Гидравлический удар в трубопроводах: причины, последствия и методы предотвращения

Что же такое гидравлический удар или как его еще называют гидроудар, а еще встречается такое название как водяной удар? Гидравлический удар — это явление, возникающее в движущейся по трубопроводу жидкости при резком  изменении скорости в одном из сечений, что приводит к возникновению давления, превышающего нормальное рабочее давление в системе. Гидравлический удар характеризуется возникновением волны повышенного или пониженного давления, которое распространяется от места изменения скорости и вызывает в каждом сечении колебания давления и деформации стенок трубопровода.

При гидравлическом ударе возникает волна давления, которая распространяется по трубе со скоростью звука и может вызвать повреждение трубопроводов, оборудования и других элементов системы. Особенно опасен гидравлический удар в системах с большими диаметрами труб и высоким давлением, например в системах водоснабжения и канализации.

Так, например, при резком уменьшении скорости движения воды в стальном трубопроводе на каждое уменьшение скорости на 1 м/с давление в трубопроводе возрастает приблизительно на 1 ­- 1,2 МПа, т. е. на 10 ­- 12 ат. Вследствие этого могут возникать осложнения в нормальной работе трубопровода вплоть до разрыва его стенок и аварии оборудования насосных станций.

При гидроударе возможно также и резкое падение давления вплоть до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре. При этом возможно появление разрывов сплошности жидкости, что приводит к падению подачи жидкости к объектам.

Исследования гидравлического удара

Вместе с тем в некоторых случаях явление гидравлического удара может использоваться для решения задач, например, для определения места утечки жидкости в гидросистемах или для подачи жидкости (гидравлический таран). Первые исследования гидравлического удара были выполнены Н. Е. Жуковским в 1897 году.

Исследования гидравлического удара проводятся для определения параметров, которые могут повлиять на возникновение этого явления и его последствия.

Одним из методов исследования является математическое моделирование. С помощью специальных программ и уравнений Навье-Стокса, которые описывают движение жидкости, можно предсказать характеристики гидравлического удара в конкретном трубопроводе.

Также проводятся экспериментальные исследования на специальных испытательных стендах, где воссоздаются условия, при которых может возникнуть гидравлический удар. В результате таких исследований можно получить данные о давлениях, скоростях и других параметрах, которые могут помочь в прогнозировании и предотвращении гидравлического удара в реальных трубопроводах.

Также важно отметить, что гидравлический удар может возникнуть не только в результате расчетной ошибки или неправильной конструкции трубопровода, но и в результате внезапных изменений режима работы (например, при включении или отключении насосов). Поэтому важно не только правильно рассчитывать трубопроводы, но и контролировать их работу в процессе эксплуатации.

Причины гидравлического удара

К возникновению гидравлического удара могут приводить различные причины: быстрое закрывание или открывание запорных или регулирующих устройств, внезапная остановка насоса, выпуск воздуха через гидранты на оросительной сети при заполнении трубопроводов водой, пуск насоса при открытом затворе на нагнетательной линии, внезапном перекрытии гидротурбины при сбросе нагрузки гидростанции и т.д.

Как предотвратить гидравлический удар

Для предотвращения гидравлического удара используются специальные арматуры, такие как гидроаккумуляторы, которые поглощают волны давления, и клапаны с ограничителями давления, которые предотвращают резкие изменения давления в системе. Также важно правильно проектировать систему и использовать материалы и трубы, способные выдерживать высокие давления и ударные нагрузки.

Аварии связанные с гидравлическим ударом

Гидравлический удар в трубопроводе может привести к серьезным авариям и повреждениям. Некоторые из самых известных аварий, вызванных гидравлическим ударом, включают:

• 1. Авария на ГЭС Вайкси в Финляндии в 1959 году, когда гидравлический удар в трубопроводе уничтожил здание ГЭС и унес жизни 14 человек.
  2. Авария на электростанции Фернхем в Англии в 1964 году, когда гидравлический удар в трубопроводе вызвал взрыв и унес жизни 4 человек.
  3. Авария на ядерной электростанции Фукусима-1 в Японии в 2011 году, когда гидравлический удар в трубопроводе после землетрясения и цунами привел к повреждению реактора и ядерной аварии.

Для предотвращения аварий, связанных с гидравлическим ударом, необходимо правильно проектировать и эксплуатировать трубопроводы, а также принимать меры предосторожности, такие как установка предохранительных клапанов, чтобы предотвратить нежелательное изменение скорости потока в трубопроводах.

Гидравлический удар в воздуховодах

Гидравлический удар может происходить не только в трубопроводах, но и в воздуховодах. Воздуховоды — это системы вентиляции и кондиционирования воздуха, которые могут подвергаться гидравлическому удару при определенных условиях.

Гидравлический удар в воздуховодах возникает, когда воздуховоды закрываются или открываются внезапно, и приводит к резкому изменению скорости потока воздуха и изменению давления. Это может привести к повреждению воздуховодов, резкому увеличению шума и вибраций, а также к снижению эффективности системы вентиляции и кондиционирования воздуха.

Для предотвращения гидравлического удара в воздуховодах необходимо проектировать системы с учетом гидравлических условий и использовать специальные приспособления, такие как амортизаторы, которые могут поглощать ударные волны и снижать их эффекты.

Влияние температуры на силу гидравлического удара

Температура воды может значительно влиять на силу гидравлического удара в трубопроводах. При понижении температуры воды уменьшается ее скорость и, следовательно, уменьшается сила удара. При повышении температуры воды ее скорость увеличивается, что может привести к более сильному удару и повреждению трубопроводов. Кроме того, температура воды также может влиять на плотность и вязкость воды, что в свою очередь может влиять на формирование волн и потоков, вызывающих гидравлический удар. Поэтому при проектировании трубопроводов необходимо учитывать температурный режим и свойства транспортируемой жидкости.

Отличие гидравлического удара от кавитации

Гидравлический удар и кавитация — это два разных физических явления, связанных с гидравлической работой жидкостей в трубопроводах.

Гидравлический удар происходит при резком изменении скорости движения жидкости в трубе, например, при закрытии крана. В этом случае давление в трубе мгновенно возрастает, что может привести к повреждению трубопровода. Гидравлический удар также может возникнуть при других изменениях параметров течения жидкости, таких как сужение или расширение сечения трубы.

Кавитация возникает, когда давление жидкости падает ниже ее парциального давления, что приводит к образованию пузырьков в жидкости. При дальнейшем движении жидкости пузырьки схлопываются, что может привести к повреждению поверхности трубы. Кавитация может возникать в различных условиях, например, при работе насосов или при движении жидкости в узких зазорах.

Таким образом, главным отличием гидравлического удара от кавитации является причина их возникновения: гидравлический удар вызывается резким изменением скорости движения жидкости, а кавитация — понижением давления ниже парциального давления жидкости.

С чем можно спутать гидравлический удар?

Гидравлический удар в трубопроводах можно спутать с другими явлениями, такими как вибрации, пульсации и резонанс. Однако, в отличие от этих явлений, гидравлический удар возникает только в результате быстрого изменения скорости потока воды, например, при резком закрытии крана. Вибрации, пульсации и резонанс, с другой стороны, могут быть вызваны различными факторами, такими как механические колебания, акустические волны и т.д. Они могут также приводить к повреждению трубопроводов, поэтому важно правильно определить причину возникновения проблемы и принять соответствующие меры для ее устранения.

Литература о гидравлическом ударе

Существует множество научных и технических литератур, посвященных расчетам и явлениям гидравлического удара в трубопроводах. Некоторые из наиболее известных книг на эту тему:

1. «Water Hammer: Practical Solutions» by B. W. Karney and T. H. W. Goode;
2. «Water Hammer: Practical Solutions Manual» by B. W. Karney and T. H. W. Goode;
3. «Handbook of Hydraulic Resistance» by I. E. Idelchik;
4. «Hydraulic Transients» by R. W. Jeppson and R. E. Sherman;
5. «Transient Analysis of Water Distribution Systems» by M. Hanif Chaudhry;

Эти книги содержат подробные описания физических явлений, лежащих в основе гидравлического удара, а также методы расчета и проектирования систем трубопроводов, которые могут предотвратить этот тип аварий. Кроме того, существуют множество статей и публикаций в научных журналах, посвященных гидравлическому удару в трубопроводах.

Существует множество учебников и руководств, в которых подробно описываются расчеты и явления гидравлического удара в трубопроводах. Некоторые из наиболее известных и рекомендуемых учебников на эту тему:

• 1. «Гидравлический удар в трубопроводах» авторов А.И. Лукина, Г.Г. Котельникова и В.П. Масленникова.
  2. «Гидравлический удар в трубопроводах» авторов М.Г. Левина и Ю.И. Шестакова.
  3. «Гидравлический удар в трубопроводах и его предотвращение» автора И.К. Кирюшиной.
  4. «Гидравлический удар в трубопроводах: теория и расчет» авторов А.Н. Лебедева и Н.П. Мещерякова.
  5. «Гидравлический удар в трубопроводах» авторов Ю.И. Шестакова и А.Н. Тимофеева.

Эти учебники предназначены как для студентов и инженеров-строителей, так и для специалистов, которые уже работают в этой области и хотят расширить свои знания в этой области.