ضربه قوچ چیست؟ تئوری و روشهای مهار آن:

ضربه قوچ چیست؟، احتمالاً تا به حال اصطلاح ضربه قوچ به گوشتان خورده ولی دقیقاً نمی‌دانید که به چه فرآیندی Water Hammer یا ضربه قوچ گفته می‌شود. ضربه قوچ از ترجمه واژه فرانسوی Coup De Belier گرفته شده و مترادف اصطلاح انگلیسی Water Hammer می‌باشد. البته اصطلاحات دیگری مانند ضربه آبی، چکش آبی، سرج و آب کوبه نیز استفاده شده که ضربه آبی و آب کوبه، مناسب‌ترین و فارسی‌ترین آنها هستند. گاهی نیز به اشتباه از کلمه سرچ هم استفاده می‌شود.

ضربه قوچ در اثر یک تغییر (قطع، کاهش یا افزایش ناگهانی و سریع) در سرعت جریان سیال در یک مجرای بسته (شبکه) به وجود می‌آید. به عبارت دیگر در حین پدیده ضربه آبی انرژی سینتیک (Kinetic Energy) به انرژی الاستیسیته (Elasticity Energy) تبدیل می‌گردد.

این پدیده در خطوط لوله جریان تحت فشار (ثقلی و پمپاژ) اتفاق می‌افتد و به وضوح بر قوانین فشار، تغییرات دبی یا تغییرات سرعت جریان و شرایط زمانی و مکانی حرکت سیال استوار است. در بعضی سیستم‌های هیدرولیکی تحت فشار، نظیر خطوط انتقال آب، نفت و یا شبکه‌های توزیع و لوله‌های انتقال آب، تونل‌های آبی، سیستم‌های پمپاژ و جریان‌های ثقلی، پدیده ضربه قوچ با ایجاد موج‌های سریع، زود گذر و میرا موجب خطرات گوناگونی می‌شود. گاهی اوقات قدرت تخریبی این موج‌ها به حدی است که نتایج وخیمی به بار می‌آورد. ترکیدن خطوط لوله در سیستم‌های انتقال و شبکه‌های توزیع، مچاله شدن و خوردگی داخلی لوله‌ها، خرابی و شکستگی شیرها، دریچه‌های کنترل و پمپ‌ها از نمونه‌های بارز خسارات ناشی این پدیده می‌باشد.

با وجود اینکه خطوط انتقال ثقلی و پمپاژ برای حالت جریان دائمی، ماندگار و پایدار (Steady State) طراحی و محاسبه می‌شوند ولی همواره دست‌یابی به این نوع جریان اتفاق نمی‌افتد. تغییرات ناگهانی در سیستم خط انتقال که بر روی جریان سیال اتفاق می‌افتد سبب ایجاد جریان‌های غیردائم و ناپایدار (Transient) خواهد شد. به دلیل اینکه این جریان‌های ناپایدار گاهی سبب بروز خسارت‌هایی بر روی سیستم می‌گردند، شناسایی این جریان‌ها و آثار مخرب آنها بر روی سیستم انتقال و پیش‌بینی تمهیدات مناسب جهت پیشگیری، ضرورتی اجتناب ناپذیر است.

تغییرات فشاری که در یک سیستم آبرسانی به وجود می‌آید (شامل فشارهای مثبت و فشارهای منفی) از تغییر سرعت جریان حاصل می‌شود که این تغییر سرعت ناشی از نحوه باز و بسته کردن شیر قطع و وصل، از کار افتادن یا روشن کردن پمپ، شکستگی خط لوله، جدایی ستون آب و غیره است. چون تغییرات فشار به تغییرات سرعت بستگی دارد برای جلوگیری از فشارهای نامطلوب ضربه قوچ، باید از تغییرات ناگهانی سرعت ممانعت به عمل آورد. بنابراین اغلب روش‌ها و تجهیزات کنترل کننده ضربه قوچ، در واقع کنترل کننده تغییرات ناگهانی سرعت هستند.

1- محاسبات ضربه قوچ:

ضربه آبی و محاسبات ضربه قوچ در خطوط لوله را شايد بتوان پيچيده‌ترين و در عين‌حال جذاب‌ترين پديده در نظر افرادي كه با سيستم‌هاي پمپاژ و انتقال سرو كار دارند به حساب آورد.

اين پديده از تغيير ناگهاني سرعت جريان در خط لوله بوجود مي‌آيد و از آنجا كه در مدت زمان بسيار كوتاهي اتفاق مي‌افتد به آن جريان ناماندگار (Transient) می‌گويند. اگر در جريان ماندگار در برآورد پارامترهاي مختلف از قبيل افت هد اصطكاكی لوله، افت هد فرعی متعلقات لوله و غيره اشتباهي رخ دهد، ممكن است سيستم نتواند آب مورد نياز را با فشار مطلوب تامين كند. ليكن در حالت جريان ناماندگار معمولا مشكلات جدی در خطوط انتقال به‌ وجود می‌آيد.

زيرا اين نوع جريان می‌تواند باعث ايجاد فشار‌هاي اضافی، صداهای بلند و گاهی ترسناک، خلاءزايی و ارتعاشات در سيستم آبرسانی شود. ميزان تخريب ناشی از جريان ناماندگار بر سيستم آبرسانی به عوامل متعددی از قبيل تجهيزات به كار رفته در سيستم، خواص فيزيكی لوله‌ها و سيال و وجود هوا بستگی دارد.

خسارت در اثر ضربه قوچ

2- تئوری ضربه قوچ:

همانطور كه ذكر شد پديده ضربه قوچ در اثر تغيير ناگهانی سرعت جريان در خطوط لوله به‌وجود می‌آيد که از شايعترين دلايل تغيير ناگهانی سرعت، باز و بسته شدن شير قطع و وصل و روشن و خاموش شدن پمپ است. هنگامي كه پمپی خاموش می‌شود يك موج فشار منفي (Down surge) از طرف پمپ به طرف انتهاي خط لوله با سرعت V حركت می‌كند.

اين موج فشاری در واقع فشار تك تك نقاط لوله را به اندازه ΔH كاهش می‌دهد و از انتهای مسير با فشار اوليه سيستم منعكس می‌شود تا به شير يكطرفه پمپ برسد و پس از برخورد با شير يكطرفه به صورت موج فشار مثبت (Up surge) منعكس می‌شود و در حين حركت فشار تك تک نقاط لوله را به اندازه ΔH زياد می‌كند و پس از رسيدن به انتهاي مسير با فشار اوليه سيستم برمی‌گردد.

بنابراين در يك سيكل كه به اندازه T طول می‌كشد فشار در تمامي نقاط لوله دستخوش افزايش و كاهش شديد می‌شود كه معمولاً موجب تركيدن یا مچاله شدن لوله‌ها و وارد آمدن خسارات جدی به سيستم آبرسانی می‌گردد. براي بررسی پديده ضربه قوچ نياز است تا از ميران افزايش و كاهش فشار (ΔH)، دوره تناوب سيكل ضربه قوچ و سرعت انتشار امواج فشار (a) آگاهي يابيم .

در سال 1900 ميلادي دانشمند روسي به نام ژكوفسكی فرمولی براي محاسبه حداكثر تغييرات فشار ناشی از تغييرات سرعت ارايه كرد كه به فرمول سنت پترزبورگ نيز مشهور است. طبق اين فرمول حداكثر تغيير فشار ناشی از ضربه قوچ عبارت است از :

 ΔH=(α.ΔV)/g

α: سرعت انتشار موج فشاری (m/s)           ΔV : مقدار تغییر سرعت (m/s)           g : شتاب گرانشی (m/s²)

بسته به نوع لوله مورد استفاده، سرعت انتشار موج بين 800 تا 1200 متر بر ثانيه متفاوت است ولی در لوله‌های پلاستيكی اين سرعت بسيار كمتر بوده و در حدود 300 الی 500 متربرثانیه متغير است. براي محاسبه سرعت انتشار موج فشاری پس از حل دو معادله كه بر اساس تراكم پذيری سيال و تغيير حجم لوله تعريف شده‌اند، رابطه زير به دست آمده است. اين رابطه با فرض وجود قيد سرتاسری روی لوله (تئوری الاستیسیته و مهار بودن لوله در ابتدا یا انتها) استنتاج شده است.

فرمول محاسبه سرعت موج در لوله:

α : سرعت انتشار موج فشاری (m/s)          D : قطر لوله (mm)          K : مدول بالك سيال (N/m²)
μ : ضريب پواسون لوله              E : مدول الاستيسيته لوله  (N/m²)           e : ضخامت لوله (mm)

بنابراين چنانچه موج فشاري با سرعت a از پمپ شروع به حركت نمايد در مدت زمان T=4L/a يك سيكل كامل را طي خواهد نمود كه در آن (L) طول لوله برحسب متر می‌باشد. پس از اتمام سيكل لوله، اين پديده همچنان ادامه می‌يابد تا بر اثر اصطكاك و آزاد شدن انرژی به صورت گرما، ضربه قوچ مستهلك گردد.

3- روشهای مهار ضربه قوچ:

چون تغييرات فشار به تغييرات سرعت بستگی دارد براي جلوگيری از فشارهای نامطلوب ضربه آبی، بايد از تغييرات ناگهانی سرعت ممانعت به عمل آورد. بنابراين اغلب روشها و تجهيزات كنترل كننده ضربه قوچ (Anti Surge System)، در واقع كنترل كننده تغييرات ناگهانی سرعت هستند.

یکی از مهمترین علل ایجاد ضربه قوچ و بروز فشارهای بالا و پایین در جریانهای تحت فشار، از کار افتادن پمپ به علت قطع ناگهانی جریان برق می‌باشد. در این حالت مقدار جریان و سرعت سیال داخل خط لوله کاهش می‌یابد (ناگهان صفر می‌شود) ولی به علت مومنتم ستون مایع، حرکت سیال به جلو ادامه یافته و باعث ایجاد کاهش فشار در پشت سر خود می‌گردد.

این فشار ممکن است به قدری کاهش یابد که به فشار بخار سیال (Vapor Pressure) رسیده و باعث ایجاد کاویتاسیون (Cavitation) و جدایی ستون آب گردد که موجب خوردگی تدریجی جدار داخلی لوله و یا مچاله شدن لوله خواهد شد.

سرعت جریان پس از مدتی به علت اصطکاک و فشار استاتیک سیستم کاهش یافته و به صفر می‌رسد. پس از این لحظه جهت حرکت معکوس و جریان مایع به طرف پمپ شروع می‌شود، در این لحظه معمولاً شیر یکطرفه مسیر خط رانش پمپ بسته می‌شود و فشار در محل ایجاد کاویتاسیون افزایش یافته و باعث تقطیر بخارات سیال می‌گردد.

در این وضعیت دو ستون مایع جدا شده به شدت با یکدیگر برخورد می‌نمایند. این برخورد دو ستون مایع باعث ایجاد فشارهای بسیار زیاد شده و گاهی خسارات جدی به تجهیزات ایستگاه پمپاژ و خط لوله وارد می‌کند.

4- مهار ضربه قوچ بعد باز و بسته شدن شيرها:

1-4- كنترل بستن شير:

زمان‌بندی بستن شير اثر مهمی در مقدار فشار حداكثر دارد. به طوری كه مراحل نهايی بستن شير (2% الي 5% بازشدگی) در شيرهای دروازه‌ای، اثر تعيين كننده‌ای در مقدار فشار ضربه قوچ دارد. بهترين روش براي بررسی تأثير زمان بندی بستن شير بر مقدار فشار ضربه قوچ، به دست آوردن ويژگي‌های افت هد شير و تحليل مساله با استفاده از نرم‌افزارهای محاسبات ضربه قوچ است.

2-4- شیرهای خلاءشکن (Vacuum breaker valve):

این شیرها معمولاً در بالادست تجهیزاتی نصب می­‌شوند که باعث ایجاد افت فشار بالا شده و در انواع مختلف شامل انواع فنردار ارزان قیمت تا سیستم­های پیچیده و گران قیمت هستند. عملکرد این شیرها به‌ گونه­‌ای است که در هنگام افت فشار از حد معینی، باز شده و راه ورود هوا و افزایش فشار برای جریان ایجاد می‌کند.

5- مهار ضربه قوچ از كار افتادن پمپ‌ها:

1-5- مخزن ضربه گير اتمسفریک (Surge tank):

اين مخازن براي جلوگيری از فشارهای نامطلوب مثبت و منفی به كار می‌روند. هنگامی كه فشار بالا می‌رود مخزن ضربه‌ گير اتمسفریک به صورت مخزن ذخيره عمل كرده و آب از خط لوله به داخل مخزن جريان می‌يابد. در هنگام كم شدن فشار، مخزن ضربه‌ گير اتمسفریک به صورت مخزن تغذيه عمل كرده و آب از مخزن به خط لوله جريان می‌يابد.

مخازن ضربه‌گير اتمسفریک به دو دسته تقسيم می‌شوند:

1. مخزن ضربه‌ گير يكطرفه (One way surge tank)
2. مخزن ضربه‌گير دوطرفه (Two way surge tank)

مخازن ضربه گير اتمسفریک دوطرفه براي كنترل فشارهای مثبت و منفی و مخازن ضربه‌ گير اتمسفریک يكطرفه برای كنترل فشارهای منفی به كار می‌روند.

2-5- مخزن ضربه گیر تحت فشار (Air chamber, Surge vessel):

در مخزن ضربه گیر تحت فشار (تانک ضربه گیر) که به صورت مخزن سربسته تحت فشار است، هوای فشرده در بالا و آب در پايين قرار دارد. بعد از اينكه پمپ از كار افتاد و فشار در خط لوله كم شد، هوای فشرده در مخزن باعث می‌شود تا آب از مخزن هوا به خط لوله جريان يابد. در نتيجه هوای درون مخزن انبساط يافته و فشار آن كاهش خواهد يافت. ميزان كاهش فشار هوای درون مخزن به مقدار حجم اوليه هوا، فرآيند ايزوترم هوا و ميزان تخليه آب آن بستگی دارد.

با تخليه آب از درون مخزن به خط لوله، كاهش سرعت آب در لوله به تدريج صورت گرفته و از فشارهای كم جلوگيری به عمل می‌آيد كه در نتيجه، پديده جدايي ستون آب رخ نخواهد داد. همچنين در حالتی كه فشار خط لوله بالا می‌رود، فشار خط لوله كاسته می‌شود.

مخزن هوا یا تانک ضربه گیر تحت فشار مطمئن‌ترين وسيله جهت كنترل ضربه قوچ برای هر دو حالت افزايش و كاهش فشار در خط لوله است. نياز اين وسيله به تجهيزات تأمين هوای فشرده و نيز هزينه نگهداری از مسایل آنها هستند.

3-5- چرخ لنگر (Flywheel):

چون پديده جدايي ستون آب در خطوط لوله معمولاً نتيجه مستقيم اينرسي دورانی كم سيستم پمپاژ است، افزودن اينرسي راه ديگري براي جلوگيري از بروز ضربه قوچ و تشكيل بخار است. به اين منظور در خطوطی كه داراي پمپهای خشك هستند جهت افزايش ممان اينرسی پمپ، يك چرخ لنگر بين پمپ و موتور می‌توان نصب کرد.

مكانيزم عملكرد چرخ لنگر چنين است كه بعد از قطع جريان برق، از كاهش سريع دور موتور جلوگيری می‌كند و در نتيجه فشار منفی كمتري در اثر ضربه آبي ايجاد می‌نمايد و چون فشار منفی كمتري ايجاد می‌شود، به همان نسبت، افزايش فشار كمتر خواهد شد.

چرخ لنگر هزينه بسيار كمتری نسبت به ساير تجهيزات داشته و تقريباً هيچگونه مشكل نگهداری ندارد و برای خطوط لوله‌ای كه طول كمتر از 2 كيلومتر دارند قابل استفاده است. اما از آنجایی که تولید و نصب چرخ لنگر توسط شرکتهای تولیدکننده پمپ، هزینه‌بر و مشکل است و کاربرد محدودی دارد، هيچكدام از توليدكنندگان داخلي اقدام به طراحی و توليد آن نمی‌كنند، استفاده از آن تقریباً ممکن نبوده و توصيه نمی‌شود.

4-5- لوله كنار گذر پمپ (Bypass line):

لوله كنار گذر پمپ، خط رانش پمپ را به لوله مكش وصل مي‌كند و در اين فاصله يك شير يكطرفه كه جهت بازشدن آن از جهت مكش به رانش است، نصب می‌شود. در حالت عادی، فشار پمپ اين شير يكطرفه را بسته نگه می‌دارد و به محض ايجاد فشار منفي شير يكطرفه باز شده و فشار موجود در طرف مكش پمپ مانع از كاهش فشار غيرمجاز در خط لوله رانش می‌شود. درواقع با برقراری جریان در لوله رانش، مانع کاهش ناگهانی سرعت جریان در خط لوله خواهدشد.

اين روش كاربرد بسيار محدودی دارد زيرا در پمپهای مجهز به سوپاپ (وقتي سطح آب در طرف مكش پايين تر از پمپ است‌) اين سيستم نمی‌تو‌اند عمل كند. لوله كنارگذر پمپ در ايستگاه‌های پمپاژی كه سطح آب در طرف مكش به پمپ سوار است و ارتفاع استاتيك خيلي كم دارد (كمتر از a/Vg) می‌تواند عمل كند زيرا در سيستم‌های پمپاژ با ارتفاع زيادتر فقط محدوده بسيار اندكي از ابتداي خط لوله را می‌تواند پوشش دهد، ضمناً اين روش در مقابل افزايش فشار نمی‌تواند مؤثر باشد.

5-5- شير هواي دو روزنه:

اين شيرها داراي يك روزنه بزرگ و يك روزنه كوچك هستند كه كار روزنه بزرگ اين است كه با افت فشار در خط لوله، باز شده و هوا را به داخل لوله وارد می‌كند سپس با افزايش فشار روزنه بزرگ بسته شده و هوای جمع شده در داخل خط لوله از طريق روزنه كوچك از خط لوله خارج می‌شود.

اگر چه توليدكنندگان شير‌هوا اين روش را براي جلوگيری از مسأله ناشي از افت فشار توصيه می‌كنند ولي اين وسيله مشكلات و اختلال زيادي در خط لوله در هنگام بروز ضربه قوچ ايجاد می‌كند. چراکه در شيرهای هوای دو روزنه، هوا با حجم زياد در مدت زمان اندك از روزنه بزرگ وارد خط لوله می‌شود ولي تخليه و خروج هوا از طريق روزنه كوچك در مدت زمانی کم امکان پذیر نیست (مقطع خروجی هوا فقط چند ميليمتر مربع است و زمانی طولانی برای خروج هوا نياز دارد). این حجم هوای باقی مانده در سیستم، موجب اختلال در خط لوله شده و لازم است در شرایط پایدار و به تدریج از خط لوله خارج شود. از طرفی با توجه به تراکم پذیر بودن هوا، محاسبات و مدلسازی شیرهای هوا در حالت ضربه آبی، پیچیده و مشکل خواهدبود.

بنابراين استفاده از شير هوا براي مقابله با مشكلات فشار منفی پديده ضربه آبی توصيه نمی‌شود و تقریباً کاربرد مطلوبی ندارد.

6-5- شير يكطرفه (Check valve):

استفاده از شير يكطرفه در خروجي پمپ به منظور جلوگيري از چرخش توربينی پمپ، امری اجتناب ناپذير است زيرا پس از خاموش شدن پمپ، جريان برگشتی به سمت پمپ می‌تواند آن را به طور معكوس بچرخاند و سبب وارد آمدن خسارت جدی به پمپ گردد. در خطوط کوتاه و سرعت انتشار موج بالا، انتخاب شیر یکطرفه با زمان بسته شدن کم بسیار مهم است.

در برخی از مواقع قرار دادن شيرهای يكطرفه در فواصل معين در خط انتقال را به عنوان راهکار كنترل ضربه قوچ پیشنهاد می‌دهند. در اين حالت چنانچه از ايستگاه پمپاژ به انتهای مسير حركت كنيم شيری كه به انتهای مسير نزديكتر است بايد از شير ما قبل خود سريعتر بسته شود، در غير اين صورت پديده‌ای به نام Hydraulic Press ما بين دو شير يكطرفه به وجود می‌آيد كه فشارهای بسيار زيادی توليد مي‌كند. لذا استفاده از شیر یکطرفه در طول مسیر خط انتقال برای کنترل ضربه قوچ توصیه نمی‌شود.

7-5- شير اطمينان ضربه قوچ (Surge relief valve):

شاید اقتصادی‌ترين روش براي مقابله با مشكل افزايش فشار در حین ضربه‌ قوچ در ایستگاه پمپاژ، استفاده از شيرهاي اطمينان ضربه قوچ (SRV) است.

براي محافظت ايستگاه پمپاژ و خط لوله می‌توان از تركيب شيرهاي يكطرفه سوپاپی و شيرهای اطمينان ضربه قوچ در چند نقطه از خط لوله استفاده كرد. در اين صورت به هنگام ضربه قوچ، شير يكطرفه سريعاً بسته شده و فشار اضافی توسط شير اطمينان تخليه می‌شود و در نتيجه هم خط لوله و هم ايستگاه پمپاژ در مقابل فشارهای غيرمجاز و بالا محافظت می‌شوند.

چنانچه سيستم دچار مشكل فشار منفي هم باشد و امكان نصب چرخ لنگر نيز باشد. استفاده از تركيب هم زمان چرخ لنگر، شير يكطرفه سوپاپی فنردار و شير اطمينان ضربه قوچ، می‌تواند ترکیبی اقتصادی باشد (البته به شرطی که پاسخگوی نیاز سیستم باشد) تا هم اثرات فشار منفي و هم اثرات فشار مثبت مهار گردند.