Что нужно знать о гидроударе?
«Гидравлический удар», «скачок давления» или «гидроудар» (применительно к системам водоснабжения и водоотведения) — все эти термины описывают одно грозное явление, способное вызвать серьезные повреждения и даже разрушение трубопроводов и оборудования. Вопрос его предотвращения, а также минимизации возможного ущерба является насущным при проектировании и обустройстве инженерных сетей. Здесь мы рассмотрим основные понятия, связанные с явлением гидроудара, а также перечислим классические способы анализа трубопроводных систем.
Причины появления гидравлического удара
Как известно, гидравлический удар возникает, когда кинетическая энергия жидкости преобразуется в энергию упругой деформации, причем такой эффект вызывают только резкие изменения скорости потока (внезапное закрытие запорного клапана, сбой в работе насоса и т. д.). Из-за инерции скорость потока жидкости в этом случае не может адаптироваться к новым условиям, в результате чего жидкость деформируется, и этот процесс сопровождается скачками давления (развитие гидравлического удара).
В данном случае опасность в том, что скорость движения образовавшейся волны достигает скорости звука (до 1500 м/с для многих материалов труб — пластика, стали и др.) при относительно долгом сохранении исходного скачка давления. Такая волна, достигнув элементов трубопроводной системы, способна вызывать их разрушение. Падение энергии волн гидравлического удара происходит не сразу и зависит от длины трубопровода, поэтому они опасны в течение заметного времени: в городской системе водоснабжения — от нескольких секунд, в длинных трубопроводах спад пульсации давления может занять минуты.
В данном случае опасность в том, что скорость движения образовавшейся волны достигает скорости звука (до 1500 м/с для многих материалов труб — пластика, стали и др.) при относительно долгом сохранении исходного скачка давления. Такая волна, достигнув элементов трубопроводной системы, способна вызывать их разрушение. Падение энергии волн гидравлического удара происходит не сразу и зависит от длины трубопровода, поэтому они опасны в течение заметного времени: в городской системе водоснабжения — от нескольких секунд, в длинных трубопроводах спад пульсации давления может занять минуты.
Последствия гидравлического удара
Сложность борьбы с возникновением и последствиями гидравлического удара в том, что любая многокомпонентная и разветвленная трубопроводная система не может постоянно находиться в стабильном режиме — изменение условий работы практически любого ее элемента (пуск или выключение насоса, срабатывание задвижек и т. д.) изменяет условия рабочего режима всей системы. В целом, любые подобные изменения или нарушения при эксплуатации становятся причиной колебаний давления и расхода, т. е. приводят к изменяемому во времени режиму течения жидкости.
В условиях подобного неустановившегося или переходного режима гидравлический удар, под которым понимают как повышение, так и понижение давления, становится причиной дополнительного увеличения динамической нагрузки на систему трубопровода, запорные клапаны, крепежные элементы, упоры и другие компоненты системы. К сожалению, проблема осложняется тем, что ущерб от гидравлического удара не всегда сразу заметен. Зачастую последствия воздействия — например, образование трещин в трубе, ослабление или отсоединение фланцев трубы проявляются спустя долгое время. Причина повреждения в таком случае неизвестна.
В результате гидравлического удара могут возникать следующие повреждения:
При повышении давления:
❗ разрыв трубы;
❗ повреждения крепления трубы;
❗ повреждения насосов, фундаментов, фитингов и трубопроводной арматуры;
При понижении давления:
❗ смятие пластиковых и тонкостенных стальных труб;
❗ отслоение цементно-песчаной внутренней облицовки труб;
❗ подсос грязной воды или воздуха в трубопровод через фланцевые соединения или соединительные муфты, сальниковые уплотнения или места утечки;
❗ разрыв сплошности потока, за которым следуют высокие скачки давления в результате схлопывания образовавшихся паровых полостей (макрокавитация).
В условиях подобного неустановившегося или переходного режима гидравлический удар, под которым понимают как повышение, так и понижение давления, становится причиной дополнительного увеличения динамической нагрузки на систему трубопровода, запорные клапаны, крепежные элементы, упоры и другие компоненты системы. К сожалению, проблема осложняется тем, что ущерб от гидравлического удара не всегда сразу заметен. Зачастую последствия воздействия — например, образование трещин в трубе, ослабление или отсоединение фланцев трубы проявляются спустя долгое время. Причина повреждения в таком случае неизвестна.
В результате гидравлического удара могут возникать следующие повреждения:
При повышении давления:
❗ разрыв трубы;
❗ повреждения крепления трубы;
❗ повреждения насосов, фундаментов, фитингов и трубопроводной арматуры;
При понижении давления:
❗ смятие пластиковых и тонкостенных стальных труб;
❗ отслоение цементно-песчаной внутренней облицовки труб;
❗ подсос грязной воды или воздуха в трубопровод через фланцевые соединения или соединительные муфты, сальниковые уплотнения или места утечки;
❗ разрыв сплошности потока, за которым следуют высокие скачки давления в результате схлопывания образовавшихся паровых полостей (макрокавитация).
Рис. 1. Последствия гидроудара: полностью разрушенная напорная труба DN 600 мм (толщина стенок 12 мм)
Рис. 2. Последствия гидроудара: разрушенная опора трубопровода (двутавровый профиль 200 мм полностью деформирован)
Рис. 3. Последствия гидроудара: обратный клапан DN 800 мм после скачка давления в напорной трубе
Очевидно, что в условиях, когда предотвращать скачки давления при эксплуатации трубопроводной системы невозможно, для предотвращения серьезных повреждений необходимо удержание динамических изменений давления в контролируемых пределах.
Поэтому во избежание риска гидроудара для каждой гидравлической трубопроводной сети должен проводиться анализ пульсаций давления с оценкой опасности возникновения ударной волны. До недавнего времени относительно надежным способом анализа гидроудара являлся графический метод Шнайдера — Бержерона (однако его применение ограничивалось системами с одним трубопроводом), а также один из наиболее распространенных методов ручного расчета с помощью уравнения Жуковского.
Поэтому во избежание риска гидроудара для каждой гидравлической трубопроводной сети должен проводиться анализ пульсаций давления с оценкой опасности возникновения ударной волны. До недавнего времени относительно надежным способом анализа гидроудара являлся графический метод Шнайдера — Бержерона (однако его применение ограничивалось системами с одним трубопроводом), а также один из наиболее распространенных методов ручного расчета с помощью уравнения Жуковского.
Уравнение Жуковского и методы анализа гидравлической системы
После исследования трубопроводов разного диаметра системы московского водопровода в конце XIX в. русский ученый Николай Егорович Жуковский вывел формулу, позволяющую произвести расчет вызванного мгновенным изменением скорости потока Δv (м/с) перепада давления PJou (Н/м²), в жидкости:
PJou = ρaΔv, где
ρ — плотность жидкости, кг/м3;
a — скорость распространения волны в трубопроводе, заполненном жидкостью, м/с.
Данное соотношение применимо только к тому периоду времени, когда происходит изменение скорости потока. Если оно проявляется в направлении, противоположном потоку, давление будет возрастать, в противном случае — падать. Если перекачиваемая жидкость — вода, т. е. ρ = 1000 кг/м3, то уравнение Жуковского будет выглядеть так:
ΔhJou = agΔv 100Δv, где
g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения;
ΔhJou — изменение напора, м.
Уравнение Жуковского применимо лишь для следующих условий:
✅ интервалы времени равны или короче времени отражения трубопровода Tr;
✅ интервал времени находится в пределах изменения скорости Δv;
✅ потери на трение в трубах находятся в пределах, типичных для систем транспортировки воды.
Скорость распространения ударной волны является одним из аргументов уравнения Жуковского и, следовательно, важным параметром для определения интенсивности гидравлического удара, который может быть рассчитан по специальной формуле. Однако анализ гидроудара часто производится и без применения этой формулы в связи с тем, что в ней не учитывается наличие в жидкости воздуха, хотя он может оказать значительное влияние на интенсивность воздействия ударной волны: в трубопроводах питьевого водоснабжения содержание газа пренебрежимо мало, в то время как в сточных водах на канализационных насосных станциях оно значительно.
В общем, интенсивность гидроудара зависит от параметров трубопровода: переменного модуля упругости, возраста трубопровода и в особенности от способа прокладки трубы (в земле или на поверхности). Уложенный в землю трубопровод имеет намного более высокие значения показателя интенсивности гидроудара, чем труба, проложенная свободно.
В современном проектировании систем водоснабжения и водоотведения применяется метод математического моделирования гидравлического удара. Точность анализа в этом случае зависит от точности данных системы, вводимых как входные параметры. Анализ гидравлического удара обладает высокой степенью достоверности только при условии регистрации входных параметров и при соответствии компьютерной модели реальному состоянию системы. Ошибки могут возникать, если введены неточные характеристики запорного клапана или насоса, нет достаточных сведений о действительной скорости распространения ударной волны внутри трубопровода либо недостаточно информации о точках ответвления в магистральном трубопроводе.
Поскольку анализ гидравлического удара не дает рекомендаций для определения оптимальных размеров воздушного бака, настроек компрессора, характеристик перекрытия запорного клапана, размеров маховика насоса (момента инерции насосного агрегата) и т. д., проектировщику приходится самостоятельно выбирать тип устройства защиты от гидроудара и оценивать его параметры. Несмотря на использование современной компьютерной технологии, анализ до сих пор является трудоемким и затратным по времени.
Компания KSB уже долгое время является серьезным мировым научным полигоном для исследования гидравлического удара, разработки способов предупреждения его возникновения и минимизации последствий. В дальнейших статьях этого цикла мы познакомим вас с новыми методиками анализа систем трубопроводов, предложенными нашими специалистами, а также со способами борьбы с этим опасным явлением. Если у вас возникли вопросы по этой теме, наш специалист с удовольствием подключится к обсуждению!
PJou = ρaΔv, где
ρ — плотность жидкости, кг/м3;
a — скорость распространения волны в трубопроводе, заполненном жидкостью, м/с.
Данное соотношение применимо только к тому периоду времени, когда происходит изменение скорости потока. Если оно проявляется в направлении, противоположном потоку, давление будет возрастать, в противном случае — падать. Если перекачиваемая жидкость — вода, т. е. ρ = 1000 кг/м3, то уравнение Жуковского будет выглядеть так:
ΔhJou = agΔv 100Δv, где
g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения;
ΔhJou — изменение напора, м.
Уравнение Жуковского применимо лишь для следующих условий:
✅ интервалы времени равны или короче времени отражения трубопровода Tr;
✅ интервал времени находится в пределах изменения скорости Δv;
✅ потери на трение в трубах находятся в пределах, типичных для систем транспортировки воды.
Скорость распространения ударной волны является одним из аргументов уравнения Жуковского и, следовательно, важным параметром для определения интенсивности гидравлического удара, который может быть рассчитан по специальной формуле. Однако анализ гидроудара часто производится и без применения этой формулы в связи с тем, что в ней не учитывается наличие в жидкости воздуха, хотя он может оказать значительное влияние на интенсивность воздействия ударной волны: в трубопроводах питьевого водоснабжения содержание газа пренебрежимо мало, в то время как в сточных водах на канализационных насосных станциях оно значительно.
В общем, интенсивность гидроудара зависит от параметров трубопровода: переменного модуля упругости, возраста трубопровода и в особенности от способа прокладки трубы (в земле или на поверхности). Уложенный в землю трубопровод имеет намного более высокие значения показателя интенсивности гидроудара, чем труба, проложенная свободно.
В современном проектировании систем водоснабжения и водоотведения применяется метод математического моделирования гидравлического удара. Точность анализа в этом случае зависит от точности данных системы, вводимых как входные параметры. Анализ гидравлического удара обладает высокой степенью достоверности только при условии регистрации входных параметров и при соответствии компьютерной модели реальному состоянию системы. Ошибки могут возникать, если введены неточные характеристики запорного клапана или насоса, нет достаточных сведений о действительной скорости распространения ударной волны внутри трубопровода либо недостаточно информации о точках ответвления в магистральном трубопроводе.
Поскольку анализ гидравлического удара не дает рекомендаций для определения оптимальных размеров воздушного бака, настроек компрессора, характеристик перекрытия запорного клапана, размеров маховика насоса (момента инерции насосного агрегата) и т. д., проектировщику приходится самостоятельно выбирать тип устройства защиты от гидроудара и оценивать его параметры. Несмотря на использование современной компьютерной технологии, анализ до сих пор является трудоемким и затратным по времени.
Компания KSB уже долгое время является серьезным мировым научным полигоном для исследования гидравлического удара, разработки способов предупреждения его возникновения и минимизации последствий. В дальнейших статьях этого цикла мы познакомим вас с новыми методиками анализа систем трубопроводов, предложенными нашими специалистами, а также со способами борьбы с этим опасным явлением. Если у вас возникли вопросы по этой теме, наш специалист с удовольствием подключится к обсуждению!