Гидравлический удар
Гидравлический удар – это скачек давления жидкости в напорном трубопроводе, возникающий при резком изменении скорости потока. Гидравлический удар может возникать вследствие резкого закрытия или открытия задвижки. В случае резкого закрытия задвижки гидроудар называют положительным, в случае открытия — отрицательным. Особо опасен положительный гидроудар. Вот о том, что представляет собой гидравлический удар и какие существуют способы борьбы с ним, мы и поговорим в этой статье.
Гидравлический удар представляет собой быстротечное чередование «скачков» и «провалов» давления, сопровождающееся деформацией жидкости и стенок трубы, а также характерным звуковым эффектом. При слабом гидравлическом ударе звук проявляется в виде металлических щелчков, но даже в этом случае давление в трубопроводе может возрастать весьма значительно.
Как появляется гидравлический удар
Появление и течение гидравлического удара показаны на рисунках ниже. Предположим, что на конце квартирного водопровода, присоединенного к домовому стояку, установлен однорычажный смеситель. Такие смесители позволяют быстро перекрывать поток воды в трубопроводе.
Пока кран открыт (см. рис. 1), жидкость движется по квартирному трубопроводу со скоростью «ν». При этом в стояке и квартирном трубопроводе давление одинаковое (p).
При резком закрытии крана происходят следующие процессы:
При перекрытии крана происходит резкое торможение потока (см. рис. 2). Кинетическая энергия потока начинает деформировать стенки трубы, в результате чего стенки трубы начинают растягиваться, а жидкость сжиматься. Это ведет к увеличению давления на величину Δp (ударное давление). Зона, в которой произошло увеличение давления называется зоной сжатия ударной волной, а ее крайнее сечение называется фронтом ударной волны. Фронт ударной волны начинает распространяться в сторону стояка со скоростью «с». Стоит отметить, что допущение о несжимаемости воды, принимаемое при гидравлических расчетах, в данном случае не применяется, так как сжимаемая жидкость, имеет коэффициент объемного сжатия 4,9х10-10 (1 Па). То есть при давлении 20 400 бар (2040 МПа) объем воды уменьшается в два раза.
Когда фронт ударной волны дойдет до стояка, вся жидкость в квартирном трубопроводе окажется сжатой, а стенки квартирного трубопровода – растянутыми (см. рис. 3).
В домовом стояке объем жидкости гораздо больше, чем в квартирной разводке, поэтому, когда фронт ударной волны доходит до стояка, избыточное давление жидкости большей частью сглаживается за счет расширения сечения и включения в работу общего объема жидкости в домовой системе (см. рис. 4).
Далее давление в квартирном трубопроводе начинает выравниваться с давлением в стояке. При этом квартирный водопровод, за счет упругости материала стенок, восстанавливает свое сечение, сжимая жидкость и выдавливая ее в стояк. Зона снятия деформации со стенок трубопровода распространяется к крану со скоростью «с».
Когда давление в квартирном водопроводе будет равно начальному (см. рис. 5), так же, как и скорость жидкости, направление потока будет обратное («нулевая точка»).
Теперь жидкость в водопроводе со скоростью «ν» стремится «оторваться» от крана (см. рис. 6). Возникает «зона разряжения ударной волны». В зоне разряжения скорость потока нулевая, а давление жидкости становится ниже начального, что приводит к сжатию стенок трубы (уменьшению диаметра). Фронт зоны разряжения передвигается к стояку со скоростью «с».
При значительной начальной скорости потока разряжение в трубе может привести к снижению давления ниже атмосферного, а также к нарушению неразрывности потока (кавитации). В этом случае в трубопроводе около крана появляется кавитационный пузырь, схлопывание которого приводит к тому, что давление жидкости в зоне отраженной ударной волны становится больше, чем этот же показатель в прямой ударной волне.
Когда фронт сжатия ударной волны достигнет стояка скорость потока в квартирном водопроводе станет нулевой, а давление жидкости – ниже первоначального и ниже, чем давление в стояке. Стенки трубопровода сожмутся (см. рис. 7).
Перепад давления между жидкостью в стояке и квартирным водопроводом вызывает поступление жидкости в квартирный водопровод и выравнивание давления до начального значения (см. рис. 8). В связи с этим стенки трубы также начинают приобретать первоначальные очертания. Далее образовывается отраженная ударная волна, и циклы снова повторяются до полного угасания колебаний. При этом промежуток времени, в течение которого проходят все стадии и циклы гидравлического удара, не превышает, как правило, 0,001–0,06 с. Количество циклов может быть различным и зависит от характеристик системы.
Развитие гидравлического удара можно посмотреть на рисунке выше. График «а» показывает развитие гидравлического удара, когда давление жидкости в зоне разряжения ударной волны не падает ниже атмосферного (линия 0).
На графике «б» показана ударная волна, зона разряжения которой находится ниже атмосферного давления, но гидравлическое постоянство среды не нарушается. В этом случае давление жидкости в зоне разряжения ниже атмосферного, но эффект кавитации не наблюдается.
На графике «в» отображон случай, когда нарушается гидравлическое постоянство потока, то есть образуется кавитационная зона, последующее схлопывание которой приводит к возрастанию давления в отраженной ударной волне.
Разновидности гидравлических ударов
В зависимости от скорости, с которой происходит закрытие смесителя на водопроводе, гидравлический удар может быть прямым и непрямым.
Прямым называется гидравлический удар, при котором перекрытие потока происходит за время меньшее, чем период удара, то есть выполняется условие:
Т3 ≤ 2L/c,
где:
Т3 – время закрытия запорного органа, с;
L – длина трубопровода от запорного устройства до точки, в которой поддерживается постоянное давление (в квартире – до стояка), м;
с – скорость ударной волны, м/с.
В другом случае гидравлический удар называется непрямым. В случае непрямого гидравлического удара скачок давления значительно меньше, так как часть энергии потока демпфируется частичной утечкой через смеситель.
От того как перекрыт поток, гидравлический удар может быть полным и неполным. Полным является гидравлический удар, при котором смеситель полностью перекрыл поток. Если поток перекрыт не полностью и часть потока продолжает протекать через смеситель, то гидравлический удар будет неполным. В таком случае расчетная скоростью для определения величины гидравлического удара рассчитывается как разница скоростей потока до и после перекрытия. Величину повышения давления при прямом полном гидравлическом ударе можно определить по формуле Н.Е. Жуковского:
Δp = ρ · ν · c Па,
где:
ρ – плотность транспортируемой жидкости, кг/м3;
ν – скорость транспортируемой жидкости до момента внезапного торможения, м/с;
с – скорость распространения ударной волны, м/с.
Скорость распространения ударной волны с определяется по формуле:
где:
c0 — скорость распространения звука в жидкости (для воды – 1425 м/с, для других жидкостей можно принимать по таблице «Характеристики жидкостей» );
D – диаметр трубопровода, м;
δ – толщина стенки трубы, м;
Еж – объемный модуль упругости жидкости (можно принимать по таблице «Характеристики материалов стенок труб» ), Па;
Ест – модуль упругости материала стенок трубы, Па (можно принимать по таблице «Повышение давление при гидравлическом ударе при скорости потока 3 м/с» ).
Характеристики жидкостей
Характеристики материалов стенок труб
Если учесть, что скорость движения воды в квартирных системах не должна превышать 3 м/с, согласно п.7.6. СНиП 2.04.01, то для трубопроводов из различных материалов можно вычислить величину повышения давления при возможном прямом полном гидравлическом ударе. Такие сводные данные по некоторым трубам представлены в таблице «Характеристики материалов стенок труб».
Повышение давление при гидравлическом ударе при скорости потока 3 м/с
При непрямом гидравлическом ударе повышение давления рассчитывается по формуле:
В таблице «Длина участка прямого удара для водозапорной арматуры» приведено среднее время срабатывания основной квартирной арматуры. Для каждого типа этой арматуры рассчитана длина трубопровода, более которой гидравлический удар перестает быть прямым.
Длина участка прямого удара для водозапорной арматуры
Последствия гидравлического удара
Конечно же, в квартирных сетях возникновение гидравлических ударов не влечет таких разрушительных последствий, как на магистральных трубопроводах. Однако и здесь они могут доставить массу хлопот, если не учитывать возможность их появления.
Периодически повторяющиеся гидравлические удары в квартирной водопроводной сети могут стать причиной следующих последствий:
Сокращение срока службы водопроводов. Нормативный срок службы внутренних водопроводов определяется по совокупности характеристик (температура, давление, время), в которых эксплуатируется труба. Даже кратковременные, но часто повторяющиеся, скачки и провалы давления, происходящие при гидравлическом ударе, существенно искажают картину эксплуатационного режима водопровода, сокращая срок его безаварийной эксплуатации. В большей степени это относится к полимерным и многослойным трубам.
Выдавливание прокладок и уплотнителей в арматуре и соединителях трубопроводов. Этому подвержены такие элементы, как поршневые редукторы давления, шаровые краны, вентили и смесители с резиновыми сальниковыми кольцами, уплотнительные кольца обжимных и пресс-соединителей, а также кольца полусгонов («американок»). В квартирных водосчетчиках выдавливание уплотнительного кольца между измерительной камерой и счетным механизмом может привести к попаданию воды в счетный механизм.
Даже однократный гидравлический удар может полностью вывести из строя контрольно-измерительные приборы, установленные в квартире. Например, изгиб стрелки манометра от взаимодействия с ограничительным штифтом – явный признак имевшего место гидравлического удара.
Каждый гидравлический удар в квартирном трубопроводе из полимерных материалов, выполненном на обжимных, прессовых или надвижных соединителях, неизбежно приводит к микроскопическому «сползанию» соединителя с трубопровода. В конце концов, может наступить момент, когда очередной гидроудар станет критическим и труба полностью вылезет из соединителя.
Кавитационные явления, которые могут сопровождать гидравлический удар, нередко являются причиной появления каверн в золотнике и корпусе запорной арматуры. Схлопывание вакуумных пузырьков при кавитации просто «выгрызает» куски металла с поверхности, на которой они образуются. В результате золотник перестает выполнять свою функцию, из-за нарушения герметичности запорного элемента. Да и корпус такой арматуры очень быстро выйдет из строя.
Особую опасность для квартирных трубопроводов, выполненных из многослойных труб, представляет зона разряжения ударной волны при гидравлическом ударе. При клеевом слое низкого качества или наличии непроклеенных участков, образующийся в трубе вакуум отрывает внутренний слой трубы, заставляя его «схлопываться.
При частичном схлопывании труба будет продолжать выполнять свою функцию, но с гораздо большим гидравлическим сопротивлением. Однако может произойти и полное схлопывание. В этом случае труба будет перекрыта своим же внутренним слоем. К сожалению, ГОСТ 53630-2009 «Трубы напорные многослойные» не требует проведения испытания образцов труб при внутреннем давлении ниже атмосферного. Но ряд производителей, зная о подобной проблеме, включают в технические условия обязательный пункт о проверке трубы под разряжением.
Еще одна опасность подстерегает при гидравлическом ударе внутренние трубопроводы горячего водоснабжения. Как известно, температура кипения воды находится в тесной зависимости от давления. Если в квартирный водопровод поступает горячая вода с температурой 70 °С, а в зоне разрежения гидравлического удара давление снижается до абсолютного значения 0,3 атм., то в этой зоне вода превратится в пар. Учитывая, что объем пара при нормальных условиях почти в 1200 раз больше объема такой же массы воды, следует ожидать, что данное явление может привести к еще большему росту давления в зоне сжатия ударной волны (см. табл. «Зависимость температуры кипения воды от давления» ).
Зависимость температуры кипения воды от давления
Защита от гидроударов
Наиболее надежным способом защиты от гидравлического удара является увеличение времени перекрытия потока. Этот способ используется на магистральных трубопроводах. Плавное закрытие задвижки не вызывает разрушительных возмущений в потоке и позволяет избавиться от необходимости установки громоздких и дорогих демпфирующих устройств.
В квартирных водопроводах такой способ не всегда работает, так как в наш обиход прочно вошли однорычажные смесители, электромагнитные клапаны бытовой техники, а также другая арматура, способная перекрыть поток в короткий промежуток времени. В связи с этим квартирные инженерные системы уже на стадии проекта должны обязательно проектироваться с учетом опасности возникновения гидравлического удара. Использование эластичных вставок, компенсационных петель и расширителей, широкого распространения не получили. В настоящее время используется специально разработанная для этой цели арматура – пневматические или пружинные гидравлические гасители.
Пневматический гаситель гидроударов
В пневматическом гасителе гидравлических ударов кинетическая энергия потока жидкости гасится энергией сжатого воздуха, давление которого изменяется по адиабате с показателем К = 1,4. Объем воздушной камеры пневматического гасителя определяется из выражения:
где:
P0 – начальное давление в воздушной камере,
Рк – конечное (предельное) давление в воздушной камере.
В приведенной формуле левая часть представляет собой выражение для кинетической энергии потока жидкости, а правая для энергии сжатия воздуха.
Параметры пружин для пружинных компенсаторов находят из выражения:
где:
Dпр – средний диаметр пружины,
I – число витков пружины,
G – модуль сдвига,
Fк – конечная сила, действующая на пружину,
F0 – начальная сила, действующая на пружину.
Бытует мнение, что обратные клапаны и редукторы давления также способны гасить гидроудары. Да, обратный клапан, действительно, отсекая часть трубопровода в момент резкого перекрытия потока, уменьшает расчетную длину трубопровода, превращая прямой удар в непрямой с меньшей энергией. Но, резко закрываясь под воздействием стадии сжатия ударной волны, клапан сам превращается в причину гидроудара в трубопроводе, расположенном до него. В стадии разряжения клапан снова открывается, причем, в зависимости от соотношения длин труб до клапана и после него, может наступить такой момент, когда ударные волны двух участков сложатся, усилив скачок давления.
Поршневые редукторы давления не могут служить гасителями гидравлических ударов в силу своей высокой инерционности. В следствие работы сил трения в уплотнителях поршней, они просто не успевают отреагировать на мгновенное изменение давления. Кроме того, такие редукторы сами нуждаются в защите от гидроударов, вызывающих выдавливание уплотнительных колец из гнезд поршней.
Частично погасить энергию гидроударов могут мембранные редукторы давления. Но они рассчитаны совсем на другое силовое воздействие, поэтому гашение частых гидроударов быстро выведет их из строя. Кроме того, резкое перекрытие редуктора при ударной волне приводит, как в случае с обратным клапаном, к возникновению ударной волны на участке до редуктора, не защищенном мембраной.
Помимо всего прочего, квартирные гасители гидравлических ударов, кроме выполнения своей основной задачи выполняют еще несколько функций, немаловажных для безопасной эксплуатации квартирных трубопроводов. Эти функции будут рассмотрены на примере мембранного гасителя гидравлических ударов, изображенного на рисунке.
Гидравлический гаситель гидроударов
Квартирный гаситель гидроударов конструктивно состоит из шаровидного корпуса, выполненного из нержавеющей стали (1), с завальцованной мембраной (2). Благодаря небольшим выпуклостям на поверхности мембраны обеспечиваются ее неплотное примыкание к корпусу и максимальная площадь контакта мембраны с транспортируемой средой. Воздушная камера гасителя находится под заводским давлением 3,5 бара, что обеспечивает защиту квартирных водопроводов, давление в которых не превышает 3 бар. Гаситель может защищать и трубопроводы с рабочим давлением до 10 бар, но в этом случае необходимо увеличить давление в воздушной камере гасителя до значения 10,5 бара. В случае, когда рабочее давление в квартирной сети ниже 3 бар, рекомендуется через ниппель (3) выпустить часть воздуха из камеры до значения Рраб + 0,5 бар.
Гидравлический гаситель способен защищать трубопроводы от гидроударов, давление при которых возрастает до 20 бар, поэтому перед его установкой необходимо проверить, какой величины гидравлический удар может произойти в конкретном квартирном трубопроводе. Расчет возможного давления при гидроударе Ргу можно рассчитать по формуле:
Отношение Eводы/Ест для трубопроводов из разных материалов принимается по таблице «Характеристики материалов стенок труб».
Защищая водопровод от гидроударов, гидравлический гаситель в силу своих конструктивных особенностей способен воспринимать излишек воды, образующийся при нагревании поступившей холодной воды в период перерыва в водопользовании. Например, если в квартиру, оборудованную на вводе редуктором или обратным клапаном поступила вода с температурой +5°С, и за ночь она нагрелась до 25°С (обычная температура воздуха в санузле), то давление в отсеченном участке трубопровода возрастет на:
ΔP = βt·Δt/βv = 0,00015 · (25 – 5) / 4,9 · 10–9 = 61,2, бара
где:
βt – коэффициент температурного расширения воды;
βv – коэффициент объемного сжатия воды (величина, обратная модулю упругости).
Формула не учитывает температурное расширение материала самой трубы, но практика показывает, что каждый градус повышения температуры воды в трубопроводе повышает давление от 2 до 2,5 бара.
Здесь и востребуется вторая функция мембранного гасителя гидравлических ударов. Приняв в себя часть воды из нагревающегося трубопровода, он избавит его от чрезмерной нагрузки и поможет избежать аварийной ситуации. В таблице «Предельная длина трубопроводов» приведены предельные длины трубопроводов, защищаемые гасителем от температурного расширения жидкости.
Предельная длина трубопроводов, защищаемых от температурного расширения (при ΔТ = 20°C)
Что касается квартирных водопроводов горячего водоснабжения, то и здесь гидравлический гаситель выполняет важную задачу по предотвращению вскипания воды в зоне разряжения ударной волны. 
Поглощая энергию гидравлического удара, гаситель ликвидирует и эту опасность.
Гаситель будет работать эффективнее если его установить непосредственно перед защищаемой арматурой. В этом случае возможность появления гидравлического удара полностью исключается.
В квартирах, где трубопроводы имеют небольшую протяженность, допускается устанавливать один гаситель на группу приборов. В этом случае следует проверить, чтобы общая длина защищаемых одним гасителем участков трубопроводов не превышала значений, изложенных в таблице «Длина защищаемых одним гасителем участков трубопроводов».
Длина защищаемых одним гасителем участков трубопроводов
В случае превышения указанных в таблице значений необходимо устанавливать несколько гидравлических гасителей. Если расчетное давление при гидравлическом ударе превышает максимально допустимое давление для данного гасителя, следует выбрать другой тип прибора с более высокими прочностными характеристиками.
В соответствии с п.7.1.4. СП 30.13330.2012 «Внутренний водопровод и канализация зданий», положения которого вступили в силу с 1 января 2013 года, конструкция водоразборной и запорной арматуры должна обеспечивать плавное открывание и закрывание потока воды. Но это требование навряд ли будет выполняться, так как торговля предлагает жильцам огромный ассортимент арматуры и приборов, в которых плавное регулирование невозможно. Учитывая это, проектные и строительные организации предусматривают в проектах установку квартирных гасителей гидравлических ударов.
В следующей статье я расскажу о манометрах давления.
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:
