Методи боротьби з гідроударом

Гідравлічним ударом називається різкий стрибок тиску, що виникає в трубопроводі. Цей процес відбувається дуже швидко і характеризується чергуванням різких піків і спадів тиску, пов'язаних з пружними деформаціями гідравлічної рідини і стінок трубопроводу. Гідроудар супроводжується сильними акустичними ефектами, іноді - проривами трубопроводів.


Історія

Жуковський М.Є.

Явище гідравлічного удару у водопровідних трубах було відоме з самого початку експлуатації напірних трубопроводів. До того ж на перших водопроводах застосовували звичайні пробкові крани, які миттєво перекривали потік води, що викликало появу гідроудару. Лише з часом стали використовувати більш плавні, так звані вентильні крани і гвинтові засувки. Майже кожне місто, в якому був централізований напірний водогін, страждав від руйнувань труб внаслідок дії гідравлічного удару. Розробка теорії гідравлічного удару і створення технічних засобів боротьби з цим грізним явищем мали велике значення. Не можна сказати, що гідравлічний удар не вивчався до М.Є.Жуковського. Навіть у своїй підсумковій роботі з цього питання він посилається на деяких іноземних і вітчизняних авторів, які досліджували гідроудар і супроводжуючі його явища. Досить згадати братів Монгольф'є, швейцарського винахідника Е. Аргана або М. Бультона. Вніс свій внесок у ці дослідження і професор Казанського університету І.С.Громека (1851-1889). Але пріоритет М.Є.Жуковського в цьому питанні беззаперечний. Саме він, за ініціативою керівництва московського водопроводу, очолив проведення в 1897-1898 рр.. великого комплексу наукових досліджень питання гідравлічного удару на базі Олексіївської водокачки.


Методи боротьби

  • Зменшення швидкості закриття крана

Шляхом зменшення швидкості закриття крана прямий гідроудар перетворюється в непрямий. Прямий гідравлічний удар відбувається під час закриття засувки [math]{t_3} \prec T[/math]і в цьому випадку створюється повна сила гідравлічного удару. Непрямий (неповний) гідравлічний удар утворюється при [math]{t_3} \succ T[/math] такий удар характеризується меншою силою. Швидкість руху ударної хвилі можна знайти за формулою Жуковського:

[math]a = \frac{{\sqrt {\frac{E}{\rho }} }}{{\sqrt {1 + \frac{{ED}}{{\delta {E_m}}}} }}[/math],

При [math]{E_m} = \infty [/math] знаходимо, що [math]a = \frac{E}{\rho }[/math],що відповідає швидкості звуку [math]c[/math] в рідині. Формулу Жуковського запишемо у вигляді:

[math]\Delta {P_{y\partial }} = \rho aV[/math],

Ця формула справедлива,якщо засувка повністю перекриває трубу.Якщо закриття неповне, в результаті якого швидкість зменшується від початкового значення [math]{V_0}[/math] до кінцевого [math]{V_1}[/math],то формулу Жуковського запишемо у вигляді:

[math]\Delta {P_{y\partial }} = \rho a({V_0} - {V_1})[/math],

Вона також справедлива для прямого гідравлічного удару. Для непрямого удару величину [math]\Delta {P_{y\partial }}[/math] визначають приблизно по формулі :

[math]\Delta {P_{y\partial }} = \rho aV\frac{T}{{{t_3}}}[/math],

Якщо [math]{t_3} \to \infty [/math],то [math]\Delta {P_{y\partial }} \to 0[/math],тобто гідроудару не буде. Звідси випливає, що одним з основних способів боротьби з гідравлічним ударом є повільне перекриття трубопроводів.


  • Використання регулюючих пристроїв

Найефективніший спосіб полягає в обладнанні мережі регулюючими пристроями (вентилі і засувки), які не дозволяють здійснювати швидку зміну швидкості в трубах. Повітряні ковпаки або компенсатори обмежують поширення удару і послаблюють дію. На незахищеній ділянці труби ударне підвищення тиску діє лише протягом [math]T_1=\frac{2l}{a}[/math] замість [math]T_2=\frac{2(l_1-l_2)}{a}[/math] Таким чином імпульс сили слабшає (зменшується) і труби не рвуться.


  • Модуль демпфування ударів
Модуль демпфування ударів 1.jpg

Більш плавний процес перемикання запобіжного клапана може забезпечити модуль демпфування ударів. Модуль демпфування ударів (6) розташовується між пілотом (7) запобіжного клапана і електрогідророзпроділювачем (3), обладнаним демпфером (8) на лінії В. Коли розподільник закритий, золотник (9) під дією робочого тиску зміщується вправо і стискає пружину (10), перекриваючи з'єднання В2-В1. Коли гідророзподільник відкритий, потік робочої рідини з лінії У надходить в бак, на отворі (8) при цьому підтримується постійний перепад тисків. Зусилля пружини створює деяку затримку відкриття з'єднання В2-В1, таким чином виникнення піків тиску в гідросистемі усувається.

Наявність модуля демпфування гідроударів в системі дозволяє виключити виникнення акустичних ударів, знизити піки тиску і виключити залежність від в'язкості робочої рідини.


  • Перепускні або зворотні клапани
зворотний клапан

Зворотні клапани пропускають потік середовища в одну сторону і запобігають її рух у протилежний, працюючи при цьому повністю автоматично. За допомогою зворотних клапанів і засувок можна не тільки захистити технологічну систему від пошкодження, а й істотно зменшити напір рідини при руйнуванні ділянки трубопроводу. Проте, слід зазначити, що запобіжні клапани всіх типів мають ряд характерних недоліків. Це велика різниця тисків відкриття і закриття (гестерезіс) клапана, різке захлопування затвора і генерування додаткового удару в момент підходу негативної хвилі тиску, як правило, ручне налаштування на робочий тиск і пов'язана з цим необхідність пробних спрацьовувань.


  • Скидні пристрої

У разі зупинки насоса, який подає воду від низу до верху в резервуар, зворотний клапан, встановлений у насоса, закривається дуже швидко і на початку напірного трубопроводу може виникнути гідравлічний удар. Для боротьби прийнято влаштовувати скидні пристрої, які при підході ударної хвилі відкриваються і пропускають воду на вилив. Ці спеціальні протиударні апарати ставлять на початкових ділянках напірних трубопроводів.


  • Зрівняльні резервуари

Якщо вода йде самоплинно з водоймища вниз і засувка знаходиться на нижньому кінці трубопроводу, то на трубопроводах можуть встановлюватися зрівняльні резервуари, що сполучені з трубопроводом, і проміжні резервуари, заповнені водою до висоти, яка відповідає нормальному тиску. При гідравлічному ударі в резервуар поступає деякий об'єм води і додатковий тиск в трубопроводі швидко гаситься.


  • встановлення засувок на початку трубопроводу
Засувка

У зв'язку з швидким закриттям засувок на водопровідній мережі і різким зменшенням швидкості до 0 відбувається перехід кінетичної енергії рухомого по трубопроводу потоку в потенційну енергію, яка витрачається на стиснення води. Чим більша довжина трубопроводу, тим більше в ній маса рідини і величина кінетичної енергії, і тим більше буде підвищення тиску. Тому засувки встановлюють на початку трубопроводу ( l - min) .


  • Збільшення діаметра трубопроводу

Виходячи із формули Жуковського , що визначає збільшення тиску при гідроударі, і величин, від яких залежить швидкість розповсюдження ударної хвилі, для ослаблення сили цього явища або його повного запобігання можна зменшити швидкість руху рідини в трубопроводі, збільшивши його діаметр.


  • Заміна матеріалу труби

Заміна матеріалу труби (наприклад сталевої або чавунної труби на гумовий шланг) призведе до зміни величини ударного тиску. Швидкість поширення звуку (ударна хвиля) в чавунних трубах в залежності від їх діаметру і товщини стінок приймають наступних значень:

діаметр труби,мм товщина стінок,мм швидкість поширення ударної хвилі, м/с
50 7.0 1348
100 8.5 1289
200 10.5 1209
300 12.5 1167
600 18.0 913

Цікаво відзначити, що швидкість розповсюдження ударної хвилі в гумових трубках становить всього 30 м / с. На перший погляд здається, що змінити модуль пружності рідини неможливо, але саме на цьому принципі побудовано багато пристроїв, що гасять ударне підвищення тиску.


  • Акумулюючі вставки
акумулююча вставка

Акумулюючі вставки (найчастіше у вигляді посудини, заповненої газом), поглинають кінетичну енергію рідини, поступово віддаючи її згодом. Такі гасителі коливань тиску часто використовуються в насосних установках з поршневими насосами, у яких велика нерівномірність подачі.


  • Правильне розташування трубопроводів.

Головне правило проектування трубопроводів полягає в тому, щоб максимально зменшити кількість і кут повороту, оскільки чим різкіший поворот, тим більше його гідродинамічний тиск, через який знижується швидкість протікання води.


  • Завчасний ремонт трубопроводів, включаючи їх ізоляцію.

Час від часу всі трубопроводи вимагають ремонту. Частота та обсяг ремонтних робіт залежить від різних факторів. Наприклад, від агресивності середовища, що транспортується по трубопроводу. Найоптимальніший варіант це своєчасне проведення профілактичних робіт і поточного ремонту трубопроводів. Адже в умовах постійної експлуатації значно збільшується ризик зносу і як наслідок дорогого ремонту трубопроводів. Ізоляція трубопроводів призначена для зниження їх теплових втрат і виконує функцію антикорозійного захисту. Щоб сталевий трубопровід міг функціонувати тривалий час в належному стані, слід роботи по ізоляції трубопроводів виконувати згідно з урахуванням технології проведення захисту.


  • Гідротаран

Все вищесказане відносилося до негативного впливу гідравлічного удару на трубопровідні системи, а також до методів боротьби з цим. Однак явище гідравлічного удару може приносити і користь. Мова піде про спеціальні пристрої - гідравлічні тарани, які застосовуються для нагнітання води із застосуванням (утилізацією, як тепер кажуть) цього явища (для цілей водопостачання, поливу, пожежогасіння та ін.) Принцип роботи гідротаранів зображений на рисунку. Обов'язковою умовою є наявність постійного запасу води в джерелі, з якого здійснюється безперервний забір води Q1 під тиском Р1 по трубопроводу А. В кінці цього трубопроводу розміщений гідротаран В з системою клапанів і повітряним ковпаком ємністю W. Від ковпака йде напірне відгалуження трубопроводу С з витратою води Q2 і тиском Р2.

Гідротаран 1.jpg

Працює гідротаран наступним чином: вода з водойми вільно надходить у трубопровід А через відкритий клапан D. Коли витрата води Q1 досягне певної величини, клапан D швидко закривається. Відбувається гідравлічний удар, що відкриває клапан Е. При цьому вода миттєво заповнює частину повітряного ковпака і по трубопроводу Е надходить в ємність з іншою витратою Q2 і тиском Р2. При цьому Р2> Р1, а Q1> Q2. Якщо роботу клапанів автоматизувати, то такий пристрій буде працювати циклічно і автоматично, тобто буде нагнітати воду, утилізуючи енергію перепаду рівня води у водоймі.

Література

Н.С.Гудилин, Е.М.Кривенко и др. Гидравлика и гидропривод. – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1996


Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах / Доклад / Труды Российских водопроводных съездов, ІV-й РВС, 4–11 апреля, 1899 г., в г. Одессе. – М: Тов. «Кушнарев и К°», 1901. – С. 78-173.


--Яремчук Уляна 21:15, 21 травня 2012 (UTC)