Согласно статистике, причиной большинства аварий трубопроводов является гидравлический удар, спровоцированный резкими перепадами внутреннего давления. Последствия такого явления могут быть самыми различными, вплоть до полного выхода системы из строя. Чтобы обезопасить себя от перебоев отопления или подачи воды, необходимо принять меры защиты.
В статье мастер сантехник расскажет, почему возникает гидроудар и как с ним бороться.Что называют гидроударом и почему он возникает
Гидроударом принято понимать резкое, с огромной амплитудой повышение давления воды в напорной трубе, появляющееся в том случае, когда движение жидкости по ней резко замедляется или вовсе останавливается. Точнее сказать даже – не повышение, а резкое изменение давления, так как комплексно гидроудар представляет собой череду сменяющих друг друга циклов сжатия и разрежения, происходящих за очень короткий промежуток времени.
Эти разнонаправленные скачки, естественно, оказывают деформирующее воздействие на трубы, элементы запорной арматуры, что, к сожалению, очень часто не проходит бесследно – об этом мы еще поговорим ниже. Неприятен такой эффект даже с точки шумности – во время гидроудара порой издаются весьма «жуткие» звуки и скрежет.
Забегая несколько вперёд, скажем, что гидроудары случаются чаще и бывают разрушительнее на участках труб, оснащённых запорными элементами «мгновенного» действия. Сюда можно отнести шаровые краны, однорычажные смесители с картриджами, электромагнитные клапаны и другие устройства, очень быстро и полностью перекрывающие просвет для прохода воды. Система водопровода с кранами вентильного типа гораздо лучше защищена от появления опасных гидроударов.
Попробуем разобраться в физике этого явления. Для этого будем наблюдать за теми стадиями, что менять друг друга в процессе гидроудара.
Можно для упрощения представить домашнюю водопроводную сеть (или какой-то любой из ее участков) в виде отрезка трубы, соединенного с трубой-коллектором (стояком) с одной стороны, и с шаровым краном – с другой.
Первая стадия – вода спокойно истекает из коллектора через трубу – кран полностью открыт. Ничто не предвещает неприятностей.
Синей стрелкой показано направление потока, V – его скорость. Синяя буква Р показывает нормальное давление в стояке и трубной разводке. Синие точки – это очень условно «частицы воды», просто для большей наглядности плотности в стадиях нормы, сжатия и разрежения.
Вторая стадия – шаровой кран был резко перекрыт. Ток воды через кран резко прекратился. Однако в трубе – он продолжается по инерции, и кинетическая энергия потока – очень немалая. В процессе торможения потока в области запорного устройства появляется зона повышенного давления, стремящаяся растянуть стенки трубы и сжать жидкость. Эта зона показана на иллюстрации розовым оттенком, и ее принято называть зоной сжатия ударной волной. Эта зона стремительно растет по длине вдоль трубы, и скорость перемещения фронта этой ударной волны обозначена буквой С и красной стрелкой. Давление в этой зоне – значительно выше нормального, на величину ΔР.
Кстати, обычно в гидравлических расчетах принимается допущение, что вода – полностью несжимаемое вещество. Но это не совсем так: она может сжиматься – все зависит от прикладываемой нагрузки. И в расчетах гидроударов этот фактор также учитывается, как дополнительный аккумулятор энергии удара с ее последующим высвобождением.
Третья стадия – Фронт ударной волны добирается до стояка. Получается, что весь участок от крана до стояка захвачен зоной сжатия, и стенки труб деформированы в сторону расширения. Движение воды на миг замерло – достигнут определенный баланс.
Так как стояк (коллектор) больше диаметром, то есть скорости воды при тех же показателях нормального давления здесь ниже, а в процесс движения вовлечены большие массы жидкости, большого возмущения в самом коллекторе ударная волна с какого-то отдельно взятой врезанной трубы вызвать не должна.
Четвертая стадия – вода начинает покидать зону сжатия – образуется и нарастает обратный ток. За счет сужения диаметра трубы и «распрямления» сжатой воды она просто выдавливается в коллектор.
Своеобразная «волна» — фронт зоны снятия повышенного давления, перемещается в сторону крана. Наступает момент, когда давление в трубе сравнивается с давлением в стояке.
Пятая стадия – показатели давления сравнялись, но не делся набравший силу и инерцию обратный ток воды от крана к стояку. Этот момент хотя и называют нулевой точкой – но до окончании гидроудара еще далеко. Начинается фаза разрежения в трубе.
Шестая стадия – Уходящий в сторону коллектора поток воды, со скоростью V, оставляет за собой зону разрежения. Стенки труб сжимаются, так как давление внутри них стремительно падает, порой даже до отрицательных значений (до создания вакуума). Этот участок быстро растет в длину – зона разрежения ударной волны перемещается со скоростью С.
Седьмая стадия - зона разрежения распространилась на всю трубу до коллектора (стояка). Коллектор опять оказывает «успокаивающее действие». Движение воды по трубе прекратилось. На всем участке домашней разводки стенки труб максимально сжаты. Давление воды в них – меньше, чем в коллекторе.
Восьмая стадия - далее начинается нарастающий поток от коллектора к крану, так как давление стремиться выровняться. Стенки труб принимают изначальную свою конфигурацию. Образуется отраженная ударная волна, перемещающаяся со скоростью С.
То есть следует возврат ко второй стадии - давление в трубе поначалу выровняется (опять «нулевая точка»), но ток жидкости, обладающий немалой энергией, снова направлен к крану, и выхода у него нет…
Все повторяется, правда обычно уже с угасанием амплитуды давления. Таких повторных циклов может быть и несколько – все зависит от особенностей рассматриваемого участка водопровода.
В это сложно поверить, но сам гидравлический удар с повторением нескольких циклов, о чем так много приходится писать, в реальности может произойти буквально за сотые доли секунды. А скорости распространения ударных волн принимают значения, сравнимые со скоростью звука.
Чем это чревато
Из-за внезапного появления препятствия на пути движения жидкости внутреннее давление в замкнутом контуре может достигать громадных значений. Это приводит к разрушающим нагрузкам на входящие в состав системы элементы и узлы. Опаснее всего гидроудары для трубопроводов значительной длины, например, система теплых водяных полов в квартире.
Наиболее вероятные последствия гидравлического удара:
- Выход из строя труб и оборудования;
- Разрушение радиаторов отопления;
- Гидроудар в системе отопления может привести к серьёзным ожогам;
- Перебои с подачей воды и тепла;
- Порча имущества (своего и соседского) из-за протекания.
Особенно часто такие аварии происходят на ржавых износившихся трубопроводах. На масштабы повреждений большое влияние имеет участок, где появилась преграда: чем ближе к началу трубопровода, тем последствия будут меньшими.
Нередко подобное явление возникает в системах отопления, сооруженных из труб разных диаметров. Если не была проведена адаптация разнокалиберных участков специальными переходниками, скачки давления произойдут обязательно.
Способы предотвращения гидравлических ударов
Избавиться от периодического появления избыточного давления в трубопроводе практически невозможно, поэтому основные меры направлены на уменьшение его интенсивности и создание эффективной защиты для труб и прочих элементов системы.
Чтобы защитить трубопровод от гидравлических ударов, нужно:
- Плавно открывать/закрывать запорные элементы. При плавном закрывании крана давление в трубопроводе будет постепенно выравниваться. При этом ударная волна будет иметь незначительную силу, а следовательно, мощность гидравлического удара будет минимальной. Но не во всех случаях возможно обеспечить плавное закрывание крана. Далеко не у всех моделей вентильная конструкция, многие современные краны имеют шаровую систему – достаточно одного неосторожного резкого поворота и кран придёт в положение "закрыто".
- Использовать трубы большого диаметра. В трубопроводах большого диаметра рабочая среда движется с меньшей скоростью, чем в системах с более маленьким диаметром. А чем скорость перемещения потока жидкости меньше, тем слабее сила гидроудара. Однако данный способ гораздо затратнее. Расходы увеличиваются за счёт более высокой стоимости труб и теплоизоляции.
- Установить амортизирующее устройство. Данное устройство располагается по направлению движения рабочей жидкости. В качестве амортизатора используется отрезок трубы из эластичного пластик либо каучука, которым заменяется часть жёсткой трубы перед термостатом. При возникновении гидравлического удара происходит растяжение эластичного отрезка и частичное гашение силы удара.
- Использовать компенсаторное оборудование. Для сбрасывания лишней жидкости до момента нормализации давления в трубопроводе используется гидравлический аккумулятор. Данное оборудование выполнено в виде герметичного бака, оснащённого мембраной и воздушным клапаном. Мембрана изготавливается из эластичного материала, бак – из стали.
- Использовать автоматику насосов. Одной из причин появления гидравлических ударов в трубопроводе является насосное оборудование. Движение рабочей среды зависит от того, насколько быстро вращаются насосные валы. Следовательно, плавное снижение/увеличение скорости вращения позволяет уменьшить силу воздействия и снизить риск появления гидроударов. На производствах для управления насосным оборудованием используются специальные регуляторы, частотные преобразователи и прочие подобные приборы. Данное оборудование также подходит для использования в бытовых условиях. Гидравлические удары в коммуникациях появляются при остановке насосного оборудования, например, при исчезновении сети питания. На производствах и в сфере коммунального хозяйства резервные источники используются давно и не раз доказали свою эффективность. Предупреждение аварийных ситуаций и сокращение расходов на ремонтные работы приводят к существенной экономии средств. Включение домашнего насосного оборудования через устройство защиты от гидроударов (стабилизаторы и источники резервного питания) поможет обезопасить внутренние коммуникационные системы.
- Использовать байпас. Байпас представляет собой дополнительный участок трубопровода, который используется в качестве обходного канала и служит для регулирования пропускной способности сети отопления. Такие устройства можно монтировать, как в новые системы, так и в уже существующие.
- Гаситель гидроударов. Это простое, но эффективное изобретение, работающее по принципу расширительного бака отопительных коммуникаций. При резком перепаде давления жидкость перемещается в мембранный гаситель. После того, как давление в трубопроводе упадёт до рабочей величины, произойдёт выталкивание жидкости обратно в систему. Возвращение воды обеспечивается благодаря избыточному давлению воздуха, находящегося с противоположной стороны мембраны.
- Защитный клапан. Клапан защиты от гидроудара располагается в трубопроводной системе рядом с наносом. Он реагирует на скачки давления, принимая обратную волну и предотвращая гидравлические удары. Клапан оснащён специальным регулятором, который при перепаде давления плавно открывает его. Таким образом, когда обратный поток рабочей среды доходит до насосного агрегата, клапан уже находится в открытом состоянии. В результате этого происходит сбрасывание воды, а следовательно, снижение давления до допустимой величины. После нормализации давления регулятор закрывает клапан, чтобы предотвратить опустошение системы.
Профилактические меры
Параллельно с оснащением системы специальными защитными приспособлениями снизить вероятность появления гидравлического удара помогут несложные профилактические мероприятия.
Для этого необходимо:
- Контролировать эффективность группы безопасности (предохранительный клапан, воздухоотводчик и манометр).
- Время от времени проверять давление внутри расширительного бака, корректируя его при необходимости;
- Проверять, не появились ли в контуре протечки, устраняя все обнаруженные дефекты;
- Отслеживать, как расположены запорные вентили по отношению к движению воды;
- Регулярно прочищать фильтры, предназначенные для задержки накипи, песка и ржавчины.
Наибольшая эффективность перечисленных защитных мер наблюдается при их комплексном применении. Такой подход позволит добиться полномасштабной нейтрализации негативных последствий преизбыточного давления в системе.
В продолжение темы посмотрите также наш обзор Последовательная и параллельная работа насосов — в чем отличие