Що таке гідравлічний удар? Причини гідравлічного удару в трубах

Гідравлічний удар в трубопроводах являє собою виникає миттєво стрибок тиску. Перепад пов`язаний з різкою зміною в швидкості руху водного потоку. Далі докладніше дізнаємося, як виникає гідравлічний удар в трубопроводах.

Основна помилка

Помилково вважається гідравлічним ударом результат заповнення рідиною надпоршневого простору в двигуні відповідної конфігурації (поршневому). Внаслідок цього поршень не доходить до мертвої точки і починає стиск води. Це, в свою чергу, призводить до поломки двигуна. Зокрема, до зламу штока або шатуна, обриву шпильок в головці циліндра, розривів прокладок.

Класифікація

У відповідності з напрямком стрибка тиску гідравлічний удар може бути:

• Позитивним. У цьому випадку підвищення тиску відбувається внаслідок різкого включення насоса або перекриття труби.
• Негативним. У даному випадку мова йде про падіння тиску в результаті відкриття заслінки або вимкнення насоса.

Відповідно з часом поширення хвилі і періодом перекриття засувки (або іншої запірної арматури), протягом якого утворився гідравлічний удар в трубах, його поділяють на:

• Прямий (повний).
• Непрямий (неповний).

У першому випадку фронт утворилася хвилі рухається в бік, зворотний початкового напрямку водяного потоку. Подальший рух буде залежати від елементів трубопроводу, які розташовуються до закритої засувки. Цілком імовірно, що фронт хвилі пройде неодноразово пряме і зворотне напрямок. При неповному гідравлічному ударі потік не тільки може почати рухатися в інший бік, але і частково пройти далі через засувку, якщо вона закрита не до кінця.

Наслідки

Найнебезпечнішим вважається позитивний гідравлічний удар в системі опалення або водопостачання. При занадто високому стрибку тиску може пошкодитися магістраль. Зокрема, на трубах виникають поздовжні тріщини, що призводить згодом до розколу, порушення герметичності в запірній арматурі. Через ці збоїв починає виходити з ладу водопровідне обладнання: теплообмінники, насоси. У зв`язку з цим гідравлічний удар необхідно запобігати або знижувати його силу. Тиск води стає максимальним в процесі гальмування потоку при переході всієї кінетичної енергії в роботу по розтягуванню стінок магістралі і стиснення стовпа рідини.

Дослідження

Експериментально і теоретично вивчав явище в 1899 р Микола Жуковський. Дослідником були виявлені причини гідравлічного удару. Явище пов`язане з тим, що в процесі закриття магістралі, по якій йде потік рідини, або при її швидкому закритті (при приєднанні тупикового каналу з джерелом гідравлічної енергії), формується різка зміна тиску і швидкості води. Воно не одночасно по всьому трубопроводу. Якщо в даному випадку зробити певні вимірювання, то можна виявити, що зміна швидкості відбувається за напрямком і величиною, а тиску - як у бік зниження, так і збільшення щодо вихідного. Все це означає, що в магістралі має місце коливальний процес. Він характеризується періодичним зниженням і підвищенням тиску. Весь цей процес відрізняється швидкоплинністю і обумовлюється пружними деформаціями самої рідини і стінок труби. Жуковським було доведено, що швидкість, з якою здійснюється поширення хвилі, знаходиться в прямій пропорційній залежності від стисливості води. Також значення має величина деформації стінок труби. Вона визначається модулем пружності матеріалу. Швидкість хвилі залежить і від діаметра трубопроводу. Різкий стрибок тиску не може виникнути в магістралі, наповненої газом, оскільки він досить легко стискається.

Хід процесу

В автономній системі водяного постачання, наприклад заміського будинку, для створення тиску в магістралі може використовуватися свердловинний насос. Гідравлічний удар виникає при раптовому припиненні споживання рідини - при перекритті крана. Водяний потік, що здійснював рух по магістралі, нездатний зупинятися миттєво. Стовп рідини по інерції врізається в водопровідний "тупик", який утворився при закритті крана. Від гідравлічного удару реле в даному випадку не рятує. Воно тільки лише реагує на стрибок, відключаючи насос після того, як буде перекритий кран, а тиск перевищить максимальне значення. Вимикання, як і зупинка водяного потоку, що не здійснюється миттєво.

Приклади

Можна розглянути трубопровід з постійним натиском і рухом рідини, які мають постійний характер, в якому був різко закритий клапан або раптово перекрита засувка. У скважинной системі водопостачання, як правило, гідравлічний удар виникає у випадку, коли зворотний затворний елемент розташовується вище, ніж статичний рівень води (на 9 метрів і більше), або має витік, в той час як знаходиться вище наступний клапан утримує тиск. І в тому, і в іншому випадку має місце часткове розрядження. У наступному пуску насоса протікає з високою швидкістю вода заповнюватиме вакуум. Рідина соударяющихся із закритим зворотним клапаном і потоком над ним, провокуючи стрибок тиску. У результаті відбувається гідроудар. Він сприяє не тільки утворення тріщин і руйнування з`єднань. При виникненні стрибка тиску пошкоджується насос або електродвигун (а іноді й обидва елементи відразу). Таке явище може виникнути в системах об`ємного гідравлічного приводу, коли застосовується золотниковий розподільник. При перекритті золотником одного з каналів нагнітання рідини виникають процеси, описані вище.

Захист від гідравлічних ударів

Сила стрибка буде залежати від швидкості потоку до і після перекриття магістралі. Чим інтенсивніше рух, тим сильніше удар при раптовій зупинці. Швидкість самого потоку буде залежати від діаметра магістралі. Чим більше перетин, тим слабкіше рух рідини. З цього можна зробити висновок про те, що використання великих трубопроводів знижує ймовірність гідроудару або послаблює його. Ще один спосіб полягає в збільшенні тривалості перекриття водопроводу або включення насоса. Для здійснення поступового перекриття труби використовуються запірні елементи вентильного типу. Спеціально для насосів застосовуються комплекти по плавному пуску. Вони дозволяють не тільки уникнути гідроудару в процесі включення, але й істотно збільшують експлуатаційний термін насоса.

Компенсатори

Третій варіант захисту передбачає застосування демпферного пристрою. Воно являє собою мембранний розширювальний бак, який здатний "гасити" виникають стрибки тиску. Компенсатори гідравлічного удару працюють за певним принципом. Він полягає в тому, що в процесі збільшення тиску відбувається переміщення поршня рідиною і стиснення пружного елемента (пружини або повітря). В результаті ударний процес трансформується в коливальний. Завдяки розсіюванню енергії останній затухає досить швидко без істотного підвищення тиску. Компенсатор застосовують в лінії наповнення. Його заряджають стисненим повітрям при тиску 0,8-1,0 МПа. Розрахунок проводиться наближено, відповідно до умов поглинання енергії рушійного стовпа води від наповнювального бака або акумулятора до компенсатора.