ضربه قوچی آب چیست ؟  

ضربه قوچی ، ضربه چکشی (water hammer) یا شوک هیدرولیک ، افزایش زودگذر فشار داخل لوله است که می تواند به دلیل تغییر جهت یا سرعت سیال داخل لوله اتفاق بیفتد.

 

علل

یک اصل ابتدایی اینطور بیان می کند که یک سیال در حال حرکت در داخل لوله دارای دو نوع انرژی است: انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی . انرژی جنبشی ماحصل سرعت حرکت سیال است و انرژی پتانسیل با فشار رابطه دارد . با چشم پوشی از اصطکاک ، ترکیب انرژی جنبشی و پتانسیل در تک تک نقاط در تمام طول خط لوله ثابت باقی می ماند .

تغییر در انرژی جنبشی به واسطه تغییر در سرعت سیال ، فشار داخل لوله را وادار به تغییر میکند . اگر سرعت سیال کاهش پیدا کند (کاهش در انرژی جنبشی) فشار سیال افزایش پیدا میکند (افزایش در انرژی پتانسیل) .

ضربه قوچ اغلب در مواقعی اتفاق می افتد که یک شیر به طور ناگهانی بسته شود و جریان سیال داخل لوله را متوقف سازد . زمانی که این پدیده رخ دهد موج های ضربه ای به طور رفت و برگشتی با سرعتی برابر با سرعت صوت داخل آن سیال شروع به حرکت میکنند (برای مثال این سرعت برای آب با دمای ۲۰ درجه سانتی گراد بیش از ۱۴۶۰ متر بر ثانیه می باشد) . این امواج به سمت عقب برمی گردند تا به اولین مانع سلب برخورد کنند (معمولاً یک پمپ یا شیر یکطرفه) . سپس به سمت جلو برمی گردند . این عمل تا آنجا ادامه پیدا می کند که فشار متعادل شود .

به علاوه ، بستن ناگهانی یک شیر در خط لوله باعث می‌شود که مومنتوم ستون سیال بر روی قطعات متحرک شیر فشار وارد کند (دیسک ، گیت یا توپی شیر) . این جدایش ناگهانی ستون سیال باعث می‌شود دو پدیده به طور همزمان اتفاق بیفتد : افزایش فشار در بالادست شیر و کاهش فشار در پایین دست . سیال در پایین‌دست شیر تمایل دارد به حرکت خود ادامه دهد که این امیر موجب بوجود آمدن خلاء شده که می‌تواند باعث شود لوله تغییر شکل پیدا کرده و جمع شود . اگر لوله در سراشیبی یک سطح شیب دار باشد این پدیده ممکن است تشدید شود . 

برای جلوگیری از تغییر ناگهانی فشار در نزدیکی شیریک شیر اطمینان هوا ، شیر خلاشکن و یا ورودی هوا در پایین‌دست شیر نصب می شود تا هوا را وارده خط لوله کرده و از ایجاد خلاء جلوگیری نماید .

بنابراین عمل درست باز و بسته کردن شیر یک اصل مهم در عملکرد ایمن یک خط لوله است . بستن  یک شیر در انتهای پایین دست یک خط لوله می‌تواند یک موج فشار ایجاد کند که به سمت بالا دست حرکت می کند . اگر شیر در زمانی کمتر از مدت زمان مورد نیاز موج ضربه‌  برای یک بار رفت و برگشت به انتها و ابتدای خط لوله بسته شود ، به آن عمل بسته شدن سریع شیر می گوییم . بسته شدن سریع شیر باعث تغییر ناگهانی در سرعت می شود و ممکن است باعث ایجاد ضربه قوچ شود .

 

علل دیگر

1- شروع به کار سریع یک پمپ می تواند باعث تراکم سریع یک فضای خالی داخل لوله که در پایین دست خط لوله قرار دارد شود.

2- توقف ناگهانی پمپ می تواند باعث ایجاد تغییر سریع در جریان شود که آن هم باعث ایجاد فشار منفی در دهش پمپ و فشار مثبت در مکش پمپ شود. که از این میان فشار منفی معمولاً مشکل اصلی را ایجاد می‌کند فشار در طرف دهش پمپ به فشار بخار می رسد و باعث جدایش ستون سیال می شود.

3- ضربه شدید شیر یکطرفه ( به دلیل کاهش سرعت ناگهانی ممکن است شیر یکطرفه به طور ناگهانی بسته شود )

4- جابجایی هوای محبوس در خط لوله . هوا قابل تراکم است و اگر در طول خط لوله حرکت کند میتواند مانند فنر عمل کند در نقاط کم ارتفاع متراکم شود و در نقاط مرتفع منبسط شود این تراکم و انبساط باعث ایجاد تغییرات فشار میشود که این تغییر فشار اگر به حد کافی بزرگ باشد می تواند ضربه قوچ جدی ایجاد کند .

5- جدایش ستون جریان می‌تواند باعث ایجاد مقادیر فشار ضربه ای بالا شود به ویژه زمانی که ستون های جدا شده با سرعت بالا به همدیگر می رسند.

 

محاسبه فشار حاصل از ضربه قوچ

رابطه ساده زیر جهت محاسبه فشار ایجاد شده داخل خط لوله به واسطه ضربه قوچ به کار می رود :

Pwh = (0.07VL)/t + Pi

که در آن :

Pwh : فشار حاصل از ضربه قوچ                                         

V : تغییر در سرعت سیال داخل لوله                                        

L : طول لوله بالا دست                                                       

t : زمان بسته شدن شیر                                                       

Pi :  فشار داخلی ( فشار پایا قبل از ضربه قوچ )                           

نکته بسیار مهم :

عمل باز و بسته شدن صحیح شیرها یک اصل مهم در عملکرد ایمن خط لوله است .

 

بیایید به این مثال نگاهی بیاندازیم

فرض کنید یک خط لوله به طول ۸۰۰ فوت نرخ جریان آب ۴ فوت بر ثانیه است فشار خط لوله در شیر پایین‌دست  psi۶۰ است این سیستم را با شرایط یکسان یک بار با فرض بسته شدن شیر در ۱۰ ثانیه و یکبار در یک ثانیه تحلیل می کنیم

 

 در ابتدا افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ را برای حالت 10 ثانیه محاسبه می کنیم :

Pwh = (0.07VL)/t + Pi

V :  4 ft/s

L : 800ft

t : 10s

Pi :  60 psi

Pwh = [ (0.07*4*800)/10] + 60

Pwh = 82

در نتیجه افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ برابر با 22 پوند بر اینچ مربع است .

 

حال این مثال را با زمان 1 ثانیه بررسی میکنیم :

Pwh = (0.07VL)/t + Pi

V :  4 ft/s

L : 800ft

t : 1s

Pi :  60 psi

Pwh = [ (0.07*4*800)/1] + 60

  284 = Pwh

در نتیجه افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ برابر با 224 پوند بر اینچ مربع است . 

 

دو مثال بالا به خوبی نشان می دهند که با تغییر زمان بسته شدن شیر با فرض ثابت بودن باقی کمیت‌ها فشار حاصل از ضربه قوچ چه تغییری میکند .

حال بیایید همه کمیات را ثابت نگه داریم و فقط سرعت را به ۹ فوت بر ثانیه برسانیم و بررسی کنیم که در فشار چه تغییری ایجاد میشود .

 

همان مثال با زمان 10 ثانیه و سرعت 9 فوت بر ثانیه :

Pwh = (0.07VL)/t + Pi

V :  9 ft/s

L : 800ft

t : 10s

Pi :  60 psi

Pwh = [ (0.07*9*800)/10] + 60

  110= Pwh

در نتیجه افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ برابر با 50 پوند بر اینچ مربع است .

 

حال این مثال را با زمان 1 ثانیه و سرعت 9 فوت بر ثانیه  بررسی میکنیم :

Pwh = (0.07VL)/t + Pi

V :  9 ft/s

L : 800 ft

t : 1s

Pi :  60 psi

Pwh = [ (0.07*9*800)/1] + 60

Pwh = 564

در نتیجه افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ برابر با 504 پوند بر اینچ مربع است .

 

روش های کنترل

1- آموزش پرسنل و آگاه سازی آنها در مورد خطرات ضربه قوچ و روش های کنترل آن از طریق باز و بسته کردن درست و اصولی شیر ها .

2- اتخاذ فرایند های درست جهت روشن و خاموش کردن پمپ ها که به گونه ای که احتماتل ایجاد ضربه قوچی آب را به حداقل برساند .

3- کاهش سرعت سیال در خط لوله برای کنترل ضربه قوچ . بعضی از منابع توصیه کرده‌اند که سرعت سیال کمتر یا مساوی با پنج فوت بر ثانیه در نظر گرفته شود .

4- استفاده از شیر های کند بسته شو . هر شیری با دستگیره گردان مانند  شیر دروازه‌ ای به طور عمومی به عنوان شیر کند بسته شو در نظر گرفته می شود و هر شیر با دستگیره اهرمی مانند شیر پروانه‌ای یا توپی به‌عنوان تند بسته شو در نظر گرفته می‌شوند .

5- استفاده از لوله هایی با رده فشاری بالاتر .

6- شیرهای هوا معمولاً برای اصلاح فشار پایین در نقاط مرتفع خط لوله به کار می روند . این نوع شیرآلات از طریق تزریق هوا به داخل خط لوله مانع از ایجاد خلا در خط لوله و جمع شدن لوله ها در نتیجه این خلا می شوند .

7- نصب شیر اطمینان فشار برای جلوگیری از افزایش غیر مجاز فشار در لوله .

8- بهترین و کارا ترین روش برای کنترل و مقابله با ضربه قوچی آب استفاده از مخازن ضربه گیر تحت فشار می باشد . برای آشنایی با عملکرد تانکهای ضربه گیر شرکت سرین فلز در مواجهه با ضربه قوچی آب مقاله "مخازن ضربه گیر تحت فشار(air chamber)" را مطالعه بفرمایید .