Гидроудар в напорном трубопроводе возникает при быстром изменении скорости движения жидкости. Причиной может стать аварийная остановка насоса, резкое закрытие арматуры, срабатывание обратного клапана или переключение режима работы сети. В результате по трубопроводу распространяются волны повышенного и пониженного давления.
Опасность представляет не только кратковременное превышение рабочего давления. При остановке насосов на отдельных участках возможно глубокое разрежение, образование воздушных и паровых полостей, а затем повторный скачок давления при восстановлении сплошности потока. Поэтому защита от гидроудара в проекте должна учитывать всю картину переходного процесса, а не только максимальное давление возле насосной станции.
Какие режимы необходимо проверить
Проектирование напорного водопровода начинают с расчета установившегося режима: определяют расходы, скорости движения жидкости, потери напора и рабочие давления. Затем моделируют ситуации, при которых параметры потока быстро меняются.
Основной расчетный сценарий для насосной станции — внезапное отключение электропитания. После потери привода частота вращения рабочего колеса снижается, подача уменьшается, а по трубопроводу распространяется волна пониженного давления. Если возникает обратное течение, в процесс включается обратный клапан. Его закрытие может сформировать новый скачок давления.
Аварийный режим насосной и гидроудар следует проверять для фактической схемы объекта:
- отключения одного работающего насоса;
- одновременной остановки группы агрегатов;
- переключения рабочего и резервного оборудования;
- запуска насоса при заполненной системе;
- восстановления работы после отключения электроснабжения;
- открытия или закрытия запорной и регулирующей арматуры;
- изменения расхода в отдельных ветвях сети.
Наличие частотного преобразователя не исключает необходимость расчета. Он обеспечивает плавное регулирование в штатном режиме, но при полном обесточивании управляемая остановка может быть недоступна.
Исходные данные для расчета гидроудара
Расчет гидроудара в напорном трубопроводе выполняют по модели всей сети. Для ее построения необходимы:
- длина, внутренний диаметр и материал каждого участка;
- толщина стенки и класс давления труб;
- продольный профиль с отметками характерных точек;
- рабочие расходы и скорости движения жидкости;
- уровни воды в резервуарах;
- характеристики насосных агрегатов;
- момент инерции вращающихся частей;
- алгоритмы запуска и остановки насосов;
- типы обратных, запорных и регулирующих клапанов;
- время и закон закрытия арматуры;
- характеристики предполагаемых защитных устройств.
На распространение волны давления влияют сжимаемость жидкости, упругость стенок трубопровода и условия его закрепления. Поэтому расчет, выполненный для металлической трубы, нельзя без корректировки применять к полимерной сети.
Результатом моделирования должны стать графики или огибающие максимального и минимального давления по длине трубопровода. Дополнительно определяют время возникновения экстремальных значений, продолжительность колебаний и участки, где возможно нарушение сплошности потока.
Почему важно рассчитывать минимальное давление
На практике внимание часто сосредоточено на верхней границе давления. Однако значительное разрежение также создает опасный режим.
При падении давления ниже допустимого уровня возможны:
- выделение растворенного воздуха;
- образование воздушных или паровых полостей;
- потеря устойчивости трубы под действием внешней нагрузки;
- подсос воздуха через негерметичные соединения;
- обратное движение жидкости;
- повторный удар при схлопывании полостей.
В методических рекомендациях АО «ХЕМКОР» при статическом расчете подземных трубопроводов отдельно учитывается воздействие атмосферного давления при образовании вакуума. Кроме внутреннего давления, рассматриваются грунтовые, транспортные и другие внешние нагрузки.
Поэтому расчет давления при гидроударе должен показывать обе границы переходного процесса. Повышение класса давления трубы увеличивает запас по внутреннему давлению, но не решает проблему вакуума и не защищает арматуру от динамических нагрузок.
Как профиль трассы влияет на переходный процесс
Распределение давления зависит от продольного профиля сети. В верхних точках после остановки насоса могут возникать минимальные давления, а в низких точках, перед закрывающейся арматурой и на участках изменения режима — максимальные.
Особого внимания требуют:
- протяженные восходящие участки;
- локальные возвышения трассы;
- резкие перепады отметок;
- тупиковые ветви;
- переходы на другой диаметр;
- участки возможного скопления воздуха;
- удаленные точки с малым статическим напором.
На стадии проекта следует по возможности исключать необоснованно сложный профиль и предусматривать средства удаления воздуха при заполнении трубопровода. Если при аварийном режиме возможно разрежение, может потребоваться организованный впуск воздуха.
Воздушные клапаны нельзя размещать только по геометрическому признаку. Их тип, пропускную способность и место установки определяют с учетом расчетного расхода воздуха, давления и характера переходного процесса.
Режим насосов как средство защиты
Интенсивность гидроудара можно уменьшить за счет управления насосным оборудованием. В зависимости от схемы применяют плавный пуск, регулируемое снижение частоты вращения, последовательное включение агрегатов и ограничение числа одновременных переключений.
При расчете аварийной остановки учитывают инерцию насоса и электродвигателя. Чем дольше агрегат сохраняет вращение после отключения, тем медленнее уменьшается расход. В отдельных системах для увеличения времени выбега используют маховики, однако такое решение требует проверки механических нагрузок и режима повторного запуска.
Алгоритмы автоматики должны быть согласованы с гидравлическим расчетом. В проекте необходимо зафиксировать порядок включения насосов, допустимую скорость изменения подачи и действия системы при потере питания или отказе датчиков.
Подбор арматуры от гидроудара
Расчет скорости закрытия задвижки нельзя сводить к сравнению полного времени хода с одним условным нормативным значением. Расход через арматуру изменяется нелинейно: значительное уменьшение проходного сечения может происходить на завершающей части хода затвора.
Для расчета используют закон закрытия — зависимость положения затвора от времени. При необходимости алгоритм корректируют: например, замедляют последнюю фазу закрытия или вводят ступенчатое управление.
Для обратного клапана важны скорость обратного потока перед посадкой затвора, время срабатывания и динамика закрытия. Слишком позднее закрытие позволяет сформироваться значительному обратному течению. Его резкая остановка создает скачок давления и ударные нагрузки на клапан, соединения и опоры.
Подбор арматуры от гидроудара выполняют одновременно с расчетом сети. Паспортные характеристики выбранного устройства должны соответствовать параметрам, заложенным в расчетную модель.
Способы демпфирования гидроудара
Если изменение трассы и режима работы оборудования не обеспечивает допустимые давления, предусматривают специальные средства защиты:
- воздушно-гидравлические резервуары;
- мембранные гидроаккумуляторы;
- уравнительные емкости;
- предохранительные и сбросные клапаны;
- клапаны впуска и выпуска воздуха;
- байпасные линии;
- маховики насосных агрегатов;
- изменение алгоритма работы арматуры.
Каждое устройство решает определенную задачу. Гидроаккумулятор поддерживает расход после остановки насоса и ограничивает снижение давления. Сбросной клапан отводит часть жидкости при повышении давления. Воздушный клапан обеспечивает выпуск скопившегося воздуха или его впуск при образовании разрежения.
Демпфирование гидроудара проверяют повторным расчетом. В модель вводят объем резервуара, начальное давление газовой подушки, пропускную способность клапана, уставку и время срабатывания. Установка устройства без расчета может снизить давление в одной точке, но создать новый критический режим на другом участке.
Что учитывать в напорной сети из НПВХ
При расчете напорной сети НПВХ на гидроудар учитывают упругость материала, геометрию стенки, класс давления, температурный режим и тип соединения. Выбранная система должна выдерживать наибольшее расчетное внутреннее давление с учетом переходных процессов.
АО «ХЕМКОР» производит напорные трубопроводы (НПВХ) диаметром DN 90–500 мм с диапазоном рабочего давления 0,6–1,6 МПа. Трубы и фасонные изделия соединяются раструбным способом под уплотнительное кольцо из EPDM и применяются в системах водоснабжения, технологических трубопроводах и напорной канализации.
На поворотах, ответвлениях, заглушках, переходах и возле арматуры возникают неуравновешенные осевые усилия. Поэтому проект должен содержать решения по упорам, закреплению оборудования и передаче нагрузок на грунт или строительные конструкции.
Что нужно указать в проектной документации
Формулировки «предусмотреть защиту от гидроудара» недостаточно. В проекте следует зафиксировать:
- Перечень штатных и аварийных расчетных сценариев.
- Максимальное и минимальное допустимое давление.
- Характеристики и режимы насосных агрегатов.
- Типы и места установки арматуры.
- Закон и продолжительность закрытия регулирующих устройств.
- Параметры гидроаккумуляторов, резервуаров и клапанов.
- Уставки и алгоритмы автоматики.
- Решения по удалению и впуску воздуха.
- Требования к упорам и закреплению оборудования.
- Параметры, которые проверяют при пусконаладочных работах.
Исходные данные по трубам, фасонным изделиям, расчетным характеристикам и условиям монтажа необходимо сверять с технической документацией производителя. Для подготовки проекта можно использовать методические рекомендации АО «ХЕМКОР».
Защита напорной сети формируется совместной работой трубопровода, насосов, арматуры, защитных устройств и автоматики. Расчет переходных процессов на стадии проекта позволяет заранее выявить критические участки, сопоставить варианты защиты и закрепить в документации параметры, которые можно проконтролировать при монтаже и вводе объекта в эксплуатацию.
