حتما تا حالا شنیده‌اید که می‌گویند بعضی از آدم‌ها در مقابل تغییر مقاومت می‌کنند؛ در واقع برخی از آدم‌ها تمایل دارند همان روال عادی و همیشگی خود را ادامه دهند و نمی‌خواهند تغییری در شیوه زندگی خود ایجاد کنند. اما چرا این موضوع را در ابتدای این مقاله گفتیم؛ به خاطر اینکه به موضوع مشابه بالا در لوله‌کشی و فرآیند انتقال سیال به نام پدیده ضربه قوچ بپردازیم که اسم جالب و البته شاید عجیبی داشته باشد!
سیستم‌های لوله‌کشی نقش حیاتی در انتقال سیالات ایفا می‌کنند. همانند پدیده کاویتاسیون که می‌تواند باعث خوردگی و خرابی لوله‌ها شود، پدیده مخرب دیگری به نام ضربه قوچ یا چکش آبی وجود دارد که در سیستم‌های لوله‌کشی می‌تواند خسارات قابل‌توجهی به لوله‌ها، شیرها و تجهیزاتی مثل پمپ وارد کند.
ضربه قوچ زمانی رخ می‌دهد که جریان سیال در لوله به طور ناگهانی متوقف شود؛ به این معنی که یک تغییر ناگهانی در جریان قبلی سیال اتفاق بیوفتد. این توقف می‌تواند ناشی از بستن سریع شیر، خاموش شدن ناگهانی پمپ آب و... باشد.
در این مقاله، به بررسی جامع ضربه قوچ، علل وقوع، معایب و تاثیرات مخرب، راه‌های مقابله و جلوگیری و فرمول‌های محاسباتی مربوط به آن همراه با مثال عینی می‌پردازیم.
ضربه قوچ چیست؟
ضربه قوچ، پدیده‌ای مخرب در سیستم‌های لوله‌کشی است که با نام‌های چکش آبی یا Water Hammer نیز شناخته می‌شود و به دلیل تغییرات ناگهانی سرعت سیال رخ می‌دهد. زمانی که به هر دلیلی جریان سیال به طور ناگهانی متوقف شود، انرژی جنبشی سیال در زمان کوتاهی به انرژی فشاری تبدیل می‌شود و امواج ارتعاشی با فشار بالا در لوله ایجاد میکند. این امواج با سرعتی معادل سرعت صوت در سیال، در طول لوله به عقب و جلو حرکت میکند و می‌تواند پیامدهای مخربی مثل شکستن و ترکیدگی برای لوله‌ها، اتصلات، شیرها و تجهیزات جانبی در مسیر جریان سیال مثل پمپ به همراه داشته باشد.
فرمول ضربه قوچ
همان طور که گفته شد ضربه قوچ نام یک پدیده مخرب در مسیر لوله‌های حاوی سیال است که منجر به افزایش فشار ناگهانی و گاهی شکستگی و ترکیدن لوله‌ها می‌شود. وقتی صحبت از فرمول ضربه قوچ می‌شود، منظور روابطی است که برای محاسبه افزایش فشار ناگهانی ناشی از ضربه قوچ اتفاق می‌افتد.
زمانی که به طور ناگهانی مسیر جریان مسدود می‌شود، فشار ناگهانی افزایش می‌یابد و نیروی شدیدی به لوله و تجهیزات وارد می‌شود. از علم سیالات می‌دانیم این مقدار نیروی اعمالی به دبی جریان و زمان بسته‌شدن مسیر جریان وابسته است. نوسانات فشار ناشی از ضربه قوچ خود را به شکل موج در سیال نشان می‌دهند و در این رابطه باید نکات زیر را توجه داشت:
- مقدار سرعت انتشار امواج فشاری ناشی از ضربه قوچ در سیال به مدول بالک سیال و چگالی آن وابسته است.
- مدت زمان دوره تناوب امواج، به طول لوله و سرعت انتشار امواج فشاری در آن سیال وابسته است.
- و در نهایت مقدار افزایش فشار ناشی از پدیده ضربه قوچ در سیال چگالی، سرعت موج در سیال و سرعت جریان سیال وابسته است.
با توجه به نکات بالا، فرمول‌های محاسبه پارامترهای لازم برای محاسبه افزایش فشار ضربه قوچ از روابط زیر استخراج می‌شود:
مثال عینی محاسبه افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ
یک پمپ آب سانتریفیوژ، آب را در لوله‌ای به قطر 200 میلی‌متر انتقال می‌دهد. در فاصله 500 متری از پمپ شیر یک طرفه تعبیه شده است. فرض کنید پمپ آب را با سرعت 0.5 متر بر ثانیه پمپاژ میکند. به طور ناگهانی شیر بسته می‌شود.
( 2.07×10 9 N/m 2 مدول بالک آب در دمای 30 درجه)
1) مقدار افزایش فشار آب در این لحظه چقدر می‌شود؟
2) مقدار افزایش فشار مجاز برای اینکه ضربه قوچ آسیبی به لوله‌ها، اتصالات و پمپ وارد نکند، 200 کیلوپاسکال است. برای اینکه حداکثر افزایش فشار برگشت جریان آب این مقدار باشد، مدت زمان بسته‌شدن شیر چقدر باید باشد؟
پاسخ سوال 1: در ابتدا مقدار سرعت امواج ناشی از نوسانات فشار در آب از رابطه زیر محاسبه می‌شود:
مقدار افزایش فشار آب ناشی از بستن ناگهانی شیر برابر است با:
پاسخ سوال 2: مقدار T حداقل زمان برگشت جریان برابر است با:
برای اینکه افزایش فشار کمتر از 719 کیلوپاسکال باشد، مدت زمان بسته شدن شیر باید بیشتر باشد بنابراین از رابطه زیر داریم:
علل وقوع ضربه قوچ
ضربه قوچ زمانی رخ می‌دهد که سرعت جریان سیال در لوله به طور ناگهانی تغییر کند. این تغییر سرعت می‌تواند به دلایل مختلفی مانند موارد زیر اتفاق بیفتد:
- بستن ناگهانی شیر: رایج‌ترین علت ضربه قوچ، بستن سریع شیر انتهای لوله است.
- خاموش شدن ناگهانی پمپ: توقف ناگهانی پمپ و سایر تجهیزات دوار، سرعت جریان را به طور ناگهانی کاهش داده و برگشت جریان و نوسان موج فشار ایجاد میکند که منجر به ضربه قوچ می‌شود.
- باز شدن ناگهانی شیر: باز شدن ناگهانی شیر انتهای لوله، می‌تواند موجی از فشار را به سمت ابتدای لوله بفرستد و ضربه قوچ ایجاد کند.
- وجود هوا در لوله: وجود هوا در لوله نیز می‌تواند به تشدید ضربه قوچ کمک کند.
- استفاده از شیر نامناسب در مسیر جریان سیال: شیرآلات تنوع زیادی دارند و مکانیزم بسته‌شدن آنها با یکدیگر متفاوت است. گاهی امکان انتخاب و نصب شیر مناسب‌تری از لحاظ زمان مسدودکردن جریان وجود دارد ولی این کار انجام نشده است.
معایب و تاثیرات مخرب ضربه قوچ
ضربه قوچ می‌تواند اثرات مخرب متعددی به همراه داشته باشد، از جمله:
- ترک خوردن و شکستن لوله‌ها: فشار ناگهانی ناشی از ضربه قوچ می‌تواند باعث ترک خوردن و حتی انفجار لوله‌ها شود.
- خرابی شیرها و اتصالات: ضربه قوچ می‌تواند به شیرها، اتصالات، گیج‌ها و سایر تجهیزات جانبی لوله‌ها و هر گونه تجهیزی که در مسیر لوله قرار دارد مثل پمپ، آسیب برساند و باعث نشت، از کار افتادن و حتی انفجار آنها شود.
- ایجاد حفره در لوله‌ها: در موارد شدید، ضربه قوچ می‌تواند باعث ایجاد حفره در جداره لوله‌ها شود، به خصوص در لوله‌های فلزی که در معرض خوردگی قرار دارند.
- ایجاد سر و صدای آزاردهنده: ضربه قوچ می‌تواند با ایجاد لرزش و ارتعاش در لوله‌ها، سروصدای آزاردهنده‌ای ایجاد کند.
- خطرات جانی: در موارد شدید، ضربه قوچ می‌تواند باعث انفجار لوله‌ها و پرتاب قطعات آن شود که خطرات جانی به همراه دارد.
راه‌های مقابله و جلوگیری از ایجاد ضربه قوچ
برای جلوگیری از ضربه قوچ یا کاهش اثرات آن، چند پیشنهاد وجود دارد:
- بستن شیرها به آرامی: از بستن ناگهانی شیرها خودداری کنید و به آرامی آنها را ببندید تا از ایجاد ضربه قوچ جلوگیری شود.
- استفاده از شیرهای کاهنده سرعت: این شیرها سرعت جریان را به طور تدریجی کاهش می‌دهند و از ایجاد ضربه قوچ جلوگیری می‌کنند.
- استفاده از چک ولو: شیر یک طرفه یا چک ولو از برگشت جریان جلوگیری میکند. چک ولو انواع مختلفی دارد و باید از مناسب‌ترین چک ولوی که از پدیده ضربه قوچ جلوگیری میکند، اطلاع پیدا کرد.
- نصب شیر اطمینان: شیر اطمینان در صورت افزایش ناگهانی فشار، به طور خودکار باز شده و از ترکیدن لوله‌ها جلوگیری میکند.
- استفاده از مخزن هوا: مخزن هوا می‌تواند شوک‌های ناشی از ضربه قوچ را جذب کند و از آسیب به لوله‌ها جلوگیری کنند.
- استفاده از دمپر ضربه قوچ: این تجهیز قبل از شیر نصب می‌شود و افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ را دمپ میکند.
- انتخاب لوله‌های مناسب: استفاده از لوله‌های با ضخامت و استحکام بیشتر می‌تواند در برابر ضربه قوچ مقاوم‌تر باشد. همچنین انتخاب لوله‌های با قطر بزرگتر، افت فشار کمتری در سیستم ایجاد می‌کنند و در نتیجه احتمال ضربه قوچ در آنها کمتر است.
جمع‌بندی
مسیرهای انتقال سیال را سیستم لوله‌کشی مشخص می‌کنند. سیال به خودی خود در یک مسیر افقی ساکن و راکد می‌باشد و برای به حرکت درآمدن نیاز به اعمال فشار به آن است؛ این فشار می‌تواند از طریق نیروی جاذبه و شیب‌دارکردن مسیر جریان باشد یا از طریق یک نیروی خارجی مثل کارکردن پمپ به سیال اعمال شود.
اما زمانی که سیال جریان دارد و مسیر جریان به ناگهان بسته می‌شود، جریان، برگشت نسبی پیدا میکند و فشار نوسانی و شدیدی ایجاد می‌شود که به پدیده ضربه قوچ معروف است. ضربه قوچ پدیده‌ای مخرب در لوله‌ها محسوب می‌شود و نتایج مخربی در سیستم‌های لوله کشی پمپ آب می‌تواند داشته باشد. برای جلوگیری از ضربه قوچ و کاهش آثار مخرب آن راهکارهایی وجود دارد که در این مقاله به آنها پرداخته شد.