ウォーターハンマーは、配管システムに含まれる流体を透過する衝撃波です。最も基本的な説明は、動いている流体が突然動きを停止するように強制されたときにウォーターハンマーが発生するということです。流体の勢いが急激に停止すると、パイプシステム内の媒体を通過する圧力波が発生し、その閉じたシステム内のすべてのものに大きな力がかかります。
通常、圧力波は非常に短い時間で減衰または放散されます。
ウォーターハンマーは、極端な場合には、広範囲で費用のかかる損傷が発生していることを示す可能性のある、強打または強打音によって証明されます。拡張ジョイント、圧力センサー、流量計、パイプ壁。
ウォーターハンマーは、固体も混入している液体媒体である多相流体でも発生する可能性があります。例としては、砂スラリーまたは液体パルプ（基本的にはパルプ繊維を輸送する水）があります。重要な要素は、水が配管システムの主要な輸送媒体であり、水が衝撃波を非常に効果的に伝達できることです。
フラッシングVS.ウォーターハンマー
点滅は、別の種類の圧力スパイクイベントです。フラッシングは、蒸気凝縮物（液体の水）が配管システム内に蓄積した蒸気システムで発生します。この液体の水は、突然液体から蒸気に変換され、その後400〜600倍の体積膨張係数が発生する可能性があります。点滅は、まったく異なる方法で処理する必要があります。制御することも同様に重要ですが、この記事では、説明を液体媒体とウォーターハンマーノイズのみに限定します。
ウォーターハンマーの原因
ウォーターハンマーは不適切な結果として生じる可能性があります。バルブの選択、不適切なバルブの位置、場合によっては不十分なメンテナンス方法。スイングチェックバルブ、チルトディスクチェック、ダブルドアチェックバルブなどの特定のバルブも、ウォーターハンマーの問題の原因となる可能性があります。これらのチェックバルブは、逆流と背圧に依存してディスクをシートに押し戻し、バルブを閉じるため、スラミングが発生しやすくなります。上向きの通常の流れを伴う垂直線の場合のように、逆流が強力である場合、ディスクは大きな力でバタンと閉まる可能性があります。結果として生じる衝撃により、ディスクの位置合わせが損傷し、シートと360度完全に接触しなくなる可能性があります。これはリークにつながり、最良の場合、システムの効率を損ないます。最悪の場合、これは他の配管システムコンポーネントに深刻な損傷を与える可能性があります。
局所的な急激な圧力降下は、少なくとも迷惑であり、最大でも深刻な問題です。特定の手順により、ウォーターハンマーを防止または軽減できます。 1つ目は、原因、結果、および解決策を調査することです。
油圧衝撃
ウォーターハンマーの最も一般的な原因は、バルブの閉鎖が速すぎるか、ポンプが突然シャットダウンすることです。実際、油圧ショックは、流体が突然停止したときに配管システム内の流体圧力が瞬間的に上昇することです。アイザックニュートン卿が観察したように、動いている物体は、別の力が作用しない限り、動いたままになる傾向があります。前方に移動する流体の運動量は、流体がその方向に移動し続けるように機能します。バルブが突然閉じたり、ポンプが突然停止したりすると、バルブまたはポンプの下流にある配管システム内の流体は、流体の勢いが止まるまで弾性的に引き伸ばされます。
次に、流体は、解放された拡張スプリングのように、通常のストレスのない状態に戻りたいと考えています。これにより、液体はパイプを通って戻ります。次に、逆流する流体は、潜在的に重大な破壊力を伴って、閉じたバルブに遭遇します。この流体圧力波の反射は大きな衝撃です（そして複数の圧力パルスが存在する可能性があります）（図1）。
突然のバルブの閉鎖は、ほとんどの場合、1/4回転タイプのバルブなどに関連しています。具体的には、自動クォーターターンバルブ。簡単な解決策は、これらの自動クォーターターンバルブをよりゆっくりと閉じることです。これは多くの場合に機能しますが、すべてではありません。たとえば、緊急停止バルブはすばやく閉じる必要があるため、これらのタイプのアプリケーションには他のソリューションが必要になる場合があります。バルブ閉鎖時間の計算の詳細については、この記事の後半で説明します。
ウォーターハンマーのその他の最も一般的な原因は、ポンプの突然のシャットダウンです。冷却塔の用途や鉱山の脱水の場合のように、共通のヘッダーに供給する複数のポンプは、ゆっくりとシャットダウンするか、ポンプの直後にインラインサイレントチェックバルブを取り付ける必要があります。サイレントチェックバルブは、ウォーターハンマーを減らしたり、場合によってはなくしたりするのに非常に効果的です。
ウォーターハンマー圧力スパイクの予測
配管システムと輸送される媒体に関する詳細な知識に基づいて、ウォーターハンマー圧力スパイクの大きさを計算することができます。ウォーターハンマーの実際の力は、停止時の流体の流量と、その流れが停止する時間の長さによって異なります。たとえば、毎秒10フィートの速度で2インチのパイプを流れる100ガロンの水について考えてみます。急速に閉じるバルブによって流れが急速に停止すると、その効果は、835ポンドのハンマーがバリアにぶつかるのと同等の効果です。流れが0.5秒未満（バルブの閉鎖速度である可能性があります）で停止した場合、システムの動作圧力よりも100psiを超える圧力スパイクが生成される可能性があります。
スパイクの潜在的な大きさの計算は次のとおりです。
∆H = a / g * ∆V
∆Hはヘッド圧力の変化です
∆ Vは流体の流速の変化です
a =媒体内の音響速度
g =重力定数
例は次のとおりです。
a = 4864フィート/秒
g = 32.2フィート/秒2
∆V = 5フィート/秒
∆Hは756フィート（328 psi）になります）
この値は、瞬間的なバルブ閉鎖が存在することを前提としています。
バルブ閉鎖時間の計算
ウォーターハンマーは、次のような産業環境では明らかに深刻な問題です。廃水プラントまたは都市用水システム。上記の例とは対照的に、平均的な浴室の蛇口は通常、0.5インチの公称ラインサイズに基づいており、水圧は60〜80 psiの範囲で、毎分約8〜10ガロンを供給します。水処理プラントの6インチのラインは、毎秒10フィートの速度で毎分900ガロンを供給します。 24インチの給水本管は、1分あたり12,000ガロン以上の水を供給でき、平均的な裏庭のスイミングプールを2分未満で満たすのに十分です。
バルブ閉鎖時間の基本式は次のとおりです。 / a
T =最小時間（秒）
L =閉鎖バルブと次のエルボー、ティー、またはその他の変更の間の直管の長さ
水用直管が100フィートある70°F（21°C）の場合：
T = 41ミリ秒の最小閉鎖時間
ウォーターハンマーの影響
ウォーターハンマーの影響は、軽度から重度までさまざまです。一般的な兆候は、特に水圧源がすばやく遮断された後、パイプから発せられる大きな叩き音またはハンマー音です。これは、圧力衝撃波が閉じたバルブ、ジョイント、またはその他の障害物に強い力で当たる音です。この時々耳をつんざくような音は、特に人々が近くで作業している場合、大きな苦痛と懸念の原因となる可能性があります。
ただし、ウォーターハンマーの繰り返しの発生は単なる迷惑ではありません。ウォーターハンマーはまた、パイプライン、パイプジョイント、ガスケット、およびシステムの他のすべてのコンポーネント（流量計、圧力計など）に深刻な損傷を与えます。圧力スパイクは、衝突時にシステムの使用圧力の5〜10倍を簡単に超える可能性があるため、システムに大きなストレスがかかります。ウォーターハンマーは、システムのジョイントで漏れを引き起こします。また、パイプ壁の亀裂や配管サポートシステムの変形を引き起こします。損傷したパイプラインコンポーネントおよび機器の修理または交換には、高額な費用がかかる可能性があります。流出によって環境問題が発生した場合、コストは莫大なものになる可能性があります。
ほとんどの場合、ウォーターハンマーは安全上の問題と見なされます。ウォーターハンマーの極端な圧力により、ガスケットが吹き飛ばされ、パイプが突然破裂する可能性があります。このようなイベントの近くにいる人は重傷を負う可能性があります。
ウォーターハンマーの解決策
ウォーターハンマーの影響を軽減するには、原因によってさまざまな方法があります。油圧ショックによって引き起こされるウォーターハンマーを最小限に抑える最も簡単な方法の1つは、オペレーターを訓練および教育することです。手動または作動バルブを適切に開閉することの重要性を学んだオペレーターは、影響を最小限に抑えるための予防措置を講じることができます。これは、ボールバルブ、バタフライバルブ、プラグバルブなどのクォーターターンバルブに特に当てはまります。
配管設計に関する考慮事項
ウォーターハンマーアレスタは、ウォーターハンマー。これらの配管システムコンポーネントは、ショックアブソーバーのように機能することにより、パイプラインシステムに特有のノイズとその結果生じる応力を低減します。適切なサイズと設置があれば、ウォーターハンマーアレスタが効果的な解決策になる可能性があります。
一方、長時間の垂直パイプに出力するポンプは避けてください。垂直脚を最小限に抑えるか、ポンプのできるだけ近くに設置されたサイレントチェックバルブを使用する必要があります。
ウォーターハンマーを最小限に抑えるために検討すべきもう1つの領域は、垂直パイプラインにチェックバルブを設置することです。スイングチェック、チルトディスク、ダブルドアバルブを垂直に作動させることができます。ただし、この方向での逆流を防ぐことはできません。この方向では、サイレントチェックバルブのみが機能します。
スイングチェック、チルトディスク、および両開きチェックバルブの突然の閉鎖に起因する油圧ショックは、これらのバルブをサイレントまたは非スラムと交換することで解決できます。チェックバルブ。サイレントチェックバルブは、逆流から閉じるのではなく、バルブの閉鎖部材全体の差圧が減少すると閉じます。したがって、彼らは水撃を誘発するバタンと閉まる可能性がはるかに低いです。ディスク全体の差圧がバルブのクラッキング圧力に近づくと、バルブは完全に閉じています。これにより、流体の流れが減速し、バルブが完全に閉じる前に流体の運動量を減らすことができますが、流体の流れが逆方向にならないようにする必要があります。
システム設計者は最高の知識を持っている必要があります。ウォーターハンマーを最小限に抑えるための慣行と業界標準。たとえば、必要に応じてスロークロージングバルブを使用し、配管システム内の最適なバルブ位置を把握し、高動作圧力システムの配管設計を特別に考慮します。
配管システムの場合適切に設計されていると、ウォーターハンマーが発生する可能性が大幅に減少または排除されます。すでに設置されているシステムでは、ウォーターハンマーアレスタの設置、チェックバルブの垂直線からの再配置、主要な防御線としてのサイレントチェックバルブの設置など、ウォーターハンマーの損傷効果を多くの重要な方法で制限できます。クォーターターンバルブの操作手順の閉鎖速度が遅いことを確認します。自動システムの閉鎖時間は、T = 2L / aの式で計算された時間の少なくとも10倍である必要があることに注意してください。
結論
ウォーターハンマーは長年研究されてきました。創設研究のいくつかは19世紀後半にさかのぼります。研究は今日も続けられています。米国、英国、オランダの多くの主要大学、および評判の高いバルブ会社が、さまざまなスタイルのチェックバルブとそれらに取り付けられた動的特性の比較に関する記事を執筆しています。
この記事は、私たちが一般的にウォーターハンマーと呼んでいるものの原因と解決策のいくつかを調査することにより、流体過渡現象の対象の表面。ウォーターハンマーの問題に対処するための解決策は非常に費用がかかる可能性があり、いつものように、1オンスの予防は1ポンドの治療の価値があります。垂直ラインまたは共通ヘッダーに供給されるポンプと急速なバルブ閉鎖はすべて、最初のプロセスから設計することができます。配管が設置され、プラントプロセスが開始されたら、特定の制約を考慮して解決策を見つけることが課題になります。
インラインサイレントチェックバルブのほとんどのメーカーは、ウォーターハンマーをよく理解しており、スタッフにエンジニアがいます。それは助けることができます。適切なソリューションに関しては、これらが最良の知識源になる可能性があります。
ARIE BREGMANは、DFTValvesの副社長兼ゼネラルマネージャーです。このメールアドレスはスパムボットから保護されています。表示するにはJavaScriptを有効にする必要があります。