浅谈海上平台消防系统水击问题的解决办法

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　　海上平台建于海洋上，属于离岸工程，一般距离海岸较远，加上海洋平台主要用于开采海洋石油，生产工艺上属于危险级别，一旦发生火灾事件，外部难于救援，主要立足于自救，因此平台上的消防系统的设计必须引起足够的重视。消防系统，尤其是建造在海洋平台上的消防系统，通常会遇到水击问题，因此在设计阶段应对消防系统的水击问题认真分析。
　　一般的流体力学书籍或工程流体力学或者瞬变流书中都有这个概念的解释水击 英文为water hammer，直接翻译就是“水锤” ，有压管道中，液体流速发生急剧变化所引起的压强大幅度波动的现象。同时压强产生大幅度波动的现象。水击可导致管道系统的强烈震动，间接水击的计算需要知道流速随时间变化的关系，产生噪声和气穴。掌握水击压强的变化规律对输水管道的设计，对消减水击的破坏作用，有很大的实际意义。
　　本文以一个简单的海洋平台消防系统为例，分析研究在消防系统设计中普遍关心的水击问题。本案例在系统不工作的状态下启动水泵注水，该工况非常容易产生水击，潜在威胁很大，产生水击的原因如下：在上升的立管中（详见下面的系统图），末端通常会安装放气阀，以防空气进入主环网。本案例中我们模拟启动水泵时的检测情况，因此系统中没有消防枪和雨淋系统工作。当水泵启动时，水流速度很快，立管中的空气通过放气阀被挤压出来，当空气完全排出时，上升的水流迅速通过止回阀，与下游主环网中的被止回阀挡住的静水相撞，导致上升的水流在瞬间静止，这将引发非常危险的水击。此外，激波将迅速回传，并将全部动量作用在泵的叶轮上（此时泵后面没有止回阀的保护）。
　　
　　系统图
　　通过以上水击的原因分析，我们可以找出问题所在，找到解决办法：①在止回阀前加装一个泄水阀，泄水阀在启泵过程中一直开着，当立管充满水后，溢流阀缓慢关闭。该方案减缓了上升水流静止后产生的激波，将水击峰值降到相对较平缓的水平。②在水泵出水管至止回阀前设置一个水锤消除器，当上升水流静止后产生的激波，将被水锤消除器吸收消除，从而保护了管道及水泵不受到水击的伤害。
　　下面我们再讨论第二种情况下的水击。在水泵已经启动工作的情况下，水流通过水泵增压后沿环网分两路往上走，一路水流从5点往6点7、12、13点方向走，另外一路水流从5点往11点10、15、14点方向走。（详见上面系统图）。当两路水流在管道13点至14点中相遇时，由于水中的空气析出，会在两股水流的压力撞击下发生破裂，形成水击。这种水击危害是很大的，会造成管道爆裂或弯头脱管，以至发生火灾时，消防系统失效，起不到灭火作用，因此我们必须想办法消除这一问题。其中解决这问题的方法可以在管网最高处设置一个自动排气阀，当管网中充水时，气体会聚集在管网的最高处，并通过排气阀释放到系统外，从而消除该处产生水击的前提条件，避免水击的发生。
　　最后我们再讨论下第三种情况下的水击问题，当给水泵停车，水流方向突然改变，水流对阀门及管壁，主要是阀门或泵会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，水力迅速达到最大，并产生破坏作用。由水击产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍。这种大幅度压强波动，可导致管道系统强烈振动，噪声，并可能破坏阀门接头。对管道系统有很大的破坏作用。为了避免上述现象的发生，有必要在水泵出水管上设置一个缓闭式止回阀，从而保护系统不受水击破坏。
　　结束语：为防止水击需正确设计管道系统，防止流速过高，一般设计管子流速应小于3m/s，并需控制阀开、闭速度。避免水流速度，流向突然改变。由于消防系统在海洋平台上的重要性，我们必须认真做好消防系统的设计，对于水击现象对消防管道系统造成的破坏，我们更要认真分析，找到原因，找到解决办法，设计出我们的优质工程。
　　
　　
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