Защита напорных трубопроводов от гидравлического удара

Основная причина, вызывающая гидравлические удары в напор­ных трубопроводах, — аварийное отключение электропитания дви­гателей насосов. Гидравлических ударов, возникающих в результа­те изменения степени открытия запорной арматуры, практически можно избежать, изменяя режим закрытия и открытия. Некоторы­ми особенностями в этом отношении отличаются закрытые ороси­тельные системы.
При отключении электродвигателей насосов, подающих воду по напорным трубопроводам в открытые емкости, процесс гидравли­ческого удара протекает следующим образом.
После отключения насосов уменьшаются частота вращения ро­торов агрегатов, подача и напор. Давление на насосной станции на­чинает снижаться. Снижаются и скорости движения воды в трубо­проводе. В какой-то момент вода остановится и далее начнет дви­гаться с ускорением в обратном направлении.
При наличии обратных клапанов на напорных линиях насосов изменение направления движения воды в трубопроводе вызыва­ет закрытие их дисков, что резко замедляет движение потока и значительно повышает давление — происходит гидравлический Удар.Вращения возрастает гвдравлическое сопротив­ление насосов и замедляется движение потока воды при некотором повышении давления, однако значительно меньшем чем при от сутствии сброса воды (при установке обратных клапанов)  давление повышается в процессе гидравлического удара, сопровождающегося образованием в трубопроводах разры­вов сплошности потока, которые происходят вследствие сниже­ния давления в трубопроводах до предельного значения вакуума в них. В момент ликвидации разрывов сплошности потока происхо­дит соударение разошедшихся в период образования разрыва ко­лонн воды с резким и иногда значительным повышением давление.
Прочностные показатели труб для прокладки напорных водово­дов назначают по расчетному давлению, принимаемому равным лиоо максимальному рабочему давлению, либо давлению при гид­равлическом ударе, умноженному на коэффициент 0,85 для сталь­ных труб и на 1 для труб из других материалов.
Повышение давления при гидравлическом ударе может быть оп­ределяющим при выборе прочностных показателей труб.
Рассчитывают прочностные показатели труб внешней нагрузки трубопровода при наличии в нем вакуума (практически это отно­сится к стальным трубам большого диаметра). Поэтому должны ьыть использованы средства защиты от гидравлического удара что-оы не увеличивать прочностные показатели труб по сравнению с теми, которые могут быть приняты по максимальному рабочему.
Средства защиты от гидравлического удара можно разделить на две большие группы: первая - средства защиты, предназначенные для сброса воды из напорных трубопроводов, вторая - средства за­щиты, препятствующие развитию значительных скоростей движе­ния воды в обратном направлении.
Воду из напорных трубопроводов сбрасывают через насосы и напрямую. Сброс воды через насосы - наиболее простое и деше­вое средство защиты, не требующее каких-либо дополнительных затрат, иднако при этом возникает реверсивное вращение роторов насосных агрегатов, которое в отдельных случаях может превы­сить допустимое (как для насоса, так и для электродвигателя) Иногда для уменьшения реверсивной частоты вращения можно ограничить сброс воды, осуществляя его через обводные линии к обратным клапанам на напорных линиях насосов. Диаметр обвод­ных линий принимают равным >з. Уз диаметра обратного клала-на (рис. /. lz).

Воду помимо насосов сбрасывают и через обычные предохра­нительные клапаны или специальные клапаны-гасители, открывающиеся еще до повышения давления сверх рабочего (рис. 7.13).

Рис. 7.12. Схема устройства обводной линии к обратному клапану:

1 — обратный клапан; 2 — обводная линия с задвижкой; 3 — задвижка на напорной линии насоса

Рис. 7.13. Клапан-гаситель

1 — клапан; 2— цилиндр; 3 — поршень; 4— гидрораспределитель; 5— масляный тормоз; 6— соединительные импульсные трубки; 7— обратный клапан; 8— магистральный трубопровод; 9— отводная труба

Рис. 7.14. Аэрационный клапан (клапан для впуска и защемления воздуха):
а — схема клапана: 1 — ось для подвески диска; 2— ограничитель хода диска; 3 — диск с резиновым уплотнением; 6— схема установки клапана: 7 — фланец клапана; 8 — трубопровод
Использование этой арматуры не приводит к реверсивному вра­щению роторов агрегатов, но связано с дополнительными строи­тельными и эксплуатационными затратами. Необходимы система­тическая регулировка и наладка этой арматуры. Поэтому к сбросу воды без применения насосов прибегают лишь в тех случаях, когда через насосы он невозможен.
К средствам защиты от гидравлического удара, препятствующим развитию значительных скоростей, относятся:

впуск воздуха в места образования разрывов сплошности пото­ка в трубопроводе с последующим сжатием воздуха, для чего на трубопроводе устанавливают аэрационные клапаны (клапаны для впуска и защемления воздуха — КВЗВ), которые открываются при снижении давления в трубопроводе ниже атмосферного, обеспечи­вая впуск воздуха в трубопровод, и закрываются при повышении давления больше атмосферного. Сжатие вошедшего через клапан объема воздуха приводит к уменьшению скорости потока в обрат­ном направлении и тем самым снижает давление в трубопроводе в процессе гидравлического удара. На практике применяли пружин­ные и грузовые аэрационные клапаны. Однако серийно их не вы­пускали. Поэтому было предложено использовать в качестве аэра-ционных обратные клапаны (рис. 7.14).
Установка аэрационных клапанов на трубопроводах — простое и дешевое средство защиты от гидравлических ударов. Однако сжатие воздуха приводит к ощутимому снижению давления лишь при от­носительно небольших статических напорах (15… 20 м) в месте уста­новки аэрационных клапанов. Поэтому при больших напорах ис­пользуют другие средства защиты или сочетают впуск воздуха с дру­гими средствами; впуск воды в места возможного образования разрывов сплошности потока для устранения этих разры­вов (рис. 7.15). Впуск воды в боль­шинстве случаев осуществляют из специального резервуара, соеди­ненного с напорным трубопрово­дом линией, оборудованной обрат­ным клапаном. При нормальном режиме работы тарель обратного клапана закрыта давлением воды в трубопроводе, при уменьшении давления в трубопроводе ниже уровня воды в резервуаре обратный клапан открывается и вода поступа­ет в трубопровод.
Впуск воды может быть осуще­ствлен и из водонапорных колонн, но из-за относительно высокой стоимости в мелиорации их прак­тически не применяют;

разделение трубопровода на не­сколько частей и установка на нем дополнительных обратных клапанов. В результате гидравлического удара вода начинает двигаться в обратном направлении, клапаны закрываются и разделяют трубо­провод на несколько частей, в пределах каждой из которых стати­ческий напор относительно невелик. Это средство защиты может быть эффективно использовано при значительном геометрическом подъеме воды.

Рис. 7.15. Резервуар для впуска воды, совмещенный с анкерной опорой:

1 — резервуар; 2— обратный клапан; 3 — напорный трубопровод

Гидравлические удары в закрытых оросительных системах могут значительно отличаться от гидравлических ударов в трубопроводах, подающих воду в открытые емкости. Они возникают не только при аварийных отключениях насосных агрегатов, но и вследствие дру­гих причин.
Работу насосных станций закрытых оросительных систем обыч­но предусматривают в автоматическом режиме, поэтому отключают и пускают насосные агрегаты при изменении режима полива при открытых задвижках на напорных линиях насосов. При отключе­нии насосов направление движения воды в его напорной линии из­меняется очень быстро, и к этому времени тарель обратного клапа­на остается еще открытой. Закрытие обратного клапана приводит к значительному, правда, непродолжительному повышению давле­ния.
Кроме аварийных и плановых отключений насосных агрегатов причиной гидравлических ударов в закрытых оросительных систе­мах может быть отключение дождевальных машин типа «Фрегат», поскольку при аварийных ситуациях время их отключения ограни­чено (40…45 с).
Для снижения давления при гидравлических ударах в закрытых оросительных системах применяют следующие мероприятия: сброс воды через обводные линии к обратным клапанам на напорных ли­ниях насосов и через насосы, установка водовоздушных резервуа­ров у насосной станции, изменение типа запорной арматуры и ре­жима ее закрытия.
Для определения повышения давления при гидравлических уда­рах и назначении соответствующих мер защиты требуются расчеты, учитывающие основные факторы, существенно влияющие на про­цесс гидравлического удара и позволяющие получать результаты с необходимой степенью точности. Однако они сложны и трудоемки, и выполнить их можно лишь с применением современных средств вычислительной техники.