在管道系统的设计中,除了对静态载荷进行校核设计,也需要对介质不稳定性产生的冲击载荷进行设计。详细分析与计算见配管设计参考书《管道应力分析与工程应用》的详细讲述。
1. 压力管道系统冲击载荷的计算
如图9-68所示,管道系统的每段管子都可能承受潜在冲击载荷的作用。流体产生的冲击载荷存在于管道的轴线方向,作用在管道方向发生变化的位置。图9-68所示系统,冲击荷载会作用在A-B和B-C管道轴线上。
在计算中,假设介质是在固定住的管道中流动(v1),不考虑管道本身振动的影响,作用在管道上的流体载荷计算见图9-69所示:
因为A-B管段是x向,那么流体载荷就只有z方向存在,流体的压力、温度、流速和密度等边界条件均已知。主要有压力推力和动量力两个力作用在管段两端的弯头上,还有流体和管壁之间的总摩擦力,计算如下。
压力推力:Fp=pA
质量流量(体积流量)等于流速乘以介质流过的截面积:m=pAv
动量力(质量流量乘以流速):FM=mv=pAv2
摩擦力:FF=TπDL
式中,m是质量流量;p是管内流体压力;是管内流体介质密度;v是管内流体流d速;τ是单位面积的摩擦剪应力;L是管段长度;D是管道内表面截面的直径。
动量力作用在管道的弯头上,内压推力也一样,所以管端推力就是这两者之和。那么针对A-B管段,假设流体从A流向B,产生的冲击力就可以用下式进行计算:
Fx=p2A+P2v2A-p3A-p3v/3A-τL✓4πA
因为只有瞬态流体会产生冲击载荷,摩擦力通常被忽略,因为它是整体流量产生的。在处理压力波时,动量这项也常常被忽略。
2. 压力管道两相流液击力的计算
如图9-70所示,压力管道两相流液击力(水锤力)的计算如下:
对于火炬管道的液击力,可参照SH 3009《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》设计。有凝结液的可燃性气体排放管道对固定管架的水平推力取值,不应小于表9-17的数值。当固定管架上有几根有凝结液的可燃性气体排放管道时,水平推力的作用点应分别考虑,推力值不应叠加。