Что такое гидроудар

Водопровод зародился в древние времена и оставался без особых изменений, пока бурное развитие механики не позволило начать строительство сложных водопроводных сооружений. В середине прошлого века, в Москве существовало уже несколько водонапорных башен, насосных станций и разветвленная сеть водопровода.

Но закованная в металл вода проявляла строптивость. Участились аварии, причиной которых был гидравлический удар — другими словами, резкое повышение давления в трубе при быстром закрытии крана.

Известный русский ученый Николай Егорович Жуковский был первым, кто экспериментально изучил это явление и разработал теорию гидравлического удара. Эти опыты он ставил на Алексеевской водонапорной станции в Москве.

Попытаемся разобраться в этом сложном физическом процессе с помощью средств кино. Вы видите модель трубопровода. Затвор закрыт не полностью. Обратите внимание на уровень фонтанчика. Он практически равен уровню воды в резервуаре.

Мгновенно закроем затвор. Возникший гидравлический удар заставляет струю резко подскочить. Исследуем сущность этого процесса на мультипликационной схеме. Установим на трубе пьезометры и условно припишем им свойства безинерционности. Уровень пьезометров равен уровню воды в резервуаре, так как трением в трубе со скоростным напором пренебрегаем.

Попробуем резко закрыть затвор. Жидкость в трубе затормозится, но не мгновенно, поскольку этому помешает упругость стенок трубы и самой жидкости. Напор увеличивается. Так образуется ударная волна которая движется по направлению к резервуару со скоростью А, оставляя за собой повышение напора H и неподвижную воду в трубе.

Сечение, в котором напор меняется от Н0 до Н0 + H называется фронтом ударной волны. По всей трубе устанавливается повышение напора H. Кинетическая энергия жидкости перешла в работу деформации стенок трубы и работу сжатия жидкости. Под действием напора в трубе, жидкость начинает вытекать в резервуар. Напор выравнивается до H0. Диаметр трубы сокращается до исходного.

В трубе образуется волна выравнивания давления, или как его называют — отраженная волна. Работа деформации переходит обратно в кинетическую энергию жидкости. Как только отраженная волна достигнет затвора, в трубе создастся ситуация, при которой весь поток жидкости направлен от затвора к резервуару. Существует он лишь мгновение.

Столб воды стремится оторваться от затвора, в результате чего давление возле него падает на величину Н. Это явление получило название отрицательный гидравлический удар. Отрицательная ударная волна бежит от затвора к резервуару, оставляя за собой скорость потока, равную нулю. Погашенная кинетическая энергия переходит в отрицательную работу деформации. И как только отрицательные ударная волна достигнет резервуара, давление в трубе вновь начнет выравниваться, а поток воды устремится в сторону заглушки, со скоростью V0.

Труба окажется в том же состоянии, что и в начале гидравлического удара. Первая фаза гидравлического удара завершилась, и все явление повторяется вновь. В реальном трубопроводе гидравлический удар протекает гораздо быстрее, чем на экране. Он совершает множество циклов, в ходе которых ударное давление постепенно падает, вследствие расхода энергии на трение.

В трубе постоянного сечения, значение H легко найти. Прировняв кинетическую энергию жидкости к работе деформации, получим формулу Жуковского.

Большую опасность представляет гидравлический удар в тупиках. Предположим, что давление в тупиковой трубе, отделенной от резервуара затвором, равно атмосферному, если труба не герметична. При резком открытии затвора, труба подвергается гидравлическому удару. Ударная волна H0 устремляется в сторону заглушки. За ней возникает поток жидкости, имеющий скорость V0. Скорость потока связана с напором по уже знакомой формуле Жуковского.

Столб воды ударяется в заглушку, в результате чего к напору H0 прибавляется ударный напор от погашенной скорости. В формуле Жуковского он также равен H0. Следовательно в тупике произошло удвоение гидравлического удара.

Для уменьшения гидравлического удара применяется медленное закрытие крана с помощью винтового механизма. Плавное движение по заданному закону гигантских затворов гидростанций осуществляется гидравлическим приводом.

Для борьбы с гидравлическим ударом, на трубе устанавливаются воздушные колпаки и пружинные амортизаторы. Фундаментальная работа Жуковского «Гидравлический удар в трубопроводе», лежит в основе расчетов всех крупных гидротехнических сооружений.

См. также:

Гидравлический удар (гидроудар). Статьи компании «ЕвроТехСистемс»

Обратимся к статистике: порядка в 60% случаев причиной повреждения и прорыва водопровода является гидравлический удар (гидроудар).

Гидравли́ческий уда́р (гидроудар) — скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный быстрым изменением скорости потока этой жидкости. Может возникать вследствие резкого закрытия или открытия задвижки.

Гидроудар в трубопроводе

Гидравлический удар (гидроудар) в трубопроводе – это быстрый и сильный скачок давления воды в водонапорных трубах, связанный с резким изменением скорости движения потока воды. В зависимости от направления скачка давления гидроудары разделяют на два типа:

1.     Положительный – давление в трубопроводе возрастает из-за резкого перекрытия трубы или включения насоса;

2.     Отрицательный – когда давление в трубопроводе падает из-за выключения насоса или открытия заслонки.

Для систем водоснабжения и отопления опасен именно положительный вариант. Слишком большой скачок давления может: повредить водопроводные трубы, вызывая трещины и разрывы, нарушить герметичность запорной арматуры, вывести из строя водопроводное оборудование (насосы, теплообменники). Поэтому очень важно предвидеть, а значит предотвратить гидравлический удар или хотя бы уменьшить его силу.

Причина гидроудара

В автономной системе водоснабжения предусмотренного для загородного дома, в водопроводе зачастую гидроудар создаётся скважинным насосом. То есть гидроудар возникает при резком прекращении потребления воды, когда перекрывается кран. Поток воды, который двигался к трубопроводе, не может мгновенно остановиться и по инерции «ударяется» в образовавшийся при закрытии крана водопроводный «тупик». Реле давление в этом случае не спасает от гидроудара, а только реагирует на него, отключая насос уже после того, как кран перекрыт и давление превысило максимальное значение. Выключение насоса тоже не происходит мгновенно, так же как и остановка потока воды в трубопроводе.

При небольшой силе — удар гасится трубопроводом. При мощном гидроударе или ветхом состоянии системы происходит разрыв водопровода.

Как защитить систему от гидроудара

Сила гидроудара зависит от скорости потока воды в трубе до и после перекрытия трубы: чем выше скорость потока, тем сильнее будет удар при его резкой остановке. В свою очередь сама скорость потока зависит от диаметра трубопровода: чем больше диаметр трубы, тем ниже скорость потока воды в ней при одинаковом расходе воды. Таким образом, использование труб большего диаметра ослабляет гидроудар.

Более логичный способ ослабить силу гидравлического удара – это увеличить время перекрытия трубопровода (или включения насоса). Для плавного перекрытия трубы можно использовать запорные краны вентильного типа. У большинства производителей насосов предусмотрены комплекты плавного пуска, которые не только позволяют избежать гидроударов при включении, но и продлевают срок службы самого насоса.

Наконец, самый привычный способ защиты от гидроудара – это использование мембранного расширительного бака, который будет «гасить» скачки давления.

Узнать более подробно о том, что такое мембранный бак можно здесь

 

ЧЕМ ОПАСЕН ГИДРОУДАР И КАК ЗАЩИТИТЬ ТРУБОПРОВОД?

Что такое гидроудар?

Гидроудар — резко возрастающее давление среды в трубопроводе вследствие стремительного изменения скорости движения потока.

Он может быть как положительным

, так и отрицательным.

Положительный происходит при увеличении давления вследствие резкого перекрытия трубопровода.

Отрицательный — наоборот, при резком понижении давления — например, при открытии заслонки.

Причины возникновения гидравлических ударов

• Резкое закрытие и открытие трубопроводной арматуры — задвижек, кранов, вентилей и т.д.;

• Значительные перепады сечения труб;

• Включение или отключение насосов;

• Всевозможные преграды на пути потока — загрязнения, воздушные пробки и т.д.

Резкие манипуляции с запорной арматурой вызывают стремительное изменение давления там, где расположена эта арматура. Большой нагрузке подвергаются изгибы труб, батареи, фланцевые прокладки и прокладки внутри запорной арматуры. Такое воздействие может привести к нарушению целостности трубопровода и вывести из строя его элементы.

То, насколько серьезными будут последствия гидроудара, зависит в равной степени как от степени сжимаемости жидкости (а у воды они крайне низкая), так и от жесткости материала, из которого изготовлен водопровод — частично ударная волна может поглощаться гибкими стенками труб, благодаря чему действующая сила будет распределена равномерно.

Первыми признаками, сигнализирующими наличие гидроударов, являются щелчки, стуки и прочие шумы в трубах при открывании или закрывании крана. Нельзя преуменьшать значимость подобных явлений — в будущем это может откликнуться в лучшем случае поломками и протечками запорной арматуры, в худшем — растрескиванием труб и нарушением герметичности на стыках.

Как не допустить появления гидроударов?

• Плавно открывать и закрывать запорную арматуру

Резкое открытие и перекрытие потока создают перепад давления. В случае, если поток перекрывается или открывается плавно не возникнет ударной волны и сильной разницы давлений. В случае с шаровыми кранами реализовать это сложнее — их конструкция не предполагает промежуточных состояний, поэтому такие краны очень легко закрыть или открыть небольшим движением.

• Подбирать диаметр труб с запасом

Больший диаметр трубы позволяет потоку двигаться с меньшей скоростью и давлением, что снизит силу ударной волны.

• Применять компенсаторные устройства…

Компенсаторы устанавливаются по направлению потока. Внутри него используется эластичная трубка из пластика или каучука. В случае повышения давления эластичный отрезок растягивается, компенсируя избытки потока.

• ..и не забывать о защитных клапанах

Еще одно устройство для предохранения трубопроводной системы от перегрузок — защитный клапан. При повышении давления внутренний объем клапана увеличивается, принимая на себя ударную силу.

• В случае использования насосов — применять их автоматику

В производственных насосах имеются регуляторы плавного запуска, которые позволяют избежать резкой перемены давления.

• Дополнять трубопроводные системы байпасом

Байпасс — это дополнительный участок трубопровода. Он служит для регулирования пропускной способности и в качестве обходного канала.

Гидравлический удар процесс возникновения. Как происходит гидравлический удар и от чего

Гидравлический удар процесс возникновения

Гидравлический удар, вызванный высокой скоростью конденсата

Лучистые и конвективные теплопотери провоцируют конденсацию пара в паропроводах. В начале паропровода конденсат появляется в виде тумана, далее частички увеличиваются до размера капель, часть из них, соприкасаясь со стенками трубопровода, стекают в нижнюю его часть, при этом уже образуется частичное заполнение паропровода конденсатом.

Поскольку жидкость более вязкая, чем пар, трение о стенки трубопровода замедляет поток конденсата, а высокая скорость пара на его поверхности, образует волну.

Вначале она появляется в виде ряби, а далее увеличивается до образования гребней.

Воспринимая высокую скорость потока пара, поток конденсата приобретает значительную кинетическую энергию и оказывает разрушительное воздействие на препятствия в виде изменения профиля трубопровода, арматуры или оборудования.

Устранение этого вида гидроударов сводится к обеспечению правильного дренирования паропроводов и осушению пара, путем установки циклонных сепараторов.

Гидравлический удар в результате мгновенной конденсации пара

Удельный объем пара в 1000 раз больше объема конденсата. Пар, попадая в холодную жидкость, конденсируется и пространство, занимаемое им, на мгновение становится вакуумом. Образовавшийся в конденсате вакуумный пузырь приводит к резкому схлопыванию и возникновению ударной волны со всеми вытекающими последствиями

Этот вид гидроудара является более распространённым, поскольку борьба с ним – задача не простая.

Зависимость температуры конденсата на возникновение гидравлического удара

Логично предположить, что с увеличением разницы температур пара и конденсата, должна увеличиваться и сила гидравлических ударов. Однако в ходе проведения исследований, была выявлена интересная закономерность: к примеру пар с температурой 100˚С вызывает наибольшие гидроудары в конденсате с температурой 70-80˚С, и незначительные – в конденсате с температурой ниже 60 ˚С.

В приведенном графике можно выделить три характерные зоны (с лева на право):

1. Пар, вступая в контакт с самым холодным конденсатом, быстро конденсируется мелкими порциями и не успевает сформировать большие «карманы пара», следовательно, гидроудары образуются незначительные.
2. В средней зоне, из-за относительно небольшой разницы температур 20-30°С, пар не конденсируется сразу. Эта задержка способствует формированию «паровых карманов» значительных размеров, и как результат — мощный гидравлический удар.
3. На правой стороне графика, пар вступает в контакт с конденсатом той же температуры. В этом случае, он конденсируются постепенно и гидравлического удара не возникает. В этом можно убедиться на примере конденсатоотводчика, после которого конденсат взаимодействует с паром вторичного вскипания, и гидроудар отсутствует.

Гидроудар в технологическом трубопроводе

Гидроудар в технологическом трубопроводе

01.07.2019

Все помнят фразу из школьной физики:  что жидкость не сжимаема?
Этот эффект используется во многих гидравлических системах для передачи давления. Классическим применением этого свойства жидкости служит бытовой масляный домкрат или промышленный пресс. В этом случае маленький насос связанный каналом с большим (рабочим) насосом – поршнем, передавал с каждым маленьким качком большое давление на главный поршень.

Однако, есть случаи, когда «несжимаемость»  жидкости необходимо принимать в расчет для безопасности системы!  Название этому  важному феномену – гидравлический удар  или гидроудар.

Для простоты понимания, этот феномен можно описать так: поезд, который несется по туннелю  и вдруг встречающий препятствия.  Да, да именно так! Несмотря на то, что жидкость казалось бы,  может  быть, мягкой и текучей при определенной скорости обладает разрушительной силой! Вся масса этого потока обрушивается на препятствие.

Препятствием может быть резко перекрытая заслонка –бабочка, неверно подобранные сечения ответвлений или теплообменник. Да и просто повороты трассы.   
Уже из описания понятно, что сила гидроудара в этом случае зависит от трех параметров:  скорости жидкости, ее массы и объема.  

Гидроудар  вызывает стресс всех компонентов трубопровода,  первое , что испытывается на прочность это датчики! В момент гидроудара жидкость подробно взрывной волне  передает давление во все стороны, соответственно рабочая часть датчика, и его винтовое соединение подвергаются нагрузке превышающий  рабочее в несколько раз! Конечно сам сработавший клапан, который и был виновником гидравлического удара получает избыточную нагрузку. А также все элементы крепления, фланцы, гайки и фитинги!    

Стоимость этих всех компонентов, а также работы  по ликвидации течи уплотнений – результат ошибки инженера или сбоя автоматики!  Известны случаи, когда подача продукта в емкости выбивала лючки и смотровые диоптры. Мало того, отражаясь от препятствия по трубопроводам передавалась назад, по всей нержавеющей трубопроводной системе!

Другую разновидность гидроудара можно увидеть при старте, остановке или неверно подобранной скорости работы крыльчатки насоса.  Все вышеперечисленное обычно сопровождает проекты, где насос был установлен без плавного пуска, что обычно обеспечивается частотным преобразователем.
Что происходит при пуске:  погруженная в неподвижную жидкость крыльчатка насоса, начинает резко движение. Но мы помним – жидкость не сжимаема, весь объем спокойной жидкости противостоит крыльчатке, а она в свою очередь приводимая валом мотора как рычаг давит на жидкость.

Еще критичней, если поток продукта содержит воздушные пузыри! Попав в такой пузырь крыльчатка, не имея сопротивления моментально  раскручивается, а новая волна жидкости ее стопорит.
Противоположный эффект у крыльчатки которая остановилась в движущийся жидкости, как закрывшийся клапан, они и принимает на себя весь удар продукта, который  движется по системе трубопроводов.  

Более сложный момент в котором присутствует гидравлический удар  — это эффект кавитации. Такое название эффект получил от принципа образования по латински  cavita — пустота. Такой эффект образуется из-за ошибок в подборе скорости крыльчатки. Разряжение образующееся из-за несоразмерной скорости винта приводит к разряжению жидкости,  жидкость как бы вскипает. Образуется пузырь который схлопывается  с гидравлическим ударом.  У этого принципа есть и полезное применения, в промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например в молоке.

Единичный гидравлический удар, сам по себе, нагрузка для всей трубопроводной  арматуры, а представьте себе повторяющийся гидроудар, или еще хуже в резонансе, когда ударная волна распространяется по поверхности водопровода, а также по элементам арматуры. Разрушительное действие такого явления просто критично для производства.

Как же предотвратить гидроудар?

Как видно из статьи, первое, что необходимо контролировать — это скорость потока и трассу прохождения. Работу задвижек (кранов) на пути следования продукта.   Не менее важно контролировать работу насосов!

И, пожалуй последнее, контролировать  монотонность продукта – отсутствие  пузырей.
Конечно, производство — живой организм! Да и внешние коммуникации бывают причинами сбоев. Как пример, пропадание питающего напряжения.  И хотя на предприятиях предусматривают резервное питание, прерывы могут быть достаточны для остановки насосов или аварийному перекрытию клапанов. 

  К слову,  плавное закрытие и открытие запорной арматуры должно осуществляться не только на промышленных объектах, но и при запуске водоснабжения и отопления в частном доме. Чрезмерное давление при возникновении гидравлического удара способно легко повредить домашние коммуникации, поэтому не стоит пренебрегать правилами технической безопасности в случае, когда вода в частном доме подаётся со значительным давлением.

     Да конечно, для управления поток используются гидроаккумуляторы  и демпферные устройства, в ряде случаев используется предохранительные  клапаны, который открывается при достижении жидкости определённого значения. 

 Такие устройства также способны предохранить трубопровод от разрушения, но для организации такого вида защиты, потребуется сделать дополнительную отводку от клапана к компенсационной системе. Но что еще важней, такие системы плохо промываются СИП станциями, а там два шага до порога бактериальной обсемененности т.к. каждый гидроудар это нагрузка на уплотнения, которые и так влияют на рост флоры в трубопроводах.  

Возникновение гидравлического удара возможно только по той причине, что жидкость не сжимается настолько, чтобы произошла компенсация резкого скачка давления. При увеличении давления в одном месте его сила распространяется на весь участок трубопровода, и найдя “слабое звено” приводит к деформации, либо разрушению материала.

В идеальном случае, все процессы должна контролировать автоматическая система, которая датчиками отслеживает  параметры среды в трубопроводах.   Хотя и локальные системы могут весьма успешно справляется!  Пример тому — системы управления частотными преобразователями, установленными на двигателях  с заданными программами  работы. Их же контроль выполняется по тем же датчикам  жидкости.

Способы защиты трубопроводной системы от гидроударов

Основным вопросом при транспортировке нефти и газа является обеспечение безопасности и безаварийности данного процесса. На протяжении всего срока эксплуатации все элементы трубопроводной системы испытывают динамические нагрузки — перепады давления, вибрации, циклические деформации, гидроудары, которые могут являться причиной усталостного разрушения, повреждения узлов, разрывов отдельных деталей трубопровода и аварий в транспортной системе.

Гидравлический удар характеризуется колебанием давления с большой амплитудой (в некоторых случаях давление может превышать рабочее в сотни раз), с большой скоростью распространяющимся по трубопроводу. Конечно, невозможно с абсолютной точностью определить вероятность возникновения гидроудара, однако вполне реально заранее просчитать потенциальное изменение давления и предупредить его разрушительное воздействие. К основным факторам, вызывающим перепады давления, можно отнести:
— неравномерность подачи рабочей среды;
— резкое начало движения или торможение потока;
— определённая степень эластичности материала трубопровода;
— сложная топография расположения трубопровода;
— несоответствие объёма рабочей среды и диаметра трубопровода;
— запуск или остановка насосов.

Например, в нефтепроводах при отключении насосов или изменении режимов перекачки нефти может внезапно поменяться давление, и эти, даже небольшие, деформации будут иметь негативный накопительный эффект. При повышенном давлении может произойти разрыв трубы, повреждение элементов трубопроводной системы — арматуры, насосов, крепежа; а при пониженном давлении может произойти смятие труб, утечка рабочей среды через места соединений, разрыв столба жидкости.

Классическая формула расчёта ударного давления определяется следующим образом:
Руд = pcu, где
p — плотность жидкости,
u — средняя скорость движения в трубопроводе до закрытия затвора,
c — скорость распространения ударной волны, которую можно рассчитать по формуле:
С = √K/p*(1/√(1+KD/Ee), где
К — модуль упругости жидкости;
Е — модуль упругости материала стенок;
D — диаметр трубы,
е — толщина стенок.

Использование дополнительных механизмов может защитить трубопроводы от скачка давления. Подобными защитными устройствами служат редукторы, пневмно-, гидро- и электроприводы, устройства для подсасывания жидкости и впуска воздуха, гидровоздушные мембранные баки, насосы с автоматической регулировкой оборотов и давления, различные амортизирующие устройства, ресиверы, дроссельные шайбы, компенсаторы гидравлического удара — демпферы, гидроаккумуляторы, а также защитные клапаны.

Защитные клапаны, как правило, устанавливаются на отводах, и они помогают быстро нивелировать скачок давления. Принцип действия подобного клапана следующий: при перепадах давления реагирует специальный установленный датчик (пилот низкого давления), и клапан открывается, причем, степень открытия клапана может различаться в зависимости от значения давления. В результате чего происходит сброс ударной волны, которая может двигаться со скоростью, превышающей скорость звука. Затем происходит медленное и плавное закрытие клапана.

Эффективность применения подобных устройств можно увидеть на следующих графиках.

График давления на незащищенной насосной станции График давления на насосной станции, защищенной клапаном

В настоящее время выбор устройств, обеспечивающих снижение вероятности возникновения гидравлического удара, довольно широк, необходимо только выбрать наиболее подходящее, исходя из условий эксплуатации трубопровода и транспортируемой рабочей среды. Применение дополнительных механизмов способствует повышению уровня безаварийности эксплуатации и диагностированию возможных неполадок элементов системы.

Авторы: Сергей Савельев, директор по развитию ООО «ТД «Маршал»,
Екатерина Русакова, специалист отдела маркетинга и PR ООО «ТД «Маршал»

Гидравлический удар в трубопроводах: природа, причины, методы защиты

Трубопровод в случае со снабжение водопровода, и в качестве отопительного элемента дома или квартиры — прочная конструкция, способная выдерживать большие нагрузки и работать десятки лет. Касательно давления, металлические, пластиковые и полипропиленовые трубопроводы спокойно выдерживают внутреннее давление в 4 атмосферы, и даже если это значение по каким-либо причинам кратковременно превышается на 1-2 единицы, ничего страшного не случится.

Гидроудар в системе водоснабжения или отопления

Однако существует такое понятие, как гидравлический удар в трубопроводах, при котором внутреннее давление резко возрастает до 10-20 атмосфер и появляется серьезный риск прорыва труб горячего или холодного снабжения.

Природа гидроудара

Охарактеризовать или описать гидроудар в системе водоснабжения несложно, рабочее воображение и минимальный багаж знаний по физики помогут в этом. Представьте, как по трубопроводу течет вода, она движется с определенной скоростью и оказывает на стенки труб давление в 2-3 атмосферы.

Но вдруг на пути водяного потока возникает препятствие, это может быть:

• Завоздушенность — воздушная пробка, возникающая вследствие неправильной эксплуатации водопровода, его неграмотной конструкции и т.д. (все знают, что нужно открывать клапаны в системах водопровода, чтобы спускать воздух перед подачей воды, обычно речь идет о системах отопления).
• Запорная арматура — элемент крана, вентильного или шарового, перекрывающий трубу с целью остановки воды и препятствования ее дальнейшему течению по системе водоснабжения. Каждая система теплоснабжения и другие водопроводы оснащены такими кранами на определенных участках.

Сталкиваясь с подобным препятствием, водяной поток не может мгновенно снизить свою скорость, а это значит, что при той же скорости на определенном участке возникает попытка увеличения объема жидкости, то есть резкий скачок давления. Труба в такой ситуации испытывается на прочность колоссальным поднятием атмосфер и может не выдержать.

Отсюда вытекает вывод, что гидроудар в трубопроводе — частая причина его разрушения и чем дольше служит система водоснабжения, тем уязвимее она становится, особенно в случае с металлическими трубами, подверженными коррозии.

Возможные причины

То, что причиной гидроудара в водопроводах — резкий скачок атмосферного давления в трубах, мы разобрались

Проблема состоит в том, что причин этому феномену может быть много, но распространенными считаются три:

1. Резкое включение или остановка насоса, работающего на высоких оборотах, а также его поломка или экстренное отключение;
2. Экстренная остановка жидкости, текущей по трубам, путем перекрытия запорной арматуры;
3. Препятствие на пути потока жидкости в идее воздушной пробки.

Случай с работой или неисправностями насоса — наименее вероятным из этого списка. Прорыв канализации или водопровода из-за гидроудара по этой причине происходит реже других пунктов. Объясняется это тем, что у многих насос не установлен вовсе, а если он все же имеется, такое оборудования оснащается защитными системами.

Гидроудар из-за образования в системах отопления и подачи воды воздушной пробки более частое явление. Этот случай опасен тем, что при соприкосновении потока воды с завоздушенностью, скорость жидкости не снижается, а давлению и воздуху в закрытой среде некуда деться, что грозит сильным повышением атмосферного давления. Если 1–2 раза трубопровод выдержит, частые инциденты приведут к тотальным последствиям и прорыв труб неизбежен.

Наиболее частой причиной гидроудара по статистике становится именно резкое закрытие запорной арматуры. Этот фактор сильно усугубился, когда широкое распространение получил шаровый кран. Дело в том, что при вентильном кране, поток воды перекрывался постепенно, путем поэтапного закручивания вентиля и давление в трубах оставалось в допустимых пределах. Но технология шарового крана действует в разы быстрее и движущаяся жидкость внутри трубопроводов врезается в препятствие резко, не сбрасывая скорость, что приводит к сильному износу оборудования из-за повышающихся нагрузок и повышает риск гидроударов. В таких ситуациях даже компенсаторы для трубопроводов спасают не всегда.

Неприятные последствия и методы защиты от гидроудара

Самые страшные последствия после сильного гидроудара — всевозможные разрушения трубопровода

• Прорыв трубы, разрушение трубопровода или системы подачи тепла;
• Деформация или уничтожение приборов отопления;
• Как следствие — прекращение подачи воды и тепла на время ремонта;
• Получения ожоговых травм жильцами, находившимися в непосредственно близости от тепловых сетей во время гидроудара;
• Гидравлический удар в трубах приводит к затоплениям вашего имущества и соседей, живущих под вами (в случае с квартирами).

Глядя на этот неполный список возможных последствий, хочется узнать о методах защиты от гидроударов. Как обезопасить себя от возможного несчастья?

Первый и самый весомый аргумент в сторону защиты от гидравлических ударов — компенсаторы трубопроводов. Эти специальные приспособления способны принимать в себя часть жидкости из общей системы при возрастании внутреннего давления, снижая его таким образом. Виды компенсаторов водопроводов бывают разными, но наибольшее распространение получили сильфонные, линзовые и сальниковые, ввиду своих эксплуатационных особенностей.

Еще один метод защиты — клапан для защиты от гидравлических ударов. Этот приспособление устанавливается в системах повышенного давления и при использовании насоса. Этакий гаситель гидроударов, клапан открывается и сбрасывает излишнее давление при его резком скачке.

Касательно больших магистралей и длинных участков трубопровода теплоснабжения, для защиты на них устанавливают неподвижные опоры для труб теплоснабжения, которые фиксируют конструкцию, делая ее более жесткой, устойчивой к вибрации и повышениям давления

Обязательно устанавливайте в своих домах и квартирах краны, позволяющие перекрыть подачу воды. Так вы сможете быстро перекрыть воду в аварийных ситуациях и обезопасите себя от возможных последствий, даже если беда произойдет.

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Защита трубопроводов обычными методами, а точнее — мерами предосторожности, обязательна. Закрывайте опорную арматуру постепенно, спускайте воздух из труб заблаговременно и установите компенсатор гидроударов, желательно большого объема.

Гидравлический удар в системе трубопроводов (Часть 1) — AMARINE

1. Что такое гидроудар?

Вода молот — это скачок давления или волна, возникающая, когда движущаяся жидкость вынуждена останавливаться или изменять скорость.

Гидравлический удар обычно возникает, когда клапан внезапно закрывается на конце трубопроводной системы, и волна давления распространяется в трубе. Его еще называют гидравлическим амортизатором .

Значительная, почти мгновенная ударная волна давления может возникать, когда клапан открывается или закрывается слишком быстро, или когда насос запускается с пустой нагнетательной линией или внезапно останавливается. Это явление является результатом внезапного изменения скорости потока жидкости в сочетании с характеристиками трубопровода. Эта ударная волна проявляется серией звуков, похожих на удары молота, называемых гидроудар , которые могут иметь достаточную силу, чтобы вызвать катастрофический отказ в системе трубопроводов.

Больше понимания:

• Рассмотрим длинную трубу AB, как показано на рис. Ниже, подсоединенную одним концом к резервуару, содержащему воду, на высоте H от центра трубы.
• На другом конце трубы предусмотрен клапан для регулирования потока воды. Когда клапан полностью открыт, вода течет по трубе со скоростью — V. Если теперь клапан внезапно закроется, импульс текущей воды будет нарушен, и, следовательно, возникнет волна высокого давления.
• Эта волна высокого давления будет передаваться по трубе со скоростью, равной скорости звуковой волны, и может создавать шум, называемый стуком. Также эта волна высокого давления оказывает ударное воздействие на стенки трубы и, следовательно, также известна как гидравлический удар.

2. Когда происходит гидроудар и причина?

— Гидравлический удар обычно возникает, когда клапан внезапно закрывается в конце трубопроводной системы, сбой питания, основные поломки, операции запуска и остановки насоса, захлопывание обратного клапана, быстрое изменение нагрузки, открытие и закрытие огня гидранты и волна давления распространяется в трубе и т. д.

— Другими причинами гидроудара являются отказ насоса и хлопок обратного клапана (из-за внезапного замедления обратный клапан может быстро захлопнуться, в зависимости от динамических характеристик обратного клапана и массы воды между обратным клапаном и резервуаром. ).

— Если труба внезапно закрывается или открывается на выходе (ниже по потоку), масса воды перед закрытием все еще движется вперед с некоторой скоростью, создавая высокое давление, ударные волны и стук. Гидравлический удар может привести к разрыву трубопроводов, если давление будет достаточно высоким. -> чтобы предотвратить это, воздушные ловушки или стояки (открытые сверху) иногда добавляются в качестве демпферов к системам водоснабжения, чтобы обеспечить амортизацию, поглощающую силу движущейся воды, чтобы предотвратить повреждение системы. (На некоторых гидроэлектростанциях то, что выглядит как водонапорная башня, на самом деле является одним из таких устройств, известных как уравнительный барабан).

— С другой стороны, когда клапан в трубе закрыт, вода после клапана будет пытаться продолжить движение, создавая вакуум, который может вызвать сжатие или взрыв трубы.Эта проблема может быть особенно острой, если труба идет на спуске. -> Чтобы предотвратить это, воздушные и вакуумные предохранительные клапаны или вентиляционные отверстия устанавливаются сразу после клапана, чтобы позволить воздуху поступать в линию и предотвращать возникновение этого разрежения.

— Внезапное открытие или закрытие клапанов в трубопроводе.

— Запуск или остановка насосов в насосной системе.

— Ошибки в работе или неисправности оборудования.Электричество отключено.

— Ограничительное отверстие:

— Неправильная работа устройств защиты от перенапряжения может принести больше вреда, чем пользы. Примером может служить превышение размера предохранительного клапана или неправильный выбор предохранительного клапана вакуумного прерывателя и воздушного клапана.

3. Эффект:

4. Предотвращать / избегать:

a) Скорость жидкости превышает значение футов в секунду. (рассчитано по проекту) в пластиковых системах трубопроводов увеличивает эффект гидравлического удара, возникающий в результате запуска и остановки насосов и быстрого открытия и закрытия клапанов.Скорость жидкости не превышает футов в секунду. Значение (рассчитано по проекту) считается безопасным и сводит к минимуму воздействие гидроудара.

b) Установите предохранительные клапаны , чтобы смягчить воздействие гидравлического удара и сбросить избыточное давление и поток.

c) Медленно закрывающиеся клапаны с приводом должны быть установлены для управления скоростью, с которой клапаны открываются и закрываются. Они могут управляться электрически или пневматически, что исключает вероятность человеческой ошибки.

ХОРОШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КЛАПАНА:
Медленная работа: Замедление работы клапана за счет увеличения времени хода — хороший способ предотвратить гидравлический удар. Единственный точный способ рассчитать минимальное время хода — это создать переходную модель системы, включая правильные характеристики клапана (Cv в зависимости от угла закрытия), а затем смоделировать различное время хода до тех пор, пока не будет найден предел. Приводы можно замедлить для достижения расчетного времени безопасного закрытия.Ручные клапаны могут быть оснащены редукторами, чтобы оператор не мог их внезапно закрыть. Это всегда следует делать в уязвимых ситуациях, а не полагаться на «хорошую производственную практику».
Хорошие характеристики: Клапаны могут быть изготовлены с различными характеристиками. Многие клапаны имеют плохие кривые с точки зрения помпажа, и они немного замедляют движение жидкости на большей части своего хода, но затем вызывают быстрое изменение потока по мере приближения к закрытию, т.е.грамм. тип «быстрое открытие». Защита от перенапряжения требует плавного изменения скорости, поэтому такие клапаны не приветствуются в системах, подверженных проблемам перенапряжения. Идеальная кривая зависимости Cv от положения клапана зависит от пропорции падения давления на клапане при нормальном потоке. Это показано на рисунке 6. Для типичной конструкции, где падение давления клапана составляет от 10% до 20% от общего падения давления на трение, кривая характеристика (нижняя кривая) дает желаемый поток в зависимости от положения клапана.Трим клапана, известный как «равнопроцентный» тип, соответствует этому наилучшему. Таким образом, это дает довольно линейное уменьшение расхода при закрытии клапана, и поэтому замедление жидкости распределяется более равномерно по ходу клапана. Это идеально для предотвращения помпажа, а время хода клапана может быть минимизировано за счет использования такой характеристики клапана.

ИНЕРЦИЯ НАСОСА
Внезапное отключение насоса из-за отказа насоса или перебоев в электроснабжении невозможно полностью предотвратить.В зависимости от последствий отключения может быть желательно увеличить инерцию насоса, чтобы снизить скорость его замедления. Иногда это можно сделать, установив двигатель большего размера, но если это невозможно, необходимо установить маховик между двигателем и насосом. Это может показаться необычным расположением, но оно использовалось во многих случаях.

СЖИМАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ В ТРУБЕ
Еще одним способом предотвращения гидравлического удара является повышение сжимаемости жидкости путем нагнетания газа в поток.Пузырьки газа эффективно увеличивают сжимаемость, следовательно, уменьшают скорость волны и уменьшают размер любых проблем с помпажами. Волна
celeric может быть уменьшена на 90%, если добавить в трубу всего 1% по объему воздуха. Однако надежная установка может быть дорогостоящей и не является обычным решением. Следует помнить, что всякий раз, когда скорость волны уменьшается, преимущество уменьшенного напора Жуковского (уравнение 1) должно компенсироваться уменьшенной длиной трубы, которая допустима без возникновения проблем с помпажем (перекомпоновка уравнения 2).

г) Устройства защиты от гидроудара:

См. Следующую часть, чтобы узнать больше о:

5. КАК ИЗБЕЖАТЬ ПОСЛЕДСТВИЙ ВОДНОГО МОЛОТА?

6. КАК АНАЛИЗИРОВАТЬ ТРУБОПРОВОД НА РИСК ВОДЫ МОЛОТА?

7. Краткая информация о гидравлическом ударе:

См. Следующую часть: Гидравлический удар в системе трубопроводов (Часть 1)

Нравится:

Нравится Загрузка…

Связанные

Предотвращение гидравлического удара из-за повреждения насосов и труб

ЧТО ТАКОЕ МОЛОТОК ДЛЯ ВОДЫ?

Гидравлический удар возникает, когда скорость потока жидкости в трубе быстро изменяется. Он также известен как «помпаж». Это может вызвать очень высокое давление в трубах, очень высокие нагрузки на опоры труб и даже внезапное изменение направления потока. Это может вызвать разрыв труб, повреждение опор и трубных эстакад, а также утечку в стыках.

Гидравлический удар может произойти для любой жидкости в любой трубе, но его сила зависит от конкретных условий жидкости и трубы. Обычно это происходит в жидкостях, но может встречаться и в газах. Это может привести к разрыву труб и обрушению конструкций.

В этой статье будут описаны условия, которые, скорее всего, приведут к проблемам гидравлического удара, а также проблемы, с которыми могут столкнуться проектировщики и операторы насосов и трубопроводов. В нем также описаны некоторые способы решения проблем.

КАК ЭТО ПРОИСХОДИТ И КАКОВЫ ПОСЛЕДСТВИЯ?

Повышенное давление возникает каждый раз, когда жидкость ускоряется или замедляется из-за изменений состояния насоса или изменения положения клапана.Обычно это давление невелико, скорость изменения постепенная, и гидравлический удар практически не обнаруживается. Однако при некоторых обстоятельствах создаваемое давление может составлять многие десятки бар, а силы на опорах могут достигать многих тонн, что превышает их спецификации. В мостах из труб может возникнуть сопутствующий ущерб. Риск для безопасности, активов и окружающей среды очевиден.

Небольшой гидравлический удар можно обнаружить по движению трубы, стуку или пульсации потока. Серьезный гидроудар дает те же эффекты, но они могут быть достаточно большими, чтобы нанести серьезный ущерб, и могут произойти только один раз! Системы трубопроводов, характеристики которых могут привести к серьезному удару, должны быть проанализированы компьютерным программным обеспечением, особенно если в них находятся опасные химические вещества.Его наличие также иногда можно выявить по неожиданному открытию предохранительных клапанов.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА ПРОИСХОДИТ ВОДНЫЙ МОЛОТОК?

Гидравлический удар — это ударная волна, проходящая по трубе в результате резкого изменения расхода. Наиболее частая причина — слишком быстрое закрытие клапана или внезапное отключение или запуск насоса. Это вызывает ударную волну, которая начинается у клапана или насоса и проходит по трубе, изменяя скорость жидкости по мере ее прохождения. Это причина высокого давления.Если волна резкая и проходит через изгибы трубы, скачкообразное изменение давления может вызвать дисбаланс сил, перемещающих трубу. Это может привести к смещению трубы с опор или передаче усилия на анкеры. Волна давления может проходить через насосы, повреждая крыльчатку и привод.

КАК ЕЩЕ МОЖЕТ БЫТЬ МОЛОТОК ВОДЫ?

Гидравлический удар также может быть вызван кавитацией из-за того, что давление падает ниже давления пара, а затем пузырьки схлопываются, когда давление снова увеличивается.Это может произойти после клапана или после насоса. Когда клапан закрывается или насос отключается, давление ниже по потоку может упасть до уровня, при котором жидкость закипает, создавая паровую полость. Это всасывание может вызвать обратное течение жидкости и сжатие полости при приближении к закрытому клапану или остановленному насосу. При столкновении с клапаном или насосом может произойти сильный удар.

Закрытие обратных клапанов также может вызвать гидроудар. Некоторые системы очень склонны к этому, и использование простого поворотного обратного клапана может вызвать сильный гидроудар.Некоторые компании производят обратные клапаны, которые сводят к минимуму гидравлический удар, вызванный их работой.

Образование полостей в высоких точках труб из-за превышения барометрической высоты вертикальных опор также может вызвать гидравлический удар при возобновлении потока.

КАК МЫ МОЖЕМ ОПРЕДЕЛИТЬ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ СИТУАЦИИ С ВОДНЫМ МОЛОТОМ?

Невозможно дать простые и безошибочные правила определения потенциала гидроудара. Существуют компьютерные программы, которые позволяют моделировать трубопроводные системы и выявлять любые потенциальные проблемы гидравлического удара.В опытных руках их также можно использовать для поиска наилучшего решения любых подобных проблем. Простые проверки можно выполнить вручную, а у некоторых поставщиков есть номограммы, которые помогают прогнозировать молоток и проектировать подходящие подъемники. Однако большинству систем требуется хорошее компьютерное программное обеспечение, чтобы делать это точно.

КАКОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРА ДОСТУПНО?

Существует несколько программ, включая Flowmaster, HiTrans, Hammer и Wanda. Автор имеет большой опыт работы с Flowmaster и HiTrans, а также некоторый опыт работы с Hammer.Все это эффективные программы, но для уверенного использования требуются значительная подготовка и опыт. HiTrans недорогой, но подходит только для простых систем, тогда как другие могут моделировать сложные сети, но стоят дорого. Все они дают точные результаты по давлению, создаваемому в системе. Flowmaster и HiTrans не могут рассчитывать силы, но автор разработал электронные таблицы, которые берут свои результаты истории давления и времени и анализируют их на предмет пиков давления и силы и времени действия.Hammer может рассчитывать мгновенные значения силы в трех измерениях при условии ввода подходящей информации о трубе. Результаты программ могут быть введены в программы анализа напряжений, такие как Caesar, для учета других напряжений в трубах. Однако анализ силы сложен, поскольку силы могут иметь продолжительность от нескольких секунд до нескольких миллисекунд.

ЕСЛИ У МЕНЯ ЕСТЬ ПРОБЛЕМА, КАК Я ЕСТЬ РЕШЕНИЕ?

В качестве быстрого решения, если проблема связана с клапаном, сильно замедлите его! Существует эмпирическое правило «время закрытия 1 секунда на каждый дюйм диаметра трубы», но я считаю его плохим и рекомендую 5 секунд на дюйм диаметра или больше.Если это насос, установите многооборотные клапаны (установите редукторы на дроссельные и шаровые краны) и заставьте операторов использовать их медленно.

Однако гораздо лучше смоделировать систему с использованием подходящего программного обеспечения, тогда все потенциальные решения могут быть протестированы в модели, чтобы проектировщик мог выбрать лучшее и наиболее экономичное решение для своей трубопроводной системы. Это должно быть обязательным для длинных труб (например, длиной более 500 м), по которым транспортируются токсичные или легковоспламеняющиеся материалы.

Решения зависят от обстоятельств каждой ситуации.Они могут включать:

1 Устраните причину удара молотка.

Некоторые причины могут быть устранены путем устранения проблемного элемента или контроля над ним. Помимо ранее обсужденных пунктов, это могут быть вибрирующие клапаны сброса давления, закрытие клапанов быстрого аварийного отключения и некоторые ручные закрытия клапанов, например, дроссельные заслонки. Устройства плавного пуска могут помочь с некоторыми проблемами гидравлического удара, вызванными насосами.

2 Уменьшите скорость откачки.

Это можно сделать, используя трубу большего диаметра или меньшую скорость потока.

3 Сделайте трубу более прочной.

Это может быть дорого, но может быть решением, если характеристики трубы превышены лишь незначительно.

4 Замедлить клапаны или использовать клапаны с лучшими характеристиками нагнетания в трубопроводной системе.

5 Используйте расширительные бачки. Они позволяют жидкости выходить или попадать в трубу при гидравлическом ударе и обычно наблюдаются только в системах водоснабжения.

6 Используйте ограничители перенапряжения . Они похожи на демпферы пульсаций, обычно устанавливаемые на поршневые насосы прямого вытеснения, только намного большего размера.

7 Используйте маховики насоса. Их можно использовать, когда гидравлический удар является следствием слишком быстрого замедления работы насоса после отключения.

8 Используйте предохранительные клапаны. Они не подходят для токсичных материалов, если не предусмотрена система улавливания.

9 Используйте впускные воздушные клапаны. Они не подходят, если проникновение воздуха или других возможных внешних материалов недопустимо.

10 Новым решением было бы введение азота или воздуха в жидкость .Автор не видел, чтобы это использовалось на практике, и его использование потребует осторожности, но теоретически это возможно.

Автор Биография:

Стюарт Орд — инженер-химик из Англии. Он имеет диплом с отличием 1-й степени в области химического машиностроения и является научным сотрудником Института инженеров-химиков. Он работал в крупных химических компаниях, но сейчас работает частным консультантом, специализирующимся на исследованиях опасностей, оценке рисков и анализе гидравлических ударов.Со Стюартом можно связаться по телефону +44 7981 569058, stuart @ CEDCS.com или через его сайт www.CEDCS.com

.

Обсудите больше на нашем отраслевом форуме!

Причины гидроудара в трубопроводах

Скачки давления во время переходных процессов возникают при изменении расхода в любой трубопроводной системе, содержащей пары, газы, жидкости или комбинации этих жидкостей. Когда клапаны открываются в трубопроводах, содержащих сжатые газы или пары перед этими клапанами, в нижнем трубопроводе возникают скачки давления.Эти переходные процессы дополнительно усложняются тем фактом, что скорости звука могут возникать в клапане или в трубопроводе, а плотности и температуры жидкости значительно изменяются во время этих переходных процессов.

Во время всех переходных процессов жидкости волны давления передаются через жидкости. В системах, заполненных жидкостью, эти переходные процессы обычно возникают при работе клапанов и насосов.

Переходные процессы жидкости из-за работы клапана вызывают скачки давления различной величины, которые зависят от скорости потока, размеров трубопроводов, материалов трубопроводов, типов жидкости и скорости открытия или закрытия клапанов.Пример резких изменений давления, внезапно закрытые клапаны могут вызвать высокое давление в системе. Обратите внимание, что результирующее давление из-за этого увеличения приложенного давления умножается на DLF, чтобы определить влияние давления на максимальные напряжения в трубопроводе. Внезапно открывающиеся клапаны вызывают давление ниже, чем вызванное внезапным закрытием. Внезапное открытие клапана также вызывает повышение давления в системе. Обратите внимание, что компьютерные коды конечных разностей, называемые методом характеристик (MOC), обычно используются для расчетов переходных режимов жидкости.

Низкая скорость закрытия клапана приводит к более низкому давлению, чем то, которое может быть вызвано внезапным закрытием клапана. Фактически, скачки давления могут быть устранены, если скорость закрытия достаточно низкая, и давление будет медленно повышаться до рабочего давления при запуске насоса.

Работа насосов осложняется их монтажом и производительностью. В длинном трубопроводе насос может действовать как внезапно открытый или закрытый клапан. Запуск и останов насосов Переходные процессы жидкости происходят при запуске или останове насосов.В системе с замкнутым контуром поток останавливается выбегом, и обратный поток через насос не возникает. В системе, перекачивающей в гору с помощью одного насоса, требуется обратный клапан для предотвращения обратного потока через насос. При закрытии обратного клапана возникнут скачки давления.

При работе под уклон в трубопроводе будет разделение потока. Трубопровод будет полностью осушен, если нижний конец трубопровода открыт для атмосферы. В противном случае будут происходить переходные процессы жидкости из-за схлопывания пара при перезапуске насоса или открытии клапана, когда на входе присутствует жидкость.

Когда один из двух насосов выключается, поток из рабочего насоса будет реверсировать поток через останавливающий насос и переводит обратный клапан в закрытое положение. В результате возникает высокое давление, на которое влияют характеристики закрытия обратного клапана.

Отраженные волны давления возникают на всех тройниках, при изменении диаметра трубы и изменении материала стенки трубы. Максимально отраженные волны давления возникают на закрытых концах трубопровода, где величина волны давления удваивается, поскольку падающая волна отражается обратно в трубопровод.

Как правило, захваченный газ или воздух собирается в высоких точках трубопроводных систем. Эти карманы для неконденсируемого газа снижают давление, вызываемое переходными потоками жидкости, когда клапаны закрыты или системы находятся под давлением. Когда в системах сброшено давление, неконденсирующиеся газы расширяются, и уровни в расширительных баках системы или градирнях, открытых в атмосферу, внезапно повышаются, что может вызвать переполнение.

Коллапс паровой полости и повышение давления возникают во многих различных обстоятельствах.Здесь представлены только некоторые из этих условий. Каждый раз, когда в системе присутствует паровой карман, работа клапана или насоса вызывает повышение давления, и, кроме того, работа клапана и насоса может образовывать паровые карманы, которые создают повышение давления

Во время работы клапана и насоса, когда клапаны внезапно закрываются, или насосы остановлены, схлопывание паров может происходить в высоких точках системы, где это коллапс пара зависит от гидравлической линии уклона системы. Высокое давление может возникнуть рядом с насосом или клапаном, а также в верхних точках системы трубопроводов.

Когда давление в трубе уменьшается до давления пара жидкости, содержащейся в трубе, жидкость испаряется. Во время образования пустот это низкое давление возникает, когда столб жидкости в трубе отделяется из-за движения. Когда колонна соединяется снова, пар схлопывается. Волны индуцируются по всей системе, заполненной жидкостью. Опять же, рекомендуется компьютерное моделирование, но когда компьютерное моделирование недоступно, системы должны быть спроектированы так, чтобы предотвратить возникновение коллапса пара. Когда изгибы возникают рядом с пусковым насосом, могут возникать большие силы и напряжения, так как насос может работать на грани биения, и результирующие скорости потока, которые вызывают напряжения в трубопроводах, вызовут нестандартные расчетные условия.

Переходные режимы пробкового потока — еще один пример схлопывания паровой полости, возникающий, когда объем воды перемещается по трубе из-за приложенного давления. Пробка вызовет высокое давление при ударе о колена или закрытый конец трубы. Например, когда пробка конденсата движется через систему, она будет воздействовать на каждый изгиб при движении и вызывать изгибающие напряжения в каждом из этих колен. Когда пробка достигает закрытого конца трубопровода, пар в трубопроводе конденсируется и схлопывается с незначительным сопротивлением движущейся пробке конденсата, в результате чего возникает повышенное давление и отраженные волны давления.

Когда предохранительные клапаны или предохранительные клапаны открываются в атмосферу через трубопроводы c, на трубопровод возникают значительные силы. ASME B31.1 [6] предоставляет упрощенные методы расчета этих сил. Факельные коллекторы Факельные коллекторы соединяют трубопровод системы с предохранительными клапанами. В зависимости от конструкции можно минимизировать силы и напряжения.

Переходные режимы пробкового потока — еще один пример схлопывания паровой полости, возникающий, когда объем воды перемещается по трубе из-за приложенного давления. Пробка вызовет высокое давление при ударе о колена или закрытый конец трубы.Например, когда пробка конденсата движется через систему, она будет воздействовать на каждый изгиб при движении и вызывать изгибающие напряжения в каждом из этих колен. Когда пробка достигает закрытого конца трубопровода, пар в трубопроводе конденсируется и схлопывается с незначительным сопротивлением движущейся пробке конденсата, в результате чего возникает повышенное давление и отраженные волны давления.

Гидравлический удар — причины и решения

Причины гидроудара

Как и любая другая движущаяся жидкость, текущая вода имеет импульс.При резком изменении потока через систему распространяются ударные волны. Это явление называется «гидроудар». Изменения потока могут происходить из-за работы клапанов, пуска и останова насосов или изменения направления, вызванного фитингами труб. Другими причинами могут быть быстрое истощение всего воздуха из системы или рекомбинация воды после отделения водяного столба.

Когда происходят внезапные изменения потока, энергия, связанная с текущей водой, внезапно преобразуется в давление в этом месте.Это избыточное давление известно как импульсное давление и увеличивается при больших изменениях скорости.

Гидравлический удар обычно возникает в системах водоснабжения с высоким давлением (например, в водопроводной сети) либо при быстром закрытии крана, либо из-за быстродействующих электромагнитных клапанов, которые внезапно останавливают движение воды по трубам и создают ударную волну через вода, заставляя трубы вибрировать и «вздрагивать».

Гидравлический удар усугубится из-за изношенных клапанов и недостаточной поддержки трубопроводов.

Существует пять возможных областей, на которые следует обратить внимание, чтобы определить причину гидроудара, и ряд возможных способов лечения — подходящее лечение будет зависеть от фактической причины и способа установки. Если гидроудар начался только после того, как была проделана некоторая работа с водопроводной системой, начните с осмотра этих участков; однако любое изменение в водопроводной системе может вызвать гидроудар в другом месте.

Вероятные источники гидроудара

• Неправильно закрепленный трубопровод — большая вероятность возникновения гидроудара после выполнения новых работ; Если гидроудар впервые возникает без выполнения новой работы, сначала проверьте другие возможные способы устранения.
• Краны шаровые и поплавковые.
• Клапаны быстрого действия.
• Изношенные запорные клапаны.
• Воздух в ловушке.

Незакрепленный трубопровод

Убедитесь, что трубопроводы закреплены, закреплены и поддерживаются через равные промежутки времени с помощью хомутов подходящего размера.

Шаровые / поплавковые клапаны

Гидравлический удар может возникнуть в результате пульсации внутри открытых резервуаров с водой, где уровень воды регулируется шаровым / поплавковым клапаном — рябь вызвана притоком воды, в результате чего клапан «качается» вверх и вниз, многократно открываясь и закрытие клапана.Это многократное открытие и закрытие клапана создает ударные волны, которые отражаются вдоль трубопроводов, вызывая эффект гидроудара.

Если резервуар для воды пластиковый, металлическая усиливающая пластина, установленная на стороне резервуара, где установлен поплавковый клапан, уменьшит изгиб резервуара.

Помимо вышеперечисленного, рябь в воде обычно вызывает проблемы только в том случае, если шаровой / поплавковый клапан изношен или если клапан имеет форсунку клапана низкого давления, когда вода подается под высоким давлением.Убедитесь, что шайбы и диафрагмы в шаровых / поплавковых клапанах не изношены и что установлена ​​соответствующая форсунка клапана. Последнее не должно быть проблемой, если гидравлический удар начался через некоторое время после установки клапана.

На небольших резервуарах установка клапана цистерны Torbeck — еще одно возможное решение, так как это предотвратит появление ряби на поверхности воды, поэтому клапан будет аккуратно закрываться.

Электромагнитные клапаны

Некоторые электромагнитные клапаны с электроприводом мгновенно останавливают поток воды, поэтому возможно создание ударной волны по трубопроводу, которая вызовет гидроудар.Гибкого шланга, соединяющего клапан с водопроводом, может быть достаточно, чтобы поглотить любые удары в трубопроводе.

Запорный клапан

Запорные клапаны (запорные краны) и краны могут вызвать гидравлический удар, если они имеют неплотную набивку сальника и / или изношенные перемычки шайбы. Запорные клапаны обычно открываются, когда ударная волна гидравлического удара проходит по трубопроводу, и ударная волна может «дребезжать» за ручку клапана и ослабить перемычку.

Хотя можно затянуть сальниковую набивку и заменить незакрепленную перемычку, самый простой способ решить проблему — заменить запорный клапан.

Воздух в ловушке

Проблемы, связанные с захватом воздуха, можно свести к минимуму, предотвратив скопление воздуха в системе. Этого можно добиться, используя предохранительные клапаны, расположенные в верхних точках трубопроводной системы. В областях относительно ровной местности их также следует использовать в непосредственной близости от выхода насоса, около середины линии и на конце линии ниже по потоку.

Пустые трубопроводы следует наполнять как можно медленнее, чтобы дать возможность улетучиться воздуху.

Другие соображения

Размер всех трубопроводов должен быть таким, чтобы скорость потока не превышала 1,5 м / с.

Ограничители перенапряжения (относительно простые устройства, такие как небольшие резервуары высокого давления или буферные емкости, которые могут поглощать ударные волны) могут быть установлены в стратегических местах трубопровода, чтобы минимизировать влияние гидроудара в системе. Ограничители перенапряжения следует устанавливать как можно ближе к источнику проблемы.

Гидравлический удар на технологической установке

Гидравлический удар — это скачок давления или волна, возникающая, когда движущаяся жидкость (обычно жидкость, но иногда также газ) вынуждена останавливаться или внезапно менять направление (изменение количества движения).Гидравлический удар обычно возникает, когда клапан внезапно закрывается на конце системы трубопроводов, и волна давления распространяется в трубе. Его еще называют гидроударом.

Гидравлический удар — это обычно наблюдаемое явление, возникающее во время потока жидкости. Наличие гидроудара можно легко определить по производимому им шуму. Шум — это не конечный эффект гидроудара, а лишь его показатель. Гидравлический удар оказывает множество неблагоприятных воздействий на паровые системы. Гидравлический удар может повредить оборудование, такое как расходомеры, установленные в паровой сети.Случаи разрыва и разрушения трубопроводов из-за гидроудара также довольно часты. В некоторых случаях гидравлический удар приводил к катастрофическим последствиям. Гидравлический удар — это не только проблема системы, но и проблема безопасности. Снизить влияние импульсов гидравлического удара можно с помощью аккумуляторов, расширительных баков, расширительных бачков, продувочных клапанов и других функций.

Гидравлический молот — паровая система

Как только пар выходит из котла, он начинает терять тепло.В результате внутри трубы конденсируется пар. Скорость образования конденсата высока, особенно во время пусков, когда система холодная. В результате конденсации образуются капли воды. После образования конденсата поток внутри трубы состоит из двух компонентов: пара и конденсата. Скорость потока пара намного выше, чем у конденсата. Во время такого двухфазного потока тяжелый конденсат, который течет по дну трубы, вытягивается высокоскоростным паром, и это создает рябь.Если уровень конденсата достаточно высок, рябь может заполнить все поперечное сечение трубы. Под давлением и некуда идти, рябь превращается в массу воды (часто называемую слизью), которая намного плотнее пара и движется со скоростью пара. Когда эту пробку останавливает какое-либо препятствие, такое как поворот или оборудование, кинетическая энергия пробки внезапно преобразуется в энергию давления, которая создает ударную волну во всем трубопроводе. Трубопровод будет продолжать вибрировать, пока эта энергия не рассеется в конструкции.

Гидравлический удар — вызванная конденсацией

Гидравлический удар, вызванный конденсацией, может быть вызван либо попаданием пара в систему трубопроводов, содержащих воду (охлажденный конденсат), либо нагнетанием воды в систему трубопроводов, содержащих пар.

На рисунке ниже изображена последовательность из четырех шагов, которая вызывает гидравлический удар, вызванный конденсацией.

(a) По мере того как конденсирующийся пар отдает тепло стенке трубы и более холодному конденсату, он меняет фазу с пара на жидкость.

(b) Работая вместе, конденсация и поток пара создают волны, которые накапливаются до тех пор, пока они не заполняют поперечное сечение трубы, удерживая пар между своими пиками. После этого захваченный пар быстро конденсируется.

(c) Образующаяся жидкость из-за конденсации пара занимает до 1000 раз меньше места, чем пар. Давление в пустоте падает до гораздо более низкого уровня, чем у окружающего ее пара. Затем пустота схлопывается, когда вода под давлением пара врывается внутрь.

(d) Столкновение воды и конденсата вызывает локальный импульс воды под давлением, который отскакивает вниз по трубе.

Удар гидроудара

Можно задаться вопросом, почему гидравлические удары считаются серьезной проблемой. Разрушительный характер гидроудара можно увидеть на следующем рисунке:
Рекомендуемая скорость насыщенного пара в трубопроводной сети = 20-35 м / с
Рекомендуемая скорость воды в трубопроводной сети = 2-3 м / с

В случае гидроудара конденсат увлекается паром, и, следовательно, водяная пробка движется со скоростью, равной скорости пара, которая примерно в десять раз превышает идеальную скорость воды.В результате общее давление гидравлического удара очень велико.

Рекомендации по предотвращению гидроудара

Хотя гидравлический удар нельзя полностью устранить, его, безусловно, можно избежать. Существуют определенные передовые методы, при соблюдении которых снижается вероятность возникновения гидроудара. Вот некоторые из этих практик:

• Паропроводы всегда следует прокладывать с плавным уклоном (уклоном) в направлении потока.
• Регулярная установка конденсатоотводчиков, а также в нижних точках перед стояками.Это обеспечивает удаление конденсата из паровой системы сразу после его образования.
• Следует избегать провисания труб за счет надлежащей опоры. Провисающие трубы могут образовывать скопление конденсата в трубопроводе, увеличивая вероятность гидравлического удара.
• Для холодного пуска установки требуются стандартные процедуры запуска. Операторы должны быть обучены медленно открывать запорный клапан во время пусковых режимов.
• Не допускайте попадания пара в любую линию, заполненную переохлажденным конденсатом, или в любую линию холодного пара, которая может содержать конденсат.
• Сливные карманы должны быть подходящего размера, чтобы конденсат не перепрыгивал через них. Вместо этого дренажные карманы должны быть такого размера, чтобы весь конденсат попадал в сифон.
• Эксцентриковые переходники следует использовать вместо концентрических переходников.

база технических знаний для всех профессионалов в области технологических трубопроводов во всем мире…

Поделитесь этой статьей — Знания расширяются за счет обмена, но не за счет сохранения.

Связанные

Что такое гидроудар? — Практическая инженерия

Возможно, вы знаете, что большинство жидкостей несжимаемы (или, по крайней мере, почти не сжимаются), а это означает, что независимо от того, какое давление вы прикладываете, их объем не меняется.Это может быть полезно, как и в случае с гидроцилиндрами, но отсутствие «упругости» также может привести к катастрофическому отказу трубопроводных систем.

Легко забыть, насколько тяжелая вода, поскольку мы почти никогда не носим больше, чем несколько унций за раз. Но если вы добавите воду в трубопроводы вашего города или даже в трубы в вашем доме, это составит немалую массу. И когда вся эта вода движется по трубе, она имеет довольно небольшой импульс. Если вы внезапно остановите это движение — например, быстро закрыв клапан — всему этому импульсу некуда деваться.Поскольку вода не сжимаемая и не упругая, она не может смягчить удар. С таким же успехом можно врезать бетон в заднюю часть клапана и стенки трубы. Вместо того, чтобы поглощаться, это внезапное изменение количества движения создает всплеск давления, который распространяется по трубе в виде ударной волны. Иногда, когда вы закрываете кран или включаете стиральную машину, вы даже слышите, как эта ударная волна бьется в стены, отсюда и прозвище супергероя — Гидравлический молот.

Стук труб внутри ваших стен может показаться немного пугающим, но для трубопроводов большого диаметра, длина которых может составлять сотни километров, скачок давления из-за изменения импульса может вызвать серьезные повреждения.Давайте быстро посчитаем: если у вас есть трубопровод, по которому вода идет диаметром 1 метр и проходит на 100 километров (трубопровод довольно среднего размера), масса воды в трубе составляет около 80 миллионов килограммов. Это много килограммов. Фактически, это около 10 товарных поездов. Представьте, что вы оператор в конце этого трубопровода, отвечающий за закрытие клапана. Если вы закроете его за короткий промежуток времени, вы фактически врежете эти поезда в кирпичную стену. И скачок давления, возникающий в результате такого внезапного изменения импульса, может привести к разрыву трубы или серьезному повреждению других частей системы.На самом деле есть еще один термин, когда большой скачок давления разрывает герметичный контейнер: бомба. Не менее опасным может быть и гидравлический удар. Итак, как инженеры проектируют трубопроводные системы, чтобы избежать этого состояния? Давайте построим модельный конвейер и узнаем. [Строительный монтаж].

Вот моя установка. У меня около 30 метров трубы из ПВХ, подключенной к воде с одного конца и клапана с другого. У меня также есть аналоговый и цифровой манометр, чтобы мы могли видеть, как изменяется давление, и чистый участок трубы на случай, если там произойдет что-нибудь интересное.Я имею в виду захватывающее гражданское строительство, а не настоящее захватывающее. Смотри, что происходит, когда я закрываю этот клапан. Со стороны это не так уж и много, но давайте посмотрим на данные манометра. Давление возрастает до более чем 2000 килопаскалей или 300 фунтов на квадратный дюйм. Это примерно в 5 раз больше статического давления воды. Недостаточно сломать трубу, но более чем достаточно, чтобы сломать этот манометр. Вы можете понять, почему проектирование трубопровода или трубопроводной сети может быть немного сложнее, чем кажется. Эти скачки давления могут проходить через систему сложным образом.Но мы можем использовать эту простую демонстрацию, чтобы показать несколько способов, с помощью которых инженеры уменьшают потенциальный ущерб от гидравлического удара.

Это уравнение для профиля давления импульса гидроудара. Мы не собираемся здесь делать никаких расчетов, но члены этого уравнения показывают параметры, которые можно отрегулировать, чтобы уменьшить эти разрушающие силы. И первое очевидно: это скорость, с которой жидкость движется по трубе. Уменьшение этого — один из самых простых способов уменьшить эффект гидроудара.Скорость — это функция расхода и размера трубы. Если вы проектируете трубопровод, скорость потока может быть фиксированной, поэтому вы можете увеличить размер трубы, чтобы уменьшить скорость. Труба меньшего размера может быть менее дорогой, но скорость потока будет выше, что может вызвать проблемы с гидроударом. В этом случае размер моей трубы фиксированный, но я могу уменьшить расход, чтобы ограничить скорость. Каждый раз, когда я уменьшаю скорость и закрываю клапан, всплеск давления уменьшается.

Затем вы можете увеличить время, в течение которого происходит изменение импульса.Одним из распространенных примеров этого является добавление маховиков к насосам, чтобы они замедляли вращение, а не останавливались внезапно. Другой пример — более медленное закрытие клапанов. Если я осторожно закрываю клапан, а не позволяю ему закрыться со щелчком, изменения давления будут более тонкими. На крупных трубопроводах инженеры проектируют компоненты и разрабатывают требования к эксплуатации оборудования. Это почти всегда будет включать правила того, как быстро можно открывать или закрывать клапаны, чтобы избежать проблем с гидравлическим ударом.

Последний параметр, который мы можем настроить, — это скорость звука в жидкости, также известная как скорость волны. Это описывает, насколько быстро волна давления может распространяться по трубе. Скорость волны является косвенным показателем эластичности системы и может зависеть от сжимаемости жидкости, материала трубы и даже от того, зарыта ли она в землю. В очень жесткой системе волны давления могут легко отражаться без особого затухания. У меня есть гибкая труба из ПВХ, которая стоит на земле и может свободно двигаться, что уже помогает уменьшить силу гидравлического удара.Я могу еще больше увеличить гибкость, добавив антипомпажное устройство. У него есть воздушный пузырь, который может поглощать некоторые удары и еще больше уменьшать скачки давления. Антипомпажные устройства очень распространены в трубопроводных системах, и они могут быть такими же простыми, как подпружиненный клапан, который открывается, если давление становится слишком высоким. В системах распределения воды для городских районов водонапорные башни помогают контролировать помпаж, позволяя свободной поверхности перемещаться вверх и вниз, поглощая внезапные изменения давления.

Сантехника — одна из малоизвестных инноваций, сделавших возможным современное общество.Когда вы используете силу воды, помещая ее в трубы, об этой силе легко забыть. Вода в ограниченном пространстве может быть твердой, как бетон, и если вы столкнетесь двумя твердыми предметами друг с другом, в конце концов что-то сломается. Если вы инженер, ваша задача — убедиться, что это не дорогостоящая инфраструктура, которую вы спроектировали. Отчасти это означает способность прогнозировать скачки давления из-за гидроудара и проектировать системы, которые могут уменьшить любой возможный ущерб, который может возникнуть. Спасибо за просмотр и дайте мне знать, что вы думаете!

Гидравлический молот — обзор

1.4.3 УДАРНЫЕ ВОЛНЫ В ЖИДКОСТИ

Жидкости долгое время считались несжимаемыми веществами, пока Кантон (1762) впервые не продемонстрировал их очень низкую сжимаемость. В физике ударных волн жидкости и газы рассматриваются как сжимаемые жидкости. Жидкости, однако, гораздо труднее сжимать, чем газы, и, как следствие, типичные свойства ударных волн, такие как эффект увеличения крутизны волны и сверхзвуковое распространение, четко наблюдаются только при значительно более высоких ударных давлениях. Кроме того, ударно-сжатые жидкости могут проявлять необычные свойства (высокая вязкость, фазовые превращения) и вызывать сложные побочные эффекты (кавитация).Ударные волны в жидкостях, особенно в воде, практически не рассматривались до начала Первой мировой войны. Однако здесь следует выделить несколько замечательных вкладов, более подробно описанных в «Хронологии».

Гидравлический удар, крутая волна давления, которая ощущается как резкий удар, подобный молотку, вызывается внезапным замедлением или ускорением потока в длинной трубе, например, когда клапан закрывается достаточно быстро. Монгольфье и Арган (1796) успешно применили это явление при создании гидравлического насоса, который они назвали «гидроцилиндром» [ bélier hydraulique ].Однако, как правило, этот эффект вреден для трубопроводных систем, потому что импульс давления может распространяться в отдаленные районы и разрушать трубы, клапаны и другие установки. Карелькич и Жуковский (1898–1900) в Москве первыми с научной точки зрения рассмотрели проблему гидроудара или гидравлических ударов в водопроводных сетях. На рубеже 20-го века эта проблема стала важной и в других странах, когда пришлось строить большие водопроводные системы, чтобы удовлетворить растущие потребности в воде быстрорастущих городских сообществ.Гидравлический удар также может быть вызван ударом объекта и проникновением в жидкость, и в этой модификации, вероятно, это был самый ранний наблюдаемый эффект ударной волны в жидкости. Карре (1705) наблюдал любопытный феномен: пуля, выпущенная в деревянный ящик, наполненный водой, взорвалась. Ударная пуля, передавая воде большой импульс, генерирует ударную волну, которая разрывает стены. Начиная с первых воздушных сражений Первой мировой войны этот эффект был постоянной угрозой для военных самолетов, чьи топливные баки не могут быть полностью защищены от выстрелов. ⁹ В военных приложениях наблюдались и другие эффекты ударных волн в жидкостях. Например, Эббот в Соединенных Штатах (1881 г.) и Блохманн (1898 г.) в Германии изучали явления подводного взрыва подводных мин, которые стали предметом растущего интереса военно-морского флота с момента изобретения торпеды в 1860-х годах. Во время Второй мировой войны Соединенные Штаты и Англия активно продвигали исследования подводных взрывов. Их отчеты UNDEX, опубликованные вскоре после окончания войны, включают множество данных о явлениях подводных взрывов и их аналитическую трактовку, и даже сегодня являются богатым источником информации. ¹⁰

Водные рикошеты, теперь хорошо известное явление перкуссии, было изучено Марси (1639), который бросил камень на поверхность пруда под небольшим углом и объяснил эффект законом отражения. Это явление вызвало новый интерес с появлением гидросамолетов и необходимостью их посадки на высокой скорости или в неспокойном море. Исследования проводились в разных странах, таких как Соединенные Штаты (Фон Карман и Ваттендорф, 1929), Германия (Вагнер, 1932) и бывший Советский Союз.(Седов и Владимиров, 1942), показали, что этот эффект перескока представляет собой сложную комбинацию скольжения и периодических подпрыгиваний, которые также генерируют волны конечной амплитуды в воде.

Кавитационные повреждения были впервые обнаружены вскоре после первого использования паровых турбин. Центральное схлопывание кавитационных пузырьков, сопровождающееся выбросом ударных волн, приводит к разрушению материала. В начале эры паровых турбин в 1880-х годах эффекты эрозии, вызванные кавитацией, наблюдались не только на концах лопастей турбинных колес, но также и на морских гребных винтах, которые первоначально приводились в действие на очень высоких оборотах, чтобы избежать потерь, связанных с высоким редуктором между турбина и пропеллер.Исследования явлений кавитации были начаты как с инженерной (Торникрофт и Барнаби, 1895; Кук, 1928), так и с научной точки зрения (Лорд Рэлей, 1917; Прандтль, 1925; Жуге, 1927; Акерет, 1938). Кавитация и связанные с ней эффекты ударного давления теперь могут возникать в очень широком пространственно-временном диапазоне, от метров / миллисекунд до нанометров / фемтосекунд. Примером верхнего предела является газовая сфера подводного взрыва, которую можно рассматривать как один огромный пузырь.Примером нижнего предела или микрокавитации является облучение биологической ткани фемтосекундными лазерными импульсами, что приводит к ультракоротким ударным импульсам (эффект фотодеструкции ).