Młot wodny to fala uderzeniowa przenoszona przez płyn znajdujący się w systemie rur. Najbardziej podstawowym wyjaśnieniem jest to, że uderzenie wodne występuje, gdy płyn będący w ruchu zostaje nagle zmuszony do zatrzymania się. Pęd płynu gwałtownie się zatrzymuje, tworząc falę ciśnienia, która przemieszcza się przez media w systemie rur, poddając wszystko w tym zamkniętym systemie znacznym siłom.
Zwykle fala ciśnienia jest tłumiona lub rozpraszana w bardzo krótkim czasie czas, ale skoki ciśnienia mogą wyrządzić ogromne szkody w tym krótkim okresie.
Uderzenie wodne jest sygnalizowane uderzeniem lub uderzeniem, które w skrajnych przypadkach może wskazywać na rozległe i kosztowne uszkodzenia dylatacje, czujniki ciśnienia, przepływomierze i ścianki rur.
Uderzenie wodne może również wystąpić w cieczy wielofazowej, która jest ciekłym medium, które zawiera również ciała stałe. Przykładem może być zawiesina piaskowa lub płynna masa celulozowa (która jest w zasadzie wodą transportującą włókna pulpy). Kluczowym czynnikiem jest to, że woda jest głównym medium transportowym w systemie rurociągów, a woda może bardzo skutecznie przenosić fale uderzeniowe.
MIGANIE VS. MŁOT WODNY
Miganie to inny rodzaj zdarzenia związanego ze skokiem ciśnienia. Pulsowanie występuje w instalacjach parowych, w których kondensat pary (ciekła woda) gromadzi się w systemie rur. Ta ciekła woda może nagle przekształcić się z cieczy w parę z następującym po niej współczynnikiem rozszerzalności objętościowej 400-600 razy. Z flashowaniem należy sobie radzić na zupełnie inne sposoby. Chociaż równie ważna jest kontrola, na potrzeby tego artykułu ograniczymy się do naszych dyskusji tylko do mediów płynnych i odgłosów uderzenia wodnego.
PRZYCZYNY MŁOTKA WODNEGO
Uderzenie wodne może wynikać z niewłaściwego dobór zaworu, niewłaściwa lokalizacja zaworu i czasami złe praktyki konserwacyjne. Niektóre zawory, takie jak zawory zwrotne wahadłowe, zawory zwrotne z przechylną tarczą i zawory zwrotne z podwójnymi drzwiami, również mogą przyczyniać się do problemów z uderzeniem wodnym. Te zawory zwrotne są podatne na trzaskanie, ponieważ polegają na odwróceniu przepływu i ciśnieniu wstecznym, aby wepchnąć dysk z powrotem na gniazdo, tak aby zawór się zamknął. Jeśli przepływ wsteczny jest silny, jak w przypadku linii pionowej z normalnym przepływem w górę, dysk prawdopodobnie zatrzaśnie się z dużą siłą. Powstały wstrząs może uszkodzić ustawienie tarczy, tak że nie będzie już w pełni, 360-stopniowy kontakt z siedziskiem. Prowadzi to do wycieków, które w najlepszym przypadku osłabiają wydajność systemu. W najgorszym przypadku może to spowodować poważne uszkodzenie innych elementów systemu rurociągów.
Miejscowe, nagłe spadki ciśnienia są co najmniej uciążliwe, a co najwyżej poważnym problemem. Niektóre kroki mogą zapobiec lub złagodzić uderzenie wodne. Pierwszym z nich jest zbadanie przyczyn, konsekwencji i rozwiązań.
WSTRZĄS HYDRAULICZNY
Najczęstszą przyczyną uderzenia hydraulicznego jest zbyt szybkie zamykanie zaworu lub nagłe wyłączenie pompy. Wstrząs hydrauliczny to w rzeczywistości chwilowy wzrost ciśnienia płynu w systemie rur, gdy płyn jest nagle zatrzymywany. Jak zauważył Sir Isaac Newton, poruszający się obiekt ma tendencję do pozostawania w ruchu, chyba że zadziała na niego inna siła. Pęd płynu poruszającego się w kierunku do przodu będzie działał, aby utrzymać płyn poruszający się w tym kierunku. Gdy zawór nagle się zamyka lub pompa nagle się zatrzymuje, płyn w systemie rurowym za zaworem lub pompą zostanie elastycznie rozciągnięty, aż pęd płynu zostanie zatrzymany.
Następnie płyn chce wrócić do normalnego, nieobciążonego stanu, podobnie jak zwolniona sprężyna. Powoduje to cofanie się cieczy przez rurę. Płyn przepływający wstecznie napotyka następnie zamknięty zawór, potencjalnie ze znaczną niszczącą siłą. Odbiciem tej fali ciśnienia płynu jest głośny huk (i może wystąpić więcej niż jeden impuls ciśnienia) (Rysunek 1).
Nagłe zamknięcie zaworu jest najczęściej związane z typami zaworów ćwierćobrotowych i nie tylko w szczególności zautomatyzowane zawory ćwierćobrotowe. Prostym rozwiązaniem jest wolniejsze zamykanie automatycznych zaworów ćwierćobrotowych. Działa to w wielu przypadkach, ale nie we wszystkich. Na przykład awaryjne zawory odcinające muszą zamykać się szybko, więc do tego typu zastosowań mogą być potrzebne inne rozwiązania. Więcej informacji na temat obliczeń czasu zamknięcia zaworu znajduje się w dalszej części tego artykułu.
Inną najczęstszą przyczyną uderzenia hydraulicznego jest nagłe wyłączenie pompy. Wiele pomp zasilających wspólną głowicę, np. W wieżach chłodniczych lub odwadnianiu kopalni, musi być albo powoli wyłączanych, albo muszą mieć wbudowane ciche zawory zwrotne zainstalowane bezpośrednio za pompą. Ciche zawory zwrotne mogą być niezwykle skuteczne w ograniczaniu, a czasami eliminowaniu uderzeń hydraulicznych.
PRZEWIDYWANIE KOLCÓW CIŚNIENIA MŁOTKA WODNEGO
Możliwe jest obliczenie wielkości skoków ciśnienia uderzenia hydraulicznego na podstawie szczegółowej wiedzy o systemie rurociągów i transportowanych mediach. Rzeczywista siła uderzenia hydraulicznego zależy od natężenia przepływu płynu, gdy jest on zatrzymany, oraz czasu, w którym ten przepływ jest zatrzymywany. Na przykład rozważ 100 galonów wody płynącej w 2-calowej rurze z prędkością 10 stóp na sekundę. Gdy przepływ jest szybko zatrzymywany przez szybko zamykający się zawór, efekt jest równoważny z uderzeniem młota o wadze 835 funtów w barierę. Jeśli przepływ zostanie zatrzymany w mniej niż pół sekundy (co może być prędkością zamykania zaworu), wówczas można wygenerować skok ciśnienia większy o 100 psi niż ciśnienie robocze systemu.
Równanie obliczenie potencjalnej wielkości impulsu wygląda następująco:
ΔH = a / g * ΔV
ΔH to zmiana ciśnienia w głowicy
Δ V to zmiana prędkości przepływu płynu
a = prędkość akustyczna w ośrodku
g = stała grawitacyjna
Przykład:
a = 4864 stóp na sekundę
g = 32,2 stopy na sekundę2
ΔV = 5 stóp na sekundę
ΔH będzie wynosić 756 stóp (328 psi )
Wartość ta zakłada, że istnieje natychmiastowe zamknięcie zaworu.
OBLICZENIA CZASU ZAMKNIĘCIA ZAWORU
Uderzenie wodne jest oczywiście poważnym problemem w warunkach przemysłowych, takich jak oczyszczalnia ścieków lub wodociąg miejski. W przeciwieństwie do powyższego przykładu, przeciętny kran łazienkowy jest zwykle oparty na nominalnej średnicy pół cala i ma ciśnienie wody w zakresie 60-80 psi i dostarcza około 8-10 galonów na minutę. 6-calowa linia w oczyszczalni wody dostarczałaby 900 galonów na minutę przy prędkości 10 stóp na sekundę. 24-calowy wodociąg może dostarczać ponad 12 000 galonów wody na minutę, co wystarczyłoby do napełnienia przeciętnego przydomowego basenu w mniej niż dwie minuty.
Podstawowy wzór na czas zamknięcia zaworu to: T = 2L / a
T = minimalny czas w sekundach
L = długość prostej rury między zaworem zamykającym a następnym kolanem, trójnikiem lub inną wymianą
Do wody przy 70 ° F (21 ° C), gdzie masz 100 stóp prostej rury:
T = 41 milisekund minimalny czas zamykania
KONSEKWENCJE MŁOTKA WODNEGO
Skutki uderzenia hydraulicznego mogą być od łagodnych do ciężkich. Typowym objawem jest głośne uderzanie lub stukot wydobywający się z rur, zwłaszcza po szybkim odcięciu źródła ciśnienia wody. Jest to dźwięk uderzeniowej fali ciśnieniowej uderzającej z dużą siłą w zamknięty zawór, złącze lub inną blokadę. Ten czasami ogłuszający hałas może być źródłem wielkiego cierpienia i niepokoju, zwłaszcza jeśli ludzie pracują w pobliżu.
Jednak powtarzające się uderzenia wodne to nie tylko irytacja. Uderzenie wodne poważnie uszkadza również rurociągi, połączenia rur, uszczelki i wszystkie inne elementy instalacji (przepływomierze, manometry itp.). Skoki ciśnienia mogą łatwo przekroczyć 5 do 10 razy ciśnienie robocze systemu po uderzeniu, powodując tym samym duże obciążenie systemu. Uderzenie wodne powoduje nieszczelności na złączach w systemie. Powoduje również pęknięcia ścian rur i odkształcenia systemów wsporczych rurociągów. Naprawa lub wymiana uszkodzonych elementów i wyposażenia rurociągu może wiązać się z wysokimi kosztami. Jeśli rozlanie powoduje zagrożenie dla środowiska, koszty mogą być oszałamiające.
W większości sytuacji uderzenie wodne jest uważane za zagrożenie dla bezpieczeństwa. Ekstremalne ciśnienie uderzenia hydraulicznego może spowodować wysadzenie uszczelek i nagłe pęknięcie rur. Osoby znajdujące się w pobliżu takiego zdarzenia mogą odnieść poważne obrażenia.
ROZWIĄZANIA MŁOTKA WODNEGO
Istnieje wiele sposobów na złagodzenie skutków uderzenia wodnego, w zależności od jego przyczyny. Jedną z najprostszych metod minimalizowania uderzeń hydraulicznych spowodowanych uderzeniami hydraulicznymi jest szkolenie i edukacja operatorów. Operatorzy, którzy poznają znaczenie prawidłowego otwierania i zamykania zaworów ręcznych lub uruchamianych, mogą podjąć środki ostrożności w celu zminimalizowania skutków. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku zaworów ćwierćobrotowych, takich jak zawory kulowe, przepustnice i zawory czopowe.
UWAGI DOTYCZĄCE PROJEKTOWANIA RUR
Tłumiki uderzeń wodnych zapewniają punkt odciążenia skoków ciśnienia młot wodny. Te elementy systemu rurociągów zmniejszają charakterystyczny hałas i wynikające z niego naprężenia w systemie rurociągów, działając jak amortyzator. Jeśli są odpowiednio dobrane i zainstalowane, tłumiki uderzeń wodnych mogą być skutecznym rozwiązaniem.
Z drugiej strony należy unikać pomp, które wypływają na długi odcinek pionowej rury. Pionową odnogę należy albo zminimalizować, albo zastosować ciche zawory zwrotne zainstalowane jak najbliżej pompy.
Innym obszarem, na który należy zwrócić uwagę w celu zminimalizowania uderzenia hydraulicznego, jest zainstalowanie zaworów zwrotnych w pionowych przewodach rurowych. Kontrole wahadłowe, przechylane tarcze i zawory dwudrzwiowe można ustawić tak, aby działały w linii pionowej. Jednak nie zapobiegną one cofaniu się przepływu w tej orientacji.W tej orientacji może działać tylko cichy zawór zwrotny.
Udar hydrauliczny wynikający z nagłego zamknięcia zaworu zwrotnego, przechylnej tarczy i dwudrzwiowych zaworów zwrotnych można zaradzić, wymieniając te zawory na cichy lub bez trzaskania Sprawdź zawory. Ciche zawory zwrotne zamykają się po spadku różnicy ciśnień na członie zamykającym zaworu, zamiast zamykania się przy przepływie wstecznym. W ten sposób znacznie rzadziej się zatrzaskują, co wywołuje uderzenie wodne. Kiedy różnica ciśnień na tarczy zbliża się do ciśnienia otwarcia zaworu, zawór jest całkowicie zamknięty. Pozwala to na spowolnienie przepływu płynu, co pozwala na zmniejszenie pędu płynu przed całkowitym zamknięciem zaworu, jednocześnie zapewniając, że przepływ płynu nie zmienia kierunku.
Projektanci systemów muszą znać najlepsze rozwiązania praktyki i standardy branżowe w zakresie minimalizowania uderzeń hydraulicznych, takie jak stosowanie wolno zamykających się zaworów, gdy jest to stosowne, znajomość optymalnych lokalizacji zaworów w systemie rurociągów i uwzględnianie specjalnych rozważań na temat projektowania rurociągów dla systemów o wysokim ciśnieniu roboczym.
Podczas rurociągów są odpowiednio zaprojektowane, prawdopodobieństwo wystąpienia uderzenia hydraulicznego jest znacznie zmniejszone lub nawet wyeliminowane. W systemach, które już istnieją, szkodliwe skutki uderzenia hydraulicznego można ograniczyć na wiele znaczących sposobów, takich jak instalowanie ograniczników uderzeń wodnych, przenoszenie zaworów zwrotnych poza linie pionowe, instalowanie cichych zaworów zwrotnych jako podstawowej linii obrony oraz zapewnienie procedur obsługi zaworów ćwierćobrotowych o niskiej szybkości zamykania. Zwróć uwagę, że czas zamknięcia w systemach zautomatyzowanych powinien być 10-krotny na wschód od obliczonego we wzorze T = 2L / a.
WNIOSEK
Uderzenie wodne badano przez wiele lat. Niektóre z badań założycielskich sięgają końca XIX wieku. Badania trwają do dziś. Wiele głównych uniwersytetów w Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i Holandii, a także szanowane firmy zaworowe opublikowało artykuły na temat porównania różnych typów zaworów zwrotnych i ich zainstalowanych charakterystyk dynamicznych.
Ten artykuł przedstawia jedynie zarys badając niektóre przyczyny i rozwiązania tego, co powszechnie nazywamy młotem wodnym. Rozwiązania problemów z uderzeniem wodnym mogą być dość kosztowne i, jak zawsze, uncja środków zapobiegawczych jest warta funta leczenia. Pompy zasilające pionowe linie lub wspólne kolektory i szybkie zamykanie zaworów mogą być na początku zaprojektowane poza procesem. Gdy orurowanie jest już na miejscu, a procesy w zakładzie są w toku, wyzwaniem jest znalezienie rozwiązań biorąc pod uwagę specyficzne ograniczenia.
Większość producentów cichych zaworów zwrotnych na linii bardzo dobrze rozumie zjawisko uderzenia hydraulicznego i zatrudnia inżynierów to może pomóc. Mogą być najlepszym źródłem wiedzy, jeśli chodzi o właściwe rozwiązanie.
ARIE BREGMAN jest wiceprezesem i dyrektorem generalnym firmy DFT Valves. Skontaktuj się z nim pod adresem Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie obsługi JavaScript.