクは、水と直接接触して大量の閉じ込められたガスを使用します。費用対効果が高く簡単ですが、時間の経過とともにガスが水に溶けるため、定期的にガスを補充する必要があります。-私は、水圧空気圧タンクが 25 年間にわたって継続的に稼働しているのを見てきました。定期的な年次点検とガソリンの補充-は、管理可能ではありますがオプションではないメンテナンス義務です。-
材質の選択: スチールだけではありません
サージ タンク自体は圧力容器であり、その設計は適切な規格に準拠する必要があります。{0}北米では ASME セクション VIII、ヨーロッパでは EN 13445、中国では GB 150。ただし、コードだけでマテリアルの選択が決まるわけではありません。
- 炭素鋼は、ほとんどの水やきれいな流体の用途にデフォルトで選択されています。費用対効果が高く、溶接可能です。-内部表面は、食品グレードのエポキシ コーティングまたは設計上の腐食許容値のいずれかによって腐食から保護する必要があります。-
- ステンレス鋼は、液体が腐食性である場合、または水質基準で要求される場合に指定されます。私は、クライアントが完全なステンレスの接液面を必要とする飲料水用途には 304L を指定し、塩化物含有量が 200 ppm を超える用途には 316L を指定しました。通常、コストプレミアムは炭素鋼の 2.5 ～ 3 倍ですが、耐用年数は 2 倍または 3 倍にすることができます。
- 複合タンクはますます利用可能になってきています。これらは軽量化と耐食性を提供しますが、一般的にはより低い圧力とより小さな直径に限定されます。私は化学プラントで FRP サージ タンクを使用しましたが、その液体は弱酸性であり、タンクは高い位置に設置されていました。-重量の削減により、単価の上昇が正当化されました。
充電前の圧力に関する質問-
オペレーターが頻繁につまずく詳細の 1 つは、ガスの事前充填圧力です。{0}}ブラダー タンクの場合、プレチャージ圧力は通常のシステム圧力の約 80% ～ 90% に設定する必要があります。-事前充電が高すぎると、サージ時にタンクが水を受け入れられなくなります。{6}}低すぎると、膀胱が早期に底に落ちてしまいます。
私は、メンテナンス作業員が 500 リットルのブラダー タンクを間違った圧力に再充電した事件を思い出します。システムが 8 バールで動作しているときに、圧力を 6 バールに設定していました。最初のサージ時にタンクが水を受け入れ、その後ブラダーが底に落ちてしまい、それ以上のサージ保護は提供されませんでした。システムにウォーターハンマー現象が発生し、逆止弁が損傷しました。イベントはログに記録され、エラーは修正されましたが、バルブの交換コストが年間のメンテナンス予算を超えました。
重要なインストールの詳細
タンクは、サージが敏感な機器に到達する前にサージを捕捉できるように配置する必要があります。これは通常、逆止弁の下流のポンプ排出ヘッダーに取り付けることを意味します。接続配管はできるだけ短く真っ直ぐにし、圧力損失や流量制限を引き起こす可能性のある急な曲がりがないようにしてください。
接続パイプのサイズが小さかった設置場所を見てきました。サージはタンク内に伝播しましたが、パイプ内の制限により圧力降下が発生し、タンクの効率が低下しました。メーカーは最小接続サイズを 80mm と指定していました。取り付け業者は、安価で取り付けが簡単だったので、50mm を使用しました。その結果、システムには依然としてバルブシートを損傷するほどの圧力スパイクが発生しました。
業界標準と規範への準拠
北米では、API 650 および API 620 が大型サージ タンク設計のフレームワークを提供します。 ASME セクション VIII、ディビジョン 1 は、小型の圧力容器サージ タンクに適用されるコードです。ヨーロッパでは、EN 13445 が標準参照です。中国では GB 150 が圧力容器をカバーしています。
これらの規範への準拠は任意ではありません。設計基準に加えて、タンクには該当する認証マーク -ASME U- スタンプ（北米では）、ヨーロッパでは CE マークが刻印されている必要があります。
私は、設計が API 650 に指定されているにもかかわらず、API 準拠が通常適用されていない国で製造されたプロジェクトに取り組んできました。溶接の品質に一貫性がなく、NDT の文書も不完全でした。最初のタンクを拒否して容器を再製造する必要があり、プロジェクトに 6 週間かかりました。-
過渡解析: コストを節約するシミュレーション
サージ タンクのサイズを決める従来のアプローチは、-経験式と安全マージンを使用する-が、計算過渡解析に大きく取って代わられています。 HAMMER、AFT Impulse、Flowmaster などのソフトウェア パッケージは、システムの動作をシミュレートし、バルブの閉鎖時間、ポンプの起動曲線、配管の特性をモデル化し、圧力サージを正確に予測します。-
あるプロジェクトでは、中間ブースター ステーションを備えた 3 km のパイプラインが HAMMER でモデル化されました。分析の結果、ポンプ場にある単一の 3,000- サージ タンクでシステム全体の圧力サージを制御できることがわかりました。シミュレーションを行わなかった場合、クライアントはパイプラインに沿った異なるポイントに 3 つのタンクを設置する準備ができていました。シミュレーションにより、1 つで十分であり、最適に配置されていることが確認されました。タンクの費用は約 18,000 ドルでした。 3 タンクのアプローチでは、追加の配管に加えて 45,000 ドルの費用がかかります。
これは例外的なケースではありません。過渡解析は、もはや大規模プロジェクト専用のツールではありません。-これは、サージ タンクの仕様の一部であるべき標準的なエンジニアリング手順です。
耐用年数にわたるサージタンクのメンテナンス
サージ タンク自体はメンテナンスの手間がかからないコンポーネントです。{0}ガスの事前チャージは四半期ごとにチェックし、必要に応じて調整する必要があります。-ブラダー（存在する場合）は、計画停止中に検査する必要があります。-タンクのメーカーは、通常 2 ～ 3 年ごとの推奨検査間隔を設けています。
検査もせずに10年間稼働していたブラダータンクを見てきましたが、ブラダーはもろくなり、亀裂が生じてガスが漏れていました。タンクは機能し続けましたが、容量は減少しました。システムのアップグレード中に問題が検出されるまでに、タンクは定格サージ吸収容量の約 40% で動作していました。
接続配管やバルブの腐食や摩耗を定期的に検査する必要があります。遮断バルブは年に一度点検して完全に閉まっていることを確認する必要があります。圧力計は参照標準に対して校正する必要があり、安全リリーフバルブは通常 1 ～ 2 年ごとに設定圧力でテストする必要があります。
サージタンクが足りない場合
サージタンクだけでは適切な保護が提供できない状況があります。複数のブースター ステーションを備えた長いパイプラインでは、複雑な油圧挙動が発生することがよくあります。これらの用途では、サージタンクを他の保護装置と組み合わせることができます。
- 圧力が設定値を超えるとサージリリーフバルブが開き、流れをリザーバまたは格納領域にそらせます。即効性があり、数ミリ秒で開きますが、戦車のようにエネルギーを吸収しません。-
- パイプラインの高い位置にあるエアバルブは、過渡現象時の真空形成を防ぎます。これらは、高度の変化が大きいシステムでは非常に重要です。
- 制御されたバルブ閉鎖は、バルブが瞬時ではなく数秒かけて閉じるように指定される場合があります。これにはタンクは必要ありませんが、包括的な保護のためにサージ タンクと組み合わせられることがよくあります。
コストの正当性に関する最後の注意事項
サージ タンクのビジネス ケースは、パイプのコストのみに基づいているわけではありません。これは、計画外のダウンタイム、機器の修理、およびシステム障害に対応するために必要な労力のコストに基づいています。
私は、サージタンクの設置に 20,000 ドルかかった工場を見たことがあります。バルブ交換とパイプ修理の予想削減額は年間 5,000 ドルと推定されました。投資回収期間は 4 年でした。しかし、同工場はこれまでダウンタイムのコストを追跡していなかった。メンテナンス管理者が障害の記録を開始したところ、ウォーターハンマー現象により年平均 3 回の計画外停止が発生し、それぞれの生産損失と修理人件費として約 4,000 ドルのコストがかかっていることがわかりました。サージタンクが設置され、運転停止は停止し、回収期間は 1 年強でした。
数値はシステムごとに異なりますが、計算は一貫しています。サージ保護は費用がかかりません。それはシステムの信頼性に対する資本投資です。
最後に
私は、サージタンクが設計から省略されていたり、設置されたタンクのサイズやメンテナンスが間違っていたりする工場に呼ばれました。いずれの場合も、障害は技術的な見落としではありませんでした。-システムのダイナミクスを理解できなかったことが原因であり、その障害の影響は修理コストと生産の損失で測定されました。
サージタンクは複雑な装置ではありません。その選択には、パイプラインの長さ、流量、バルブ閉鎖特性、許容圧力限界など、システムに関する知識が必要です。これらの要素が適切に考慮されると、タンクは何十年にもわたって静かかつ確実にその機能を果たします。
サージリスクのあるシステムを指定する場合は、完全なシステムデータを提供せずにタンクの選択を機器サプライヤーに任せないでください。間違った決定の結果を受け入れる準備ができていない限り、「経験則」を使用しないでください。また、すでにウォーターハンマーが発生しているシステムを評価している場合は、調査を延期しないでください。次に圧力が急上昇すると、重大な障害が発生する可能性があります。