Гідравлі́чний уда́р (англ. hydraulic impact, hydraulic shock, water hammer; нім. Druckwelle f, hydraulischer Stoss m, hydraulischer Schlag m) — явище підвищення або зниження гідромеханічного тиску в напірному трубопроводі, викликане зміною в часі і в будь-якому перерізі трубопроводу швидкості руху рідини (наприклад, через відкривання або закривання засувки).
Гідравлічний удар у трубопроводі
Гідравлічний удар у трубопроводі, (рос. гидравлический удар в трубопроводе; англ. water hammer, hydraulic impact in pipeline; нім. Wasserschlag m in Rohrleitungen f) — різка зміна тиску рідини в трубопроводі при раптовій зупинці насосів, що поширюється у рідині зі швидкістю звуку в напрямі, протилежному її течії. Зона зниженого тиску, що виникає за засувкою трубопроводу, поширюється за течією потоку. При значному зниженні тиску і розриві суцільності потоку за закритою засувкою може виникнути зворотний гідравлічний удар (викликається різким припливом рідини в порожнину низького тиску). Гідравлічний удар у вигляді хвиль збурення поширюється вздовж трубопроводу зі швидкістю звуку в даному середовищі. Гідравлічний удар може визначатися висотою hуд стовпа рідини певної об'ємної ваги або величиною тиску удару Δ Руд.
Якщо гідравлічний удар являє собою хвилю підвищення тиску (миттєве закривання труби), то він називається додатнім; удар, зумовлений зниженням тиску (відкривання затвору), — від'ємним.
При різкому перекритті потоку спочатку зупиниться шар рідини безпосередньо біля крана (засувки). Внаслідок переходу кінетичної енергії в потенціальну тиск у цьому шарі зросте. Так як рідина до певної міри стискувана, то зупинки всієї її маси в трубопроводі не відбудеться миттєво. Границя об'єму зупиненої рідини переміщається вздовж трубопроводу. Час, за який хвиля гідроудару подолає шлях L від точки зупинки до початку трубопроводу (наприклад, до насоса) і повернеться назад, називається фазою гідроудару. Вона може бути визначена за формулою:
- ,
де с — швидкість поширення ударної хвилі.
Теоретично при миттєвому перекритті потоку, що рухається в трубопроводі з швидкістю V, відбувається миттєва зміна тиску в трубопроводі біля місця перекриття на величину Δp. Вона визначається за формулою М. Є. Жуковського:
- ,
де Δp — підвищення тиску при гідроударі, Н/м²;
- ρ — густина рідини, кг/м³;
- V — швидкість течії рідини до гідравлічного удару, м/с;
- c — швидкість поширення хвилі ударного тиску в рідині, м/с.
Швидкість c поширення хвилі ударного тиску вздовж трубопроводу
- ,
де Е — об'ємний модуль пружності рідини, Н/м²;
- ЕT — модуль пружності матеріалу стінок труби, Н/м²;
- δ — товщина стінок труби, мм ;
- d — внутрішній діаметр труби, мм;
- — швидкість поширення звуку в рідині. Для води при t=10 °C c0=1435 м/с.
Якщо час закривання затвору t є меншим від фази удару (час проходження ударною хвилею подвоєної довжини L труби), то такий удар називають прямим, а в протилежному випадку — непрямим.
У випадку непрямого гідроудару підвищення тиску розраховується за формулою Жуковського у вигляді
- ,
де tK — час повного перекриття трубопроводу засувкою.
Методи боротьби з гідроударом
Гідравлічний удар іноді виникає в магістральних нафтопроводах або продуктопроводах (вуглепроводах) при раптовій зупинці насосів на проміжній насосній станції, а також в системах живлення механізованих кріплень гірничих виробок при раптовому переміщенні великих мас гірських порід, яка утримувалася кріпленням.
Для боротьби з гідроударом вдаються до наступних заходів:
- у місцях можливої появи гідроудару (біля засувок) встановлюють повітряно-гідравлічні ковпаки — гасильники удару;
- шляхом зменшення швидкості закриття крана, прямий гідроудар перетворюють у непрямий (tK > T);
- на трубопроводі встановлюють перепускні або зворотні клапани;
- засувки встановлюють на початку трубопроводу (L → min).
В окремих випадках ефект гідроудару використовується для створення великих тисків, як наприклад, у листовому штампуванні.
Захист трубопроводів від гідравлічних ударів
При створенні та експлуатації ГТС підвищену увагу в першу чергу приділяють заходам по запобіганню виникнення гідравлічних ударів, оскільки навіть погашений удар слід розглядати як аварійний. Використання гасників гідравлічних ударів запобігає руйнуванню труб та обладнання, але ще не виключає можливості закорковування трубопроводів внаслідок зменшення швидкості гідросуміші при планових та нештатних зупинках гідротранспортної системи.
Оскільки величина гідравлічного удару прямо пропорційна швидкості руху гідросуміші, то зменшення її могло б зменшити гідравлічний удар. Проте робоча швидкість транспортування гідросуміші, яку вибирають для забезпечення найбільшої ефективності гідротранспорту, лише ненабагато перевищує критичну, і подальше її зниження з точки зору надійності транспортування недоцільне.
Другим фактором, який визначає величину гідравлічного удару, є швидкість поширення ударної хвилі, зменшити яку можна шляхом зменшення пружності гідросуміші додаванням третьої фази — повітря, що аж ніяк не сприяє оптимізації її параметрів, або підвищуючи еластичність труби зменшенням товщини стінок та вибором відповідного матеріалу, що суперечить вимозі забезпечення довговічності трубопроводів в умовах інтенсивного гідроабразивного зношування.
Досвід експлуатації та великий обсяг експериментальних досліджень свідчать про те, що найсприятливішими технологічними операціями для дестабілізації тиску в гідротранспор тних системах є пуски та зупинки у штатних і нештатних ситуаціях. Превентивні заходи полягають у правильній організації пуску, належному розташуванні та підтримці у робочому стані запірної арматури (особливо зворотних клапанів), розстановці проміжних насосних станцій у багатоступінчастих ГТС.
Після зупинки системи, якщо ця операція не супроводжується промивкою, на дні трубопроводів залишається нерухомий шар твердого матеріалу. Щоб уникнути утворення корків, закупорок і, як наслідок, гідравлічних ударів, пуск гідротранспортної системи здійснюють, поступово збільшуючи швидкість потоку, що забезпечує повільний розмив донних відкладень. При необхідності випуску повітря з системи трубопровід перед пуском заповнюють транспортною (технологічною) рідиною, починаючи з нижнього його кінця. Промивка вертикальних трубопроводів після зупинки є обов'язковою.
Щоб запобігти гідравлічним ударам при пусках та зупинках насосів на головній та проміжних станціях багатоступінчастих гідротранспортних систем, ці операції слід здійснювати у такій послідовності:
- пуск послідовно включених насосів здійснюють у прямій послідовності, тобто спочатку запускають головний, а далі
перший проміжний, другий проміжний і т. д.;
- зупинку послідовно включених насосів здійснюють у зворотній послідовності, тобто спочатку зупиняють насоси кінцевої насосної станції, далі попередньої, і таким чином до насосів головної насосної станції.
Досвід свідчить про те, що в гідротранспортних, особливо багатоступінчастих, системах завжди можливим є виникнення випадкових нештатних ситуацій, що призводять до дестабілізації тиску. Виходячи з можливості виникнення таких нештатних ситуацій, гідротранспортні системи обладнують засобами гасіння гідравлічних ударів.
До таких засобів, зокрема, можна віднести установку на нагнітальному патрубку головного насоса, а також на всмоктувальних та нагнітальних патрубках проміжних насосів (при послідовній роботі), відвідних патрубків з діаметром, меншим за діаметр основного трубопроводу, із запірними органами. При планових запусках та зупинках насосів запори відкриваються і залишаються у відкритому стані, доки процес установиться (при пусках) або до повного затухання коливального процесу (при зупинках).
Для захисту гідротранспортних систем від гідравлічних ударів застосовують такі типи гасників:
- з пружним робочим органом;
- із зрізним елементом;
- з повітряно-гідравлічним елементом;
- з розривною мембраною;
- з пружинним елементом;
- із зворотним клапаном подвійної дії.
Одним з найнадійніших засобів запобігання гідравлічним ударам, як на окремих відцентрових насосах, так і на послідовно включених при відсутності на їхньому всмоктувальному патрубку приймальних клапанів, є гасник з обвідною трубою та зворотним клапаном двобічної дії. Наявність обвідної труби виключає можливість зіткнення зворотного потоку із запірним органом зворотного клапана під час його закриття при зупинці насоса. Спрямовування зворотного потоку з нагнітального трубопроводу у всмоктувальний перешкоджає виникненню хвилі підвищеного тиску і, таким чином, відвертає виникнення гідравлічного удару.
Див. також
Література
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2004. — Т. 1 : А — К. — 640 с. — .
- Світлий Ю. Г., Білецький В. С. Гідравлічний транспорт (монографія). — Донецьк: Східний видавничий дім, Донецьке відділення НТШ, «Редакція гірничої енциклопедії», 2009. — 436 с. [ 24 вересня 2015 у Wayback Machine.]Також в Репозитарії ХПІ [ 27 березня 2022 у Wayback Machine.]
Інтернет-ресурси
- What Is Water Hammer and Why Is It Important That You Prevent it? [ 26 жовтня 2021 у Wayback Machine.]
- Use accumulator to prevent water hammer in pipeline [ 23 жовтня 2021 у Wayback Machine.]
- What Is Water Hammer/Steam Hammer? [ 26 жовтня 2021 у Wayback Machine.]
- «Water hammer» [ 26 жовтня 2021 у Wayback Machine.]—YouTube (animation)
- «Water Hammer Theory Explained» [ 23 жовтня 2021 у Wayback Machine.]—YouTube; with examples
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Gidravli chnij uda r angl hydraulic impact hydraulic shock water hammer nim Druckwelle f hydraulischer Stoss m hydraulischer Schlag m yavishe pidvishennya abo znizhennya gidromehanichnogo tisku v napirnomu truboprovodi viklikane zminoyu v chasi i v bud yakomu pererizi truboprovodu shvidkosti ruhu ridini napriklad cherez vidkrivannya abo zakrivannya zasuvki Priklad eksperimentalnoyi zalezhnosti tisku vid chasu pri gidravlichnomu udari pislya rizkogo zakrittya zasuvki v truboprovodi Vidno znizhennya tisku nizhche atmosfernogo pid chas fazi rozridzhennya Gidravlichnij udar u truboprovodiDeformaciya perehidnih patrubkiv truboprovodiv vid gidroudaru Gidravlichnij udar u truboprovodi ros gidravlicheskij udar v truboprovode angl water hammer hydraulic impact in pipeline nim Wasserschlag m in Rohrleitungen f rizka zmina tisku ridini v truboprovodi pri raptovij zupinci nasosiv sho poshiryuyetsya u ridini zi shvidkistyu zvuku v napryami protilezhnomu yiyi techiyi Zona znizhenogo tisku sho vinikaye za zasuvkoyu truboprovodu poshiryuyetsya za techiyeyu potoku Pri znachnomu znizhenni tisku i rozrivi sucilnosti potoku za zakritoyu zasuvkoyu mozhe viniknuti zvorotnij gidravlichnij udar viklikayetsya rizkim priplivom ridini v porozhninu nizkogo tisku Gidravlichnij udar u viglyadi hvil zburennya poshiryuyetsya vzdovzh truboprovodu zi shvidkistyu zvuku v danomu seredovishi Gidravlichnij udar mozhe viznachatisya visotoyu hud stovpa ridini pevnoyi ob yemnoyi vagi abo velichinoyu tisku udaru D Rud Yaksho gidravlichnij udar yavlyaye soboyu hvilyu pidvishennya tisku mittyeve zakrivannya trubi to vin nazivayetsya dodatnim udar zumovlenij znizhennyam tisku vidkrivannya zatvoru vid yemnim Pri rizkomu perekritti potoku spochatku zupinitsya shar ridini bezposeredno bilya krana zasuvki Vnaslidok perehodu kinetichnoyi energiyi v potencialnu tisk u comu shari zroste Tak yak ridina do pevnoyi miri stiskuvana to zupinki vsiyeyi yiyi masi v truboprovodi ne vidbudetsya mittyevo Granicya ob yemu zupinenoyi ridini peremishayetsya vzdovzh truboprovodu Chas za yakij hvilya gidroudaru podolaye shlyah L vid tochki zupinki do pochatku truboprovodu napriklad do nasosa i povernetsya nazad nazivayetsya fazoyu gidroudaru Vona mozhe buti viznachena za formuloyu T 2 L c displaystyle T frac 2L c de s shvidkist poshirennya udarnoyi hvili Teoretichno pri mittyevomu perekritti potoku sho ruhayetsya v truboprovodi z shvidkistyu V vidbuvayetsya mittyeva zmina tisku v truboprovodi bilya miscya perekrittya na velichinu Dp Vona viznachayetsya za formuloyu M Ye Zhukovskogo D p r V c displaystyle Delta p rho Vc de Dp pidvishennya tisku pri gidroudari N m r gustina ridini kg m V shvidkist techiyi ridini do gidravlichnogo udaru m s c shvidkist poshirennya hvili udarnogo tisku v ridini m s Shvidkist c poshirennya hvili udarnogo tisku vzdovzh truboprovodu c c 0 1 E E T d d displaystyle c frac c 0 sqrt 1 E E T d delta de E ob yemnij modul pruzhnosti ridini N m ET modul pruzhnosti materialu stinok trubi N m d tovshina stinok trubi mm d vnutrishnij diametr trubi mm c 0 E r displaystyle c 0 sqrt frac E rho shvidkist poshirennya zvuku v ridini Dlya vodi pri t 10 C c0 1435 m s Yaksho chas zakrivannya zatvoru t ye menshim vid fazi udaru chas prohodzhennya udarnoyu hvileyu podvoyenoyi dovzhini L trubi to takij udar nazivayut pryamim a v protilezhnomu vipadku nepryamim U vipadku nepryamogo gidroudaru pidvishennya tisku rozrahovuyetsya za formuloyu Zhukovskogo u viglyadi D p r V c T t K displaystyle Delta p rho Vc frac T t K de tK chas povnogo perekrittya truboprovodu zasuvkoyu Metodi borotbi z gidroudaromGidravlichnij udar inodi vinikaye v magistralnih naftoprovodah abo produktoprovodah vugleprovodah pri raptovij zupinci nasosiv na promizhnij nasosnij stanciyi a takozh v sistemah zhivlennya mehanizovanih kriplen girnichih virobok pri raptovomu peremishenni velikih mas girskih porid yaka utrimuvalasya kriplennyam Dlya borotbi z gidroudarom vdayutsya do nastupnih zahodiv u miscyah mozhlivoyi poyavi gidroudaru bilya zasuvok vstanovlyuyut povitryano gidravlichni kovpaki gasilniki udaru shlyahom zmenshennya shvidkosti zakrittya krana pryamij gidroudar peretvoryuyut u nepryamij tK gt T na truboprovodi vstanovlyuyut perepuskni abo zvorotni klapani zasuvki vstanovlyuyut na pochatku truboprovodu L min V okremih vipadkah efekt gidroudaru vikoristovuyetsya dlya stvorennya velikih tiskiv yak napriklad u listovomu shtampuvanni Zahist truboprovodiv vid gidravlichnih udariv Pri stvorenni ta ekspluataciyi GTS pidvishenu uvagu v pershu chergu pridilyayut zahodam po zapobigannyu viniknennya gidravlichnih udariv oskilki navit pogashenij udar slid rozglyadati yak avarijnij Vikoristannya gasnikiv gidravlichnih udariv zapobigaye rujnuvannyu trub ta obladnannya ale she ne viklyuchaye mozhlivosti zakorkovuvannya truboprovodiv vnaslidok zmenshennya shvidkosti gidrosumishi pri planovih ta neshtatnih zupinkah gidrotransportnoyi sistemi Oskilki velichina gidravlichnogo udaru pryamo proporcijna shvidkosti ruhu gidrosumishi to zmenshennya yiyi moglo b zmenshiti gidravlichnij udar Prote robocha shvidkist transportuvannya gidrosumishi yaku vibirayut dlya zabezpechennya najbilshoyi efektivnosti gidrotransportu lishe nenabagato perevishuye kritichnu i podalshe yiyi znizhennya z tochki zoru nadijnosti transportuvannya nedocilne Drugim faktorom yakij viznachaye velichinu gidravlichnogo udaru ye shvidkist poshirennya udarnoyi hvili zmenshiti yaku mozhna shlyahom zmenshennya pruzhnosti gidrosumishi dodavannyam tretoyi fazi povitrya sho azh niyak ne spriyaye optimizaciyi yiyi parametriv abo pidvishuyuchi elastichnist trubi zmenshennyam tovshini stinok ta viborom vidpovidnogo materialu sho superechit vimozi zabezpechennya dovgovichnosti truboprovodiv v umovah intensivnogo gidroabrazivnogo znoshuvannya Dosvid ekspluataciyi ta velikij obsyag eksperimentalnih doslidzhen svidchat pro te sho najspriyatlivishimi tehnologichnimi operaciyami dlya destabilizaciyi tisku v gidrotranspor tnih sistemah ye puski ta zupinki u shtatnih i neshtatnih situaciyah Preventivni zahodi polyagayut u pravilnij organizaciyi pusku nalezhnomu roztashuvanni ta pidtrimci u robochomu stani zapirnoyi armaturi osoblivo zvorotnih klapaniv rozstanovci promizhnih nasosnih stancij u bagatostupinchastih GTS Pislya zupinki sistemi yaksho cya operaciya ne suprovodzhuyetsya promivkoyu na dni truboprovodiv zalishayetsya neruhomij shar tverdogo materialu Shob uniknuti utvorennya korkiv zakuporok i yak naslidok gidravlichnih udariv pusk gidrotransportnoyi sistemi zdijsnyuyut postupovo zbilshuyuchi shvidkist potoku sho zabezpechuye povilnij rozmiv donnih vidkladen Pri neobhidnosti vipusku povitrya z sistemi truboprovid pered puskom zapovnyuyut transportnoyu tehnologichnoyu ridinoyu pochinayuchi z nizhnogo jogo kincya Promivka vertikalnih truboprovodiv pislya zupinki ye obov yazkovoyu Shob zapobigti gidravlichnim udaram pri puskah ta zupinkah nasosiv na golovnij ta promizhnih stanciyah bagatostupinchastih gidrotransportnih sistem ci operaciyi slid zdijsnyuvati u takij poslidovnosti pusk poslidovno vklyuchenih nasosiv zdijsnyuyut u pryamij poslidovnosti tobto spochatku zapuskayut golovnij a dali pershij promizhnij drugij promizhnij i t d zupinku poslidovno vklyuchenih nasosiv zdijsnyuyut u zvorotnij poslidovnosti tobto spochatku zupinyayut nasosi kincevoyi nasosnoyi stanciyi dali poperednoyi i takim chinom do nasosiv golovnoyi nasosnoyi stanciyi Dosvid svidchit pro te sho v gidrotransportnih osoblivo bagatostupinchastih sistemah zavzhdi mozhlivim ye viniknennya vipadkovih neshtatnih situacij sho prizvodyat do destabilizaciyi tisku Vihodyachi z mozhlivosti viniknennya takih neshtatnih situacij gidrotransportni sistemi obladnuyut zasobami gasinnya gidravlichnih udariv Do takih zasobiv zokrema mozhna vidnesti ustanovku na nagnitalnomu patrubku golovnogo nasosa a takozh na vsmoktuvalnih ta nagnitalnih patrubkah promizhnih nasosiv pri poslidovnij roboti vidvidnih patrubkiv z diametrom menshim za diametr osnovnogo truboprovodu iz zapirnimi organami Pri planovih zapuskah ta zupinkah nasosiv zapori vidkrivayutsya i zalishayutsya u vidkritomu stani doki proces ustanovitsya pri puskah abo do povnogo zatuhannya kolivalnogo procesu pri zupinkah Dlya zahistu gidrotransportnih sistem vid gidravlichnih udariv zastosovuyut taki tipi gasnikiv z pruzhnim robochim organom iz zriznim elementom z povitryano gidravlichnim elementom z rozrivnoyu membranoyu z pruzhinnim elementom iz zvorotnim klapanom podvijnoyi diyi Odnim z najnadijnishih zasobiv zapobigannya gidravlichnim udaram yak na okremih vidcentrovih nasosah tak i na poslidovno vklyuchenih pri vidsutnosti na yihnomu vsmoktuvalnomu patrubku prijmalnih klapaniv ye gasnik z obvidnoyu truboyu ta zvorotnim klapanom dvobichnoyi diyi Nayavnist obvidnoyi trubi viklyuchaye mozhlivist zitknennya zvorotnogo potoku iz zapirnim organom zvorotnogo klapana pid chas jogo zakrittya pri zupinci nasosa Spryamovuvannya zvorotnogo potoku z nagnitalnogo truboprovodu u vsmoktuvalnij pereshkodzhaye viniknennyu hvili pidvishenogo tisku i takim chinom vidvertaye viniknennya gidravlichnogo udaru Div takozhGidrotarannij nasosLiteraturaMala girnicha enciklopediya u 3 t za red V S Bileckogo D Donbas 2004 T 1 A K 640 s ISBN 966 7804 14 3 Svitlij Yu G Bileckij V S Gidravlichnij transport monografiya Doneck Shidnij vidavnichij dim Donecke viddilennya NTSh Redakciya girnichoyi enciklopediyi 2009 436 s 24 veresnya 2015 u Wayback Machine Takozh v Repozitariyi HPI 27 bereznya 2022 u Wayback Machine Internet resursiWhat Is Water Hammer and Why Is It Important That You Prevent it 26 zhovtnya 2021 u Wayback Machine Use accumulator to prevent water hammer in pipeline 23 zhovtnya 2021 u Wayback Machine What Is Water Hammer Steam Hammer 26 zhovtnya 2021 u Wayback Machine Water hammer 26 zhovtnya 2021 u Wayback Machine YouTube animation Water Hammer Theory Explained 23 zhovtnya 2021 u Wayback Machine YouTube with examples