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

• 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

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

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 самопливно 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

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 з формули Жуковського , що визначає збільшення тиску при гідроударуі, 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. . 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

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.

• Завчасний ремонт трубопроводів, включаючи їх ізоляцію.

• 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.

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.