Общие понятия о гидравлическом ударе в трубопроводах

гидравлический удар трубопроводный водоотведение Гидравлическим ударом называется внезапное повышение или снижение давления жидкости внутри трубопровода, вызванное любым резким изменением скорости её течения. Гидравлические удары возникают при пуске и остановке насосов при открытой задвижке на напорной линии, а также при быстром открытии или закрытии регулирующих органов на водоводах и от других причин.

Особенно опасны в этом отношении маломощные насосы с небольшой инерцией движущихся масс, широко распространённыё в небольших системах водоснабжения.

При гидравлических ударах давление в трубах скачкообразно возрастает до больших величин, в ряде случаев образуется вакуум, резко колеблется давление, возникает кавитация. Эти явления нарушают герметичность стыков, вызывают разрывы труб, повреждение рабочих колёс насосов, контрольно-измерительных приборов, арматуры, нежелательную вибрацию оборудования и т. д.

Наблюдения показали, что на напорных линиях, подверженных даже незначительным колебаниям давления, обусловленных гидравлическими ударами, утечки растут из года в год.

По СНиПу [1] повышение давления при гидравлическом ударе определяется расчётом, на основании которого принимаются меры защиты от гидравлического удара. Для защиты водоводов от гидравлических ударов разработаны достаточно надёжные противоударные приборы.

После установки этих противоударных приборов аварии на водоводах прекращаются.

Впервые научная теория гидравлического удара в трубах разработана выдающимся русским учёным Н. Е. Жуковским. В дальнейшем изучению этого явления посвятили свои труды многие отечественные и зарубежные исследователи.

Величина гидравлического удара определяется многими факторами: характеристикой насоса или запорного органа, материалом труб, их диаметром, длиной трубопровода, режимом работы водовода, наличием в воде нерастворённых газов, профилем укладки трубопровода и т. д.

Классическая формула для определения напора при так называемом прямом гидравлическом ударе, выведенная Н. Е. Жуковским, имеет вид:

Н=Н0+?Н=Н0+с?х/g, м, (2.1).

где Н0 — статический напор, т. е. напор в данной точке водовода после прекращения течения жидкости, м;

?Н добавочный напор, обусловленный гидравлическим ударом, м;

с — скорость распространения ударной волны, м/с;

• ?х — величина изменения скорости течения в водоводе, в результате действия которой изменился напор, м/с:
• ?х=х0 — х;

х0 — первоначальная скорость установившегося течения жидкости, м/с;

х — оставшаяся скорость течения жидкости, м/с;

При полном прекращении течения, когда х=0, ?х=х0 и, следовательно, Н= Н0+сх0 /g, м. (2.2).

Если скорость течения не замедляется, а, наоборот, ускоряется например, вследствие резкого открытия крана, то в формулах (2.1) и (2.2) перед вторым членом должен стоять знак «минус».

Насколько сильно действует гидравлический удар в водоводе, можно видеть из следующего примера. Допустим, в конце водовода быстро закрывается задвижка, в результате чего возникает прямой удар. Скорость течения до её закрытия х=1,5 м/с, Н0=50м, трубы чугунные, скорость распространения ударной волны в данном случае с=1100 м/с. Тогда по формуле Н=50+1100.1,5 / 9,81 = 220 м, т. е. давление при ударе достигает p=2,15 МПа. В действительности это давление вследствие потерь энергии и других факторов будет несколько меньше, но всё равно останется довольно высоким, способным в ряде случаев разрушить даже чугунные трубы или нарушить герметичность стыков.

Гидравлический удар в трубопроводах носит волновой характер. Это означает, что возникший в какой-либо точке трубопровода импульс изменения скорости и давления перемещается вдоль всего трубопровода со скоростью c в виде волны изменения скорости и повышения или понижения давления.

Волны отражаются от открытого конца трубопровода, от тупика, резервуара и других характерных мест в трубопроводе и перемещаются в обратную сторону. Волны давления от резервуаров со свободной поверхностью жидкости или открытых концов труб отражаются с переменой знака, а от закрытых концов трубопровода — с тем же знаком, что и подошедшие.

Волновой характер гидравлического удара хорошо виден на осциллограммах, записанных датчиками на трубопроводе у крана при быстром его закрытии и у центробежного насоса при его выключении (рис 2.1, б). Вторая осциллограмма отличается от первой тем, что здесь гидравлический удар начинается со снижения напора вследствие оттока воды по инерции от насоса после его остановки.

Рис. 1.1 Осциллограммы гидравлического удара без разрыва сплошности потока

Расстояния между соседними вершиной и впадиной на осциллограммах ф0, т. е. полупериод, в теории гидравлического удара принято называть фазой колебаний гидравлического удара. При прямом ударе, которому соответствуют зависимости (2.1) и (2.2), продолжительность изменения скорости течения ts, т. е. время закрытия (открытия) затвора, или время пуска и остановки насоса, должно быть равно или меньше фазы гидравлического удара, т. е. ts<�ф0.

В противном случае, т. е. при ts>ф0, гидравлический удар называется непрямым. Из теории гидравлического удара известно, что ф0=2й /c, с, где й — длина трубопровода, м.

При непрямом ударе величина изменения напора? Н получается меньше, чем по формуле Н. Е. Жуковского (2.1). Это объясняется тем, что при значительной продолжительности времени ts к месту возникновения гидравлического удара начинают подходить отражённые от свободного конца трубы или от резервуара волны противоположного знака в тот момент, когда процесс нарастания (или падения) давления здесь ещё не закончился. В результате взаимодействия прямых и отраженных волн суммарный напор получается меньше, чем по формуле. Определение максимального напора при непрямом ударе связано с громоздкими вычислениями, поэтому его рекомендуется выполнять на ЭВМ.

Особым и наиболее сложным случаем гидравлического удара является удар с разрывом сплошности потока в трубопроводе. Разрыв потока возникает, когда при гидравлическом ударе дополнительное снижение напора.

?Н= с? х0/g.

оказывается больше первоначального напора Нр в данной точке трубопровода. При этом давление в трубах падает ниже атмосферного уровня, поток разрывается — образуются пустоты, заполненные парами воды.

На диаграмме рассмотрены случаи изменения напора при остановке насоса в точке 3. Этот насос при нормальной работе подаёт воду в резервуар на противоположном конце трубопровода. Гидравлический удар начинается с понижения напора. В зависимости от величины изменения скорости? х и характера профиля водовода могут встретиться следующие случаи:

• 1. При понижении напора в начале водовода на величину? Н разрыва сплошности по всей длине водовода не происходит (рис 2.2, а), т. к
• ?Н=с?х/g ?Н0+Нвм (2.4)

где Нвм — максимально возможный вакуум в трубах, м; теоретически не более 7 — 8 м.

Таким образом, зависимость (2.4) выражает условие, при котором разрыв сплошности в трубопроводе отсутствует.

2. При значительных изменениях скорости? х и больших величинах? Н напор в водоводе на части его длины (рис. 2.2, б и 2.2, в) или на всем протяжении (рис 2.2,г) снижается до абсолютного нуля, т. е. на величину Нвм ниже атмосферного уровня. При этом вследствие перемещения воды под действием инерции в водоводе возникают разрывы сплошности (пустоты).

Рис. 1.2 Методы расчёта гидравлического удара