محاسبات ضربه قوچ

بررسی پدیده ضربه قوچ:

ضربه آبی در خطوط لوله را شاید بتوان پیچیده‌ترین و در عین‌حال جذاب‌ترین پدیده در نظر افرادی که با سیستم‌های پمپاژ و انتقال سرو کار دارند به حساب آورد.

این پدیده از تغییر ناگهانی سرعت جریان در خط لوله بوجود می‌آید و از آنجا که در مدت زمان بسیار کوتاهی اتفاق می‌افتد به آن جریان ناماندگار(Transient) می‌گویند. اگر در جریان ماندگار در برآورد پارامترهای مختلف از قبیل افت هد اصطکاکی لوله، افت هد فرعی متعلقات لوله و غیره اشتباهی رخ دهد ممکن است سیستم نتواند آب مورد نیاز را با فشار مطلوب تامین کند. لیکن در حالت جریان ناماندگار معمولا مشکلات جدی در خطوط انتقال به‌وجود می‌آید. زیرا این نوع جریان می‌تواند باعث ایجاد فشار‌های اضافی، صدا، خلاءزایی و ارتعاشات در سیستم آبرسانی شود . میزان تخریب ناشی از جریان ناماندگار برسیستم آبرسانی به عوامل متعددی از قبیل تجهیزات به کاررفته در سیستم، خواص فیزیکی لوله‌ها و سیال و وجود هوا بستگی دارد.

تئوری ضربه قوچ:

همانطور که ذکر شد پدیده ضربه قوچ در اثر تغییر ناگهانی سرعت جریان در خطوط لوله به‌وجود می‌آید که از شایعترین دلایل آن تغییر ناگهانی سرعت،  بازوبسته شدن شیر قطع و وصل و روشن و خاموش شدن پمپها است. هنگامی که پمپی خاموش می‌شود  یک موج فشار منفی (Down surge) از طرف پمپ به طرف انتهای خط لوله باسرعت V حرکت می‌کند. این موج فشاری در واقع فشار تک تک نقاط لوله را به اندازه  کاهش می‌دهد و از انتهای مسیر با فشار اولیه سیستم منعکس می‌شود تا به شیر یکطرفه پمپ برسد و پس از برخورد با شیر یکطرفه به صورت موج فشار مثبت (Up surge)  منعکس می‌شود و درحین حرکت فشار تک تک نقاط لوله را به اندازه زیاد می‌کند و پس از رسیدن به انتهای مسیر با فشار اولیه سیستم برمی‌گردد . بنابراین در یک سیکل که به اندازه T طول می‌کشد  فشار در تمامی نقاط لوله دستخوش افزایش و کاهش شدید می‌شود که معمولاً باعث ترکیدن لوله‌ها و وارد آمدن خسارات جدی به سیستم آبرسانی می‌گردد.  برای بررسی پدیده ضربه قوچ نیاز است تا از میران افزایش و کاهش فشار، دوره تناوب سیکل ضربه قوچ و سرعت انتشار امواج فشار (a) آگاهی یابیم.

در سال 1900 میلادی دانشمند روسی به نام ژکوفسکی فرمولی برای محاسبه حداکثر تغییرات فشار ناشی از تغییرات سرعت ارایه کرد که به فرمول سنت پترزبورگ نیز مشهور است .طبق این فرمول حداکثر تغییر فشار ناشی از ضربه قوچی عبارت است از :

 ΔH=(α.ΔV)/g

α: سرعت انتشار موج فشاری (m/s)           ΔV : تغییر ناگهانی سرعت (m/s)           g : شتاب گرانشی (m/s²)

بسته به نوع لوله مورد استفاده ، سرعت انتشار موج بین 800 تا 1200 متر بر ثانیه متفاوت است ولی در لوله‌های پلاستیکی این سرعت بسیار کمتر بوده و در حدود 300 الی 500 متربرثانیه متغیر است. برای محاسبه سرعت انتشار موج فشاری پس از حل دو معادله که براساس تراکم پذیری سیال و تغییر حجم لوله تعریف شده‌اند، رابطه زیر به دست آمده است. این رابطه با فرض وجود قید سرتاسری روی لوله استنتاج شده است:

 

α : سرعت انتشار موج فشاری (m/s)          D : قطر لوله (mm)          K : مدول بالک سیال (N/m²)

μ : ضریب پواسون لوله              E : مدول الاستیسیته لوله  (N/m²)           e : ضخامت لوله (mm)

بنابراین چنانچه موج فشاری با سرعت a از پمپ شروع به حرکت نماید در مدت زمان   یک سیکل کامل را طی خواهد نمود که در آن (L) طول لوله برحسب متر می‌باشد. پس از اتمام سیکل لوله، این پدیده همچنان ادامه می‌یابد تا براثر اصطکاک و آزاد شدن انرژی به صورت گرما، ضربه قوچ مستهلک گردد.

روشهای مهار ضربه قوچ:

تغییرات فشار که در یک سیستم آبرسانی به وجود می‌آید معمولاً از نوع تغییر سرعت جریان حاصل می‌شود که این تغییر سرعت ناشی از نحوه باز و بسته کردن شیر قطع و وصل، از کار افتادن پمپ، جدایی ستون آب و غیره است. چون تغییرات فشار به تغییرات سرعت بستگی دارد  برای جلوگیری از فشارهای نامطلوب ضربه قوچ، باید از تغییرات ناگهانی سرعت ممانعت به عمل آورد. بنابراین اغلب روشها و تجهیزات کنترل کننده ضربه قوچ، در واقع کنترل کننده تغییرات ناگهانی 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.

روشهای مهار ضربه قوچ ناشی از باز و بسته شدن شیرها:

کنترل بستن شیر:

زمان‌بندی بستن شیر اثر مهمی در مقدار فشار حداکثر دارد . به طوری که مراحل نهایی بستن شیر (2% الی 5% بازشدگی) در شیرهای دروازه‌ای ، اثر تعیین کننده‌ای در مقدار فشار ضربه قوچ دارد. بهترین روش برای بررسی تأثیر زمان بندی بستن شیر بر مقدار فشار ضربه قوچ بدست آوردن ویژگی‌های افت هد شیر و تحلیل مساله  با استفاده از برنامه‌های رایانه‌ای 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.

روشهای مهار ضربه قوچ ناشی از ازکار افتادن پمپ‌ها:

مخازن ضربه گیر (Surge tanks):

این مخازن برای جلوگیری از فشارهای نامطلوب کم و زیاد به کار می‌روند . هنگامی که فشار بالارود مخزن ضربه‌گیر به صورت مخزن ذخیره عمل کرده و آب از خط لوله به داخل مخزن جریان می‌یابد. در هنگام کم شدن فشار مخزن ضربه‌گیر به صورت مخزن تغذیه عمل کرده و آب از مخزن  به خط لوله جریان می یابد.

مخازن ضربه‌گیر به سه دسته تقسیم می‌شوند ؛ مخازن ضربه‌گیر باز، مخازن ضربه‌گیر یکطرفه و مخازن ضربه‌گیر تهویه‌دار که مخازن ضربه گیر باز و تهویه‌دار برای کنترل فشارهای کم و یا زیاد و مخزن ضربه‌گیر یکطرفه برای کنترل فشارهای کم به کار می روند.

مخازن هوا (Air chamber, Gas vessel):

در این مخزن سربسته، هوای فشرده در بالا و آب در پایین قراردارد. بعد از اینکه پمپ از کار افتاد و فشار در خط لوله کم شد. هوای فشرده در مخزن باعث می‌شود تا آب از مخزن هوا به خط لوله جریان یابد. در نتیجه هوای درون مخزن انبساط یافته و فشار آن کاهش خواهدیافت. میزان کاهش فشار هوای درون مخزن به مقدار حجم اولیه هوا، فرآیند ایزوترم هوا و میزان تخلیه آب آن بستگی دارد. با تخلیه آب از درون مخزن به خط لوله، کاهش سرعت آب در لوله به تدریج صورت گرفته و از فشارهای کم جلوگیری به عمل می‌آید که در نتیجه ، پدیده جدایی ستون آب رخ نخواهدداد . همچنین در حالتی که فشار خط لوله بالا می رود ، فشار خط لوله کاسته می شود.

مخزن هوا مطمئن‌ترین وسیله جهت کنترل ضربه قوچ در دو حالت افزایش و کاهش فشار است. نیاز این وسیله به تجهیزات تأمین هوای فشرده و نیز هزینه نگهداری بالا از مسایل آنها هستند.

چرخ لنگر:

چون پدیده جدایی ستون آب در خطوط لوله معمولاً نتیجه مستقیم اینرسی دورانی کم سیستم پمپاژ است . افزودن اینرسی راه دیگری برای جلوگیری از تشکیل بخار است. بدین منظور در خطوطی که دارای پمپهای خشک هستند جهت افزایش ممان اینرسی پمپ، یک چرخ لنگر بین پمپ و موتور نصب می کنند.

مکانیزم عملکرد چرخ لنگر چنین است که بعد از قطع جریان برق از کاهش سریع دور موتور جلوگیری می‌کند و در نتیجه فشار منفی کمتری در اثر ضربه آبی ایجاد می‌نمایدد و چون فشار منفی کمتری ایجادمی‌شود به همان نسبت افزایش فشار کمتر خواهد شد.

چرخ لنگر هزینه بسیار کمتری نسبت به سایر تجهیزات داشته و تقریباً هیچگونه مشکل نگهداری ندارد و برای خطوط لوله‌ای که طول کمتر از 2 کیلومتر دارند استفاده می‌شود. اما از آنجایی که تولید و نصب چرخ لنگر توسط شرکتهای تولید کننده پمپ داخلی بسیار هزینه‌بر و مشکل بوده و هیچکدام از تولیدکنندگان داخلی اقدام به تولید آن نمی‌کنند، استفاده از آن توصیه نمی‌شود.

لوله کنار گذر پمپ (Pump Bypass):

لوله کنار گذر پمپ خط رانش پمپ را به لوله مکش وصل می‌کند و در این فاصله یک شیر یکطرفه که جهت بازشدن آن از جهت مکش به رانش است، نصب می‌شود. در حالت عادی فشار پمپ، این شیر یکطرفه را بسته نگه می‌دارد و به محض ایجاد فشار منفی شیر یکطرفه باز شده و فشار موجود در طرف مکش پمپ مانع از کاهش فشار غیر مجاز در خط لوله رانش می‌شود . این روش کاربرد بسیار محدودی دارد زیرا در پمپهای مجهز به سوپاپ (وقتی سطح آب در طرف مکش پایین تر از پمپ است‌) این سیستم نمی‌تو‌اند عمل کند.

لوله کنارگذر پمپ در ایستگاه‌های پمپاژی که سطح آب در طرف مکش به پمپ سوار است و ارتفاع استاتیک خیلی کم دارد ( کمتر از  ) می‌تواند عمل کند زیرا در سیستم‌های پمپاژ با ارتفاع زیادتر فقط محدوده بسیار اندکی از ابتدای خط لوله را می‌تواند پوشش دهد ضمناً این روش در مقابل افزایش فشار نمی‌تواند مؤثر باشد.

شیرهای هوای دو روزنه:

این شیرها دارای یک روزنه بزرگ و یک روزنه کوچک هستند که کار روزنه بزرگ این است که با افت فشار در خط لوله، باز شده و هوا را به داخل لوله وارد می‌کند سپس با افزایش فشار روزنه بزرگ بسته شده و هوای جمع شده در داخل خط لوله از طریق روزنه کوچک از خط لوله خارج می‌شود. اگر چه تولیدکنندگان  شیر‌هوا این روش را برای جلوگیری از مسأله ناشی از افت فشار توصیه می‌کنند ولی این وسیله مشکلات بسیار زیادی در خط لوله ایجاد می‌کند چون در شیرهای هوای دو روزنه هوا با حجم زیاد در مدت زمان اندک از روزنه بزرگ وارد خط لوله می‌شود ولی تخلیه آن از طریق روزنه کوچک که مقطع عبور هوا در آنها فقط چند میلیمتر مربع است زمان طولانی نیاز دارد. بنابراین استفاده از شیرهوا برای مقابله با مشکلات فشار منفی پدیده ضربه آبی توصیه نمی‌شود.

شیرهای یکطرفه:

استفاده از شیر یکطرفه در خروجی پمپ به منظور جلوگیری از چرخش توربینی پمپ امری اجتناب ناپذیر است زیرا پس ازخاموش شدن پمپ جریان برگشتی به سمت پمپ می‌تواند آنرا به طورمعکوس بچرخاند و سبب وارد آمدن خسارت جدی به پمپ گردد. در برخی از مواقع قراردادن شیرهای یکطرفه در فواصل معین در خط انتقال می‌تواند در کنترل ضربه قوچ مؤثر واقع شود. در این حالت چنانچه از ایستگاه پمپاژ به انتهای مسیر حرکت کنیم شیری که به انتهای مسیر نزدیکتر است باید از شیر ماقبل خود سریعتر بسته شود درغیراین صورت پدیده‌ای به نام Hydraulic Press مابین دو شیر یکطرفه به وجود می‌آید که فشارهای بسیار زیادی تولید می‌کند.

شیرهای اطمینان (SRV)(Surge Relief Valve):

اقتصادی ترین روش برای مقابله با مشکل افزایش فشار استفاده از شیرهای اطمینان (SRV) و یا ترکیب شیرهای اطمینان با شیرهای یکطرفه سوپاپی دوسرفلنج‌دار و یا ترکیب شیرهای اطمینان با چرخ لنگر است . برای محافظت ایستگاه پمپاژ و خط لوله بهتر است از ترکیب شیرهای یکطرفه سوپاپی دوسرفلنج‌دار و شیرهای اطمینان در چند نقطه از خط لوله استفاده کرد. در این صورت به هنگام ضربه قوچ شیر یکطرفه سریعاً بسته شده و فشار اضافی توسط شیر اطمینان تخلیه می‌شود و در نتیجه هم خط لوله و هم ایستگاه پمپاژ در مقابل فشارهای غیر مجاز محافظت می‌شوند .

چنانچه سیستم دچار مشکل فشار منفی هم باشد و امکان نصب چرخ لنگر نیز باشد. استفاده از ترکیب هم زمان چرخ لنگر، شیر یکطرفه سوپاپی فنردار و شیر اطمینان توصیه می‌شود تا هم اثرات فشار منفی و هم اثرات فشار مثبت مهار گردند.