Гидроудар в системе пожаротушения. Гидроудар в трубопроводе – причины и последствия. Плавное перекрытие – эффективный способ защиты

Одним из ключевых рабочих параметров систем водоснабжения является давление. Оно напрямую определяет возможности контура и силового оборудования перекачивать воду в заданных показателях напора и объема. В качестве простейшего примера можно привести насосную станцию, которая может автоматически поддерживать оптимальное давление. Функцию своего рода регулятора выполняет гаситель гидроударов, представляющий собой буферный резервуар.

Что такое гидроудар?

В общем понимании гидроударом считается любое воздействие водной среды, которое приводит к авариям в обслуживающей инфраструктуре. В системах водопровода это явление происходит чаще всего, и причин ему может быть несколько. К примеру, закрытие клапана или может резко повысить давление в контуре, что приведет к разрыву трубы или поломке силового перекачивающего оборудования - это будут последствия гидроудара. Реже встречаются подобные аварии при резком понижении давления. Это бывает, если, например, пользователь водопровода полностью без выдержки технологического интервала отключил насос или открыл кран. Для обеих ситуаций нужна защита от гидроудара, которая может выражаться и в установке частотного преобразователя, и в применении рассматриваемого компенсатора давления.

Устройство компенсатора и его задача

Внешне гаситель гидрологического удара представляет собой расширительный бак для накопления воды. Ее забор необходим для разгрузки контура, в котором повышается давление. Распределение воды происходит в автоматическом режиме и регулируется мембраной. Сам резервуар может иметь разные формы, выбор делается исходя из условий эксплуатации, возможностей монтажа и т. д. Например, это может быть баллонный или плоский бак, но в любом случае он будет иметь прочный металлический корпус. Внутреннее устройство резервуара можно представить как секционный блок, в разных секторах которого находится воздух, иногда газовая среда и выбранная из контура вода. Чтобы гидроудар в системе водоснабжения компенсировался в условиях естественного для конкретного трубопровода уровня давления, в камере работает мембрана. Ее функция заключается в регуляции объема накапливаемой воды в соответствии с оптимальным распределением нагрузки. Иными словами, если давление в системе находится в норме, то бак не будет наполняться; забор производится только при фиксации перегрузок в обслуживаемом контуре.

Разновидности компенсаторов

Принципиальное разделение компенсаторов происходит по типу мембраны. Она может быть диафрагменной, баллонной и шаровой. Основная конкуренция происходит между первыми двумя типами, так как шаровые устройства считаются устаревшими и малоэффективными. жестко фиксируется по периметру сечения резервуара и не предусматривает изъятия. Она делит бак на секцию с водной средой и воздухом, образуемая прослойка выполняет роль компенсатора достаточного давления. Обычно верхние стены таких конструкций покрываются эмалью, а поверхности, контактирующие с водой, влагостойкой эпоксидной краской. Баллонный гаситель гидроударов предусматривает возможность замены мембраны. Также к его особенностям относится исключение прямого контакта между внутренними стенами бака и водой.

Установка компенсатора

Монтаж осуществляется на окончании трубопровода в узлах соединения с непосредственными потребителями. Например, коммуникации бака могут быть введены в кранов, моторизованных клапанов, коллекторов и т. д. Подключение осуществляется с помощью комплектной фурнитуры. На линиях подводки обычно крепится и автоматическая система управления с приборами измерения. Но даже если после установки компенсатора гидроудар в системе водоснабжения будет предотвращен, стоит предусмотреть и защиту от других негативных факторов. Важно, чтобы расширительный бак не создавал областей с застоем воды. Это может привести к размножению бактерий.

Модель компенсатора FAR

Компания FAR предлагает недорогую, но надежную версию расширительного бака модификации FAR FA 2895 12. Этот компенсатор гидроударов предназначен для устранения риска аварий на внутренних системах водопровода. То есть подойдет для частного применения в домах и квартирах. Диапазон контролируемых давлений у этого агрегата составляет 10-50 бар, а температурный максимум - до 100 °C.

Конструкционно модель представляет собой традиционное решение. Нижняя и верхняя части корпуса выполнены из латунного сплава, а диск - из высокопрочного пластика. В процессе работы стальная пружина регулирует объем воздушной камеры, которая поглощает избыточное давление. К особенностям гасителя гидроударов от FAR относятся компактные размеры. Скромные габариты дают возможность интегрировать устройство в тесных условиях с дополнением в виде механических защитных приспособлений. Что касается ценника, то он составляет лишь 1,5 тыс. руб.

Модель Valtec Car 19

Данный агрегат предназначен для устранения скачков давления при управлении запорной арматурой в условиях квартирного водоснабжения. Конструкция может использоваться и в качестве полноценного расширительного бака, принимая избыток воды, образуемый при повышении температуры. Корпус изготовлен из нержавеющего сплава, а мембрана выполнена на основе эластомера. При выборе этого решения важно учитывать и ограничения. Максимум гаситель гидроударов этой модификации способен принимать 0,162 л. По уровням давления рамки составляют 10-20 бар. По умолчанию бак настроен на работу с давлением 3 бара, поэтому в случае использования устройства в системах с иными рабочими параметрами потребуется перенастройка.

Мембранный расширительный бак Reflex

Производитель Reflex предлагает целую линейку мембранных баков DE, модели которой могут использоваться в профессиональных целях. Уже в начальном сегменте серии, к примеру, можно найти компенсатор с пиковым давлением 10 бар, располагающий объемом 100 л. Максимальная температура при этом может составлять 70 °С. Как видно, главное достоинство этой версии заключается в способности принимать большие объемы теплоносителя. Использовать мембранный расширительный бак Reflex можно и в составе водоснабжающих линий, и в качестве гидроаккумуляторного блока конкретно для страховки насосной станции. В основе конструкции используется углеродистая сталь, поэтому допускается и комбинированная работа с промышленными перекачивающими установками.

Заключение

До недавнего времени использование дополнительных средств защиты систем водоснабжения от гидроударов практиковалось в основном на крупных производственных предприятиях, работающих при высоких нагрузках в инженерных сетях. Сегодня по мере активного вхождения мощного насосного оборудования в сферу бытового обслуживания все актуальнее становится использование компенсатора гидроударов и в частном хозяйстве. Такого рода защита может требоваться не только в системах домашних трубопроводов. Если на даче планируется организация многоуровневой системы полива или скважинного забора воды с доставкой на 5-10 м по высоте, то и в этом случае потребуется поддержка насосного оборудования расширительным баком или специальным гидроаккумулятором. К слову, современные нередко уже в базовом комплекте поставляются с защитной арматурой и страхующими резервуарами.

Если жидкость в трубопроводе распределяется неравномерно, создаётся дополнительная нагрузка на все узлы системы – высокое давление приводит к разгерметизации батарей, труб и поломке котла. Поэтому важно знать причины гидравлического удара, чтобы предотвратить это явление ещё на этапе монтажа отопительной системы.

Почему это происходит?

Резкое, но непродолжительное нарастание давления в трубах характеризуется появлением характерных щелчков и стуков. На эти звуки большинство хозяев попросту не обращает внимания. Хотя это и есть первый тревожный сигнал, свидетельствующий о неисправности отопления.

Посторонние звуки указывают на торможение теплоносителя в магистрали – давление препятствует нормальной циркуляции и она замедляется.

Основные причины замедления – это:

• перекрытие вентилей, регулирующих поток воды или антифриза;
• наличие воздушного препятствия - пробки (удалять её нужно ещё при первом заполнении системы теплоносителем путём открытия специальных кранов);
• аварийная остановка или отключение циркуляционного насоса.

Самой распространённой является первая причина. В настоящее время чаще используются шаровые краны, которые перекрывают трубы резко. Краны старого образца с винтовым строением были лишены этого опасного для системы недостатка.

Если в трубах присутствует воздух, любые манипуляции с шаровым краном только усугубляют ситуацию. Происходит сильное столкновение рабочей жидкости с пробкой. При этом давление может достигать отметки в несколько атмосфер! А это губительно для всех узлов отопительной системы. Ведь любое столкновение рабочей жидкости с препятствием вызывает расширение труб. Если нагрузка слишком высока, последствия могут быть самыми плачевными для хозяев.

Щелчки

Как только были отмечены первые щелчки в системе, хозяевам стоит задуматься о её правильном монтаже. Иногда причиной проблемы может являться неправильный подбор труб по диаметру.

Жидкость циркулирует по контуру с определённой скоростью, а сужение труб приводит к замедлению и нарастанию давления.

Исключить такую грубую ошибку в этой инженерной коммуникации поможет разгрузка теплоносителя по разным реестрам, которая производится в месте сужения трубопровода.

Чем грозят скачки давления

По-сути избыточное давление не имеет никаких ограничений. Несколько десятков атмосфер могут легко превратиться в большую величину. Ситуация усугубляется, если тепловая магистраль имеет существенную протяжённость.

Например, в тёплых полах уложены десятки метров труб. И решить проблему с перепадами давления в такой конструкции частично поможет установка термостата – он не позволит полу перегреваться. Но при этом термостат не поможет устранить допущенные в монтаже ошибки - неверный диаметр труб, отсутствие уклона. Дело в том, что после перекрытия клапана термостата вода некоторое время продолжает двигаться по инерции, создавая нагрузку на трубы.

Чтобы защитить отопление от таких разовых или регулярных гидроударов, необходимо нейтрализовать их силу или воздействие.

Инерция воды и постоянные нагрузки на любую систему приводят к износу резьбовых, жёстких соединений и всего трубопровода в целом.

Наиболее частые последствия:

• выброс горячего теплоносителя в жилые помещения;
• выход из строя основных узлов – котла, насоса, расширительного бака;
• термические ожоги и ранения жильцов.

Основные способы защиты

Монтаж автоматической системы, способной регулировать давление без контроля со стороны человека. В частности использование насосов с автоматической регулировкой работы. Автоматика позволяет плавно увеличивать обороты насосного оборудования и так же постепенно их снижать при отключении этого узла. В дорогих котлах всегда присутствуют насосы, работающие в автоматическом режиме.

Реконструкция уже имеющейся системы с учетом основных правил монтажа:

1. Если в системе имеется терморегулятор, необходимо жёсткий участок контура перед ним заменить эластичным пластиком или армированным термостойким каучуком. Такая врезка имеет свойство растягиваться и частично компенсировать давление. Длина самодельного амортизатора от 20 до 40 см, в зависимости от магистрали – чем она длиннее, тем больше отрезок пластиковой трубы.
2. В терморегулирующий клапан по ходу движения жидкости вставляется шунт – трубка с сечением 0,2-0,4 миллиметра. Такая вставка снижает объём воды в случае повышения давления в системе. А при нормальной работе отопления она никак не влияет на его правильное функционирование. При подключении к центральному отоплению использовать этот метод нельзя – трубка очень быстро засорится ржавчиной. Автономные системы позволяют использовать шунт без ограничений (здесь присутствуют магистрали из новых качественных труб, а теплоноситель чистый).
3. Также можно использовать термостат с пружиной, не позволяющей клапану полностью закрыться при возникновении избыточной нагрузки. Монтаж такого устройства осуществляется с учётом стрелки на корпусе, которая показывает направление движения воды или антифриза. Следует отметить, что не все модели термостатов имеют подобную защиту от гидравлических ударов.
4. Обязательно монтируется резервный бак или гидроаккумулятор. Это компенсирующее устройство позволяет успешно справиться с расширением теплоносителя при повышении давления. Его резиновая мембрана или груша растягивается в сторону воздушной камеры, позволяя вытолкнуть во второй рабочий отсек определённый объём жидкости (её количество зависит от параметров резервного бака – они определяются исходя из объёмов самой системы и котла).
5. Запорная арматура в системе должна быть с плавной регулировкой – у таких кранов относительно небольшой промежуток перекрытия теплоносителя.

Все перечисленные технические условия отлично действуют комплексно – защита отопления от разрушения будет обеспечена качественно и надолго.

Причиной возникновения гидравлических ударов в системе водоснабжения становится свойство воды –ее несжимаемость. Напор воды из кухонного крана можно закрыть быстрым поворотом рукоятки. Сопротивляясь о возникшее препятствие, вода создает упругую обратную силу. При этом воде некуда деваться, так как труба герметична. Ее энергия сталкивается с инерционным потоком воды. При таком столкновении гидроудар в системе водоснабжения определяется тем, что энергию потока воды невозможно поглотить ее сжатием. В небольших трубопроводах такие процессы являются незначительными.

Заметно такое явление проявляется при значительных скоростях воды в трубах, прочном трубопроводе большого диаметра и резком закрытии прохода на некотором участке трубы. Гидроудары в системах могут уменьшаться при использовании эластичных материалов для труб или установкой специальных компенсаторов. Такие удары могут сглаживать воздушные пробки, оказавшиеся в системе. Но в любом случае сила толчка останется неизменной, кроме того, что ее действие снизится.

Этого достаточно для предохранения повреждений в системе трубопроводов. Только принцип сглаживания сильного удара воды заключен в основе многих защитных сооружений, а также оборудования.

Главным способом предотвращения гидравлических ударов считается уменьшение скорости закрытия потока воды, а также способы уменьшить давление в системе водоснабжения. Для таких целей используют задвижки с удлиненным штоком. Это позволяет замедлить процедуру перекрытия напора воды. Но для аналогичного оборудования требуется увеличение проходного диаметра системы труб.

Предотвратить гидравлический удар можно посредством модернизации напорного контура, его переделки. Одним из методов решений стало подключение в жесткую систему труб элемента, изготовленного из эластичного материала – металлопластика или пластика. Для создания требуемого результата необходимо около 400 мм этого материала. Также, на прямолинейный участок трубы устанавливают специальный компенсатор в форме «П», что тоже снижает скоростной поток воды. В системе горячей воды аналогичную роль может играть полотенцесушитель.

Наиболее прогрессивным способом защиты является обратный клапан в системе водоснабжения, который пропускает некоторый объем воды при сильном и внезапном повышении давления. Ввиду этого уменьшается нагрузка на оборудование и материал системы трубопроводов. Важным фактором является регулировка функции этого клапана, когда он будет начинать функционировать. При очень большой характеристике открытия гидроудары предотвратить очень сложно.

Особенности защитных устройств

В локальных современных системах водоснабжения для загородных домов защита от гидравлических ударов накладывается на гидравлические аккумуляторы различных видов и устройств. Обычно такие емкости уже имеются в комплекте станции насосов. Сам гидроаккумулятор чаще всего изготавливается в форме бака объемом более 30 литров. Внутри он разделен прочной каучуковой мембраной на две части – водяную и воздушную.

В первую половину под высоким давлением закачивается периодически вода. В другую половину закачивается воздух под заданным давлением. В таком случае гидравлические удары в системе водоснабжения также сбрасываются в данный бак. После того, как напор воды нормализуется, упругая перегородка выдавливает деформирующую ее воду назад в трубопроводы.

Практически становится видно, что использование только гидравлического аккумулятора является довольно эффективной защитой от гидроударов в напорной системе водоснабжения.

Видео: Пример возникновение гидроудара

Наверняка многие замечали периодически возникающие щелчки и стук в коммуникациях, снабжающих дом водой и теплом. Большинство не воспринимает данный отрицательный факт в качестве серьезной угрозы, так как не знает о разрушительных последствиях негативного явления. На самом деле гидроудар в системе водоснабжения и в сети с циркулирующим капельным теплоносителем может вызвать повреждение и раскол оборудования, образование продольных трещин в трубопроводе. Предотвратить нежелательные аварийные ситуации поможет четкое соблюдение правил эксплуатации и модернизация инженерной сети.

Стук и щелчки, сигнализирующие о произошедшем в замкнутой системе резком, мощном, кратковременном повышении давления, происходят в результате внезапного торможения циркулирующей по контуру жидкости.

Гидравлический удар, разрушающий стенки трубопровода

Стандартные причины этого эффекта

• аварийное отключение или поломка насосного агрегата;
• не выведенный из контура воздух, который перед включением заполняемой жидкостью инженерной системы обязательно нужно выпускать через специальные краны;
• резкое закрытие вентилей, перекрывающих циркулирующий поток.

Последняя из причин с появлением шаровых кранов наиболее распространена. При отключении и при запуске жидкости в контур с помощью устаревших устройств винтового типа плавная подача и перекрытие были обоснованы постепенным раскручиванием крановых бюкс. С точки зрения эксплуатационной безопасности винтовые краны были более рациональным решением, исключающим вероятность превышения критических значений давления.

Аналогичная физическая картина происходит в контуре с неотведенным перед включением воздухом. Резко открывая шаровое устройство, мы «сталкиваем» поток практически несжимаемой жидкости с воздушной массой, превращающейся в данном случае в пневматический амортизатор. Абсолютно напрасно нас не пугает хлопок, регулярно испытывающий на прочность наши коммуникации. В конечном итоге они могут просто не выдержать давления, значения которого могут возрасти до нескольких десятков атмосфер.

Снижение давления при гидроударе за счет установки демфера

В обеих ситуациях сильный поток воды (либо другой жидкости) с высокой скоростью врезается в преграду. Барьером может быть, как столб воздуха, так и запорная арматура. При столкновении жидкость все же слегка сжимается, немного растягиваются даже металлические трубы. Но следует осознать, что их «терпение» не бесконечно.

Щелчки в водопроводной и отопительной сети

Регулярное «пощелкивание» наверняка слышат владельцы коттеджей с неграмотно организованными инженерными коммуникациями. Происходят они зачастую в местах сопряжения труб большого диаметра с трубами, сечение которых существенно меньше. Циркулирующий по контуру с заданной скоростью поток жидкости «упирается» пусть и не в полноценную, но все же преграду. Скорость остается прежней, разгрузка замедляется, объем жидкости увеличивается, опосредованно увеличивая давление. Если в этом месте не происходит разгрузка жидкости по разным реестрам, из-за превышения давления в данной точке может произойти прорыв.

Что может случиться — какие угрозы несет гидроудар

Созданный на пути движения потока жидкости барьер формирует давление, теоретически не имеющее конечных критических значений. То есть, пара десятков атмосфер может перерасти в более серьезную величину. Жесткие детали оборудования, резьбовые соединения, трубопровод от постоянного воздействия инерции воды будет быстро или постепенно разрушаться.

1а; 1б — устройства защиты от гидравлических ударов и засорения коммуникаций

От гидравлических ударов больше всего страдают длинные трубопроводы, такие, например, как «теплый пол» с циркулирующей по трубам водой. Для того чтобы обезопасить систему от гидравлического удара «подпольный» отопительный контур оснащают термостатическим клапаном. Но он спасет пол только в случае правильной установки, в противном случае это регулирующее устройство создать дополнительную угрозу.

После перекрытия термостатического клапана, вмонтированного на входе теплоносителя в систему, вода продолжает передвижение по инерции еще какой-то отрезок времени. В участке контура, расположенном после клапана возникает вакуум, но разница в значениях давления довольно не существенна, не больше одой атмосферы. А так как оборудование рассчитано на стандарты в 4 атмосферы, вреда трубопроводу от этих перепадов нет. Установленный на выходе из системы клапан тоже перекроет движение потока теплоносителя. Только врезаясь в «барьер» жидкость, подпираемая следующей порцией, будет растягивать, ломать, крушить стенки трубопровода напором в 10 и более атмосфер.

Термостатический клапан устанавливают на входе теплоносителя

Способы борьбы с гидравлическим ударом

Защита трубопроводов от гидроударов (периодических или разовых) направлена на нейтрализацию их действия или на снижение силы.

Плавное перекрытие – эффективный способ защиты?

По нормативам эксплуатации теплосетей и объектов центрального водоканала включение и отключение должно производиться плавно. Разработанные для промышленных поставщиков воды и тепла правила распространяются на пользователей автономными контурами. По сути, плавное отключение и запуск растягивают процесс гидравлического удара во времени. Остающаяся неизменной энергия гидроудара действует в зоне преграды не кратковременно, а перераспределяется на несколько отрезков времени. В результате при сохранении параметров суммарной силы удара сокращается его мощность. Плавно повышая и снижая давление, скорость, объем, мы защищаем наши трубопроводы от повреждений.

Схема возникновения гидроудара в пустом трубопроводе

Решение проблемы гидроударов путем модернизации системы

Устранить проблему возникновения гидравлического удара помогут следующие мероприятия по реконструкции систем:

• Установка амортизирующих устройств по направлению циркуляции жидкости. Если выразиться проще: замена отрезка жесткой трубы перед термостатом на кусок трубы из эластичного пластика или армированного термостойкого каучука. Способные растягиваться материалы будут самопроизвольно гасить энергию гидравлического удара в точке возникновения максимальных давлений. Чаще всего для устройства амортизатора достаточно куска эластичной трубы в 20 – 30 см. Для очень протяженного трубопровода длину амортизатора можно увеличить еще на 10 см.

• Введение шунта с просветом до 0,4 мм в терморегулирующий клапан. Со стороны движения жидкости в термостат вставляется узенькая трубка с минимальным сечением 0,2 мм, максимальным 0,4 мм. Можно банально проделать отверстие с равнозначным диаметром. При нормальном функционале системы шунт не повлияет на критерии ее работоспособности, но при повышении давления поможет плавно снизить критический объем. Безусловно, реализовать этот способ сможет только человек, безукоризненно знающий конструкцию термостата. Дилетанту не стоит браться за незнакомое ему дело.

Терморегулирующие клапаны, сокращающие действие гидравлического удара

Важно. Шунтирование в качестве метода защиты от гидроудара применимо лишь к автономным сетям с новыми трубопроводами из качественных материалов. Ржавчина и осадки централизованных городских коммуникаций немедленно засорят маленькое отверстие.

• Монтаж термостата со специальной защитой от гидравлических ударов. Такие устройства оснащены пружинными механизмами, вставленными между клапаном и термоголовкой. При превышении давления срабатывает пружина, не позволяющая клапану полностью закрываться, при снижении мощности гидроудара клапан плавно самопроизвольно закрывается. Устанавливать термостаты с устройством защиты необходимо строго по направлению, указанному стрелкой на их корпусе.

Обратите внимание. Не все модели термостатов оснащены средствами защиты от гидроудара. Наличие этой функции должно быть указано в технической документации, приложенной к изделию.

Автоматика спасет?

Плавный запуск и остановку инженерной системы обеспечат центробежные насосы с автоматической регулировкой.

Клапаны гашения гидравлических ударов с автоматической системой контроля давления

Автоматика плавно увеличивает обороты электродвигателей насосного оборудования, планомерно поднимает давление в трубах после пуска. Точно также она действует в обратном порядке. Запрограммированные устройства самостоятельно отслеживают изменения давления в инженерных сетях, совершая автоматическую регулировку параметров напора.

Видео, описывающее принцип гидроудара

Гидравлический удар – проблема, возникающая при несоблюдении правил использования коммуникаций и при неграмотном проектировании сетей. Даже если собственников не беспокоит неприятный шум, должна насторожить вероятность разрушительных последствий. Лучше незамедлительно устранить причины возникновения шумовых проявлений, чем ремонтировать не выдержавшие натиска трубы и устройства.

Общие сведения о гидравлическом ударе

Гидравлический удар – это скачкообразное изменение давление жидкости, протекающей в напорном трубопроводе, возникающее при резком изменении скорости потока. В более развернутом смысле, гидравлический удар представляет собой быстротечное чередование «скачков» и «провалов» давления, сопровождающееся деформацией жидкости и стенок трубы, а также акустическим эффектом, похожим на удар молотком по стальной трубе. При слабых гидравлических ударах звук проявляется в виде «металлических» щелчков, однако даже при таких, казалось бы, незначительных ударах давление в трубопроводе может возрастать весьма значительно.

Стадии гидравлического удара можно проиллюстрироват ь на следующем примере (рис.1 ): пусть на конце квартирного трубопровода, присоединенного к домовому стояку, установлен однорычажный кран или смеситель (именно такие смесители позволяют относительно быстро перекрывать поток).

Рис.1. Стадии гидравлического удара

При перекрытии крана происходят следующие процессы:

1. Пока кран открыт, жидкость движется по квартирному трубопроводу со скоростью «ν ». При этом в стояке и квартирном трубопроводе давление одинаковое (p ).
2. При перекрытии крана и резком торможении потока кинетическая энергия потока переходит в работу деформации стенок трубы и жидкости. Стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается, что ведет к увеличению давления на величинуΔp (ударное давление). Зона, в которой произошло увеличение давления называется зоной сжатия ударной волной, а ее крайнее сечение называется фронтом ударной волны. Фронт ударной волны распространяется в сторону стояка со скоростью «с». Здесь хотелось бы отметить, что допущение о несжимаемости воды, принимаемое при гидравлических расчетах, в данном случае не применяется, т.к. реальная вода – сжимаемая жидкость, имеющая коэффициент объемного сжатия 4,9х10 -10 1/Па. То есть при давлении 20 400 бар (2040 МПа) объем воды уменьшается в два раза.
3. Когда фронт ударной волны дойдет до стояка, вся жидкость в квартирном трубопроводе окажется сжатой, а стенки квартирного трубопровода – растянутыми.
4. Объем жидкости в домовой системе гораздо больше, чем в квартирной разводке, поэтому, когда фронт ударной волны доходит до стояка, избыточное давление жидкости большей частью сглаживается за счет расширения сечения и включения в работу общего объема жидкости в домовой системе. Давление в квартирном трубопроводе начинает выравниваться со стояковым давлением. Но при этом квартирный трубопровод за счет упругости материала стенок восстанавливает свое первоначальное сечение, сжимая жидкость и выдавливая ее в стояк. Зона снятия деформации со стенок трубопровода распространяется к крану со скоростью «с ».
5. В момент, когда давление в квартирном трубопроводе будет равно первоначальному, также как и скорость жидкости, направление потока будет обратное («нулевая точка»).
6. Теперь жидкость в трубопроводе со скоростью «ν » стремится «оторваться» от крана. Возникает «зона разряжения ударной волны». В этой зоне скорость потока нулевая, а давление жидкости становится ниже первоначального, что приводит к сжатию стенок трубы (уменьшению диаметра). Фронт зоны разряжения передвигается к стояку со скоростью «с ». При значительной первоначальной скорости потока разряжение в трубе может привести к снижению давления ниже атмосферного, а также к нарушению неразрывности потока (кавитации). В этом случае в трубопроводе около крана появляется кавитационный пузырь, схлопывание которого приводит к тому, что давление жидкости в зоне отраженной ударной волны становится больше, чем этот же показатель в прямой ударной волне.
7. При достижении фронта сжатия ударной волны стояка скорость потока в квартирном трубопроводе нулевая, а давление жидкости – ниже первоначального и ниже, чем давление в стояке. Стенки трубопровода сжаты.
8. Перепад давлений между жидкостью в стояке и квартирном трубопроводе вызывает поступление жидкости в квартирный трубопровод и выравниванию давлений до первоначального значения. В связи с этим стенки трубы также начинают приобретать первоначальные очертания. Так образовывается отраженная ударная волна, и циклы снова повторяются до полного угасания. При этом промежуток времени, в течение которого проходят все стадии и циклы гидравлического удара, не превышает, как правило, 0,001–0,06 с. Количество циклов может быть различным и зависит от характеристик системы.

На рис. 2 стадии гидравлического удара показаны в графическом виде.

Рис. 2. Графики изменения давления при гидравлическом ударе.

График на рис. 2а показывает развитие гидравлического удара, когда давление жидкости в зоне разряжения ударной волны не падает ниже атмосферного (линия 0).

График на рис. 2б отображает ударную волну, зона разряжения которой находится ниже атмосферного давления, но гидравлическая сплошность среды не нарушается. В этом случае давление жидкости в зоне разряжения ниже атмосферного, но эффект кавитации не наблюдается.

График на рис.2в отображает случай, когда нарушается гидравлическая неразрывность потока, то есть образуется кавитационная зона, последующее схлопывание которой приводит к возрастанию давления в отраженной ударной волне.

Разновидности гидравлических ударов и основные расчетные положения

В зависимости от скорости, с которой происходит закрытие запорного органа на трубопроводе, гидравлический удар может быть «прямым» и непрямым». «Прямым» называется удар, при котором перекрытие потока происходит за время меньшее, чем период удара, то есть выполняется условие:

Т 3 ≤ 2L/c,

где Т 3 – время закрытия запорного органа, с; L – длина трубопровода от запорного устройства до точки, в которой поддерживается постоянное давление (в квартире – до стояка), м; с – скорость ударной волны, м/с.

В противном случае гидравлический удар называется непрямым. При непрямом ударе скачок давления значительно меньше по величине, так как часть энергии потока демпфируется частичной утечкой через запорный орган.

В зависимости от степени перекрытия потока гидравлический удар может быть полным и неполным. Полным является удар, при котором запорный орган полностью перекрывает поток. Если же этого не происходит, то есть часть потока продолжает протекать через запорный орган, то гидравлический удар будет неполным. В этом случае расчетной скоростью для определения величины гидравлического удара станет разница скоростей потока до и после перекрытия. Величину повышения давления при прямом полном гидравлическом ударе можно определить по формуле Н.Е. Жуковского (в западной технической литературе формула приписывается Alievi и Michaud):

Δp = ρ · ν · c, Па ,

где ρ – плотность транспортируемой жидкости, кг/м 3 ; ν – скорость транспортируемой жидкости до момента внезапного торможения, м/с; с – скорость распространения ударной волны, м/с.

В свою очередь скорость распространения ударной волны с определяется по формуле:

где c 0 - скорость распространения звука в жидкости (для воды – 1425 м/с, для других жидкостей можно принимать по табл. 1 ); D – диаметр трубопровода, м; δ – толщина стенки трубы, м; Е ж – объемный модуль упругости жидкости (можно принимать по табл. 2 ), Па; Е ст – модуль упругости материала стенок трубы, Па (можно принимать по табл. 3 ).

Таблица 1. Характеристики жидкостей

Таблица 2. Характеристики материалов стенок труб

Если учесть, что скорость движения воды в квартирных системах не должна превышать 3 м/с (п.7.6. СНиП 2.04.01), то для трубопроводов из различных материалов можно вычислить величину повышения давления при возможном прямом полном гидравлическом ударе. Такие сводные данные по некоторым трубам представлены в табл. 3 .

Таблица 3. Повышение давление при гидравлическом ударе при скорости потока 3 м/с

При непрямом гидравлическом ударе повышение давления рассчитывается по формуле:

В табл. 4 приведено среднее время срабатывания основной квартирной арматуры. Для каждого типа этой арматуры рассчитана длина трубопровода, более которой гидравлический удар перестает быть прямым.

Таблица 4. Длина участка прямого удара для водозапорной арматуры

Возможные последствия гидравлических ударов

В квартирных сетях возникновение гидравлических ударов, конечно, не влечет таких масштабных разрушительных последствий, как на магистральных трубопроводах большого диаметра. Однако и здесь они могут доставить массу хлопот и убытков, если не учитывать возможность их появления.

Периодически повторяющиеся гидравлические удары в квартирной трубной разводке могут стать причиной следующих неприятностей:

– сокращение срока службы трубопроводов. Нормативный срок службы внутренних трубопроводов определяется по совокупности характеристик (температура, давление, время), в которых эксплуатируется труба. Даже столь кратковременные, но часто повторяющиеся, знакопеременные скачки и провалы давления, происходящие при гидравлическом ударе, существенно искажают картину эксплуатационног о режима трубопровода, сокращая срок его безаварийной эксплуатации. В большей степени это относится к полимерным и многослойным трубопроводам;

– выдавливание прокладок и уплотнителей в арматуре и соединителях трубопроводов. Этому подвержены такие элементы, как поршневые редукторы давления, шаровые краны, вентили и смесители с резиновыми сальниковыми кольцами, уплотнительные кольца обжимных и пресс-соединител ей, а также кольца полусгонов («американок»). В квартирных водосчетчиках выдавливание уплотнительного кольца между измерительной камерой и счетным механизмом может привести к попаданию воды в счетный механизм (рис.3);

Рис. 3 . Попадание воды в счетный механизм водосчетчика в результате выдавливания прокладки

– даже однократный гидравлический удар может полностью вывести из строя контрольно-измер ительные приборы, установленные в квартире. Например, изгиб стрелки манометра от взаимодействия с ограничительным штифтом – явный признак имевшего место гидравлического удара (рис. 4);

Рис. 4. Характерное повреждение манометра гидравлическим ударом

– каждый гидроудар в квартирном трубопроводе из полимерных материалов, выполненном на обжимных, прессовых или надвижных соединителях, неизбежно приводит к микроскопическом у «сползанию» соединителя с трубопровода. В конце концов, может наступить момент, когда очередной гидроудар станет критическим – труба полностью «выползет» из соединителя (рис. 5);

Рис. 5. Нарушение обжимного соединения МПТ в результате воздействия гидроудара

– кавитационные явления, которые могут сопровождать гидравлический удар, нередко являются причиной появления каверн в золотнике и корпусе запорной арматуры. Схлопывание вакуумных пузырьков при кавитации просто «выгрызает» куски металла с поверхности, на которой они образуются. В результате золотник перестает выполнять свою функцию, то есть, герметичность запорного органа нарушается. Да и корпус такой арматуры очень быстро выйдет из строя (рис. 6);

Рис. 6. Кавитационное разрушение внутренней поверхности сгона перед электромагнитным клапаном

– особую опасность для квартирных трубопроводов, выполненных из многослойных труб, представляет зона разряжения ударной волны при гидравлическом ударе. При клеевом слое низкого качества или наличии непроклеенных участков, образующийся в трубе вакуум отрывает внутренний слой трубы, заставляя его «схлопываться» (рис.7, 8).

Рис. 7. Многослойная полипропиленовая труба, пострадавшая от гидравлического удара

Рис. 8. «Схлопнувшаяся» металлополимерна я труба

При частичном схлопывании труба будет продолжать выполнять свою функцию, но с гораздо большим гидравлическим сопротивлением. Однако может произойти и полное схлопывание – в этом случае труба будет перекрыта своим же внутренним слоем. К сожалению, ГОСТ 53630-2009 «Трубы напорные многослойные» не требует проведения испытания образцов труб при внутреннем давлении ниже атмосферного. Однако ряд производителей, зная о подобной проблеме, включают в технические условия обязательный пункт о проверке трубы под разряжением. В частности, каждый рулон многослойных труб VALTEC подключается к вакуумному насосу, доводящему абсолютное давление в трубе до 0,2 атм (–0,8 бар избыточного). После чего с помощью компрессора через трубу прогоняется пенополистирольн ый шарик с диаметром, чуть меньшим проектного внутреннего диаметра трубы. Рулоны, через которые шарик не смог пройти, беспощадно бракуются и уничтожаются;

– еще одна опасность подстерегает при гидравлическом ударе внутренние трубопроводы горячего водоснабжения. Как известно, температура кипения воды находится в тесной зависимости от давления (табл. 5 ).

Таблица 5. Зависимость температуры кипения воды от давления

Если, допустим, в квартирный трубопровод поступает горячая вода с температурой 70 °С, а в зоне разрежения гидроудара давление снижается до абсолютного значения 0,3 атм, то в этой зоне вода превратится в пар. Учитывая, что объем пара при нормальных условиях почти в 1200 раз больше объема такой же массы воды, следует ожидать, что данное явление может привести к еще большему росту давления в зоне сжатия ударной волны.

Способы защиты от гидроударов в квартирных системах

Самым действенным и надежным способом защиты от гидравлического удара является увеличение времени перекрытия потока запорным органом. Именно этот способ используется на магистральных трубопроводах. Плавное закрытие задвижки не вызывает никаких разрушительных возмущений в потоке и позволяет избавиться от необходимости установки громоздких и дорогих демпфирующих устройств. В квартирных системах такой способ не всегда приемлем, т.к. в наш обиход прочно вошли и «однорукие» рычажные смесители, электромагнитные клапаны бытовой техники, и прочая арматура, способная перекрыть поток в короткий промежуток времени. В связи с этим квартирные инженерные системы уже на стадии проекта должны обязательно проектироваться с учетом опасности возникновения гидроудара. Конструктивные мероприятия, такие как использование эластичных вставок, компенсационных петель и расширителей, широкого распространения не получили. Наибольшей популярностью в настоящее время пользуется специально разработанная для этой цели арматура – пневматические (поршневые, рис. 9а, и мембранные, рис. 9б) или пружинные (рис.9в) гасители гидроударов.

Рис. 9. Типы гасителей гидроударов

В пневматических гасителе кинетическая энергия потока жидкости гасится энергией сжатия воздуха, давление которого изменяется по адиабате с показателем К = 1,4. Объем воздушной камеры пневматического гасителя определяется из выражения:

где P 0 – начальное давление в воздушной камере, Р К – конечное (предельное) давление в воздушной камере. В приведенной формуле левая часть представляет собой выражение для кинетической энергии потока жидкости, а правая – энергии сжатия воздуха.

Параметры пружин для пружинных компенсаторов находят из выражения:

где D пр – средний диаметр пружины, I – число витков пружины, G – модуль сдвига, F к – конечная сила, действующая на пружину, F 0 – начальная сила, действующая на пружину.

В среде проектировщиков и монтажников бытует мнение, что обратные клапаны и редукторы давления тоже обладают способностью к гашению гидроударов.

Обратные клапаны, действительно, отсекая часть трубопровода в момент резкого перекрытия потока, уменьшают расчетную длину трубопровода, превращая прямой удар в непрямой, меньшей энергии. Однако, резко закрываясь под воздействием стадии сжатия ударной волны, клапан сам превращается в причину гидроудара в трубопроводе, расположенном до него. В стадии разряжения клапан снова открывается, причем, в зависимости от соотношения длин труб до клапана и после него, может настать такой момент, когда ударные волны двух участков сложатся, усилив скачок давления. Поршневые редукторы давления не могут служить гасителями гидравлических ударов в силу своей высокой инерционности – из-за работы сил трения в уплотнителях поршней, они просто не успевают отреагировать на мгновенное изменение давления. Кроме того, такие редукторы сами нуждаются в защите от гидроударов, вызывающих выдавливание уплотнительных колец из гнезд поршней.

Способностью частично поглощать энергию гидроударов обладают мембранные редукторы давления, однако они рассчитаны совсем на другие силовые воздействия, поэтому работа по гашению частых гидроударов быстро выведет их из строя. Кроме того, резкое перекрытие редуктора при ударной волне приводит, как в случае с обратным клапаном, к возникновению ударной волны на участке до редуктора, не защищенном мембраной.

Помимо всего прочего, квартирные гасители гидроударов кроме выполнения своей основной задачи выполняют еще несколько функций, немаловажных для безопасной эксплуатации квартирных трубопроводов. Эти функции будут рассмотрены на примере мембранного гасителя гидроударов VALTEC VT.CAR19 (рис. 10).

Гаситель гидроударов VT.CAR19

Рис. 10. Гаситель гидроударов VALTEC VT.CAR19

Квартирный гаситель гидроударов VALTEC VT.CAR19 конструктивно состоит (рис. 11) из шаровидного корпуса, выполненного из нержавеющей стали AISI 304L (1 ), с завальцованной мембраной из EPDM (2 ). Благодаря небольшим выпуклостям на поверхности мембраны обеспечиваются ее неплотное примыкание к корпусу и максимальная площадь контакта мембраны с транспортируемой средой. Воздушная камера гасителя находится под заводским давлением 3,5 бара, что обеспечивает защиту квартирных трубопроводов, давление в которых не превышает 3 бар. Гаситель может защищать и трубопроводы с рабочим давлением до 10 бар, но в этом случае необходимо с помощью насоса, присоединяемого к ниппелю (3 ) увеличить давление в воздушной камере до значения 10,5 бара. В случае, когда рабочее давление в квартирной сети ниже 3 бар, рекомендуется через ниппель (3 ) выпустить часть воздуха из камеры до значения Рраб + 0,5 бар.

Рис.11. Конструкция гасителя VALTEC VT.CAR19

Технические характеристики и габаритные размеры гасителя приведены в табл. 6 .

Таблица 6. Технические характеристики VALTEC VT.CAR19

Гаситель способен защищать трубопроводы от гидроударов, давление при которых возрастает до 20 бар, поэтому перед установкой гасителя необходимо проверить, какой величины гидравлический удар может произойти в конкретном квартирном трубопроводе. Расчет возможного давления при гидроударе Р гу можно рассчитать по формуле:

, бар.

Отношение Eводы/Ест для трубопроводов из разных материалов принимается по табл. 2 .

Надежно защищая квартирные трубопроводы от гидроударов, гаситель VT.CAR19 в силу своих конструктивных особенностей способен воспринимать излишек воды, образующийся при нагревании поступившей холодной воды в период перерыва в водопользовании. Например, если в квартиру, оборудованную на вводе редуктором или обратным клапаном поступила вода с температурой +5°С, и за ночь она нагрелась до 25°С (обычная температура воздуха в санузле), то давление в отсеченном участке трубопровода возрастет на:

ΔP = β t ·Δt/β v = 0,00015 · (25 – 5) / 4,9 · 10 –9 = 61,2 бара.

В приведенной формуле β t – коэффициент температурного расширения воды, а β v – коэффициент объемного сжатия воды (величина, обратная модулю упругости). Формула не учитывает температурное расширение материала самой трубы, но практика показывает, что каждый градус повышения температуры воды в трубопроводе повышает давление от 2 до 2,5 бара.

Здесь-то и востребуется вторая функция мембранного гасителя гидроударов. Приняв в себя часть воды из нагревающегося трубопровода, он избавит его от чрезмерной нагрузки и поможет избежать аварийной ситуации. В табл. 7 приведены предельные длины трубопроводов, защищаемые гасителем VT.CAR19 от температурного расширения жидкости.

Таблица 7. Предельная длина трубопроводов, защищаемых от температурного расширения (при ΔТ = 20°C)

Что касается квартирных трубопроводов горячего водоснабжения, то и здесь гаситель VT.CAR19 выполняет важную задачу по предотвращению вскипания воды в зоне разряжения ударной волны. Поглощая энергию гидравлического удара, гаситель ликвидирует и эту опасность.

Наибольшая эффективность гасителя гидроударов достигается при его установке непосредственно перед защищаемой арматурой. В этом случае возможность появления гидроудара полностью исключается (рис. 12).

Рис. 12. Установка гасителей непосредственно перед защищаемыми приборами

В квартирных системах, где трубопроводы не имеют значительной протяженности, допускается устанавливать один гаситель на группу приборов. В этом случае следует проверить, чтобы общая длина защищаемых одним гасителем участков трубопроводов не превышала значений, изложенных в табл. 8 .

Таблица 8. Длина защищаемых одним гасителем участков трубопроводов

При превышении указанных в таблице значений необходимо устанавливать не один, а несколько гасителей. В случае, когда расчетное давление при гидравлическом ударе превышает максимально допустимое давление для данного гасителя (20 бар для VT.CAR19), следует выбрать другой тип прибора с более высокими прочностными характеристиками.

В соответствии с п.7.1.4. СП 30.13330.2012 «Внутренний водопровод и канализация зданий», положения которого вступили в силу с 1 января 2013 года, конструкция водоразборной и запорной арматуры должна обеспечивать плавное открывание и закрывание потока воды. Но это требование навряд ли будет выполняться, т.к. торговля предлагает жильцам огромный ассортимент арматуры и приборов, в которых плавное регулирование невозможно. Учитывая это, ведущие проектные и строительные организации нашей страны уже сейчас предусматривают в проектах установку квартирных гасителей гидравлических ударов. Например, ДСК-1 города Москвы перестраивает производство на выполнение узлов ввода квартирного водопровода по схеме, отображенной на рис. 13.

Рис. 13. Узел квартирного ввода водопровода ДСК-1