در این مقاله میخوانید:
Toggleضربه قوچ چیست؟ محاسبات، تئوری و مفاهیم:
ضربه قوچ چیست؟ یا ضربه آبی چیست؟، تا به حال در صنعت آب و فاضلاب این کلمه به گوشتان خورده ولی احتمالاً دقیقاً نمیدانید که این اصطلاح به چه فرآیندی گفته میشود. ضربه قوچ از ترجمه واژه فرانسوی Coup De Belier گرفته شده و مترادف اصطلاح انگلیسی Water Hammer (چکش آبی) میباشد. ضربه قوچ دراثر یک تغییر (یا قطع ناگهانی) در سرعت جریان سیال در یک مجرا (شبکه) به وجود میآید. به عبارت دیگر در حین پدیده ضربه قوچ انرژی سینتیک (Kinetic Energy) به انرژی الاستیسیته (Elasticity Energy) تبدیل میگردد.
این پدیده در خطوط لوله جریان تحت فشار ثقلی و پمپاژ اتفاق میافتد و به وضوح بر قوانین فشار، تغییرات دبی یا تغییرات سرعت جریان و شرایط زمانی و مکانی حرکت سیال استوار است. در بعضی سیستمهای هیدرولیکی تحت فشار، نظیر خطوط انتقال آب، نفت و یا شبکههای توزیع و لولههای انتقال آب، تونلهای آبی، سیستمهای پمپاژ و جریانهای ثقلی، پدیده ضربه قوچ با ایجاد موجهای سریع، زود گذر و میرا موجب خطرات گوناگونی میشود. گاهی اوقات قدرت تخریبی این موجها به حدی است که نتایج وخیمی به بار میآورد. ترکیدن خطوط لوله در سیستمهای انتقال و شبکههای توزیع، خرابی و شکستگی شیرها، دریچههای کنترل و پمپها از نمونههای بارز این پدیده میباشد.
با وجود اینکه خطوط انتقال ثقلی و پمپاژ برای حالت جریان دائمی، ماندگار و پایدار (Steady State) طراحی و محاسبه میشوند ولی همواره دستیابی به این نوع جریان اتفاق نمیافتد. تغییرات ناگهانی در سیستم خط انتقال که بر روی جریان سیال اتفاق میافتد سبب ایجاد جریانهای غیردائم و ناپایدار خواهدشد. به دلیل اینکه این جریانهای ناپایدار گاهی سبب بروز خسارتهایی بر روی سیستم میگردند، شناسایی این جریانها و آثار مخرب آنها بر روی سیستم انتقال و پیشبینی تمهیدات مناسب جهت پیشگیری ضرورتی اجتناب ناپذیر است.
تغییرات فشاری که در یک سیستم آبرسانی بوجود میآید معمولاً از تغییر سرعت جریان حاصل میشود که این تغییر سرعت ناشی از نحوه باز و بسته کردن شیر قطع و وصل، از کار افتادن پمپ، جدایی ستون آب و غیره است. چون تغییرات فشار به تغییرات سرعت بستگی دارد برای جلوگیری از فشارهای نامطلوب ضربه قوچ، باید از تغییرات ناگهانی سرعت ممانعت به عمل آورد. بنابراین اغلب روشها و تجهیزات کنترل کننده ضربه قوچ، در واقع کنترل کننده تغییرات ناگهانی سرعت هستند.
1- محاسبات ضربه قوچ:
ضربه آبی و محاسبات ضربه قوچ در خطوط لوله را شايد بتوان پيچيدهترين و در عينحال جذابترين پديده در نظر افرادي كه با سيستمهاي پمپاژ و انتقال سرو كار دارند به حساب آورد.
اين پديده از تغيير ناگهاني سرعت جريان در خط لوله بوجود ميآيد و از آنجا كه در مدت زمان بسيار كوتاهي اتفاق ميافتد به آن جريان ناماندگار (Transient) ميگويند. اگر در جريان ماندگار در برآورد پارامترهاي مختلف از قبيل افت هد اصطكاكي لوله، افت هد فرعي متعلقات لوله و غيره اشتباهي رخ دهد ممكن است سيستم نتواند آب مورد نياز را با فشار مطلوب تامين كند. ليكن در حالت جريان ناماندگار معمولا مشكلات جدي در خطوط انتقال بهوجود ميآيد.
زيرا اين نوع جريان ميتواند باعث ايجاد فشارهاي اضافي، صدا، خلاءزايي و ارتعاشات در سيستم آبرساني شود. ميزان تخريب ناشي از جريان ناماندگار برسيستم آبرساني به عوامل متعددي از قبيل تجهيزات به كاررفته در سيستم، خواص فيزيكي لولهها و سيال و وجود هوا بستگي دارد.
خسارت در اثر ضربه قوچ
2- تئوری ضربه قوچ:
همانطور كه ذكر شد پديده ضربه قوچ در اثر تغيير ناگهاني سرعت جريان در خطوط لوله به وجود ميآيد که از شايعترين دلايل آن تغيير ناگهاني سرعت، باز و بسته شدن شير قطع و وصل و روشن و خاموش شدن پمپها است. هنگامي كه پمپي خاموش ميشود يك موج فشار منفي (Down surge) از طرف پمپ به طرف انتهاي خط لوله با سرعت V حركت ميكند.
اين موج فشاري در واقع فشار تك تك نقاط لوله را به اندازه كاهش ميدهد و از انتهاي مسير با فشار اوليه سيستم منعكس ميشود تا به شير يكطرفه پمپ برسد و پس از برخورد با شير يكطرفه به صورت موج فشار مثبت (Up surge) منعكس ميشود و درحين حركت فشار تك تک نقاط لوله را به اندازه زياد ميكند و پس از رسيدن به انتهاي مسير با فشار اوليه سيستم برميگردد .
بنابراين در يك سيكل كه به اندازه T طول ميكشد فشار در تمامي نقاط لوله دست خوش افزايش و كاهش شديد ميشود كه معمولاً باعث تركيدن یا مچاله شدن لولهها و وارد آمدن خسارات جدي به سيستم آبرساني ميگردد. براي بررسي پديده ضربه قوچ نياز است تا از ميران افزايش و كاهش فشار، دوره تناوب سيكل ضربه قوچ و سرعت انتشار امواج فشار (a) آگاهي يابيم.
در سال 1900 ميلادي دانشمند روسي به نام ژكوفسكي فرمولی براي محاسبه حداكثر تغييرات فشار ناشي از تغييرات سرعت ارايه كرد كه به فرمول سنت پترزبورگ نيز مشهور است .طبق اين فرمول حداكثر تغيير فشار ناشي از ضربه قوچ عبارت است از :
ΔH=(α.ΔV)/g
α: سرعت انتشار موج فشاري (m/s) ΔV : تغيير ناگهاني سرعت (m/s) g : شتاب گرانشي (m/s2)
بسته به نوع لوله مورد استفاده، سرعت انتشار موج بين 800 تا 1200 متر بر ثانيه متفاوت است ولي در لولههاي پلاستيكي اين سرعت بسيار كمتر بوده و در حدود 300 الي 500 متربرثانیه متغير است. براي محاسبه سرعت انتشار موج فشاري پس از حل دو معادله كه براساس تراكم پذيري سيال و تغيير حجم لوله تعريف شدهاند، رابطه زير به دست آمده است. اين رابطه با فرض وجود قيد سرتاسري روي لوله استنتاج شده است.
فرمول محاسبه سرعت موج در لوله:
α : سرعت انتشار موج فشاري (m/s) D : قطر لوله (mm) K : مدول بالك سيال (N/m2)
μ : ضريب پواسون لوله E : مدول الاستيسيته لوله (N/m2) e : ضخامت لوله (mm)
بنابراين چنانچه موج فشاري با سرعت a از پمپ شروع به حركت نمايد در مدت زمان T=4L/a يك سيكل كامل را طي خواهد نمود كه در آن (L) طول لوله برحسب متر ميباشد. پس از اتمام سيكل لوله، اين پديده همچنان ادامه مييابد تا براثر اصطكاك و آزاد شدن انرژي به صورت گرما، ضربه قوچ مستهلك گردد.
3- روشهای مهار ضربه قوچ:
تغييرات فشار كه در يك سيستم آبرساني به وجود ميآيد معمولاً از نوع تغيير سرعت جريان حاصل ميشود كه اين تغيير سرعت ناشي از نحوه باز و بسته كردن شير قطع و وصل، از كار افتادن پمپ و قطع جریال سیال است.
چون تغييرات فشار به تغييرات سرعت بستگي دارد براي جلوگيري از فشارهاي نامطلوب ضربه قوچ، بايد از تغييرات ناگهاني سرعت ممانعت به عمل آورد. بنابراين اغلب روشها و تجهيزات كنترل كننده ضربه قوچ، در واقع كنترل كننده تغييرات ناگهاني سرعت هستند.
یکی از مهمترین علل ایجاد ضربه قوچ و بروز فشارهای بسیار بالا، از کار افتادن پمپ به علت قطع ناگهانی جریان برق میباشد. در این حالت مقدار جریان و سرعت سیال داخل خط لوله کاهش مییابد ولی به علت مومنتم ستون مایع، حرکت سیال به جلو ادامه یافته و باعث ایجاد کاهش فشار در پشت سر خود میگردد.
این فشار ممکن است به قدری کاهش یابد که به فشار بخار سیال رسیده و باعث ایجاد کاویتاسیون گردد که موجب خوردگی تدریجی جدار داخلی لوله و یا مچاله شدن لوله خواهدشد.
سرعت جریان پس از مدتی به علت اصطکاک و فشار استاتیک سیستم کاهش یافته و به صفر میرسد. پس از این لحظه جهت حرکت معکوس و جریان مایع به طرف پمپ شروع میشود، در این لحظه معمولاً شیر یکطرفه مسیر خط رانش پمپ بسته میشود و فشار در محل لیجاد کاویتاسیون افزایش یافته و باعث تقطیر بخارات سیال میگردد.
در این وضعیت دو ستون مایع به شدت با یکدیگر برخورد مینمایند. این برخورد دو ستون مایع باعث ایجاد فشارهای بسیار زیاد شده و گاهی خسارات جدی به تجهیزات ایستگاه پمپاژ و خط لوله وارد میکند.
4- مهار ضربه قوچ بعد باز و بسته شدن شيرها:
1-4- كنترل بستن شير:
زمانبندي بستن شير اثر مهمي در مقدار فشار حداكثر دارد. به طوري كه مراحل نهايي بستن شير (2% الي 5% بازشدگي) در شيرهاي دروازهاي، اثر تعيين كنندهاي در مقدار فشار ضربه قوچ دارد. بهترين روش براي بررسي تأثير زمان بندي بستن شير بر مقدار فشار ضربه قوچ بدست آوردن ويژگيهاي افت هد شير و تحليل مساله با استفاده از نرمافزارهای محاسبات ضربه قوچ قابل انجام است.
2-4- شیرهای خلاءشکن (Vacuum breaker valve):
این شیرها معمولاً در بالادست تجهیزاتی نصب میشوند که باعث ایجاد افت فشار بالا شده و در انواع مختلف شامل انواع فنردار ارزان قیمت تا سیستمهای پیچیده و گران قیمت هستند. عملکرد این شیرها به گونهای است که در هنگام افت فشار از حد معینی، باز شده و راه ورود هوا و افزایش فشار برای جریان ایجاد میکند.
5- مهار ضربه قوچ بعد از كار افتادن پمپها:
1-5- مخزن ضربه گير اتمسفریک (Surge tank):
اين مخازن براي جلوگيري از فشارهاي نامطلوب مثبت و منفی به كار ميروند. هنگامي كه فشار بالا میرود مخزن ضربه گير به صورت مخزن ذخيره عمل كرده و آب از خط لوله به داخل مخزن جريان مييابد. در هنگام كم شدن فشار، مخزن ضربه گير به صورت مخزن تغذيه عمل كرده و آب از مخزن به خط لوله جريان مي يابد.
مخازن ضربهگير اتمسفریک به دو دسته تقسيم ميشوند:
- مخزن ضربه گير يكطرفه (One way surge tank)
- مخازن ضربهگير دوطرفه (Two way surge tank)
که مخازن ضربه گير اتمسفریک دوطرفه براي كنترل فشارهاي مثبت و منفی و مخازن ضربه گير اتمسفریک يكطرفه براي كنترل فشارهاي منفی به كار مي روند.
2-5- مخزن ضربه گیر تحت فشار (Air chamber, Surge vessel):
در اين مخزن سربسته تحت فشار، هواي فشرده در بالا و آب در پايين قرار دارد. بعد از اينكه پمپ از كار افتاد و فشار در خط لوله كم شد، هواي فشرده در مخزن باعث ميشود تا آب از مخزن هوا به خط لوله جريان يابد. در نتيجه هواي درون مخزن انبساط يافته و فشار آن كاهش خواهد يافت. ميزان كاهش فشار هواي درون مخزن به مقدار حجم اوليه هوا، فرآيند ايزوترم هوا و ميزان تخليه آب آن بستگي دارد.
با تخليه آب از درون مخزن به خط لوله، كاهش سرعت آب در لوله به تدريج صورت گرفته و از فشارهاي كم جلوگيري به عمل ميآيد كه در نتيجه، پديده جدايي ستون آب رخ نخواهد داد . همچنين در حالتي كه فشار خط لوله بالا مي رود، فشار خط لوله كاسته مي شود.
مخزن هوا یا مخزن ضربه گیر تحت فشار مطمئنترين وسيله جهت كنترل ضربه قوچ در دو حالت افزايش و كاهش فشار است. نياز اين وسيله به تجهيزات تأمين هواي فشرده و نيز هزينه نگهداري بالا از مسایل آنها هستند.
3-5- چرخ لنگر (Flywheel):
چون پديده جدايي ستون آب در خطوط لوله معمولاً نتيجه مستقيم اينرسي دوراني كم سيستم پمپاژ است، افزودن اينرسي راه ديگري براي جلوگيري از بروز ضربه قوچ و تشكيل بخار است. بدين منظور در خطوطي كه داراي پمپهاي خشك هستند جهت افزايش ممان اينرسي پمپ، يك چرخ لنگر بين پمپ و موتور نصب مي كنند.
مكانيزم عملكرد چرخ لنگر چنين است كه بعد از قطع جريان برق از كاهش سريع دور موتور جلوگيري ميكند و در نتيجه فشار منفي كمتري در اثر ضربه آبي ايجاد مينمايد و چون فشار منفي كمتري ايجاد ميشود، به همان نسبت افزايش فشار كمتر خواهد شد.
چرخ لنگر هزينه بسيار كمتري نسبت به ساير تجهيزات داشته و تقريباً هيچگونه مشكل نگهداري ندارد و براي خطوط لولهاي كه طول كمتر از 2 كيلومتر دارند قابل استفاده است. اما از آنجایی که تولید و نصب چرخ لنگر توسط شرکتهای تولید کننده پمپ داخلی بسیار هزینهبر و مشکل بوده و هيچكدام از توليدكنندگان داخلي اقدام به توليد آن نميكنند، استفاده از آن تقریباً ممکن نبوده و توصيه نميشود.
4-5- لوله كنار گذر پمپ (Bypass line):
لوله كنار گذر پمپ، خط رانش پمپ را به لوله مكش وصل ميكند و در اين فاصله يك شير يكطرفه كه جهت بازشدن آن از جهت مكش به رانش است، نصب ميشود. در حالت عادي، فشار پمپ اين شير يكطرفه را بسته نگه ميدارد و به محض ايجاد فشار منفي شير يكطرفه باز شده و فشار موجود در طرف مكش پمپ مانع از كاهش فشار غير مجاز در خط لوله رانش ميشود .
اين روش كاربرد بسيار محدودي دارد زيرا در پمپهاي مجهز به سوپاپ (وقتي سطح آب در طرف مكش پايين تر از پمپ است) اين سيستم نميتواند عمل كند.
لوله كنارگذر پمپ در ايستگاههاي پمپاژي كه سطح آب در طرف مكش به پمپ سوار است و ارتفاع استاتيك خيلي كم دارد (كمتر از a/Vg) ميتواند عمل كند زيرا در سيستمهاي پمپاژ با ارتفاع زيادتر فقط محدوده بسيار اندكي از ابتداي خط لوله را ميتواند پوشش دهد، ضمناً اين روش در مقابل افزايش فشار نميتواند مؤثر باشد.
5-5- شير هواي دو روزنه:
اين شيرها داراي يك روزنه بزرگ و يك روزنه كوچك هستند كه كار روزنه بزرگ اين است كه با افت فشار در خط لوله، باز شده و هوا را به داخل لوله وارد ميكند سپس با افزايش فشار روزنه بزرگ بسته شده و هواي جمع شده در داخل خط لوله از طريق روزنه كوچك از خط لوله خارج ميشود.
اگر چه توليدكنندگان شيرهوا اين روش را براي جلوگيري از مسأله ناشي از افت فشار توصيه ميكنند ولي اين وسيله مشكلات بسيار زيادي در خط لوله ايجاد ميكند چون در شيرهاي هواي دو روزنه هوا با حجم زياد در مدت زمان اندك از روزنه بزرگ وارد خط لوله ميشود ولي تخليه آن از طريق روزنه كوچك كه مقطع عبور هوا در آنها فقط چند ميليمتر مربع است زمان طولاني نياز دارد.
بنابراين استفاده از شيرهوا براي مقابله با مشكلات فشار منفي پديده ضربه آبی توصيه نميشود.
6-5- شير يكطرفه (Check valve):
استفاده از شير يكطرفه در خروجي پمپ به منظور جلوگيري از چرخش توربيني پمپ امري اجتناب ناپذير است زيرا پس از خاموش شدن پمپ جريان برگشتي به سمت پمپ ميتواند آن را به طور معكوس بچرخاند و سبب وارد آمدن خسارت جدي به پمپ گردد. در برخي از مواقع قراردادن شيرهاي يكطرفه در فواصل معين در خط انتقال ميتواند در كنترل ضربه قوچ مؤثر واقع شود.
در اين حالت چنانچه از ايستگاه پمپاژ به انتهاي مسير حركت كنيم شيري كه به انتهاي مسير نزديكتر است بايد از شير ماقبل خود سريعتر بسته شود در غير اين صورت پديدهاي به نام Hydraulic Press مابين دو شير يكطرفه به وجود ميآيد كه فشارهاي بسيار زيادي توليد ميكند. لذا استفاده از این روش برای کنترل ضربه قوچ توصیه نمیشود.
7-5- شير اطمينان (Surge relief valve):
اقتصادي ترين روش براي مقابله با مشكل افزايش فشار، استفاده از شيرهاي اطمينان (SRV) و يا تركيب شيرهاي اطمينان با شيرهاي يكطرفه سوپاپی و يا تركيب شيرهاي اطمينان با چرخ لنگر است.
براي محافظت ايستگاه پمپاژ و خط لوله بهتر است از تركيب شيرهاي يكطرفه سوپاپي و شيرهاي اطمينان در چند نقطه از خط لوله استفاده كرد. در اين صورت به هنگام ضربه قوچ شير يكطرفه سريعاً بسته شده و فشار اضافي توسط شير اطمينان تخليه ميشود و در نتيجه هم خط لوله و هم ايستگاه پمپاژ در مقابل فشارهاي غير مجاز و بالا محافظت ميشوند.
چنانچه سيستم دچار مشكل فشار منفي هم باشد و امكان نصب چرخ لنگر نيز باشد. استفاده از تركيب هم زمان چرخ لنگر، شير يكطرفه سوپاپي فنردار و شير اطمينان توصيه ميشود تا هم اثرات فشار منفي و هم اثرات فشار مثبت مهار گردند.