Гидроудар в трубопроводе – причины и последствия

Гидроудар в трубопроводе – причины и последствия

Кран с питьевой водой в каждом доме — это не роскошь, а достижение прогресса, но лишиться такого приятного удобства можно в один миг, если образовался гидроудар в трубопроводе. Гидравлический удар может стать причиной не только отсутствия воды, но и привести к затоплению квартиры.

О том, каким образом возникает такое опасное явление и как его избежать, будет подробно рассказано в данной статье.

Природа гидравлического удара в трубопроводах

Гидроудар — это ударная волна, которая распространяется по поверхности водопровода, а также по элементам арматуры. При повышении давления – положительный, при падении – отрицательный. Проявляется при заполнении пустого водопровода или резком закрытии крана. Разрушительное действие такого явления связано, прежде всего, с невозможностью жидкости сжиматься.

Если воду можно было, например, как газ сжать в несколько раз, то трубы не разрывались бы от резкого увеличения давления. Чрезмерное давление возникает в том случае, когда движение жидкости резко останавливается, но вызвать гидроудар могут и другие явления в системе водоснабжения .

Причины

Наиболее часто гидравлический удар происходит при резком закрытии запорной арматуры. Когда вода течёт по трубам и выливается из крана, то в системе водопровода сохраняется постоянное значение давления, но в момент резкого перекрытия арматуры, это значение может увеличиться в несколько раз, в результате чего, стенки трубы не выдерживают напора и лопаются.

Причиной гидроудара могут также стать:

• Резкое включение или выключение мощного насоса.
• Воздушные пробки имеющиеся в контуре водопровода или отопления.

Включение и отключение насоса может быть спровоцировано нестабильным электроснабжением объекта, на котором находятся мощные насосные станции для перекачки воды. Воздушные пробки также занимают не последнее место в возникновении такого опасного явления, поэтому прежде чем эксплуатировать замкнутые системы с жидкостью, следует убедиться в полном отсутствии воздуха в них.

Последствия

При многократном воздействии высокого давления, которое возникает в результате гидравлического удара, даже очень надёжные системы могут потерять герметичность. Разрыв трубопровода может произойти и от однократного, но сильного гидравлического удара.

В результате такого воздействия водоснабжение объектов, к которым подведена водопроводная труба, полностью прекращается. К сожалению, последствия такого явления не ограничиваются только отсутствием воды в кране.

Если разрыв трубы произошёл в многоквартирном доме, то после разрыва трубы и попадания жидкости в жилое помещение будет повреждено имущество владельцев квартиры, а также соседей этажом ниже.

Если разрывается магистральная труба водопровода, по которой снабжается водой целый район города, то авария уже может расцениваться как ЧП.

В результате такого происшествия жильцы десятков многоквартирных домов останутся не только без питьевой воды, но и без канализации, так как все бачки унитазов запитываются от трубы холодного водоснабжения. Воспользоваться душем, даже при неповреждённом трубопроводе с горячей водой, также вряд ли получится.

Если в результате гидравлического удара повреждается труба с горячей водой, то такое происшествие, кроме материального ущерба, может привести к серьёзным ожогам. Особенно опасна может быть разгерметизация системы отопления, в которой теплоноситель всегда находится под значительным давлением, а температура жидкости составляет более +70 градусов.

Гидроудар. Гасители гидроудара. CAR19 VALTEC

Последствия гидроударов в трубопроводах большого диаметра в черте города, могут быть также весьма плачевными. Кроме возможных травм, которые могут получить пешеходы, находящиеся рядом с местом аварии, значительное истечение жидкости очень часто приводит к парализации участка автодороги, особенно в том случае, когда на данном участке осуществляется перевозка пассажиров транспортом работающем на электрической тяге.

Последствия от возникновения гидроудара, могут привести к значительному ущербу, поэтому так важно научиться предотвращать появление резкого усиления давления в трубопроводах.

Способы защиты

Соблюдение правил монтажа водопроводных и отопительных коммуникаций позволяет свести к минимуму вероятность возникновения такого опасного явления, как гидравлический удар, но полностью исключить его только правильно спроектированными системами не получится. Для избегания такой неприятной ситуации необходим комплексный подход и соблюдение правил безопасности и технических инструкций.

Значительно снизить вероятность возникновения гидравлического удара, можно если следовать следующим правилам при проведении монтажа водопроводов и их эксплуатации.

• При запуске водопровода или отопления в эксплуатацию, запорные элементы арматуры должны открываться очень медленно. Перекрытие подачи жидкости, также должно осуществляться очень плавно. Плавное закрытие и открытие запорной арматуры должно осуществляться не только на промышленных объектах, но и при запуске водоснабжения и отопления в частном доме. Чрезмерное давление при возникновении гидравлического удара способно легко повредить домашние коммуникации, поэтому не стоит пренебрегать правилами технической безопасности, в случае когда вода в частном доме подаётся со значительным давлением.
• Если в системе водопровода или отопления установить автоматические устройства плавного открытия и закрытия запорной арматуры, то можно полностью исключить человеческий фактор при возникновении гидравлического удара. Конечно, при использовании электроники, водопроводные системы становятся зависимыми от электрического тока, но, чтобы полностью исключить вероятность выхода из строя по причине установленных автоматов, необходимо оборудовать такие механизмы резервным источником электроэнергии. Такая подстраховка абсолютно необходима, как на крупном предприятии, так и для нормального функционирования коммуникаций расположенных в частном доме. Автоматической регулировкой рекомендуется оснастить и насосные станции. В этом случае, также можно избежать гидроудара от резкого перепада давления в результате включения или отключения мощного насосного оборудования.
• Применение гидроаккумуляторов и демпферных устройств, также позволяет свести к минимуму последствия резкого увеличения давления в водопроводной сети. Такие устройства обычно состоят из металлического корпуса с расположенной внутри мембраной. При возникновении гидроудара, мембрана перемещается, что позволяет вместить излишек жидкости. Когда угроза разрыва трубопровода
  минует и давление уменьшится мембрана будет возвращена в исходное положение за счёт воздуха расположенного с обратной стороны.
• Для уменьшения давления в водопроводных сетях может быть использован предохранительный клапан, который открывается при достижении жидкости определённого значения. Такие устройства также способны предохранить трубопровод от разрушения, но для организации такого вида защиты, потребуется сделать дополнительную отводку от клапана к канализационной системе
• Для защиты от гидроудара в частном доме или квартире можно использовать очень простой способ, в котором компенсация чрезмерного давления осуществляется за счёт растяжения стенок трубопровода. Совсем необязательно производить монтаж отопления или водоснабжения с применением таких материалов, но участок трубопровода выполненный с использованием термостойкого каучука, способен полностью принять на себя гидроудар в небольшой системе.
• Шунтирование термостата, является эффективной мерой борьбы с гидроударом небольшой силы, поэтому такое «улучшение» автономного отопления может быть произведено только в частной системе отопления. Как правило, достаточно сделать отверстие диаметром 0,5 мм в основном клапане, чтобы при возникновении высокого давления излишек жидкости свободно перемещался в контур с холодной водой.
• Термостат с защитой установленный в систему отопления, также позволяет избежать такого опасного явления, как гидроудар. Принцип работы такого устройства заключается в том, что в основном клапане термостата располагается дополнительный небольшой механизм, который открывается вне зависимости от температуры жидкости. Такой внутренний клапан начнёт пропускать жидкость, когда давление теплоносителя приблизится к максимально допустимому значению, тем самым предохраняя трубы от разрыва.

Что надо знать про гидроудары в системах водоснабжения и отопления

Что такое гидравлический удар в системе водоснабжения и отопления: последствия и способы защиты

Гидроудар в результате внезапного перекрытия запорного клапана, для иллюстрации использована тяжелая стальная пружина

Гидроудар – это повышение или снижение давления при резком скачке ненаправленного действия.

Когда гидростатический напор начинает влиять на систему, возникает энергия, действующая в трубах водоснабжения и отопления.

При внезапном повышении давления в трубах в трубопроводе происходит:

1. разрыв трубы;
2. разрушение крепежа трубы и элементов системы;
3. повреждения насосов, фундаментов, фитингов и трубопроводной арматуры.

При понижении давления:

1. смятие тонкостенных труб из сшитого полиэтилена и пластика;
2. выкрашивание цементной облицовки внутри труб;
3. подсос загрязненной воды или воздуха в трубопровод через фланцы или соединительные муфты, сальниковые уплотнения начинают засасывать воздух в местах утечек;
4. нарушение сплошности движения потока, который вызывает скачки давления;
5. макрокавитация.

Явление макрокавитации в результате внезапной остановки насоса

Причины возникновения гидроудара

Гидроудар возникает при преобразовании кинетической энергии потока воды в энергию деформации, действующую на стенки труб, на устройства в трубопроводе.

Появление гидроудара вызвано внезапным и быстрым усилением движения потока жидкости.

Например, гидроудар можно вызвать неожиданным перекрытием запорного клапана.

Он может быть, если произошел сбой работы насоса. В этот момент происходит действие силы инерции жидкостного столба на затворный клапанный механизм.

Инерционные свойства жидкости не дают скорости потока её столба подстраиваться под состояние движения. Происходит деформация воды. А деформация возникает одновременно со скачками давления.

Причина опасности гидроудара в том, что он, практически не уменьшая давления, движется стремительно со скоростью звука. А это 1000 м/с. Многие современные материалы, из которых делают трубы систем водоснабжения дома, не выдерживают и разрушаются в частях трубопровода, которых он достигает.

Таким образом, гидроудар может быть вызван основными причинами неустановившегося изменения режима течения жидкости водоснабжения:

1. Аварийная остановка насосного оборудования при отключении электрического питания или перебоя в электроэнергии.
2. Неожиданный пуск или остановка одного или нескольких работающих насосов.
3. Внезапное закрытие или открытие запорной арматуры в трубопроводной системе.
4. Возбуждение резонансных колебаний из-за насосов с нестабильной характеристикой.
5. Изменение уровня жидкости на всасывании.

Как избежать проблемы?

От проблемы можно избавиться, используя следующие принципы:

• применять компенсирующие устройства для подсасывания жидкости и впуска воздуха;
• использовать устройства для аккумулирования энергии;
• использовать запорный клапан;
• применять алгоритм управления трубопроводной системой

Вариант #1. Плавное закрытие системы трубопровода

Одна из защит от гидроудара – плавное перекрытие отопления. Мощность воздействия энергии воды будет понижаться и минимизирует повреждения.

Вариант #2. Применение автоматических устройств

Можно использовать компенсаторы гидроудара или настроить работу насоса, воздушного бака и трубного стояка. Всё использовать в комплексе, но с применением устройств с электронным управлением и частотным преобразователем.

Аккумулирование воды в доме происходит при использовании мембранных воздушных баков и трубных стояков. Энергия аккумулируется в качестве энергии давления.

При использовании маховика насоса энергия сохраняется в виде инерционной массы. Таким образом, аккумулируемая энергия в воздушном баке в достаточном количестве поддерживает стационарный поток в течение большого отрезка времени. И служит гарантом обеспечения медленного плавного уменьшения скорости потока жидкости.

Резкое падение давления не допускается. Если воздушный бак, трубный стояк встроены в трубопровод задолго до насоса, то защита от гидроудара обеспечена.

Способы комплексной модернизации системы

Обратный клапан двойного действия, выпуск/впуск с приводом от рабочей среды

Применение защитных средств в комплексе защиты водоснабжения многоквартирного и частного дома требует полной оптимизации системы за счет модернизации оборудования.

Способ #1. Применение компенсирующих устройств и амортизаторов

Компенсатор гидроударов не требует настройки, работает автоматически. Из-за веса его нужно закрепить, чтобы снизить нагрузку на трубопровод. Не стоит забывать, что гаситель гидроудара может помочь только на холодной воде, в системе отопления он не спасет. Почему? В отоплении есть обратка и может «рвануть», например, полотенцесушитель.

Способ #2. Установка защитного клапана диафрагменного типа

Высокая надежность возможна, когда на клапанах с электроприводом контролируется время срабатывания привода и точка прерывания отключения.

То есть, на запорных клапанах с гидроприводом должны быть надежные регулирующие устройства. Это может быть ограничительная диафрагма в виде шайбы или клапаны регулировки подачи.

Следует регулярно контролировать время срабатывания привода защиты и смотреть за его надлежащим закрытием/открытием.

Способ #3. Оснащение терморегулирующего клапана шунтом

Основная задача шунтирующего механизма – регулировать и уменьшать давление при возникновении перегрузок. Шунт используют при модернизации автономных систем с трубопроводами, где применяются только новые трубы.

Способ #4. Использование термостата с суперзащитой

Термостат – это предохранительное устройство с контролирующей давление защитой. К ней относится механизм с пружиной между термоголовкой и клапаном. При достижении критической отметки давления происходит срабатывание механизма, который не допускает полное закрытие клапана.

Проведение профилактических работ

Схема воздушного бака компрессорного типа. Чтобы предотвратить образование высокого давления при возврате воды в бак, соединительный трубопровод должен быть оснащен обратным клапаном и дросселированным обводным байпасом

Профилактика оборудования и дополнительные расчёты в проектах помогают избежать гидроудара.

Чтобы убрать проявление макрокавитации после останова насоса, рассчитывают использование системы с воздушным клапаном, установленным в самой высокой точке трубопровода водоснабжения в доме – на выходе.

Применение дополнительных устройств защиты от гидроудара в квартире не гарантирует его отсутствия. На трубы из полиэтилена высокой плотности прилагается недопустимо высокое давление сразу через несколько секунд после торможения насоса. Чтобы исключить повышения, добавляют байпас с запорным клапаном между входом в систему и баком на всасывании насоса.

При одновременной остановке всех насосов клапан автоматически открывается электрогидравлическим сервоприводом с грузовым рычагом.

Выводы

Гидравлический удар способен нанести системе водоснабжения частного и многоквартирного дома значительный вред. Однако, многие недооценивают силу гидроудара, называя его маркетинговым ходом для приобретения различных защитных устройств и прочих гасителей гидроудара. Но с подобным явлением сталкиваются очень часто. Только профессиональные мастера могут сделать правильный монтаж системы водоснабжения и отопления, чтобы ее защитить.

Гидравлические удары в водоснабжении и их расчет

Гидравлический удар – явление, связанное с резким изменением (повышением или понижением) давления в напорном трубопроводе при быстром изменении (торможении или ускорении) скорости движения жидкости в нем.

Причины возникновения

К возникновению гидравлического удара могут привести мгновенное закрытие или открытие запорных устройств, внезапная остановка и пуск насоса и т.д.

При торможении потока – положительный гидроудар.

При ускорении потока – отрицательный гидроудар.

На рисунке справа представлен график возрастания давления при гидравлическом ударе в трубопроводе при резком закрытии задвижки. Давление указано в кгс/см 2 (килограмм-сила на сантиметр квадратный, 1 кгс/см 2 = 10 м.вод.ст ([метры водяного столба]). На рисунке видно, что давление перед задвижкой составляло 2,5 кгс/см 2 , и достигло 11 кгс/см 2 при гидроударе, то есть выросло более чем в четыре раза.

Результат гидравлического удара

При повышении давления в трубопроводе выше критического (давления, на которое рассчитан материал трубопровода или арматуры) происходит повреждение наиболее уязвимого элемента трубопроводной системы

На рисунках ниже представлены фотографии разрыва трубопроводов в результате гидроудара, а также повреждения трубопроводной арматуры.

А) Разрыв фланцевого соединения; Б) Разрыв стенки задвижки; В) и Г) Разрушение обратного клапана

К ак происходит гидроудар

Рассмотрим явление гидравлического удара на примере простого трубопровода, соединенного с резервуаром. По трубопроводу протекает вода со скоростью υ. На расстоянии L от входного сечения находится задвижка, которую можно мгновенно закрывать и открывать.

При мгновенном закрытии задвижки мгновенно остановятся те частицы жидкости, которые соприкасаются с поверхностью задвижки. Затем остановится ближайший к ним слой жидкости. Произойдет мгновенное сжатие этого слоя и, как следствие, повышение давления, которое называется ударным давлением ∆р.

Читайте также: Решение задачи на силу Архимеда

В результате сжатия частицы жидкости в трубопроводе будут обладать большей энергией, чем частицы жидкости, находящиеся в резервуаре, и начнут перемещаться в сторону резервуара. Затем под действием давления жидкости в резервуаре начнется движение жидкости от резервуара к задвижке, т.е. пройдет новая волна сжатия. Таким образом, жидкость в трубопроводе будет совершать затухающее (вследствие трения, упругости стенок трубопровода и т. д.) колебательное движение.

Предотвращение гидроудара

Предотвратить гидравлический удар можно в первую очередь за счет медленного открытия и закрытия запорной арматуры. Это актуально как для больших трубопроводов (при диаметре более 400 мм обязательной является установка электропривода для открытия задвижки), так и для трубопроводов малых диаметров. Т.е. и смеситель у нас дома открывать и закрывать необходимо медленно.

Расчет величины гидравлического удара

Повышение давления, Па, при гидравлическом ударе (ударное давление) определяется по формуле Жуковского:

Для конкретной жидкости величина скорости распространения ударной волны зависит от внутреннего диаметра трубы, толщины ее стенок и коэффициента упругости материала трубы

Скорость распространения ударной волны может быть найдена по формуле:

Пример расчета величины гидравлического удара

ЗАДАЧА: Определить величину давления на единицу площади внутренней поверхности чугунной водопроводной трубы диаметром 100 мм при быстром закрытии задвижки. Проанализировать, выдержит ли труба этот гидроудар. Скорость течения воды в трубе 1 м/с, толщина стенок трубы 8,5 мм. Гидростатическое давление в трубе, когда задвижка открыта, равно 4 атм (напор перед задвижкой – 40 м).

Найдем скорость распространения ударной волны

Определим повышение давления при гидравлическом ударе

Определим напряжение, испытываемое стенками трубы:

От гидростатического давления до удара

Непосредственно от самого гидравлического удара

Полное напряжение, возникающее в материале при гидравлическом ударе:

Это меньше, чем обычно допускаемое для чугуна напряжение в 250 кгс/см 2 . Гидравлический удар при такой скорости течения жидкости (1 м/с) не угрожает целостности трубы.

Расчет с помощью компьютера

Историческая справка: изучение гидравлического удара

Николай Егорович Жуковский по инициативе руководства московского водопровода, возглавил проведение в 1897–1898 гг. большого комплекса научных исследований вопроса гидравлического удара на базе Алексеевской водокачки.

Читайте также: Местные потери напора

Исследования проводились на чугунных трубах диаметром 2, 4 и 6 дюймов (50, 100 и 150 мм), проложенных по поверхности земли на территории водокачки. Они соединялись с трубой главного водовода диаметром 24 дюйма (600 мм), транспортирующего воду в Москву. При этом с помощью манометров и самописцев изучались давление и гидродинамика в трубах, распределение давления вдоль труб во время быстрого перекрывания трубопроводов заслонкой в конце.

Выяснилось, что явление гидравлического удара объясняется возникновением и распространением вдоль труб ударных волн, вызванных сжатием воды и деформацией стенок труб. Благодаря исследованиям, выполненным инженерами Алексеевской водокачки: К.П. Карельских, В.В. Ольденбергером и И.Н. Березовским под руководством Н.Е. Жуковского, удалось создать довольно четкую теорию гидравлического удара и найти средства борьбы с этим явлением (использование воздушных колпаков и пружинных клапанов-гасителей давления).

Фильм о гидравлических ударах Киевской киностудии научно-популярных фильмов 1989 года.

Источник https://trubanet.ru/vodoprovodnye-truby/gidroudar-v-truboprovode-prichiny.html

Источник https://www.stout.ru/articles/chto-nado-znat-pro-gidroudary-v-sistemakh-vodosnabzheniya-i-otopleniya/

Источник https://xn--b1ae2abcgz.xn--p1ai/2019/08/23/hydroudar/