(Part 2)在瞬态汽蚀条件下水锤预测的应用指南 第1部分:压力

3.0安全系数/安全裕度

Very Large非常大–  200%安全裕度或3:1安全系数防止破裂

Large –  100%安全裕度或2:1安全系数防止破裂

Moderate中等 –  50%安全裕度或1.5:1安全系数防止破裂

Small –  25%安全裕度或1.25:1安全系数防止破裂

在本文中,为了区分前面单词的正常语言使用和当前安全系数/安全余量幅度的使用,在当前上下文中使用时,单词Very Large,Large,Moderate和Small被加粗和大写。

由于压力应力高于屈服强度并且小于材料的拉伸强度而导致的管道破裂是需要一些时间的过程。在材料的拉伸强度极限内不频繁,非常短的持续时间事件预计不会导致破裂。由于气穴溃灭引起的瞬态压力峰值在系统中移动并且从未将一段管道暴露在压力下超过一小部分时间,这就是一个典型的例子。例如,通过管道以4,000英尺/秒(1,220米/秒)行进的压力波仅保留在1英寸(2.5厘米)的管段中20微秒。这些事件与数值模型噪声不同,因为压力持续超过一个或几个时间步长并且不会在相同的位置停留超过一个或几个时间步长。

虽然计算的压力应保持在ASME B31.3要求的限值内,但安全系数可以通过比较存在非常短的持续时间压力峰值与材料的拉伸强度值而获得。在正常操作期间,对于持续时间长于压力峰值通过时间,当环向应力变得高于材料的屈服强度时,可能发生爆裂。当压力经常高于管道材料的屈服强度时,可能导致管道逐渐变形并最终破裂或甚至疲劳开裂,因此这是不应允许。长期压力的例子包括操作条件,泵关死扬程,高程压力,管线充装和Joukowsky压头。在这种情况下,安全系数必须基于与材料屈服强度的比较后获得。

对于经常发生的事件,例如泵工作压力和泵启动和停止以及阀门动作引起的瞬态压力,建议根据ASME B31.3中的规则提高安全系数。对于泵或控制系统故障等不太频繁的事件,有限的发生可降低故障风险; ASME B31.3 302.2.4中的“超出设计条件的偶然变量”规则允许更高的许用应力,因此具有更低的安全系数。

在管道规范中内置的安全系数上,再与计算不确定性的安全系数叠加起来是过分的。当管道材料规格基于管道规范要求的安全系数等于或高于HTA输出结果建议的安全系数,并且HTA计算的压力在管道材料规格的压力范围内,则不需要应用额外的安全系数。

应用超压规则时必须仔细考虑各种连接组件的短期压力的承载能力。如果预计管道系统外部的压力超过管道系统内部的压力,则管道应设计成能解决HTA计算预测的最小压力,使用Small安全系数或流体饱和蒸汽压力(以较高者为准)进一步降低。

以下指南适用于ASME B31规范应用中最常见的管道材料。具体而言,对于涉及特殊高屈服强度材料的应用,需要额外考虑,其中屈服强度大于1/2拉伸应力,或者温度高于材料的蠕变范围。这些指南参考管道材料规格限制,则这些限制应基于标准ASME B31.3Para. 302.3.2.(d).1至302.3.2.(d).3规则许用应力。公式中的符号是基于ASME B31.3附录J,除了此处介绍的ℎa表示由HTA计算的压力引起的应力,以及此处引入的t表示温度下的拉伸应力。根据ASME B31.3,S是许用应力,t是温度下的屈服强度。如下所述,汽蚀安全裕度(CSM)或汽蚀安全系数(CSF)是指本文件第5.0节“特定指南”中推荐的安全余量或安全系数,以解决HTA结果中包含汽蚀的不确定性。

  • 根据ASME B31.3 Para. 302.3.2(d)规定的管材规格限值内的计算压力;ta≤。
  1. 极短期压力 – 极限基于拉伸应力(压力峰值在管道中移动,仅在特定位置停留时间仅一个HTA时间步长或万分之几秒)。
  2. 如果需要200%CSM(3:1 CSF)和更低; ASME B31.3提供200%的安全裕度,因此HTA工程师不需要对压力进行额外的修改(ℎa≤≤1/3)。
  3. 长期压力 – 限制基于屈服应力
  4. 如果需要100%CSM(2:1 CSF); ASME B31.3仅提供50%的安全裕度,因此HTA工程师需要额外考虑。将计算压力与管材规格限值的75%进行比较;通过将计算压力乘以133%并将结果与​​未修改的管材规格限值(ℎa≤0.75≤3/4*2/3t≤1/2t)进行比较,可以得到相同的结果。
  5. 如果需要50%CSM(1.5:1 CSF)和更低;

ASME B31.3提供50%的安全裕度,因此HTA工程师不需要额外的压力安全系数(ℎa≤S≤2/3t)。

  • 根据ASME B31.3中“偶然变量可超过设计条件”规则,计算压力允许超过管材规格限值;ta≤.*,根据ASME B31.3 Para.302.2.4.(F)。
  1. 极短期压力 – 极限基于拉伸应力(压力峰值在管道中移动,仅在特定位置停留时间仅一个HTA时间步长或万分之几秒)。
  2. 如果需要100CSM21 CSF)和更低; ASME B31.3的1.33偶尔变量规则提供了125%安全裕度,因此HTA工程师不需要对压力进行额外修正(ℎa≤1.33*≤4/3*1/3t≤4/9t≤1/2.25t)。
  3. 长期压力-限制基于屈应力
  4. 如果需要25%的CSM(1.25:1 CSF); B31.3的1.33偶然变量规则仅提供12.5%的安全裕度,因此不能使用它们(ℎa≤1.33*≤4/3*2/3t≤11.125t)。
  5. ASME B31.3的1.2 *偶然变量规则提供了25%安全裕度(SM)或1.25:1安全系数(SF),因此可以使用它们。将计算压力与管材规格限值的120%进行比较; 通过将计算压力乘以83%并将结果与未修改的管材规格限值(ℎa≤1.2*≤6/5*2/3t≤4/5t≤1/1.25* t)进行比较,可以获得相同的结果。
  • 在所有情况下,上述规则提供了足够的余量来考虑计算中21%的不确定性。针对特定应用,确定适当HTA不确定性留给用户。例如,使用上述2.b.ii项中的Small SF或SM:由于100 psi(690 kPa)的内部压力而使管道产生屈服,因此计算压力永远不允许超过80 psi(552 kPa)以上。在21%或17 psi(117 kPa)的计算不确定性下,实际压力可能高达97 psi(669 kPa),仍低于屈服。只有在没有气蚀影响程序结果时才能应用Small安全系数。
  • HTA工程师必须始终将水锤力(HTF)乘以适当的安全系数(参见Stewart,Walters和Wunderlich[8])。

4.0一般指导原则

汽蚀验收标准基于这里描述的基本检查技术,可见其的重要性。

  • 从两个不同的汽蚀模型(DGCM和DVCM)中获得类似的预测,可说明计算结果的可靠性。
  • 汽蚀模型预测与多种管道分段方法之间的相似性增强了计算结果的可靠性。
  • 系统属性和模型输入的微小变化(参见灵敏度检查定义),模型预测结果是稳定的,进一步说明了预测结果的可信度。

通过Check4.1表示结果是可用的,并考虑了一些误差。Checks 4.2和4.3的附加结果增加了结果的可信度,并允许使用较少的误差范围(即较低的安全系数)。 Checks 4.2和4.3的冲突结果降低了对更高级别检查的信心,但不会覆盖它们。

如果DGCM与DVCM预测不一致,那么应该优先考虑更可靠模型的预测。在没有其他指标的情况下,DGCM模型被认为是两者中更可靠的模型。

如果不确定使用什么安全系数时,气蚀更广泛存在时请考虑使用Large大安全系数,当气蚀仅在局部存在时,请考虑使用Moderate中等安全系数(参见定义)。

HTA计算时使用的这些标准是基于优化的管道分段方法- 只有是优化管道分段场景的计算结果才能作为管道机械设计的基础。选择Limited、Major、Extreme汽蚀标准是基于以最小可接受的管段数运行的重复场景。然后将汽蚀验收标准(CAC)应用于具有优化管道分段的原始方案。

所有标准都基于结果不包括持久汽蚀或数值模型噪声的前提。确认空腔最终会溃灭,并且系统在继续之前重新加压(空化不持久)。

这些指南涉及到特定时间范围内的结果。如果基于不同汽蚀模型,流体属性或管道分段的结果在给定时间范围内具有可比性,则这些标准的结果适用于该时间范围。例如,如果两个模型显示前十秒的压力峰值幅度和时间非常接近,但随后结果开始出现分歧,那么良好协议的标准将适用于前十秒,协议不一致的标准将适用于十秒后。为了比较不同场景的结果,分析人员必须至少比较这两个场景的最大/最小HGL或压力图与管道长度(剖面图也称为包络线)的关系和压力/蒸汽体积对时间图(也称为时程图)的关系。最大/最小HGL或压力与管道长度包络线应涵盖所有管段,压力/蒸汽体积与时程图表应检查关键部位。

使用最大/最小包络线的原因是它有助于识别建议生成特定时程图的计算位置。如果可以使用HTA软件,HGL随时间的动画可以进一步增强和加速该过程。通过比较压力/蒸汽体积与时间曲线,可以最准确地比较压力峰值时间和确定结果准确度。

通常需要工程判断来描述场景比较。如果缺乏清晰度,建议咨询相关专家。

5.0具体指导原则

当使用管材规格压力限值作为压力验收标准时,这些指南为安全系数的应用提供了指导。在应用偶然变量规则时,当使用Small小,Moderate中或Large大安全系数时,允许极短期压力达到管道规格压力限值的1.33倍。在应用偶然变量规则时,当使用Small小的安全系数时,允许长期压力达到管道规格压力限值的1.2倍。当选择Moderate中或Large大的安全系数时,不允许使用偶然变量规则,长期压力和汽蚀现象。

  • 气蚀不存在
  1. 标准:
  2. 模型中任何地方的瞬态压力不能达到饱和蒸汽压力。
  3. 推荐行动:
  4. 需要Small小的安全系数(1.25:1 SF),但这已经由管道材料规格的压力限制提供。
  • 模型中存在汽蚀,但它是在由闭合阀门或等效阀门隔离的部分系统时发生的
  1. 标准:
  2. 在水力隔断(例如,阀门关闭)部分系统时,瞬时压力永远不会达到饱和蒸汽压力。
  3. 在系统非常远的位置瞬态压力确实达到了饱和蒸汽压力,但仅在完全隔离后(例如,阀门完全关闭)。
  4. 推荐行动:
  5. 对于没有出现汽蚀现象的部分系统,请转至步骤5.1。
  6. 对于系统的一部分出现气穴现象的,请转至下面的步骤5.3至5.6(如果适用)。
  • 存在有限的汽蚀
  1. 标准:
  2. 汽蚀体积均低于计算体积的10%(即,有限,参见CVR的定义)。
  3. 重要的压力峰值持续多个计算时间步骤。
  4. 推荐行动:
  5. 运行DVCM和DGCM方案
  6. 比较结果
  • 在模型上进行灵敏度检查时,忽略不能再现的持续时间非常短的压力峰值(参见数值模型噪声)。这些不是最坏情况的峰值,因为它们不是真实的,所以在下面的任何考虑因素中忽略它们。
  1. 在模型上进行灵敏度检查时,关注压力峰值的持续时间,幅度和时间,这些峰值可重现。
  2. 结果是否具有相似/一致性(参见定义)?
  3. 是的
  4. 不同蒸汽空腔模型结果的一致性是模型可靠性的强烈指示。峰值预测压力是否符合管道材料规格限制?
  5. 是 – 使用结果并结束灵敏度分析。需要中等安全系数(1.5:1 CSF);然而,这已经由管道材料规格的压力限制提供。
  6. 否 – 尝试增加模型置信度,然后单独使用空化结果进行处理。增加管道分段并重复DGCM和DVCM比较。结果是否仍然具有合理的一致性(压力峰值的相似幅度,时间和持续时间)?
  7. 是 – 此检查可提高结果的可信度。考虑提高系统压力等级或应用泄压以将压力降低到管道材料规格限制内。当增加系统压力时,需要Moderate中等安全系数(5:1 CSF);然而,这已经由管道材料规格的压力限制提供。
  8. 否 – 进一步考虑的模型灵敏度检查并重复比较,看它是否提供更多一致性。是否有额外的检查在两个汽蚀模型之间提供了更多一致性?
  9. 是 – 根据迄今为止发现的最一致的结果,考虑提高系统压力等级或应用泄压以降低到管道材料规格限制内。当增加系统压力时,需要Moderate中等安全系数(1.5:1 CSF); 然而,这已经由管道材料规格的压力限制提供。
  10. 否 – 原始的,一致的结果仍具有可信度。考虑应用泄压或提高系统压力等级。当提高系统压力等级时,需要较大的安全系数(2:1 CSF)。使用Large大安全系数时,非常短期的压力必须小于管道材料规格限制。长期压力必须低于管材规格限值的75%。
  11. 增加管道分段并重复DGCM和DVCM比较。
  12. 当管道分段增加时,同一个汽蚀模型是否会产生一致的压力和汽蚀量?
  13. 关注汽蚀模型的结果,得到一致的结果,忽略其他汽蚀模型的不可靠。
  14. 应用Large大的安全系数(2:1 CSF):使用大的安全系数时,非常短期的压力必须小于管道材料规格限值。长期压力必须低于管材规格限值的75%。如果压力在这些可接受的限度内,则无需采取进一步措施。如果压力不在这些可接受的限度内,则应用泄压或增加系统压力等级。
  15. 选项
  16. 联系HTA软件供应商,以便他们可以在这种情况下评估其中一个气蚀模型是否存在缺陷或问题,并可能提供方案或解决方法。
  17. 在与SME协商后,考虑关闭汽蚀模型(允许压力低于蒸汽压力并可能低于绝对零),并查看峰值压力的峰值是否能够让我们深入了解峰值压力的大小和时间。在评估汽蚀模型的压力峰值预测的可信度时,将此作为另一个数据点。
  18. 得出结论,汽蚀结果不可靠,并考虑应用泄压减少以改变汽蚀结果。考虑使用替代软件对系统进行模拟。
  • 存在大量汽蚀
  1. 标准:
  2. 一些汽蚀体积超过计算体积的10%,但没有一个高于100%(即Major,参见CVR的定义)。
  3. 重要的汽蚀尖峰持续多个计算时间步长,因此它们不能归因于数值模型噪声。
  4. 推荐措施:
  5. 按照步骤5.3,除了始终使用Large大安全系数(2:1 CSF)而不是Moderate中等安全系数。使用大安全系数时,非常短期的压力必须小于管道材料规格限制。长期压力必须低于管材规格限值的75%。
  • 存在极端汽蚀
  1. 标准:
  2. 汽蚀体积超过计算体积的100%(即极端汽蚀,参见CVR的定义)。
  3. 推荐措施:
  4. 重新对管道模型进行分段(使用更少和更多分段)并重新运行。
  5. 极端汽蚀是否仍然存在?
  • 为不存在极端汽蚀的场景提供更多可信度。
  • 使用步骤3或5.4。
  • 最佳可用分析无法断定此场景是否是安全的。在最坏情况下应用瞬时泄压以减少汽蚀至Major,并转至步骤3或5.4。
  • 考虑使用其它替代软件对系统进行重新模拟。
  • 存在持久汽蚀
  1. 标准:
  2. 无论汽蚀体积大小,系统的某些部分会降至饱和蒸汽压力,并且决不会超过蒸汽压力(参见持久汽蚀)。
  3. 这种行为不是瞬态汽蚀,而是真正的两相流动。
  4. 推荐措施:
  5. 最佳可用分析无法断定此场景是否是安全的。应用瞬时泄压以将汽蚀作用降低到可接受的水平并进行分析。
  6. 考虑使用其它替代软件对系统进行重新模拟。

该指南到此结束。有关指南的背景信息,请参阅Part 3的讨论部分。

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