Автор: Антон Кораблёв
В соответствии с п.7.1.4. СП 30.13330.2012 «Внутренний водопровод и канализация зданий», вступившего в силу с 1 января 2013 года, конструкция водоразборной и запорной арматуры должна обеспечивать плавное открывание и закрывание потока воды. Это требование далеко не всегда выполняется на трубопроводах, что в свою очередь может привести к неблагоприятным последствиям.
Указанное выше требование направленно на предупреждение возникновения в сетях водоснабжения, теплоснабжения и канализации такого явления, как гидравлический удар, последствиями которого могут быть разгерметизация и разрушение сетевого трубопровода (рис. 1), протечки, а также порча подсоединённого к трубопроводам оборудования.
Циклы и виды гидроудара
Гидравлический удар – это скачок давления в жидкости, которая наполняет и движется в напорном трубопроводе, возникающий при резком изменении скорости потока. В большинстве случаев такое случается при резком перекрытии потока установленной на трубопроводе арматурой или, наоборот, при резком открытии, устраняющем препятствие на пути этого потока.
При перекрытии потока жидкость сначала сжимается, незначительно изменяясь в объёме, одновременно повышается давление в трубопроводе, деформируя (растягивая) стенки трубы. Зона, в которой произошло увеличение давления, называется зоной сжатия ударной волной, а её крайнее сечение называется фронтом ударной волны. Фронт ударной волны распространяется в сторону стояка, сопровождаясь растягиванием стенок по длине трубопровода и увеличением его сечения, давление в трубопроводе сглаживается. Однако, согласно второму закону Ньютона, действие равно противодействию, и на жидкость в трубопроводе теперь действует сила упругости материала, из которого изготовлена труба. За счёт упругости материала стенок трубопровод восстанавливает своё первоначальное сечение. Пройдя нулевую точку, когда давление в трубопроводе становится равно изначальному, оно снова начинает нарастать теперь уже под действием импульса сил упругости, а направление движения в потоке меняется на обратное, и возникает обратная ударная волна. При этом в зоне перед препятствием, там где поток был резко перекрыт, теперь создаётся локальное разряжение - давление падает. Разряжение в трубе может привести к снижению давления в этом месте ниже атмосферного, а также к нарушению неразрывности потока (кавитации). В этом случае в трубопроводе около крана появляется кавитационный пузырь, схлопывание которого приводит к повреждению материала стенок трубы.
В зоне разряжения стенки трубы сжимаются, а перепад давлений опять вызывает изменение направления потока жидкости в трубопроводе. Образовывается отражённая ударная волна, и циклы снова повторяются до полного угасания.
Промежуток времени, в течение которого проходят все стадии и циклы гидравлического удара, не превышает, как правило, 0,001–0,06 с. Количество циклов с чередованием резких повышений и падений давления в трубопроводе может быть различным и зависит от характеристик системы.
Узнать о возникновении гидроудара можно по акустическому эффекту, которым проявляется это явление, похожему на звук удара молотком по стальной трубе. При слабых гидравлических ударах звук проявляется в виде «металлических» щелчков, однако даже при таких, казалось бы, незначительных ударах давление в трубопроводе может возрастать весьма значительно.
В зависимости от скорости, с которой происходит закрытие арматуры на трубопроводе, гидравлический удар может быть «прямым» и «непрямым». «Прямым» называется удар, при котором перекрытие потока происходит за время, меньшее чем период удара, в противном случае гидравлический удар называется непрямым. При непрямом ударе скачок давления меньше по величине, так как часть энергии потока гасится утечкой через запорный орган.
Кроме того, в зависимости от степени перекрытия потока гидравлический удар может быть полным и неполным. Полным является удар, при котором запорный орган полностью перекрывает поток. Если же перекрытие неполное, и часть потока продолжает протекать через запорный орган, то гидравлический удар будет неполным.
Причины и последствия
В действительности, как уже упоминалось выше, основной причиной гидроудара на внутренних сетях или в сетях автономного тепло- водоснабжения бывает быстрое перекрытие потока запорной арматурой. На магистральных трубопроводах быстрого перекрытия потока запорной арматурой практически не бывает, так как там применяются задвижки с плавным перекрытием потока, вне зависимости от способа их закрытия – вручную (рис. 2) или автоматически приводом. Иначе резкое перекрытие потока на магистральных сетях, сопровождающееся развитием гидравлического удара, приводило бы к масштабным аварийным последствиям. Однако вред от последствий гидроудара на внутренних сетях тоже может быть весьма чувствительным, вплоть до затопления помещения с порчей имущества, а в многоэтажном доме и с затоплением квартир соседей на нижних этажах.
Возможность резкого перекрытия просвета трубопроводов на внутренних сетях сегодня связывается с распространением однорычажных кранов и, в меньшей мере, шаровых. В отличие от них, вентильные краны закрываются относительно плавно. Помимо этого причиной гидравлического удара могут стать: воздушные пробки; поломка или отключение (вследствие пропадания напряжения в электросети) циркуляционного насоса, насосной станции; перепады сечения труб.
Полный гидроудар в некоторых случаях может сразу вывести из строя подключённый к трубопроводу прибор (рис. 3) , нарушить целостность и герметичность трубопровода (рис. 4), но даже повторяющиеся неполные гидравлические удары могут стать причиной сокращения безаварийного срока службы трубопроводов за счёт выдавливания прокладок и уплотнителей в арматуре и соединениях, расслоения и схлопывания при разрежении внутреннего слоя многослойных полимерных и металлополимерных труб (рис. 5).
Каждый гидроудар в трубопроводе из полимерных материалов, выполненном на обжимных, прессовых или надвижных соединителях, приводит к микроскопическому «сползанию» соединителя с трубопровода. В конце концов, может наступить момент, когда труба полностью «выползет» из фитинга.
Кавитация в местах разрежения при гидроударах, сопровождающаяся схлопыванием кавитационных пузырьков, является причиной появления каверн в золотнике и корпусе запорной арматуры с последующим нарушением герметичности запорного органа.
Меры профилактики и защиты от гидроудара
Одной из лучших мер профилактики от возникновения гидроудара является плавное и медленное закрытие запорной арматуры.
Однако широкое распространение рычажных смесителей и, например, быстрое закрытие электромагнитных клапанов бытовой техники делают соблюдение этого профилактического условия проблематичным.
Исключить возникновение гидроудара вследствие останова циркуляционного насоса при перепадах напряжения можно, подключив к электросети энергозависмое оборудование через источник бесперебойного питания или инвертор.
Возможность возникновения гидроударов снижает использование на внутренних сетях труб одного диаметра, но это не исключает возможностей возникновения его по другим причинам. Трубопровод, собранный из труб большего диаметра, частично сглаживает гидравлический удар. В трубопроводах большого диаметра рабочая среда движется медленнее, чем в системах с меньшим диаметром. Чем меньше скорость потока жидкости, тем меньше импульс и слабее сила гидроудара. Однако трубопроводы большого диаметра дорогостоящи и далеко не всегда применимы на внутренних сетях зданий.
Компенсации действия гидравлического удара можно также добиться за счёт установки в местах его возможного возникновения вставок петель из эластичных труб. Однако наиболее действенным и универсальным средством зашиты от последствий гидроудара является специально разработанная арматура – гасители гидравлического удара.
Защита с гарантией
Выпускаются и присутствуют на рынке пневматические - поршневые и мембранные или пружинные гасители гидроударов (рис. 6).
Мембранный пневматический гаситель гидроудара конструктивно состоит (рис. 9, 10) из шаровидного корпуса, обычно выполненного из нержавеющей стали, с завальцованной мембраной из EPDM. Воздушная камера гасителя находится под заводским давлением, обеспечивающим защиту трубопроводов. При необходимости давление в воздушной камере может быть увеличено с помощью насоса, присоединяемого к ниппелю, или наоборот снижено до расчётного, соответствующего применению на трубопроводе с конкретными рабочими характеристиками.
Гасители гидроударов, установленные на квартирных системах теплоснабжения, кроме своей основной задачи, выполняют дополнительные функции. На трубопроводах с горячей водой гасители при гидроударах ликвидируют опасность вскипания горячего теплоносителя в зоне разрежения. Кроме того, конструкционно мембранные гасители гидроудара аналогичны мембранным бакам (гидропневмоаккумуляторам), устанавливаемым в системах автономного отопления в целях компенсации теплового расширения теплоносителя. Соответственно мембранные гасители гидроударов могут частично выполнять и эту функцию.
Место установки
Желательно предусматривать установку гасителей гидроудара на стадии проектирования внутренних систем теплоснабжения и водоснабжения (рис. 11). Наибольшая эффективность гасителя гидроударов достигается при его установке непосредственно перед защищаемой арматурой.
В этом случае возможность появления гидроудара полностью исключается. В квартирных системах, где трубопроводы не имеют значительной протяжённости, допускается устанавливать один гаситель на группу приборов.