نشریه شماره ۵۱۷

اصلاح و بازنگری نشریه شماره ۵۱۷ به عنوان دستورالعملي جهت انتخاب و طراحي تجهيزات كنترل ضربه قوچ در تاسيسات آبرساني با همکاری سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور تدوين گشته و در آن تلاش شده است ضمن معرفي پديده ضربه قوچ، به بررسي عوامل ايجاد و پارامترهاي تاثيرگذار بر آن پرداخته شود و سپس روش‌هاي مختلف جهت كنترل پديده ضربه قوچ و چگونگي انتخاب تجهيزات كنترلي جهت استفاده طراحان ارائه شود. بديهي است با توجه به قطر، بده، طول و پروفيل خطوط لوله انتقال آب، ميزان ايجاد ضربه قوچ متفاوت مي‌باشد، به بيان ديگر، در جايي اين پديده مي‌تواند جزيي و بي اثر باشد اما بالعكس، در جايي ديگر با توجه به پارامترهاي مختلف تاثيرگذار، ضربه قوچ شديدي ايجاد نمايد كه در صورت عدم كنترل مناسب آثار تخريبي شديدي بر جاي ميگذارد. همچنين با توجه به ضرورت استفاده مهندسان طراح از برنامه‌هاي رايانه‌اي مختلف جهت تجزيه و تحليل ضربه قوچ در يك نگاه كلي به بررسي چند نرم افزار رايج و پيشرفته در اين عرصه نيز پرداخته شده است.

اهداف نشریه شماره ۵۱۷

در برخي از سامانه‌هاي هيدروليكي تحت فشار نظير خطوط انتقال آب‌، شبكه‌هاي توزيع، سامانه‌هاي پمپاژ و جريان‌هاي ثقلي پديده ضربه قوچ با ايجاد امواج سريع، زودگذر و ميرا موجب خطرهاي گوناگوني مي‌شود. اين خطرها همه ساله خسارات زيادي را بر سامانه‌هاي انتقال آب وارد مي‌سازد. البته در برخي پروژه‌ها شدت تخريب به حدي نيست كه به يكباره به طور كامل از كار بيفتد، اما در همين سامانه‌ها نيز با تكرار اين حادثه از كارايي سامانه كاسته مي‌شود. امروز روش‌هاي متعددي مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است تا بتوان با بهره‌گيري از برخي تجهيزات خسارت‌هاي ناشي از ضربه قوچ را به حداقل ممكن رساند. بنابراين هدف اصلي از تهيه نشریه شماره ۵۱۷ ، طراحي و انتخاب بهينه اين تجهيزات براي جلوگيري از بروز صدمه به تاسيسات آبرساني در زمان وقوع پديده ضربه قوچ است.

دامنه كاربرد نشریه شماره ۵۱۷

با توجه به اينكه در كليه سامانه‌هاي هيدروليكي و انتقال سيالات عوامل متعددي وجود دارد كه مي‌تواند باعث تغيير سرعت ناگهاني سيال و در نتيجه ايجاد ضريه قوچ شود، ولي در همه اين سامانه‌ها احتمال خسارت به تاسيسات وجود دارد و بايد تمهيدات حفاظتي فراهم شود. به همين جهت مي‌توان گفت كاربرد نشريه شماره ۵۱۷ در بررسي عوامل ايجاد ضربه قوچ و آثار آن، همچنين روش‌هاي كنترلي و چگونگي انتخاب تجهيزات كنترلي مناسب ضربه قوچ در خطوط لوله با جريان ثقلي و سامانه‌هاي هيدروليكي تحت فشار مانند خطوط انتقال آب و سامانه‌هاي پمپاژ است.

ضربه قوچ

ضربه قوچ تحت فشار اتفاق مي‌افتد و بر قوانين فشار، تغييرات بده يا سرعت جريان و شرايط مكاني، زماني حركت سيال استوار است. در برخي از سامانه‌هاي هيدروليكي تحت فشار، مانند خطوط انتقال آب، نفت يا شبكه‌هاي توزيع و لوله‌هاي آب بر منتهي به توربين‌ها، تونل‌هاي آبي، سامانه‌هاي پمپاژ و جريان‌هاي ثقلي، پديده ضربه قوچ با ايجاد موج‌هاي سريع و زودگذر و ميرا موجب خطرات گوناگوني مي‌شود. گاهي اوقات قدرت تخريبي اين موج‌هاي فشار به حدي است كه نتايج وخيمي به بار مي‌آورد، تركيدن خطوط لوله در سامانه‌هاي انتقال و شبكه‌هاي توزيع، خرابي و شكسته شدن شيرها، دريچه‌هاي كنترل و تلمبه‌ها از نمونه‌هاي بارز تاثير اين پديده است.

اين پديده در اثر تغيير ناگهاني سرعت آب رخ مي‌دهد. در بين مهندسان ايراني گاهي به اين پديده ضربه دو آبي و يا سرج نيز گفته مي‌شود. در ارتباط با كلمه سرج اين نكته حايز اهميت است كه طبق تعاريف مندرج در كتاب‌هاي مرجع طراحي خطوط لوله، به تغيير سرعت ناچيز جريان آب و موج برگشتي ضعيفي كه اثر تخريبي چنداني ندارد واژه سرج اطلاق مي‌شود. به بيان ديگر بايد گفت سرج يك ضربه قوچ ضعيف و فاقد اثر تخريبي است.

توجه ويژه به محاسبات ضربه قوچ

اگرچه در محاسبات ضربه قوچ در كليه مراجع بايد گفت اين معادله يك رابطه كلاسيك جهت محاسبه حداكثر فشار ضربه قوچ بدون در نظر گرفتن عوامل موثر ديگر است، به بيان ديگر در طول خط انتقال معمولاً از خط انشعاب گرفته مي‌شود و ميزان بده خط بعد از انشعاب كاهش يا افزايش مي‌يابد. جنس و قطر خط انتقال در طول مسير تغيير مي‌كند، پروفيل خط داراي فراز و نشيب شديدي مي‌شود كه امكان ايجاد گسيختگي آب در هنگام ضربه قوچ وجود دارد. ممان اينرسي تلمبه ميزان ضربه قوچ را كاهش مي‌دهد و اين عوامل كه در معادله لحاظ نمي‌شود ميزان فشار ضربه قوچ را متفاوت مي‌سازد، برخي محققان در سال‌هاي اخير نمودارهاي متعددي براي محاسبات ارائه كرده‌اند كه تاكنون هيچكدام كامل نبوده و همه شرايط را پوشش نمي‌دهد، در برخي موارد براي بررسي همه عوامل فوق در يك خط انتقال همزمان بايد تعداد زيادي معادله و مجهول بسته به نوع خط حل شود، در اين وضعيت تنها راه مطمئن محاسباتي استفاده از رايانه مي‌باشد. از اين جهت بايد گفت محاسبات دقيق ضربه قوچ امروزه بايد توسط نرم‌افزارهاي رايج اين امر (فصل يازدهم) صورت پذيرد تا از دقت مناسبي برخوردار باشد.

تاثير هوا، گازهاي محلول و جدايي ستون آب در ضربه قوچ

تقريباً در كليه مايعات، به ويژه آب، حباب‌هاي هوا يا گاز به صورت مولكول‌هاي آزاد يا محلول مشاهده مي‌شود. مولكول‌هاي هوا يا گاز در تماس با سطح جريان آب و درنتيجه وجود آشفتگي جريان جذب آب مي‌گردند، هرگاه هوا يا گاز به صورت محلول باشد، در هنگام كاهش فشار در سامانه به صورت حباب‌هاي هواي آزاد در مي‌آيند؛ اين امر موجب ايجاد هسته‌هايي براي خلازايي مي‌شود. اندازه اين حباب‌ها به عواملي از جمله نيروي موثر بر آن، فشار بخار سيال، فشار گاز در مايع و مدت زماني‌كه سيال در معرض كاهش فشار قرار گرفته بستگي دارد.

تغيير قطر و جنس لوله در ضربه قوچ

با افزايش قطر لوله در ميانه يك خط انتقال، سرعت مايع و سرعت حركت موج كاسته شده و ميزان فشار ضربه قوچ كمتر مي‌شود و به عكس اگر قطر لوله به ناگهان كاهش يابد اين سرعت‌ها بيشتر شده و فشار ضربه افزايش مي‌يابد. اگر در قسمتي از خط انتقال آسيب ديدگي رخ دهد و نياز به تعويض قسمتي از خط لوله باشد، درصورتي‌كه لوله‌اي با جنس يا قطر خط موجود پيدا نشد، بهتر است از لوله‌اي با يك قطر بزرگتر و همچنين از جنسي كه داراي مدول الاستيسيته كمتر از خط انتقال است استفاده نمود.اين امر باعث كاهش فشار ضربه قوچ در خط مي‌شود.

كنترل ضربه قوچ با تمهيدات اوليه در طراحي

مقدار فشار ضربه قوچي كه در طراحي مقدماتي خطوط لوله در نشریه شماره ۵۱۷ بايد رعايت شود، بر اساس استانداردهاي مختلف ارائه شده است.

استانداردهايي كه براي تعيين ضخامت و كيفيت مواد در خطوط لوله به كار گرفته مي‌شوند، بايد در حد بالايي باشند.

حتي‌الامكان از مصالح با كيفيت بهتر و بالاتر استفاده شود. براي مثال از بين انواع لوله فولادي، آن فولادي كه داراي تنش تسليم بيشتري است انتخاب شود. در واقع با افزايش كيفيت مصالح، تحمل لوله در مقابل ضربه قوچ، بالا مي رود

سرعت جريان در خطوط لوله تا حد امكان كم در نظر گرفته شود و يا به عبارت ديگر قطر لوله انتخابي در حدودي باشد كه سرعت نهايي بده طرح از حد معقول تجاوز ننمايد. معمولاً سرعت‌هاي اقتصادي در سامانه انتقال آب در حدود۷/۰ تا ۲ متر بر ثانيه تعيين مي‌شود، حال آن كه در صنايع، سرعت جريان ممكن است به علت نياز طراحي بيش از اين اندازه انتخاب شود.

چند مرحله‌اي نمودن سامانه انتقال با استقرار ايستگاه‌هاي پمپاژ بين راهي، خود مي‌تواند از فشار سامانه و نهايتاً فشار ضربه قوچ كاسته و لوله‌هاي جريان را براي تحمل فشار ضربه قوچ مطمئن‌تر سازد.

تجهيزات كنترل ضربه قوچ

وسايل و تجهيزات مورد استفاده در سامانه‌هاي انتقال كه جهت كنترل يا كاهش فشار ضربه قوچ به كار مي‌روند، برحسب نوع سامانه انتقال، بزرگي و كوچكي طرح، نوع لوله و سيال، مقدار فشار ناشي از ضربه قوچ، اهميت پروژه از نظر خسارت وارده احتمالي، نحوه بهره‌برداري و بالاخره هزينه‌هاي اجرايي سامانه حفاظت متفاوت خواهند بود.

انواع وسايل حفاظتي كه در ايستگاه‌هاي پمپاژ و مسير خطوط لوله انتقال جهت كنترل و يا كاهش شدت فشار ضربه قوچ به كار مي‌روند به شرح زیر است.