Przepływ nieustalony w rurociągach pod ciśnieniem może powodować w określonych warunkach występowanie uderzeń hydraulicznych, które z kolei są przyczyną wielu poważnych awarii w sieciach wodociągowych, takich jak: zniszczenie rurociągu, uszkodzenie pompy czy zaworów zwrotnych. Dlatego też dokładne rozpoznanie zjawiska nieustalonego przepływu oraz odpowiednie zabezpieczenie się przed nim stanowi istotne zagadnienie, zarówno naukowe, jak i praktyczne.

Przepływ nieustalony charakteryzuje się tym, iż wielkości go opisujące zmieniają się zależnie od położenia i czasu. Uderzeniem hydraulicznym nazywamy natomiast gwałtowne zmiany ciśnienia spowodowane szybkimi zmianami prędkości medium w czasie. Specyficzne dla tego zjawiska jest występowanie zmiennych warunków przepływu (prędkości i ciśnienia) w czasie w charakterystycznych przekrojach rurociągu. Sytuacje takie tworzą się w wodociągu podczas gwałtownego zamykania przepływu cieczy przy użyciu różnego typu zaworów, w tym szczególnie elektrozaworów, tłokowych reduktorów ciśnienia lub pomp, podczas awaryjnego włączania/ wyłączania na ujęciach, stacjach podnoszących ciśnienie w sieci wodociągowej albo też podczas planowych lub awaryjnych zmian obciążenia elektrowni wodnych. Ważne jest zatem, by zabezpieczać instalacje i sieć w miejscach, gdzie wystąpienie uderzenia hydraulicznego może spowodować szkody i być niebezpieczne.

Uderzenie hydrauliczne to ważny problem, z jakim muszą się zmierzyć zarówno projektanci, jak i użytkownicy systemów przesyłowych, takich jak sieci wodociągowe, instalacje przemysłowe, rurociągi naftowe itd. Potwierdza to nałożenie na projektantów obowiązku sprawdzania zachowania projektowanych instalacji w warunkach szybkozmiennych przepływów nieustalonych.

Szczególnie znaczący wpływ na przebieg uderzenia hydraulicznego ma charakterystyka przewodu, w tym materiał, z jakiego został on wykonany. Należy więc przywiązywać dużą uwagę zarówno do doboru materiałów, jak i warunków przepływu w projektowanej instalacji.

Skutki uderzenia hydraulicznego

Najczęstszą przyczyną powstawania przyrostów ciśnienia w trakcie przepływu medium jest sytuacja gwałtownego zatrzymania się pompy spowodowana nagłym przerwaniem dostawy energii elektrycznej. W wyniku przerwy w zasilaniu następuje spadek prędkości obrotowej pompy związany ze znaczną różnicą między bezwładnością pompy a masą cieczy w przewodzie tłocznym. W wyniku zmniejszenia się natężenia przepływu i manometrycznej wysokości podnoszenia pompy powstaje fala obniżonego ciśnienia, która przemieszcza się wzdłuż przewodu tłocznego pompy, oraz fala podwyższonego ciśnienia na przewodzie ssącym. Przepływ w przewodzie tłocznym ustaje, co powoduje powstanie ruchu wstecznego cieczy i pompa pracuje w strefie rozproszenia energii. Dalszy przepływ wsteczny sprawia, że pompa gwałtownie zwalnia, a następnie pracuje w strefie turbiny. Prędkość ruchu wstecznego gwałtownie wzrasta, ale przepływ się obniża w wyniku efektu dławienia wywołanego obecnością cieczy w rurociągu ssawnym i jego ograniczoną pojemnością. Fala podwyższonego ciśnienia bardzo często uderza w znajdującą się na przewodzie ssawnym klapę zwrotną, powodując jej ,,dobicie” [1], co bywa przyczyną jej zniszczenia. Dodatkowo uderzenie hydrauliczne może mieć miejsce także w układzie pompowym, w którym dojdzie do gwałtownego zamknięcia zasuwy znajdującej się na rurociągu tłocznym tuż za pompą. To powoduje, że ciśnienie tuż za zasuwą obniża się do wartości ciśnienia wrzenia wody w danej temperaturze, co prowadzi do zjawiska kawitacji. Szczególnie dotyczy to układów, w których występuje niskie ciśnienie lub też następuje duży przyrost ciśnienia podczas uderzenia hydraulicznego. Miejscami najbardziej narażonymi na wystąpienie kawitacji są najwyższe pod względem usytuowania punkty rurociągu, w których następuje gwałtowne załamanie przewodu, np. kolanka. Usytuowanie oraz intensywność zjawiska parowania czy też rozerwania ciągłości strumienia cieczy są zależne m.in. od wielkości i trasy rurociągu, rozmieszczenia armatury, prędkości przepływu, wysokości ciśnienia, wielkości oporów hydraulicznych, własności fizycznych cieczy i ścianek rurociągu oraz sposobu eksploatacji.

1. Schemat stanowiska pomiarowego

Obliczenia przyrostu ciśnienia

Fala uderzenia hydraulicznego, jaka powstaje w wyniku zmian parametrów cieczy, przemieszcza się w przewodzie z prędkością c, której wartość zależy od materiału, z jakiego wykonany jest przewód, oraz od właściwości samej cieczy. Wyznaczenie jej teoretycznej wartości jest możliwe za pomocą następującego wzoru [2]:

c = (K/ρ)/[(K/E) · (d/d_e) · c₁]

gdzie:

K – moduł sprężystości wody; K = 2,19 · 10⁹ Pa;

E – moduł Younga; np. dla stali E = 206 · 10⁹ Pa, a dla polietylenu wysokiej gęstości E = 1,2 · 10⁹ Pa;

d – średnica przewodu;

d_e – grubość ścianki przewodu;

c₁ – współczynnik uwzględniający sposób zamocowania przewodu, wyznaczany na podstawie dostępnych w literaturze wzorów.

Okres tego zjawiska, czyli czas, w którym fala wychodząca od zasuwy powróci do niej w formie fali odbitej od zbiornika, wynosi [2]:

T = (2 · L)/c

Natomiast maksymalny przyrost ciśnienia Δp, zgodnie z wzorem Żukowskiego, zależy od prędkości fali ciśnienia c, gęstości cieczy ρ oraz zmiany prędkości Δv i wynosi [2]:

Δp= ± ρ · c · Δv

Widać zatem, że im prędkość wody jest większa, tym przyrost ciśnienia jest większy i stukanie hydraulicznego młotka jest silniejsze. Przykładowo, w przypadku przewodów stalowych, dla ρ = 1000 kg/m³, c = 1000 m/s oraz Δv = 5 m/s przyrost ciśnienia wynosi 5 MPa. Natomiast dla przewodów z tworzywa sztucznego prędkość rozchodzenia się fali ciśnienia wynosi np. c = 400 m/s, co daje przyrost ciśnienia równy 2 MPa. Dlatego też z uwagi na występowanie w instalacjach zjawiska uderzenia hydraulicznego, podczas projektowania przyjmuje się, iż maksymalna prędkość wody w rurociągu wynosi 2-3 m/s, czyli jeśli założyć gęstość wody oraz prędkość fali ciśnienia jak w przykładzie powyżej, uzyskuje się przyrost ciśnienia równy 2-3 MPa dla przewodów stalowych oraz 0,8-1,2 MPa dla przewodów z tworzyw sztucznych.

Należy pamiętać, iż wzór Żukowskiego wprowadzony został z założeniem, że ścianki przewodu są doskonale sztywne, a czas zamykania zaworu jest równy zero. Oba z tych założeń są oczywiście niemożliwe do spełnienia w rzeczywistości, a więc obliczenia przyrostu ciśnienia na podstawie tego wzoru mogą stanowić jedynie wartości szacunkowe dla określenia rzędu wielkości.

2. Wybrane elementy układu: a) zbiornik hydroforowy typu ZH-500-PN10 o ciśnieniu roboczym 10 bar; b) zawór elektromagnetyczny służący do wywoływania warunków nieustalonych w przewodzie z PE-HD; c) jeden z zamontowanych na stanowisku zawór kulowy służący do regulacji natężenia przepływu przed przepływomierzem elektromagnetycznym; d) przepływomierz elektromagnetyczny MPP600 do pomiaru natężenia przepływu

Badania laboratoryjne

W celu rejestracji maksymalnego przyrostu ciśnienia, prędkości rozchodzenia się zaburzenia oraz okresu fali ciśnienia podczas przejścia nieustalonego przepływu w przewodzie pod ciśnieniem wywołanego gwałtownym zamknięciem zaworu, przeprowadzone zostały badania laboratoryjne na stanowisku pomiarowym istniejącym w Laboratorium Hydraulicznym Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej (rys. 1). Badania doświadczalne przepływów nieustalonych zostały wykonane dla:

• pojedynczego przewodu z polietylenu wysokiej gęstości o średnicy nominalnej d = 20 mm i o grubości ścianek d_e = 2 mm;
• pojedynczego przewodu ze stali ocynkowanej o średnicy zewnętrznej d = 21,3 mm i o grubości ścianek d_e = 2,6 mm.

Oba z badanych przewodów miały po 52,32 m.

Stanowisko badawcze (rys. 1). Zasilanie stanowiska w wodę odbywało się z instalacji wodociągowej (rys. 1, ozn. 7), a na odcinku doprowadzającym wodę znajdował się wodomierz skrzydełkowy (8) wykorzystywany do pomiarów natężenia przepływu z użyciem stopera oraz zawór kulowy (9) odcinający dopływ wody do stanowiska. Następnie woda wpływała do zamkniętego zbiornika hydroforowego (2), którego zadaniem było utrzymanie stałego ciśnienia w przewodzie. Kolejnym elementem instalacji był odcinek rurociągu prostego z odpowiedniego materiału (1) o długości L, dla którego wykonywane były pomiary i w którym w warunkach ustalonych woda płynęła z prędkością v₀. Na przewodzie tym umieszczono dwa tensometryczne czujniki ciśnienia absolutnego firmy ZEPWN J. Czerwiński i wspólnicy (4) o maksymalnym zakresie ciśnienia 2,5 MPa (rys. 3). Do podłączenia czujników w wybranych punktach pomiarowych wykorzystane zostały obejmy naprawcze firmy Gebo Technika International Sp. z o.o. z gwintem do podłączenia czujnika (rys. 3). W przewodzie, w miejscu zamontowania czujników, zrobione zostały otwory o średnicy 2-3 mm. Takie rozwiązanie sprawiło, że podczas przepływu w miejscu zamontowania czujników nie występowały straty energii mechanicznej. Pierwszy czujnik umieszczono na początku przewodu, drugi zaś na jego końcu, tuż przed zaworem elektromagnetycznym lub kulowym (3) w zależności od wariantu. Sygnał z czujników doprowadzany był za pomocą specjalnych kabli elektronowych do mostka tensometrycznego (5), gdzie następowało jego wzmocnienie i przekazanie do komputera z kartą AD/DA (6), pełniącego rolę rejestratora sygnału.

Następny element instalacji to zawór elektromagnetyczny lub kulowy (3), którego zamknięcie powodowało powstanie warunków nieustalonych. Na odpływie znalazł się także tłumik uderzenia wodnego (10), mający na celu zabezpieczenie przed negatywnymi skutkami uderzenia hydraulicznego mogącego uszkodzić elektromagnetyczny przepływomierz (12), za pomocą którego wykonywane były pomiary natężenia przepływu. Za tłumikiem umieszczono degazator (11), usuwający gromadzące się w przewodzie wodociągowym pęcherzyki powietrza, które są niekorzystne z punktu widzenia zjawiska kawitacji, a ponadto mogą zaburzać wyniki pomiarów. Na końcu instalacji, pomiędzy dwoma zaworami kulowymi (9), pozwalającymi na regulację natężenia przepływu, znalazły się elektromagne- tyczny przepływomierz (12) oraz jeszcze jeden wodomierz skrzydełkowy (8) do kontrolnego pomiaru natężenia, który pozwalał na sprawdzanie prawidłowości pomiarów przepływomierza. Zasyfonowanie wykonano z odpowiednio ukształtowanego fragmentu przewodu, a wodę odprowadzano do wpustu podłogowego usytuowanego w posadce (13).

3. Czujnik ciśnienia absolutnego CL 1A firmy ZEPWN J. Czerwiński i wspólnicy zamontowany na przewodzie stalowym przy użyciu obejmy naprawczej firmy Gebo Technika International Sp. z o.o. z gwintem do podłączenia czujnika

Wyniki pomiarów. W wyniku pomiarów określone zostały parametry fali ciśnienia w dwóch omawianych przewodach. Pomiary zostały wykonane przy prędkości wody w warunkach ustalonych v₀ = 0,4 m/s, ciśnieniu absolutnym w zbiorniku p = 0,5 MPa i temperaturze wody T = 12°C. Na ich podstawie dla przewodu PE-HD określono następujące parametry:

• okres fali uderzenia hydraulicznego T_PE-HD = 0,455 s;
• maksymalny przyrost ciśnienia Δp_PE-HD = 0,092 MPa;
• prędkość fali ciśnienia cPE-HD = 230 m/s.

Jeśli chodzi o przewód z stali ocynkowanej, to parametry wyniosły:

• okres fali uderzenia hydraulicznego T_stal = 0,101 s;
• maksymalny przyrost ciśnienia Δp_stal = 0,512 MPa;
• prędkość fali ciśnienia c_stal = 1040 m/s.

Porównując otrzymane wartości parametrów z wynikami obliczeń, można zauważyć, że wartości wyznaczone teoretycznie są znacznie większe niż wartości rzeczywiste z pomiarów. I tak np. prędkość fali ciśnienia dla przewodu stalowego określona teoretycznie wynosi 1415 m/s, a dla polietylenu wysokiej gęstości 324 m/s, maksymalny przyrost ciśnienia przy takiej prędkości fali ciśnienia wynosi odpowiednio 0,566 MPa oraz 0,130 MPa.

Przeciwdziałanie skutkom uderzeń

Przeciwdziałanie skutkom uderzeń hydraulicznych polega przede wszystkim na ograniczeniu przyrostów ciśnienia, co można osiągnąć m.in. przez powolne otwieranie i zamykanie zaworów, stosowanie kurków kulowych z przekładnią, zaworów z siłownikiem, odpowiedni dobór materiału przewodów itd. Podczas projektowania instalacji projektant jest w stanie określić miejsca potencjalnie zagrożone wystąpieniem przepływu nieustalonego, dzięki czemu może uwzględnić użycie dostępnych na rynku zabezpieczeń mających na celu ograniczenie skutków tego zjawiska, np. upustowych zaworów bezpieczeństwa, nietłokowych reduktorów ciśnienia, regulatorów ciśnienia, wszelkiego rodzaju zaworów/zasuw z długim czasem zamykania/ otwierania, różnego typu zbiorników wodnopowietrznych [1]. Oczywiście, nie można się w 100% zabezpieczyć przed skutkami uderzeń hydraulicznych, bo nie wszystkie sytuacje losowe da się przewidzieć, jak np. pęknięcie rurociągu spowodowane mechanicznie. Warto też pamiętać, że każde z dostępnych na rynku urządzeń zabezpieczających ma zarówno swoje wady, jak i zalety [1]. Ostateczną decyzję o doborze danego rozwiązania powinno się więc poprzedzić dobrym rozpoznaniem zjawiska przepływu, zarówno w konkretnym miejscu instalacji, jak i w całej instalacji. Często istotnym czynnikiem, jakim kierują się projektanci podczas dobru urządzeń zabezpieczających jest aspekt ekonomiczny, dlatego nie należy zapominać o najprostszych możliwych rozwiązaniach będących dobrą alternatywą dla różnych urządzeń. Przykładem takiego rozwiązania może być np. zmiana materiału rur, zwiększenie grubości ich ścianek, zmiana trasy przewodów itd.

Literatura:

[1] Niełacny Marian, „Uderzenie hydrauliczne w przewodach wodociągowych”, Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2003

[2] Wichowski Roman, „Wybrane zagadnienia przepływu w sieci wodociągowej pierścieniowej”, Gdańsk, Wydawnictwo PG, 2002

Autor: Natalia Krysrtyna Gietka