Гидроудар в трубопроводе¶

Гидроудар — резкий кратковременный скачок давления в жидкости, возникающий при внезапном изменении скорости потока в замкнутом объёме (трубопроводе, канале, гидросистеме). Явление сопровождается ударной волной, распространяющейся со скоростью звука в жидкости, и может приводить к деформации и разрушению трубопроводов, арматуры и оборудования. В гидравлике гидроудар относится к числу аварийных режимов работы систем водоснабжения, нефтепроводов, тепловых сетей и гидравлических машин.

¶Причины возникновения

Основная причина гидроудара — быстрое (за доли секунды) изменение скорости потока жидкости в трубопроводе. Кинетическая энергия движущейся массы воды при торможении преобразуется в энергию сжатия жидкости и упругой деформации стенок трубы, что приводит к росту давления. Типичные ситуации, вызывающие гидроудар:

• быстрое закрытие задвижки, клапана или крана;
• аварийная остановка насоса (особенно при отключении электропитания без обратного клапана);
• резкое изменение режима работы гидравлической машины;
• завоздушивание или, наоборот, выброс воздуха из системы;
• формирование пробки паров в трубопроводе при перегреве жидкости.

Наиболее опасным считается «мгновенное» закрытие арматуры, при котором время закрытия меньше периода волны гидроудара (времени, за которое ударная волна проходит от арматуры до ближайшего отражения и обратно).

¶Виды гидроудара

По характеру протекания различают:

• Упругий (водяной) гидроудар — давление в трубопроводе скачкообразно возрастает, но не превышает предела прочности стенки. После затухания колебаний система возвращается к исходному состоянию. Наиболее распространённый тип.
• Неупругий (кавитационный) гидроудар — при падении давления ниже давления насыщенных паров в трубопроводе образуются паровые полости (каверны). При последующем схлопывании этих полостей возникают локальные удары с очень высоким давлением, разрушающие трубу изнутри. Такой гидроудар считается наиболее разрушительным.

По направлению распространения ударной волны выделяют положительный (рост давления при торможении потока) и отрицательный (снижение давления при резком ускорении потока или разгерметизации) гидроудар.

¶Расчёт

При проектировании трубопроводов величину повышения давления при гидроударе оценивают по формулам Жуковского. Для мгновенного закрытия арматуры максимальное дополнительное давление определяется выражением:

Δp = ρ · a · Δv,

где ρ — плотность жидкости, a — скорость распространения ударной волны, Δv — изменение скорости потока. Скорость ударной волны в стальной трубе с водой составляет порядка 1200–1400 м/с и зависит от модуля упругости жидкости и стенки трубы, толщины стенки и диаметра.

Практический пример: при остановке потока со скоростью 2 м/с в стальной трубе с водой скачок давления может составить около 2,5–3 МПа (25–30 атм.), что сопоставимо с рабочим давлением магистрального трубопровода и многократно превышает прочность бытовых трубопроводов.

При плавном (не мгновенном) закрытии арматуры расчёт ведут с учётом времени закрытия: если оно превышает период гидроудара, скачок давления существенно снижается.

¶Защита от гидроудара

В инженерной практике применяют следующие меры:

• Плавное закрытие арматуры — использование задвижек и клапанов с регулируемым временем хода (электроприводы, гидроприводы).
• Мембранные и поршневые гидроаккумуляторы — ёмкости с газовой подушкой, принимающие избыточный объём жидкости и сглаживающие скачок давления.
• Предохранительные (сбросные) клапаны — сбрасывают часть жидкости при превышении заданного давления.
• Обратные клапаны — препятствуют обратному ходу потока и повторному удару после отражения волны.
• Байпасные линии и буферные ёмкости — устанавливаются вблизи насосов и крупной арматуры.
• Установка демпферов гидроудара — компактных устройств, снижающих амплитуду давления в точке установки.
• Ограничение скорости потока в трубопроводе (обычно не более 1,5–2 м/с в сетях водоснабжения).
• Продувка и вентиляция — предотвращение образования паровых пробок и кавитационного гидроудара.

В системах водоснабжения населённых пунктов для защиты от гидроудара дополнительно устанавливают гидроаккумуляторы на насосных станциях, а при эксплуатации — регулируют графики включения и выключения насосов.

¶Последствия

Гидроудар является одной из частых причин аварий на трубопроводах. К возможным последствиям относят:

• разрыв трубопровода, особенно в местах сварных стыков, изношенных участках и на резьбовых соединениях;
• повреждение запорной и регулирующей арматуры;
• деформация опор и креплений трубопровода;
• выход из строя насосов и датчиков давления;
• затопление помещений при разрыве магистралей в зданиях.

Гидроудары особенно опасны в старых сетях с коррозионно-изношенными стенками, где реальное сопротивление трубы существенно ниже расчётного.

¶Применение явления

Помимо разрушительного эффекта, гидроудар находит и конструктивное применение. В гидроинструменте (гидравлических молотках, перфораторах) ударная волна используется для выполнения работы. В медицинских аппаратах — литотрипторах — управляемый гидроудар применяется для дробления камней в почках.

Источники:

• Лойко И. Ф., Сухомлин Н. С. «Гидравлический удар в трубопроводах»
• Бессонов Л. А. «Курс теоретической механики»
• Справочник по гидравлике под ред. И. И. Агапова
• СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения»
• Патрушев В. И. «Гидравлика»