Гидравлический удар также может возникать в многофазных жидкостях, которые представляют собой жидкие среды, увлекающие также твердые частицы. Примеры включают раствор или жидкую целлюлозу (по существу, волокна целлюлозы, переносящие воду). Ключевым фактором является то, что вода является основной транспортной средой в трубопроводах и может очень эффективно переносить ударные волны.

Мигание и гидроудар

Мгновенное испарение — это другой вид скачка давления. Мгновенное испарение происходит, когда конденсат пара (жидкая вода) из паровой системы накапливается в системе трубопроводов. Эта жидкая вода может внезапно превратиться из жидкости в пар с последующим коэффициентом объемного расширения в 400-600 раз. С парами, образующимися при испарении, необходимо обращаться совершенно по-другому. Хотя контроль не менее важен, для целей данной статьи мы ограничим обсуждение жидкими средами и шумом гидроудара.

Причины гидроудара

Гидравлический удар может быть вызван неправильным выбором клапана, неправильным расположением клапана, а иногда и неправильным обслуживанием. Некоторые клапаны, такие как поворотные обратные клапаны, обратные клапаны с наклонной заслонкой и двухдверные обратные клапаны, также могут вызывать проблемы с гидравлическим ударом. Эти обратные клапаны подвержены ударам, поскольку они полагаются на обратный поток и противодавление, которые толкают створку клапана обратно в седло, что закрывает клапан. Если обратный поток сильный, например, когда вертикальная линия течет нормально вверх, створка клапана, вероятно, подвергнется высокой ударной силе. Возникающий в результате удар повредит выравнивание створки клапана, и она больше не будет полностью соприкасаться с седлом на 360 градусов. Это может привести к утечке и, в лучшем случае, разрушить эффективность системы. В худшем случае это может привести к серьезному повреждению других компонентов трубопровода.

Локальное внезапное падение давления — это, по меньшей мере, неприятное событие, которое может вызвать серьезные проблемы. Определенные шаги могут предотвратить или смягчить гидравлический удар. Первым приоритетом является изучение причин, последствий и решений.

Гидравлический удар
Наиболее распространенной причиной гидравлического удара является слишком быстрое закрытие клапанов или внезапное отключение насосов. Фактически, гидравлический удар – это кратковременное повышение давления жидкости в системе трубопроводов, когда жидкость внезапно останавливается. Как заметил сэр Исаак Ньютон, движущиеся объекты имеют тенденцию оставаться в движении, если на них не действует другая сила. Импульс жидкости, движущейся вперед, будет поддерживать движение жидкости в этом направлении. Когда клапан внезапно закрывается или насос внезапно останавливается, жидкость в трубопроводе после клапана или насоса будет упруго растягиваться до тех пор, пока движение жидкости не прекратится.

Внезапное закрытие клапана обычно связано с клапанами четвертьоборотного типа, точнее с четвертьоборотными автоматическими клапанами. Простое решение — закрывать эти четвертьоборотные автоматические клапаны медленнее. Это работает во многих ситуациях, но не во всех. Например, аварийные запорные клапаны должны закрываться быстро, поэтому для подобных применений могут потребоваться другие решения. Более подробная информация о расчете времени закрытия клапана будет представлена ​​далее в этой статье.

Еще одной из наиболее частых причин гидроудара является внезапное отключение насоса. При использовании градирен или осушения шахт, где несколько насосов подают воду в общий коллектор, требуется либо медленное отключение, либо установка бесшумного обратного клапана на линии сразу после насоса. Бесшумные обратные клапаны могут быть очень эффективными для уменьшения или даже устранения гидравлического удара.

Прогнозирование пиков давления гидроудара
Величину пика давления гидроудара можно рассчитать на основе детального знания трубопровода и транспортируемой среды. Фактическое давление гидравлического удара зависит от скорости потока жидкости в момент остановки и времени, необходимого для остановки потока. Например, предположим, что 100 галлонов воды протекает через 2-дюймовую трубу со скоростью 10 футов в секунду. Когда поток быстро останавливается быстро закрывающимся клапаном, эффект эквивалентен удару молота массой 835 фунтов о препятствие. Если поток прекращается в течение полсекунды (что может соответствовать скорости закрытия клапана), возникает скачок давления, превышающий рабочее давление системы на 100 фунтов на квадратный дюйм.

Уравнение для расчета амплитуды потенциала пика выглядит следующим образом:

∆H=a/g*∆V

∆H — изменение напора

∆V — изменение скорости потока жидкости

a = скорость звука в среде

g = гравитационное давление константа

Пример:

a = 4864 фута в секунду

g = 32,2 фута в секунду2

∆V = 5 футов в секунду

∆H составляет 756 футов (328 фунтов на квадратный дюйм).

Это значение предполагает наличие мгновенного закрытия клапана.

Расчет времени закрытия клапана.
Гидравлический удар, очевидно, является серьезной проблемой в промышленных средах, таких как очистные сооружения или муниципальные системы водоснабжения. В отличие от приведенного выше примера, средний номинальный диаметр трубы смесителя для ванной обычно составляет ½ дюйма, при этом давление воды находится в диапазоне 60–80 фунтов на квадратный дюйм, что обеспечивает подачу около 8–10 галлонов в минуту. 6-дюймовая линия водоочистной станции может подавать 900 галлонов воды в минуту со скоростью 10 футов в секунду. 24-дюймовая магистраль может подавать более 12 000 галлонов воды в минуту, чего достаточно, чтобы наполнить бассейн на заднем дворе менее чем за две минуты.

Основная формула времени закрытия клапана: T = 2 л/год

T = минимальное время в секундах

L = длина прямой трубы между закрывающимся клапаном и следующим коленом, тройником или другим сменным элементом

Для 70°F (21°C) вода с прямой трубой длиной 100 футов:

T = 41 миллисекунда, минимальное время отключения.

Последствия гидравлического удара.
Последствия гидравлического удара могут варьироваться от легких до тяжелых. Распространенным признаком является громкий стук или стук из трубы, особенно после быстрого отключения источника давления воды. Это звук, который издается, когда ударная волна давления с большой силой ударяет по закрытому клапану, фитингу или другому засору. Иногда этот громкий шум может вызвать сильное беспокойство и беспокойство, особенно если поблизости работают люди.

Однако повторяющееся возникновение гидравлического удара – это не просто неприятность. Гидравлический удар также может серьезно повредить трубы, трубные соединения, прокладки и все остальные компоненты системы (расходомеры, манометры и т. д.). Во время удара скачки давления могут легко превысить рабочее давление системы в 5–10 раз, создавая тем самым большую нагрузку на систему. Гидравлический удар приводит к протечкам соединений системы. Это также вызывает растрескивание стенок труб и деформацию систем крепления труб. Ремонт или замена поврежденных компонентов труб и оборудования может оказаться дорогостоящим. Если утечка вызовет экологические проблемы, затраты могут быть ошеломляющими.

В большинстве случаев гидравлический удар считается угрозой безопасности. Чрезвычайное давление гидравлического удара может привести к разрыву прокладок, что приведет к внезапному разрыву трубы. Люди, находящиеся поблизости от такого события, могут получить серьезные травмы.

Решения по гидроудару
В зависимости от причины гидроудара существует ряд способов смягчения последствий гидроудара. Один из самых простых способов уменьшить гидравлический удар, вызванный гидравлическим ударом, — это обучение и обучение операторов. Операторы, которые понимают важность правильного открытия и закрытия клапанов с ручным управлением или приводом, могут принять меры предосторожности, чтобы свести к минимуму последствия. Это особенно актуально для четвертьоборотных клапанов, таких как шаровые, дроссельные и пробковые клапаны.

Рекомендации по проектированию трубопроводов
Уловители гидроудара обеспечивают точку сброса при скачках давления, вызванных гидроударом. Эти компоненты трубопроводной системы снижают характерный шум и синтетические напряжения трубопроводных систем, действуя как амортизаторы. При правильном подборе размеров и установке каплеуловители гидроударов могут стать эффективным решением.

С другой стороны, следует избегать перекачки рабочей среды на длинные вертикальные трубопроводы. Вертикальные секции труб следует свести к минимуму или использовать бесшумные обратные клапаны, установленные как можно ближе к насосу.

Еще одним аспектом снижения гидроудара является установка обратных клапанов на вертикальных трубопроводах. Поворотные обратные клапаны, наклонные заслонки и двойные задвижки могут работать вертикально. Однако они не остановят обратный поток в вертикальном направлении. В этом направлении будут работать только бесшумные обратные клапаны.

Гидравлические удары, вызванные внезапным закрытием поворотного обратного клапана, откидной заслонки и обратных клапанов с двойной задвижкой, можно устранить путем замены поворотного обратного клапана, наклонной заслонки и двойных обратных клапанов на бесшумные или бесшумные обратные клапаны. Бесшумные обратные клапаны закрываются, когда перепад давления через затвор клапана уменьшается, а не из-за противотока. В результате они с меньшей вероятностью внезапно закроются и, таким образом, вызовут гидравлический удар. Клапан полностью закрыт, когда перепад давления на створке клапана приближается к давлению разрыва клапана. Это замедляет поток жидкости, так что импульс жидкости уменьшается до того, как клапан полностью закроется, гарантируя при этом, что поток жидкости не будет реверсирован.

Проектировщики систем должны быть знакомы с лучшими практиками и отраслевыми стандартами для минимизации гидравлического удара, такими как использование медленно закрывающихся клапанов, где это необходимо, понимание оптимального расположения клапанов в системах трубопроводов и специальные соображения по проектированию трубопроводов для систем с высоким рабочим давлением.

Если система трубопроводов спроектирована правильно, вероятность возникновения гидравлического удара будет значительно снижена, если не устранена. В уже существующих системах разрушительное воздействие гидроудара можно ограничить рядом важных способов, таких как установка каплеуловителей гидроудара, перемещение обратных клапанов из вертикальных трубопроводов, установка бесшумных обратных клапанов в качестве основной линии защиты и обеспечение что четвертьоборотные клапаны работают с низкой скоростью закрытия. Обратите внимание, что время закрытия в автоматизированной системе должно быть как минимум в 10 раз больше значения, рассчитанного по формуле T=2L/a.

Заключение
Гидравлический удар изучается уже много лет. Некоторые из основополагающих исследований относятся к концу 1800-х годов. Исследования все еще продолжаются. Многие крупные университеты США, Великобритании и Нидерландов, а также уважаемые производители клапанов написали статьи, в которых сравниваются динамические характеристики различных типов обратных клапанов и их установок.

Эта статья лишь поверхностно коснулась темы переходных процессов в жидкости, исследуя некоторые причины и решения того, что мы обычно называем гидравлическим ударом. Решения по борьбе с гидроударом могут быть довольно дорогими, и, как всегда, унция профилактики стоит фунта лечения. Насосы и быстрозапорные клапаны для подачи в вертикальные линии или обычные коллекторы могут быть спроектированы с самого начала. После того как трубопроводы установлены и производственный процесс запущен, задача состоит в том, чтобы найти решение с учетом конкретных ограничений.

Большинство производителей бесшумных обратных клапанов для трубопроводов хорошо осведомлены о явлении гидроудара и имеют в своем штате инженеров, которые могут помочь. Они могут быть лучшим источником знаний, когда дело доходит до правильного решения.