在管道系統的設計中,除了對靜態載荷進行校核設計,也需要對介質不穩定性產生的沖擊載荷進行設計。詳細分析與計算見配管設計參考書《管道應力分析與工程應用》的詳細講述。
1. 壓力管道系統沖擊載荷的計算
如圖9-68所示,管道系統的每段管子都可能承受潛在沖擊載荷的作用。流體產生的沖擊載荷存在于管道的軸線方向,作用在管道方向發生變化的位置。圖9-68所示系統,沖擊荷載會作用在A-B和B-C管道軸線上。
在計算中,假設介質是在固定住的管道中流動(v1),不考慮管道本身振動的影響,作用在管道上的流體載荷計算見圖9-69所示:
因為A-B管段是x向,那么流體載荷就只有z方向存在,流體的壓力、溫度、流速和密度等邊界條件均已知。主要有壓力推力和動量力兩個力作用在管段兩端的彎頭上,還有流體和管壁之間的總摩擦力,計算如下。
壓力推力:Fp=pA
質量流量(體積流量)等于流速乘以介質流過的截面積:m=pAv
動量力(質量流量乘以流速):FM=mv=pAv2
摩擦力:FF=TπDL
式中,m是質量流量;p是管內流體壓力;是管內流體介質密度;v是管內流體流d速;τ是單位面積的摩擦剪應力;L是管段長度;D是管道內表面截面的直徑。
動量力作用在管道的彎頭上,內壓推力也一樣,所以管端推力就是這兩者之和。那么針對A-B管段,假設流體從A流向B,產生的沖擊力就可以用下式進行計算:
Fx=p2A+P2v2A-p3A-p3v/3A-τL?4πA
因為只有瞬態流體會產生沖擊載荷,摩擦力通常被忽略,因為它是整體流量產生的。在處理壓力波時,動量這項也常常被忽略。
2. 壓力管道兩相流液擊力的計算
如圖9-70所示,壓力管道兩相流液擊力(水錘力)的計算如下:
對于火炬管道的液擊力,可參照SH 3009《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》設計。有凝結液的可燃性氣體排放管道對固定管架的水平推力取值,不應小于表9-17的數值。當固定管架上有幾根有凝結液的可燃性氣體排放管道時,水平推力的作用點應分別考慮,推力值不應疊加。