Гидравлический удар представляет собой явление повышения давления жидкости в системе, вызванное крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Чаще всего причинами возникновения гидроудара являются быстрое закрытие или открытие трубопроводной арматуры, а также остановка, пуск или изменение режима работы насосов. Есть и другие причины, но они не столь часты.
Возникновение в трубопроводе гидравлического удара влечет за собой разрушение трубопроводов, арматуры, насосов и оборудования, образование усталостных трещин и загрязнение окружающей среды.
Для вычисления повышения давления при гидроударе используется формула Н.Е. Жуковского:
- ρ — плотность жидкости, кг/м 3 ;
- с — скорость фронта ударной волны м/с;
- ∆v — изменение скорости жидкости при гидравлическом ударе, м/с.
Скорость фронта ударной волны:
- Ес — модуль упругости жидкости, кгс /см²;
- Ет — модуль упругости трубопровода, кгс/см²;
- t — толщина стенок трубопровода, м;
- DN — условный диаметр трубопровода, м;
Рис. 1. Зависимость повышения давления в следствие гидроудара от различных параметров.
В качестве примера произведем расчет гидроудара. Исходные данные: вода движется со скоростью 2 м/c по стальному трубопроводу с условным диаметром 500 мм с толщиной стенки 12 мм и длиной 3500 м.
Скорость фронта ударной волны
Увеличение давления при гидроударе
Максимально допустимое время реакции клапана
Таким образом, из расчетов можно сделать вывод, что из-за резкого закрытия задвижки возникает гидроудар, в результате которого развивается ударная волна, движущаяся со скоростью почти 1200 м/с, давление в трубопроводе возрастает на 23,7 бар — и все это происходит почти за 2 с.
Для предотвращения гидроудара применяют ряд методов:
- обеспечение плавного открытия или закрытия запорной арматуры;
- увеличение диаметра трубопровода;
- снижение скорости потока среды;
- обеспечение плавного пуска и остановки насосов;
- использование системы защиты от гидравлических ударов;
- удаление газов из трубопроводов.
Указанные методы активно используются производителями оборудования для систем гашения гидроударов.
Наиболее часто возникающая неисправность в системах перекачивания жидкости — включение насоса при закрытой магистральной задвижке. В этом случае давление очень быстро повышается и происходит разрушение или выход из строя составляющих элементов трубопровода.
Для предотвращения аварии используется предохранительный клапан на воду, выполняющий аварийный сброс давления, модели «Гранрег» КАТ10/04, КАТ11/04, «Прегран» КПП. Такие клапаны предотвращают повышение давления, которое происходит при запуске насоса, быстром закрытии крана или задвижки или других действиях, приводящих к резкому скачку давления. Клапаны монтируются на отводе от трубопровода, сбрасывая излишнее давление в атмосферу или резервуар. Когда давление превышает безопасный уровень, клапан открывается сразу же. При нормализации давления запорный орган в клапане медленно закрывается.
Рис. 2. Пример установки клапана быстрого сброса давления.
Вторая частая причина аварий — резкий, незапланированный стоп работающего насоса. При этом в системе сначала возникает разрежение, затем возникает обратный гидроудар. В данном случае помогает установка клапана модели «Гранрег» КАТ10/13 или КАТ11/13. Управление выполняется двумя регуляторами, на которых выставляется нижний и верхний порог срабатывания.
Клапан приводится в действие давлением воды в линии. Устанавливается на отводе от трубопровода, после обратного клапана, рядом с насосами. Регулятор срабатывает немедленно, когда давление в трубопроводе падает ниже статического уровня.
Когда обратный поток достигает насоса, регулятор уже полностью открыт, поток сбрасывается через него, и всплеск давления ограничивается до безопасной величины. После этого регулятор медленно закрывается, предотвращая опорожнение трубопровода. Клапан также немедленно полностью открывается, когда давление превышает безопасный уровень, и медленно закрывается при падении давления в сети до нормального уровня.
Рис. 3. Пример установки клапана для предотвращения гидроудара.
Использование предохранительных клапанов позволяет увеличить сроки безаварийной работы трубопроводов за счет исключения возникновения гидроударов и сброса давления в системе при его повышении до критических значений. Использование коррозионностойких материалов для изготовления корпуса, запорного элемента и уплотнений также способствует увеличению срока службы.
Из характерных достоинств, которыми отличаются предохранительные клапана можно отметить:
- простую и надежную конструкцию;
- простоту монтажа и обслуживания оборудования;
- низкие значения местных сопротивлений;
- высокую пропускную способность.
Для обеспечения плавного пуска и остановки насосов в современных системах используются специальные клапаны с пилотным управлением для управления насосами — «Гранрег» КАТ10/11, 10/12, 11/11, 11/12. Принцип действия таких клапанов достаточно прост. Управление работой подобного оборудования осуществляется при помощи электрических сигналов.
При пуске насоса клапан плавно приоткрывается. Останов вызывает плавное закрытие.
Рис. 4. Клапан для управления насосами «Гранрег» КАТ10/11 (слева) и клапан для управления глубинными насосами «Гранрег» КАТ10/12 (справа).
Существуют специальные опции для подобных клапанов, которые позволяют увеличить время открытия/закрытия клапана, обеспечивая таким образом плавное регулирование внутрисетевого давления.
Еще одной из причин возникновения гидроударов в трубопроводе могут служить воздушные пробки. Для удаления газов из трубопроводов используются воздушные клапаны (воздухоотводчики). Воздушные клапаны эффективны и важны для предотвращения возникновения давления ниже атмосферного в трубопроводах.
Стандартный автоматический воздушный клапан отводит газы из системы, образующиеся в процессе ее работы. Кроме того, следует понимать, что если у потока воды при движении по трубопроводу не возникает никаких преград, то скорость потока достигает большого значения. И если воздушный клапан неожиданно закроется, это приведет к мгновенной остановке водного потока. Внезапная остановка водяного потока превратит кинетическую энергию в энергетическое давление, что может вызвать гидроудар.
Рис. 5. Клапан воздушный кинетический с устройством защиты от гидроудара.
Воздушный клапан с функцией защиты от гидроудара серии «Гранрег» КАТ50–53 позволит предотвратить данный эффект.
Благодаря ограничению скорости потока воздуха, между потоком воды и непосредственно воздушным клапаном будет создаваться воздушная подушка, которая замедлит поток воды и предотвратит развитие гидроудара.
Способы борьбы с гидроударами не ограничиваются применением оборудования, рассматриваемого в данной статье. Для того, чтобы корректно подобрать оборудование, смодулировать систему и определить, в каких точках может возникнуть гидроудар, необходимо тщательно проанализировать состав системы, а так же режимы ее работы. В случае возникновения вопросов по подбору регулирующей арматуры просьба обращаться к инженерам отдела регулирующей арматуры компании АДЛ.
Гидравлический удар: что это такое и как с этим бороться
30.11.2021 Гидравлический удар – это явление, представляющее собой кратковременное, но резкое и сильное изменение (повышение или понижение) давления в трубопроводе при внезапном изменении скорости движения (торможение или ускорение) потока рабочей среды (жидкости), транспортируемой по трубопроводной системе. Дословное описание гидравлического удара в Политехническом словаре 1957 года звучит так: "Гидравлический удар – сложный комплекс явлений, происходящих в жидкостях при резком изменении её скорости.
Возникает в движущейся жидкости при быстром перекрытии трубопровода каким-либо запорным устройством, при резкой остановке насоса. Существенной частью гидроудара является волновой характер изменения давления и скорости в трубопроводе". Последствия после гидроудара довольно внушительны – это разрушение трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, насосного оборудования и других элементов трубопроводной системы. Также гидроудар может привести к загрязнению окружающей среды.
Последствия от возникновения гидроудара, могут привести к значительному ущербу. Поэтому необходимо принимать все меры для предотвращения резкого изменения давления в трубопроводах.
Гидравлический удар подразделяется на два типа, в зависимости от того, повышается или понижается давление в трубопроводе:
- Положительный – при быстром повышении давления в трубопроводе. Это может произойти, при быстром закрытии запорной арматуры или при включении насосного оборудования.
- Отрицательный – при резком понижении давления в трубопроводе, которое возникает при открытии запорной арматуры (задвижка, кран, вентиль) или отключении насосного оборудования.
Причины возникновения гидроудара
Гидроудары возникают в основном из-за следующих причин:
- Изменение скорости потока рабочей среды возникает из-за резкого открывания или закрывания вентилей, задвижек и прочей запорной арматуры;
- Включение или отключение насосов может повлечь резкое изменение давления в трубопроводе;
- Наличие резких перепадов сечения труб в системе Влечет за собой возникновение гидроудара;
- Воздушные пробки, возникающие в системе водопровода или отопления, противоположно направленный поток рабочей среды и прочие преграды в трубопроводе тоже являются причиной гидроудара.
В основном гидравлический удар в трубопроводе возникает, когда трубопроводная арматура резко закрывается. При постоянном потоке воды в трубопроводе и давление постоянно. Но, как только происходит резкое перекрытие потока рабочей среды, давление на стенки трубопровода увеличивается в несколько раз. В итоге могут лопнуть трубы или повредиться прокладки в местах присоединения труб и трубопроводной арматуры.
При резком открывании арматуры рабочая среда с большим ускорением устремляется в область с более низким давлением, которая находится за открытой арматурой. В данной ситуации опасности подвергаются места, находящиеся после запорного оборудования.
Способы защиты от гидроудара
Чтобы свести к минимуму вероятность возникновения гидроудара необходимо соблюдать правила монтажа водопроводных и отопительных коммуникаций. Но, только этого недостаточно. Для более полной уверенности необходим комплексный подход, соблюдение правил безопасности и технических инструкций.
Проще говоря, чтобы защитить трубопроводные системы от гидроудара необходимо:
- Плавно закрывать и открывать запорную арматуру.
При плавном закрывании крана давление в трубопроводе будет постепенно выравниваться. Ударная волна, возникающая при этом процессе будет иметь незначительную силу, и следовательно, мощность гидравлического удара будет минимальной. Плавное открывание и закрывание запорной арматуры необходимо выполнять не только на промышленных объектах, но когда запускается водоснабжение и отопление в частном доме.
- Использовать в системе амортизирующее устройство.
Такое устройство представляет из себя отрезок трубы из эластичного пластика либо каучука, которым заменяется часть жёсткой трубы. Монтируется оно перед термостатом по направлению движения рабочей жидкости. В случае возникновения гидравлического удара происходит растяжение стенок эластичного отрезка трубы, и сила гидроудара значительно гасится.
- Использовать гидроаккумуляторы и демпферные устройства.
Гидравлический аккумулятор применяется для поддержания стабильного давления жидкости в трубопроводной системе. Такие устройства выполнены в виде металлического герметичного бака с расположенными внутри эластичной мембраной и воздушным клапаном. В момент возникновения гидроудара, эластичная мембрана перемещается — это позволяет вместить излишек жидкости. Когда давление нормализуется, уменьшается, то мембрана возвращается в исходное положение под воздействием воздуха, расположенного с обратной стороны.
- Применять автоматику насосного оборудования и запорной арматуры.
Специальные регуляторы, частотные преобразователи и прочие подобные приборы позволяют плавно регулировать снижение или увеличение скорости вращения насосных валов, которые влияют на скорость движения рабочей среды. Это позволяет уменьшить силу воздействия и снизить риск появления гидроударов. Чтобы обеспечить плавный пуск и остановку насосов в современных системах применяются специальные клапаны, работающие под управлением электричества.
Также запорная арматура может закрываться автоматически, поэтому применяются автоматические устройства плавного открытия и закрытия арматуры. Конечно вся эта электроника позволяет исключить человеческий фактор, но ставит всю систему в зависимость от электричества. Такие системы необходимо оборудовать резервным источником электроэнергии.
- Использовать байпас.
Байпас — это дополнительный участок трубопровода, который монтируется в качестве обходного канала и служит для регулирования пропускной способности трубопроводной системы.
- Применять защитный (предохранительный) клапан.
Защитный клапан реагирует на скачки давления и предохраняет систему от гидроударов. Принцип работы таких устройств достаточно прост. Как только давление рабочей среды в местах установки клапанов превышает допустимое, то клапан сразу открывается и происходит сброс давления. Как только давление уменьшается и приходит в норму – клапан закрывается.
Также эти клапаны надо устанавливать рядом с насосом. Предохранительный клапан защищает насосное оборудование в случае непредвиденной остановки в момент отключения электричества.
- Применять воздушные клапаны (воздухоотводчики).
Данные устройства необходимы для успешной борьбы с воздушными пробками, которые являются одной из причин возникновения гидравлических ударов. Воздушные клапаны отводят газы из трубопроводной системы, образовавшиеся в процессе работы.
- Использовать трубы большего диаметра.
Скорость движения рабочей среды в трубопроводе большего диаметра меньше, чем в трубах с маленьким диаметром. Следовательно, уменьшается возможность возникновения гидроудара. Однако, этот способ гораздо затратнее, так как стоимость труб большего диаметра гораздо выше.
Чтобы избежать последствий, возникающих после гидроударов, необходимо выполнять все рекомендации специалистов. Тем самым защитить всю трубопроводную систему от возникновения гидравлических ударов. Это позволит обеспечить бесперебойную и эффективную работу системы на протяжении длительного времени.