Waterslag is een schokgolf die wordt overgedragen door vloeistof in een leidingsysteem. De meest basale verklaring is dat waterslag optreedt wanneer een vloeistof in beweging plotseling wordt gedwongen te stoppen met bewegen. Het momentum van het abrupt stoppen van de vloeistof creëert een drukgolf die door de media in het leidingsysteem reist en alles in dat gesloten systeem aan aanzienlijke krachten onderwerpt.
Normaal gesproken wordt de drukgolf in zeer korte tijd gedempt of gedissipeerd. tijd, maar de drukpieken kunnen in die korte periode enorme schade aanrichten.
Waterslag blijkt uit een bonkend of bonkend geluid dat in extreme gevallen erop kan wijzen dat er uitgebreide en kostbare schade aan de expansiekoppelingen, druksensoren, debietmeters en buiswanden.
Waterslag kan ook voorkomen in een meerfasige vloeistof, een vloeibaar medium dat ook vaste stoffen bevat. Een voorbeeld hiervan is zandslurry of vloeibare pulp (wat in feite water is dat de pulpvezels transporteert). De belangrijkste factor is dat water het belangrijkste transportmedium in het leidingsysteem is en dat water schokgolven zeer effectief kan overbrengen.
KNIPPEREND VS. WATERHAMER
Knipperen is een ander soort drukpiekgebeurtenis. Knipperen treedt op in stoomsystemen waar stoomcondensaat (vloeibaar water) zich heeft opgehoopt in het leidingsysteem. Dit vloeibare water kan plotseling van vloeistof in stoom worden omgezet met een volumetrische expansiefactor van 400-600 keer. Knipperen moet op totaal verschillende manieren worden aangepakt. Hoewel het net zo belangrijk is om te controleren, beperken we ons voor de doeleinden van dit artikel onze discussies tot alleen vloeibare media en waterslaggeluiden.
OORZAKEN VAN WATERHAMER
Waterslag kan het gevolg zijn van onjuiste klepselectie, onjuiste kleplocatie en soms slechte onderhoudspraktijken. Bepaalde kleppen, zoals terugslagkleppen, kantelschijfcontroles en terugslagkleppen met dubbele deur, kunnen ook bijdragen aan waterslagproblemen. Deze terugslagkleppen zijn vatbaar voor dichtslaan omdat ze afhankelijk zijn van het omkeren van stroom en tegendruk om de schijf terug op de zitting te duwen, zodat de klep sluit. Als de tegenstroom krachtig is, zoals in het geval van een verticale lijn met een normale stroom naar boven, zal de schijf waarschijnlijk met veel kracht dichtslaan. De resulterende schok kan de uitlijning van de schijf beschadigen, zodat deze niet langer volledig 360 graden contact maakt met de zitting. Dit leidt tot lekken die in het beste geval de efficiëntie van het systeem ondermijnen. In het ergste geval kan dit ernstige schade toebrengen aan andere componenten van het leidingsysteem.
Plaatselijke, abrupte drukvallen zijn op zijn minst vervelend en hooguit een ernstig probleem. Bepaalde stappen kunnen waterslag voorkomen of verminderen. De eerste is het bestuderen van oorzaken, gevolgen en oplossingen.
HYDRAULISCHE SCHOK
De meest voorkomende oorzaak van waterslag is of een klep die te snel sluit of een pomp die plotseling stopt. Hydraulische schok is in feite de tijdelijke stijging van de vloeistofdruk in een leidingsysteem wanneer de vloeistof plotseling wordt gestopt. Zoals Sir Isaac Newton opmerkte, heeft een bewegend object de neiging om in beweging te blijven tenzij er door een andere kracht op wordt ingewerkt. Het momentum van de vloeistof die in voorwaartse richting beweegt, zal ervoor zorgen dat de vloeistof in die richting beweegt. Wanneer een klep plotseling sluit of een pomp plotseling stopt, wordt de vloeistof in het leidingsysteem stroomafwaarts van de klep of pomp elastisch uitgerekt totdat het momentum van de vloeistof is gestopt.
De vloeistof wil dan terugslaan naar zijn normale, niet-gespannen toestand, net als een verlengde veer die is losgelaten. Hierdoor stroomt de vloeistof terug door de buis. De terugstromende vloeistof komt dan de gesloten klep tegen, mogelijk met een aanzienlijke vernietigende kracht. De reflectie van deze vloeistofdrukgolf is de luide knal (en er kan meer dan één drukpuls zijn) (Figuur 1).
Plotselinge klepsluiting wordt meestal geassocieerd met kwartslagkleppen en meer in het bijzonder geautomatiseerde kwartslagkleppen. Een eenvoudige oplossing is om die geautomatiseerde kwartslagkleppen langzamer te sluiten. Dit werkt in veel gevallen, maar niet allemaal. Zo moeten noodafsluiters snel sluiten, dus voor dit soort toepassingen kunnen andere oplossingen nodig zijn. Meer over de berekeningen van de klepsluitingstijd vindt u verderop in dit artikel.
De andere meest voorkomende oorzaak van waterslag is het plotseling uitschakelen van de pomp. Meerdere pompen die naar een gemeenschappelijke header worden gevoerd, zoals in koeltorentoepassingen of het ontwateren van mijnen, moeten ofwel langzaam worden uitgeschakeld, of er moeten inline stille terugslagkleppen worden geïnstalleerd onmiddellijk na de pomp. Stille terugslagkleppen kunnen buitengewoon effectief zijn bij het verminderen en soms elimineren van waterslag.
VOORSPELLEN VAN WATERHAMERDrukpieken
Het is mogelijk om de omvang van waterslagdrukpieken te berekenen op basis van gedetailleerde kennis van het leidingsysteem en de getransporteerde media. De werkelijke kracht van waterslag hangt af van de stroomsnelheid van de vloeistof wanneer deze wordt gestopt en de tijdsduur gedurende welke die stroom wordt gestopt. Beschouw bijvoorbeeld eens 100 liter water dat in een 2-inch pijp stroomt met een snelheid van 10 voet per seconde. Wanneer de stroom snel tot stilstand wordt gebracht door een snelsluitende klep, is het effect equivalent aan dat van een hamer van 835 pond die tegen een barrière slaat. Als de stroom binnen een halve seconde wordt gestopt (wat de sluitsnelheid van de klep kan zijn), kan een drukpiek van meer dan 100 psi groter dan de bedrijfsdruk van het systeem worden gegenereerd.
De vergelijking voor het berekenen van de potentiële grootte van de piek is als volgt:
∆H = a / g * ∆V
∆H is de verandering in kopdruk
∆ V is de verandering in vloeistofstroomsnelheid
a = akoestische snelheid in de media
g = gravitatieconstante
Een voorbeeld is:
a = 4864 voet per seconde
g = 32,2 voet per seconde2
∆V = 5 voet per seconde
∆H zou 756 voet (328 psi )
Deze waarde gaat ervan uit dat de klep onmiddellijk sluit.
BEREKENING VAN DE KLEPSLUITINGSTIJD
Waterslag is duidelijk een ernstig probleem in industriële omgevingen, zoals bij een afvalwaterinstallatie of gemeentelijk watersysteem. In tegenstelling tot het bovenstaande voorbeeld, is de gemiddelde badkamerkraan meestal gebaseerd op een nominale leidingmaat van een halve inch en heeft hij een waterdruk die varieert tussen 60-80 psi en ongeveer 8-10 gallon per minuut levert. Een 6-inch lijn in een waterzuiveringsinstallatie zou 900 gallon per minuut leveren met een snelheid van 10 voet per seconde. Een 24-inch waterleiding kan meer dan 12.000 liter water per minuut leveren, genoeg om een gemiddeld zwembad in de achtertuin in minder dan twee minuten te vullen.
De basisformule voor het sluiten van de klep is: T = 2L / a
T = minimumtijd in seconden
L = lengte van rechte buis tussen de afsluiter en de volgende elleboog, T-stuk of andere verandering
Voor water bij 70 ° F (21 ° C) waar je 30 meter rechte buis hebt:
T = 41 milliseconden minimale sluitingstijd
GEVOLGEN VAN WATERHAMER
De gevolgen van waterslag kunnen variëren van mild tot ernstig. Een veel voorkomend teken is een luid bonkend of hamerend geluid dat uit de leidingen komt, vooral nadat een waterdrukbron snel is uitgeschakeld. Dit is het geluid van de druk-schokgolf die met grote kracht een gesloten klep, gewricht of andere blokkering raakt. Dit soms oorverdovende geluid kan een bron van groot leed en bezorgdheid zijn, vooral als er mensen in de buurt werken.
Herhaaldelijk optreden van waterslag is echter niet alleen vervelend. Waterslag beschadigt ook ernstig pijpleidingen, pijpverbindingen, pakkingen en alle andere componenten van het systeem (debietmeters, manometers, enz.). De drukpieken kunnen bij een botsing gemakkelijk 5 tot 10 keer de werkdruk van het systeem overschrijden, waardoor er veel spanning op het systeem komt te staan. Waterslag veroorzaakt lekkage bij de verbindingen in het systeem. Het veroorzaakt ook scheuren in de buiswand en vervorming van ondersteuningssystemen voor leidingen. Het repareren of vervangen van beschadigde pijpleidingcomponenten en apparatuur kan hoge kosten met zich meebrengen. Als de lekkage resulteert in een milieuprobleem, kunnen de kosten enorm zijn.
In de meeste situaties wordt waterslag als een veiligheidsrisico beschouwd. De extreme druk van waterslag kan pakkingen uitblazen en leidingen plotseling doen scheuren. Mensen in de buurt van een dergelijke gebeurtenis kunnen ernstig gewond raken.
OPLOSSINGEN VOOR WATERHAMER
Er zijn veel manieren om de effecten van waterslag te verminderen, afhankelijk van de oorzaak. Een van de eenvoudigste methoden om waterslag als gevolg van hydraulische schokken tot een minimum te beperken, is door operators te trainen en op te leiden. Operators die het belang van het correct openen en sluiten van handmatige of bediende kleppen leren, kunnen voorzorgsmaatregelen nemen om de effecten te minimaliseren. Dit geldt met name voor kwartslagkleppen zoals kogelkranen, vlinderkleppen en plugkleppen.
OVERWEGINGEN VOOR HET PIJPONTWERP
Waterslagafleiders bieden een ontlastingspunt voor drukpieken veroorzaakt door Water hamer. Deze componenten van het leidingsysteem verminderen het karakteristieke geluid en de resulterende spanning op het leidingsysteem door als een schokdemper te werken. Als ze op de juiste manier worden gedimensioneerd en geïnstalleerd, kunnen waterslagafleiders een effectieve oplossing zijn.
Aan de andere kant moeten pompen die uitstromen naar een lange verticale leiding worden vermeden. De verticale poot moet worden geminimaliseerd, of er moeten stille terugslagkleppen worden gebruikt die zo dicht mogelijk bij de pomp zijn geïnstalleerd.
Een ander aandachtspunt bij het minimaliseren van waterslag is het installeren van terugslagkleppen in verticale pijpleidingen. Zwenkcontroles, kantelschijven en dubbeldeurs kleppen kunnen in een verticale lijn worden bediend. Ze zullen echter niet voorkomen dat de stroom in deze oriëntatie wordt omgekeerd.Alleen een stille terugslagklep kan in deze richting werken.
Hydraulische schokken als gevolg van het plotseling sluiten van de zwenkklep, kantelschijf en terugslagkleppen met dubbele deur kunnen worden verholpen door deze kleppen te vervangen door stille of niet-slam terugslagkleppen. Stille terugslagkleppen sluiten bij afname van het drukverschil over het afsluitorgaan van de klep, in plaats van te sluiten door tegenstroom. Ze zullen dus veel minder snel dichtslaan, wat waterslag veroorzaakt. Wanneer het drukverschil over de schijf de kraakdruk van de klep nadert, is de klep volledig gesloten. Hierdoor kan de vloeistofstroom vertragen, waardoor het momentum van de vloeistof kan afnemen voordat de klep volledig wordt gesloten, terwijl er toch voor wordt gezorgd dat de vloeistofstroom niet van richting verandert.
Systeemontwerpers moeten bekend zijn met de beste werkwijzen en industrienormen voor het minimaliseren van waterslag, zoals het gebruik van langzaam sluitende kleppen indien van toepassing, het kennen van optimale kleplocaties in een leidingsysteem en het geven van speciale overwegingen voor het ontwerp van leidingen voor hogedruksystemen.
Bij leidingsystemen goed zijn ontworpen, wordt de kans op waterslag aanzienlijk verminderd of zelfs geëlimineerd. In systemen die al aanwezig zijn, kunnen de schadelijke effecten van waterslag op een aantal belangrijke manieren worden beperkt, zoals het installeren van waterslagafleiders, het verplaatsen van terugslagkleppen uit verticale lijnen, het installeren van stille terugslagkleppen als primaire verdedigingslinie en ervoor zorgen dat de bedieningsprocedures voor kwartslagkleppen een lage sluitingssnelheid hebben. Merk op dat de sluitingstijd in geautomatiseerde systemen ten minste 10 keer de tijd moet zijn die wordt berekend in de T = 2L / a-formule.
CONCLUSIE
Waterslag wordt al vele jaren bestudeerd. Een deel van het oprichtingsonderzoek dateert uit de late 19e eeuw. Onderzoek gaat vandaag door. Veel grote universiteiten in de Verenigde Staten, het VK en Nederland, evenals gerespecteerde klepbedrijven, hebben artikelen geschreven over de vergelijking van verschillende stijlen van terugslagkleppen en hun geïnstalleerde dynamische kenmerken.
Dit artikel krast alleen maar de oppervlak van het onderwerp van vloeibare transiënten door enkele oorzaken en oplossingen te onderzoeken van wat we gewoonlijk waterslag noemen. Oplossingen om waterslagproblemen aan te pakken, kunnen behoorlijk kostbaar zijn, en zoals altijd is voorkomen beter dan genezen. Pompen die in verticale lijnen of gemeenschappelijke koppen worden gevoerd en snelle klepsluitingen kunnen in het begin allemaal uit een proces worden ontworpen. Zodra de leidingen zijn aangebracht en de fabrieksprocessen aan de gang zijn, is de uitdaging om oplossingen te vinden gezien de specifieke beperkingen.
De meeste fabrikanten van in-line stille terugslagkleppen begrijpen waterslag zeer goed en hebben ingenieurs in dienst. dat kan helpen. Ze kunnen de beste bron van kennis zijn als het gaat om de juiste oplossing.
ARIE BREGMAN is vice president en general manager bij DFT Valves. Bereik hem op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. JavaScript moet ingeschakeld zijn om het te bekijken.