Гидростатический удар

Гидравли́ческий уда́р (гидроудар) — скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный быстрым изменением скорости потока этой жидкости. Может возникать вследствие резкого закрытия или открытия задвижки. В первом случае гидроудар называют положительным, во втором — отрицательным. Особо опасен положительный гидроудар. При положительном гидроударе несжимаемую жидкость следует рассматривать как сжимаемую. Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждению других элементов трубопровода. Также гидроудары чрезвычайно опасны и для другого оборудования, такого как теплообменники, насосы и сосуды, работающие под давлением.

Пример экспериментальной зависимости давления от времени при гидравлическом ударе после резкого закрытия задвижки в трубопроводе. Видно понижение давления ниже атмосферного во время фазы разрежения.

Явление гидравлического удара количественно описал в 1897—1899 г. Н. Е. Жуковский. Увеличение давления при гидравлическом ударе определяется в соответствии с его теорией по формуле:

где   — увеличение давления в Н/м²,

— плотность жидкости в кг/м³,
  и   — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (запорного клапана) в м/с,
с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода.

Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны c находится в прямо пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформации стенок трубопровода, определяемой модулем упругости материала E, из которого он выполнен, а также от диаметра трубопровода.

Следовательно, гидравлический удар не может возникнуть в трубопроводе, содержащем газ, так как газ легко сжимаем.

Зависимость между скоростью ударной волны c, её длиной и временем распространения (L и   соответственно) выражается следующей формулой:

Виды гидравлических ударов

В зависимости от времени распространения ударной волны   и времени перекрытия задвижки (или другой запорной арматуры) t, в результате которого возник гидроудар, можно выделить 2 вида ударов:

При полном гидроударе фронт возникшей ударной волны движется в направлении, обратном первоначальному направлению движения жидкости в трубопроводе. Его дальнейшее направление движения зависит от элементов трубопровода, расположенных до закрытой задвижки. Возможно и повторное неоднократное прохождения фронта волны в прямом и обратном направлениях.

При неполном гидроударе фронт ударной волны не только меняет направление своего движения на противоположное, но и частично проходит далее сквозь не до конца закрытую задвижку.

Расчет гидравлического удара

Прямой гидравлический удар бывает тогда когда время закрытия задвижки t3 меньше фазы удара T, определяемой по формуле:

Здесь   — длина трубопровода от места удара до сечения, в котором поддерживается постоянное давление,   — скорость распространения ударной волны в трубопроводе, определяется по формуле Н. Е. Жуковского, м/с:

где   — модуль объемной упругости жидкости,   — плотность жидкости,   — скорость распространения звука в жидкости,   — модуль упругости материала стенок трубы,   — диаметр трубы,   — толщина стенок трубы.

Для воды отношение   зависит от материала труб и может быть принято; для стальных — 0.01; чугунных — 0.02; ж/б — 0.1—0.14; асбестоцементных — 0.11; полиэтиленовых — 1—1.45

Коэффициент   для тонкостенных трубопроводов применяется (стальные, чугунные, а/ц, полиэтиленовые) равным 1. Для ж/б

коэффициент армирования кольцевой арматурой (  — площадь сечения кольцевой арматуры на 1 м длины стенки трубы). Обычно a=0.015—0.05.

Повышение давления при прямом гидравлическом ударе определяется по формуле:

где   — скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки.

Результат действия удара выражают также величиной повышения напора H, которая равна:

при прямом ударе

Способы предотвращения возникновения гидравлических ударов

Наиболее простым примером возникновения гидравлического удара является пример трубопровода с постоянным напором и установившимся движением жидкости, в котором была резко перекрыта задвижка или закрыт клапан.

В скважинных системах водоснабжения гидроудар, как правило, возникает, когда ближайший к насосу обратный клапан расположен выше статического уровня воды более чем на 9 метров или имеет утечку, в то время как расположенный выше следующий обратный клапан держит давление.

В обоих случаях в стояке возникает частичное разрежение. При следующем пуске насоса вода, протекающая с очень большой скоростью, заполняет вакуум и соударяется в трубопроводе с закрытым обратным клапаном и столбом жидкости над ним, вызывая скачок давления и гидравлический удар. Такой гидравлический удар способен вызвать образование трещин в трубах, разрушить трубные соединения и повредить насос и/или электродвигатель.

Гидроудар может возникать в системах объёмного гидропривода, в которых используется золотниковый гидрораспределитель. В момент перекрытия золотником одного из каналов, по которым нагнетается жидкость, этот канал на короткое время оказывается перекрытым, что влечёт за собой возникновение явлений, описанных выше.

Гидростатический шок

Гидростатический шок или гидравлический шок — термин, который описывает наблюдение, что проникающий снаряд может оказать удаленное поражение и выведение из строя влияний в живущих целях через гидравлический эффект в их заполненных жидкостью тканях, в дополнение к местным эффектам в ткани, вызванной прямым воздействием. Когда сила, примененная насосом в гидросхеме, передана к в другое место в схеме из-за близости incompressibility жидкости, таким образом, кинетическая энергия пули может иногда посылать ударную волну через тело, передавая шок (в механическом смысле) к тканям, физиологическая функция которых может быть разрушена им (особенно в сердечно-сосудистых или нервных системах). (Другие виды шока, а именно, циркулирующего и психологического, могут следовать, но механический шок — непосредственный разрушитель.) Есть научное доказательство, что гидростатический шок может произвести удаленное нервное повреждение и произвести выведение из строя более быстро, чем эффекты потери крови. В аргументах о различиях в тормозной способности между калибрами и между моделями патрона, сторонники патронов, которые являются «светом и быстро» (таким как 9×19-миллиметровый Parabellum) против патронов, которые являются «медленными и тяжелыми» (такие как.45 ACP) часто, обращаются к этому явлению.

Человеческие результаты вскрытия продемонстрировали мозговое кровотечение от фатальных хитов до груди, включая случаи с пулями пистолета. Тридцать три случая смертельных ранений в грудь проникновения единственной пулей были отобраны из намного большего набора исключением всех других травмирующих факторов, включая прошлое.

Часто утверждалось, что гидростатический шок и другие описания отдаленных эффектов поражения — только мифы. Корреспонденция в журнале, Нейрохирургии, рассматривает изданные доказательства и приходит к заключению, что явление известно.

Происхождение теории

В научной литературе первое обсуждение волн давления, созданных, когда пуля поражает живущую цель, представлено Э. Харви Ньютоном и его исследовательской группой в Принстонском университете в 1947:

Гидравлический удар – это явление, представляющее собой кратковременное, но резкое и сильное изменение (повышение или понижение) давления в трубопроводе при внезапном изменении скорости движения (торможение или ускорение) потока рабочей среды (жидкости), транспортируемой по трубопроводной системе.
Дословное описание гидравлического удара в Политехническом словаре 1957 года звучит так: «Гидравлический удар – сложный комплекс явлений, происходящих в жидкостях при резком изменении её скорости. Возникает в движущейся жидкости при быстром перекрытии трубопровода каким-либо запорным устройством, при резкой остановке насоса. Существенной частью гидроудара является волновой характер изменения давления и скорости в трубопроводе».
Последствия после гидроудара довольно внушительны – это разрушение трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры, насосного оборудования и других элементов трубопроводной системы. Также гидроудар может привести к загрязнению окружающей среды.

Последствия от возникновения гидроудара, могут привести к значительному ущербу. Поэтому необходимо принимать все меры для предотвращения резкого изменения давления в трубопроводах.

Гидравлический удар подразделяется на два типа, в зависимости от того, повышается или понижается давление в трубопроводе:

Причины возникновения гидроудара

Гидроудары возникают в основном из-за следующих причин:

В основном гидравлический удар в трубопроводе возникает, когда трубопроводная арматура резко закрывается. При постоянном потоке воды в трубопроводе и давление постоянно. Но, как только происходит резкое перекрытие потока рабочей среды, давление на стенки трубопровода увеличивается в несколько раз. В итоге могут лопнуть трубы или повредиться прокладки в местах присоединения труб и трубопроводной арматуры.

При резком открывании арматуры рабочая среда с большим ускорением устремляется в область с более низким давлением, которая находится за открытой арматурой. В данной ситуации опасности подвергаются места, находящиеся после запорного оборудования.

Способы защиты от гидроудара

Чтобы свести к минимуму вероятность возникновения гидроудара необходимо соблюдать правила монтажа водопроводных и отопительных коммуникаций. Но, только этого недостаточно. Для более полной уверенности необходим комплексный подход, соблюдение правил безопасности и технических инструкций.

Проще говоря, чтобы защитить трубопроводные системы от гидроудара необходимо:

При плавном закрывании крана давление в трубопроводе будет постепенно выравниваться. Ударная волна, возникающая при этом процессе будет иметь незначительную силу, и следовательно, мощность гидравлического удара будет минимальной. Плавное открывание и закрывание запорной арматуры необходимо выполнять не только на промышленных объектах, но когда запускается водоснабжение и отопление в частном доме.

Такое устройство представляет из себя отрезок трубы из эластичного пластика либо каучука, которым заменяется часть жёсткой трубы. Монтируется оно перед термостатом по направлению движения рабочей жидкости. В случае возникновения гидравлического удара происходит растяжение стенок эластичного отрезка трубы, и сила гидроудара значительно гасится.

Гидравлический аккумулятор применяется для поддержания стабильного давления жидкости в трубопроводной системе. Такие устройства выполнены в виде металлического герметичного бака с расположенными внутри эластичной мембраной и воздушным клапаном. В момент возникновения гидроудара, эластичная мембрана перемещается — это позволяет вместить излишек жидкости. Когда давление нормализуется, уменьшается, то мембрана возвращается в исходное положение под воздействием воздуха, расположенного с обратной стороны.

Специальные регуляторы, частотные преобразователи и прочие подобные приборы позволяют плавно регулировать снижение или увеличение скорости вращения насосных валов, которые влияют на скорость движения рабочей среды.  Это позволяет уменьшить силу воздействия и снизить риск появления гидроударов. Чтобы обеспечить плавный пуск и остановку насосов в современных системах применяются специальные клапаны, работающие под управлением электричества.

Также запорная арматура может закрываться автоматически, поэтому применяются автоматические устройства плавного открытия и закрытия арматуры. Конечно вся эта электроника позволяет исключить человеческий фактор, но ставит всю систему в зависимость от электричества. Такие системы необходимо оборудовать резервным источником электроэнергии.

Байпас — это дополнительный участок трубопровода, который монтируется в качестве обходного канала и служит для регулирования пропускной способности трубопроводной системы.

Защитный клапан реагирует на скачки давления и предохраняет систему от гидроударов. Принцип работы таких устройств достаточно прост. Как только давление рабочей среды в местах установки клапанов превышает допустимое, то клапан сразу открывается и происходит сброс давления. Как только давление уменьшается и приходит в норму – клапан закрывается.

Также эти клапаны надо устанавливать рядом с насосом. Предохранительный клапан защищает насосное оборудование в случае непредвиденной остановки в момент отключения электричества.

Данные устройства необходимы для успешной борьбы с воздушными пробками, которые являются одной из причин возникновения гидравлических ударов. Воздушные клапаны отводят газы из трубопроводной системы, образовавшиеся в процессе работы.

Скорость движения рабочей среды в трубопроводе большего диаметра меньше, чем в трубах с маленьким диаметром. Следовательно, уменьшается возможность возникновения гидроудара. Однако, этот способ гораздо затратнее, так как стоимость труб большего диаметра гораздо выше.

Чтобы избежать последствий, возникающих после гидроударов, необходимо выполнять все рекомендации специалистов. Тем самым защитить всю трубопроводную систему от возникновения гидравлических ударов. Это позволит обеспечить бесперебойную и эффективную работу системы на протяжении длительного времени.

Гидравлический удар (гидроудар) — это резкое изменение давления, в замкнутой системе наполненной жидкостью, возникшее в следствии изменения скорости потока этой жидкости. Чаще всего возникает при открытии или перекрытии крана или задвижки.

Существует два вида гидравлических ударов (гидроудар):

Пример гидроудара на основе графика роста давления при закрытии задвижки.

График гидравлического удара

На графике четко видно резкое повышение давления, это и является гидроударом. Чтобы его избежать нужно постепенно перекрывать задвижку для того что бы предотвратить резкое повышение давления.

Когда пользуетесь краном дома перекрывайте его медленно чтобы избежать гидравлического удара.

Формула Н. Жуковского

Что такое гидроудар в формульном виде описал Н.Е. Жуковский. Формула выглядит следующим образом:

Формула гидроудара Н.Е. Жуковского

Формула вычисления скорости ударной волны

Формула скорости ударной волны

Вспомогательная таблица расчета для популярных материалов из которых изготавливают трубы.

Защита от гидравлического ударов

Для защиты от гидравлических ударов в основном используются:

Схема воздушного бака

При гидравлическом ударе мембрана бака берет вес удар на себя она. Она отвечает за компенсацию и стабилизацию давления в системе. Ниже представлены такие баки на предприятии.

Последствия гидравлических ударов

Последствия гидравлических ударов

Не стоит недооценивать последствия гидравлического удара, трубы может разорвать, насосы в системе могут выйти из строя. И вся жидкость из системы вырвется наружу.