محاسبات ضربه قوچ

بررسی پدیده ضربه قوچ:

ضربه آبی 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.

تئوری ضربه قوچ:

همانطور كه ذكر شد پديده ضربه قوچ در اثر تغيير ناگهاني سرعت جريان در خطوط لوله به‌وجود مي‌آيد که از شايعترين دلايل آن تغيير ناگهاني سرعت،  بازوبسته 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 باسرعت 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 دستخوش افزايش و كاهش شديد مي‌شود كه معمولاً باعث تركيدن 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 قوچي 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:

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   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.

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، جدايي ستون آب و غيره 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.

روشهاي مهار ضربه قوچ ناشي از باز و بسته شدن شيرها:

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 برنامه‌هاي رايانه‌اي است.

شیرهای خیزاب شکن:

این شیرها معمولاً در بالا دست 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 به‌گونه­ای است که در هنگام تجاوز فشار از حد معینی، باز شده و راه گریزی برای خروج جریان ایجاد می‌کند.

روشهاي مهار ضربه قوچ ناشي از ازكار افتادن پمپ‌ها:

مخازن ضربه گير (Surge tanks):

اين مخازن براي جلوگيري از فشارهاي نامطلوب كم و زياد به كار مي‌روند . هنگامي كه فشار بالارود مخزن ضربه‌گير به صورت مخزن ذخيره عمل كرده و آب از خط لوله به داخل مخزن جريان مي‌يابد. در هنگام كم شدن فشار مخزن ضربه‌گير به صورت مخزن تغذيه عمل كرده و آب از مخزن  به خط لوله جريان مي يابد.

مخازن ضربه‌گير به سه دسته تقسيم مي‌شوند ؛ مخازن ضربه‌گير باز، مخازن ضربه‌گير يكطرفه و مخازن ضربه‌گير تهويه‌دار که مخازن ضربه گير باز و تهويه‌دار براي كنترل فشارهاي كم و يا زياد و مخزن ضربه‌گير يكطرفه براي كنترل فشارهاي كم به كار مي روند.

مخازن هوا (Air chamber, Gas vessel):

در اين مخزن سربسته، هواي فشرده در بالا و آب در پايين قراردارد. 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 خواهديافت. 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 نخواهدداد . همچنين در حالتي كه فشار خط لوله بالا مي رود ، فشار خط لوله كاسته مي شود.

مخزن هوا 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.

چرخ لنگر:

چون پديده جدايي ستون آب در خطوط لوله معمولاً نتيجه مستقيم اينرسي دوراني كم سيستم پمپاژ است . افزودن اينرسي راه ديگري براي جلوگيري از 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 مي‌نمايدد و چون فشار منفي كمتري ايجادمي‌شود 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 استفاده مي‌شود. 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 توصيه نمي‌شود.

لوله كنار گذر پمپ (Pump Bypass):

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  ) 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.

شيرهاي 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.

شيرهاي يكطرفه:

استفاده از شير يكطرفه در خروجي پمپ به منظور جلوگيري از چرخش توربيني پمپ امري اجتناب ناپذير است زيرا پس ازخاموش شدن پمپ جريان برگشتي به سمت پمپ مي‌تواند آنرا به طورمعكوس 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 درغيراين صورت پديده‌اي به نام Hydraulic Press مابين دو شير يكطرفه به وجود مي‌آيد كه فشارهاي بسيار زيادي توليد مي‌كند.

شيرهاي اطمينان (SRV)(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 دوسرفلنج‌دار و يا تركيب شيرهاي اطمينان با چرخ لنگر است . براي محافظت ايستگاه پمپاژ و خط لوله بهتر است از تركيب شيرهاي يكطرفه سوپاپي دوسرفلنج‌دار 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 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.

  برای انجام محاسبات ضربه قوچ و طراحی تانک ضربه گیر و تجهیزات کنترل ضربه قوچ با ما تماس بگیرید.