نشریه شماره ۵۱۷

اصلاح و بازنگری نشریه شماره ۵۱۷ به عنوان دستورالعملی جهت انتخاب و طراحی تجهیزات کنترل ضربه قوچ در تاسیسات آبرسانی با همکاری سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور تدوین گشته و در آن تلاش شده است ضمن معرفی پدیده ضربه قوچ، به بررسی عوامل ایجاد و پارامترهای تاثیرگذار بر آن پرداخته شود و سپس روش‌های مختلف جهت کنترل پدیده ضربه قوچ و چگونگی انتخاب تجهیزات کنترلی جهت استفاده طراحان ارائه شود. بدیهی است با توجه به قطر، بده، طول و پروفیل خطوط لوله انتقال آب، میزان ایجاد ضربه قوچ متفاوت می‌باشد، به بیان دیگر، در جایی این پدیده می‌تواند جزیی و بی اثر باشد اما بالعکس، در جایی دیگر با توجه به پارامترهای مختلف تاثیرگذار، ضربه قوچ شدیدی ایجاد نماید که در صورت عدم کنترل مناسب آثار تخریبی شدیدی بر جای میگذارد. همچنین با توجه به ضرورت استفاده مهندسان طراح از برنامه‌های رایانه‌ای مختلف جهت تجزیه و تحلیل ضربه قوچ در یک نگاه کلی به بررسی چند نرم افزار رایج و پیشرفته در این عرصه نیز پرداخته شده است.

اهداف نشریه شماره ۵۱۷

در برخی از سامانه‌های هیدرولیکی تحت فشار نظیر خطوط انتقال آب‌، شبکه‌های توزیع، سامانه‌های پمپاژ و جریان‌های ثقلی پدیده ضربه قوچ با ایجاد امواج سریع، زودگذر و میرا موجب خطرهای گوناگونی می‌شود. این خطرها همه ساله خسارات زیادی را بر سامانه‌های انتقال آب وارد می‌سازد. البته در برخی پروژه‌ها شدت تخریب به حدی نیست که به یکباره به طور کامل از کار بیفتد، اما در همین سامانه‌ها نیز با تکرار این حادثه از کارایی سامانه کاسته می‌شود. امروز روش‌های متعددی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است تا بتوان با بهره‌گیری از برخی تجهیزات خسارت‌های ناشی از ضربه قوچ را به حداقل ممکن رساند. بنابراین هدف اصلی از تهیه نشریه شماره ۵۱۷ ، طراحی و انتخاب بهینه این تجهیزات برای جلوگیری از بروز صدمه به تاسیسات آبرسانی در زمان وقوع پدیده ضربه قوچ است.

دامنه کاربرد نشریه شماره ۵۱۷

با توجه به اینکه در کلیه سامانه‌های هیدرولیکی و انتقال سیالات عوامل متعددی وجود دارد که می‌تواند باعث تغییر سرعت ناگهانی سیال و در نتیجه ایجاد ضریه قوچ شود، ولی در همه این سامانه‌ها احتمال خسارت به تاسیسات وجود دارد و باید تمهیدات حفاظتی فراهم شود. به همین جهت می‌توان گفت کاربرد نشریه شماره ۵۱۷ در بررسی عوامل ایجاد ضربه قوچ و آثار آن، همچنین روش‌های کنترلی و چگونگی انتخاب تجهیزات کنترلی مناسب ضربه قوچ در خطوط لوله با جریان ثقلی و سامانه‌های هیدرولیکی تحت فشار مانند خطوط انتقال آب و سامانه‌های پمپاژ است.

ضربه قوچ

ضربه قوچ تحت فشار اتفاق می‌افتد و بر قوانین فشار، تغییرات بده یا سرعت جریان و شرایط مکانی، زمانی حرکت سیال استوار است. در برخی از سامانه‌های هیدرولیکی تحت فشار، مانند خطوط انتقال آب، نفت یا شبکه‌های توزیع و لوله‌های آب بر منتهی به توربین‌ها، تونل‌های آبی، سامانه‌های پمپاژ و جریان‌های ثقلی، پدیده ضربه قوچ با ایجاد موج‌های سریع و زودگذر و میرا موجب خطرات گوناگونی می‌شود. گاهی اوقات قدرت تخریبی این موج‌های فشار به حدی است که نتایج وخیمی به بار می‌آورد، ترکیدن خطوط لوله در سامانه‌های انتقال و شبکه‌های توزیع، خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه‌های کنترل و تلمبه‌ها از نمونه‌های بارز تاثیر این پدیده است.

این پدیده در اثر تغییر ناگهانی سرعت آب رخ می‌دهد. در بین مهندسان ایرانی گاهی به این پدیده ضربه دو آبی و یا سرج نیز گفته می‌شود. در ارتباط با کلمه سرج این نکته حایز اهمیت است که طبق تعاریف مندرج در کتاب‌های مرجع طراحی خطوط لوله، به تغییر سرعت ناچیز جریان آب و موج برگشتی ضعیفی که اثر تخریبی چندانی ندارد واژه سرج اطلاق می‌شود. به بیان دیگر باید گفت سرج یک ضربه قوچ ضعیف و فاقد اثر تخریبی است.

توجه ویژه به محاسبات ضربه قوچ

اگرچه در محاسبات ضربه قوچ در کلیه مراجع باید گفت این معادله یک رابطه کلاسیک جهت محاسبه حداکثر فشار ضربه قوچ بدون در نظر گرفتن عوامل موثر دیگر است، به بیان دیگر در طول خط انتقال معمولاً از خط انشعاب گرفته می‌شود و میزان بده خط بعد از انشعاب کاهش یا افزایش می‌یابد. جنس و قطر خط انتقال در طول مسیر تغییر می‌کند، پروفیل خط دارای فراز و نشیب شدیدی می‌شود که امکان ایجاد گسیختگی آب در هنگام ضربه قوچ وجود دارد. ممان اینرسی تلمبه میزان ضربه قوچ را کاهش می‌دهد و این عوامل که در معادله لحاظ نمی‌شود میزان فشار ضربه قوچ را متفاوت می‌سازد، برخی محققان در سال‌های اخیر نمودارهای متعددی برای محاسبات ارائه کرده‌اند که تاکنون هیچکدام کامل نبوده و همه شرایط را پوشش نمی‌دهد، در برخی موارد برای بررسی همه عوامل فوق در یک خط انتقال همزمان باید تعداد زیادی معادله و مجهول بسته به نوع خط حل شود، در این وضعیت تنها راه مطمئن محاسباتی استفاده از رایانه می‌باشد. از این جهت باید گفت محاسبات دقیق ضربه قوچ امروزه باید توسط نرم‌افزارهای رایج این امر (فصل یازدهم) صورت پذیرد تا از دقت مناسبی برخوردار باشد.

تاثیر هوا، گازهای محلول و جدایی ستون آب در ضربه قوچ

تقریباً در کلیه مایعات، به ویژه آب، حباب‌های هوا یا گاز به صورت مولکول‌های آزاد یا محلول مشاهده می‌شود. مولکول‌های هوا یا گاز در تماس با سطح جریان آب و درنتیجه وجود آشفتگی جریان جذب آب می‌گردند، هرگاه هوا یا گاز به صورت محلول باشد، در هنگام کاهش فشار در سامانه به صورت حباب‌های هوای آزاد در می‌آیند؛ این امر موجب ایجاد هسته‌هایی برای خلازایی می‌شود. اندازه این حباب‌ها به عواملی از جمله نیروی موثر بر آن، فشار بخار سیال، فشار گاز در مایع و مدت زمانی‌که سیال در معرض کاهش فشار قرار گرفته بستگی دارد.

تغییر قطر و جنس لوله در ضربه قوچ

با افزایش قطر لوله در میانه یک خط انتقال، سرعت مایع و سرعت حرکت موج کاسته شده و میزان فشار ضربه قوچ کمتر می‌شود و به عکس اگر قطر لوله به ناگهان کاهش یابد این سرعت‌ها بیشتر شده و فشار ضربه افزایش می‌یابد. اگر در قسمتی از خط انتقال آسیب دیدگی رخ دهد و نیاز به تعویض قسمتی از خط لوله باشد، درصورتی‌که لوله‌ای با جنس یا قطر خط موجود پیدا نشد، بهتر است از لوله‌ای با یک قطر بزرگتر و همچنین از جنسی که دارای مدول الاستیسیته کمتر از خط انتقال است استفاده نمود.این امر باعث کاهش فشار ضربه قوچ در خط می‌شود.

کنترل ضربه قوچ با تمهیدات اولیه در طراحی

مقدار فشار ضربه قوچی که در طراحی مقدماتی خطوط لوله در نشریه شماره ۵۱۷ باید رعایت شود، بر اساس استانداردهای مختلف ارائه شده است.

استانداردهایی که برای تعیین ضخامت و کیفیت مواد در خطوط لوله به کار گرفته می‌شوند، باید در حد بالایی باشند.

حتی‌الامکان از مصالح با کیفیت بهتر و بالاتر استفاده شود. برای مثال از بین انواع لوله فولادی، آن فولادی که دارای تنش تسلیم بیشتری است انتخاب شود. در واقع با افزایش کیفیت مصالح، تحمل لوله در مقابل ضربه قوچ، بالا می رود

سرعت جریان در خطوط لوله تا حد امکان کم در نظر گرفته شود و یا به عبارت دیگر قطر لوله انتخابی در حدودی باشد که سرعت نهایی بده طرح از حد معقول تجاوز ننماید. معمولاً سرعت‌های اقتصادی در سامانه انتقال آب در حدود7/۰ تا  ۲ متر بر ثانیه تعیین می‌شود، حال آن که در صنایع، سرعت جریان ممکن است به علت نیاز طراحی بیش از این اندازه انتخاب شود.

چند مرحله‌ای نمودن سامانه انتقال با استقرار ایستگاه‌های پمپاژ بین راهی، خود می‌تواند از فشار سامانه و نهایتاً فشار ضربه قوچ کاسته و لوله‌های جریان را برای تحمل فشار ضربه قوچ مطمئن‌تر سازد.

تجهیزات کنترل ضربه قوچ

وسایل و تجهیزات مورد استفاده در سامانه‌های انتقال که جهت کنترل یا کاهش فشار ضربه قوچ به کار می‌روند، برحسب نوع سامانه انتقال، بزرگی و کوچکی طرح، نوع لوله و سیال، مقدار فشار ناشی از ضربه قوچ، اهمیت پروژه از نظر خسارت وارده احتمالی، نحوه بهره‌برداری و بالاخره هزینه‌های اجرایی سامانه حفاظت متفاوت خواهند بود.

انواع وسایل حفاظتی که در ایستگاه‌های پمپاژ و مسیر خطوط لوله انتقال جهت کنترل و یا کاهش شدت فشار ضربه قوچ به کار می‌روند به شرح زیر است.

1. وسایل کنترل فشار ضربه قوچ در ایستگاه‌های پمپاژ
2. وسایل کنترل فشار ضربه قوچ در خطوط لوله

فهرست مطالب نشریه شماره ۵۱۷

نشریه شماره ۵۱۷ در ۱۲ فصل و ۱۳۸ تهیه و تنظیم شده است.

کلیات

• هدف
• دامنه کاربرد

تعاریف

• کلیات

مبانی نظری و محاسباتی ضربه قوچ

• تعیین سرعت پخش موج فشار
• چگونگی ایجاد ضربه قوچ در خط رانش تلمبه
• توجه ویژه به محاسبات ضربه قوچ

بررسی کلیه عوامل ضربه قوچ در ایستگاه‌های پمپاژ

• بسته شدن سریع شیرهای قطع و وصل
• از کار افتادگی ناگهانی تلمبه
• پر کردن غیر اصولی خط لوله
• راه اندازی تلمبه‌های توربینی
• استفاده از شیرهای یک طرفه نامناسب
• تاثیر هوا، گازهای محلولو جدایی ستون آب در ضربه قوچ
• تاثیر فشار تلمبه در ضربه قوچ
• منحنی مشخصه تلمبه و ضربه قوچ

ضربه قوچ در خطوط تحت فشار ثقلی

• عوامل ایجاد ضربه قوچ در خطوط ثقلی
• تاثیر پروفیل خط لوله و شیرهای در جریان‌های ثقلی بر میزان ضربه قوچ

روش‌ها و تجهیزات کنترل ضربه قوچ

• کنترل ضربه قوچ با تمهیدات اولیه در طراحی
• کنترل ضربه قوچ با رعایت اصول حفاظتی
• تجهیزات کنترل ضربه قوچ
• محل استقرار تجهیزات کاهش فشار ضربه قوچ
• شرح تجهیزات کنترلی ضربه قوچ

تعیین مشخصات فنی مخازن ضربه گیر تحت فشار

• نکات بسیار مهم در ارتباط با مخازن ضربه گیر
• محل قرار گیری و نصب مخزن ضربه گیر
• نحوه قرار دادن مخزن هوا
• حجم مخزن ضربه گیر
• فشار و ضخامت خوردگی
• کنترل سطح مشترک هوا و آب در مخازن ضربه گیر
• مشخصات لوله‌های ارتباطی مخزن ضربه گیر تحت فشار
• محاسبه تخمینی ضخامت‌ها در مخزن تحت فشار
• بهره‌گیری از دو یا چند مخزن موازی

تعیین مشخصات فنی مخازن ضربه گیر روباز

• مخازن تغذیه
• مخازن موج گیر

شناخت و بررسی عملکرد شیرهای هوا و ایمنی و تاثیر آن بر ضربه قوچ

• شیرهای هوا
• شیرهای ایمنی
• شیر نگهدارنده فشار

مکان یابی و تمهیدات نصب کنترلی و نکات کاربردی ضربه قوچ

• نکاتی که قبل از انتخاب مکان مناسب باید لحاظ کرد
• تمهیدات لازم در ایستگاه پمپاژ
• تمهیدات لازم در خارج ایستگاه پمپاژ
• نکاتی در ارتباط با انتخاب شیرهای و محل نصب آن‌ها با توجه به ضربه قوچ
• نکات کاربردی در ضربه قوچ
• جلوگیری از تخلیه هوای مخزن ضربه‌گیر به خطرلوله

نگهداری تجهیزات کنترل ضربه قوچ

• مخازن ضربه گیر روباز و مخزن ضربه گیر تحت فشار
• شیر الات
• کمپرسور هوای فشرده
• بازبینی تجهیزات پس از رخ دادن پدیده ضربه قوچ

اصول استفاده از نرم افزارهای محاسبه ضربه قوچ

• انتخاب و استفاده از نرم افزار
• حداقل اطلاعات اولیه ورودی در نرم افزار
• موارد کنترلی نرم افزار طی محاسبات
• نتایج خروجی نرم افزار