Гидравлический удар в магистральном трубопроводе. Ударное давление. Ударная волна

стационарное течение жидкости в трубопроводе нарушается путем резкого закрытия (или открытия) задвижки, включения (или отключения) насоса и т.д., в результате чего происходит резкое торможение (или ускорение) потока и ударное сжатие ее частиц.

При внезапном (мгновенном) перекрытии трубопровода в остановившемся слое жидкости непосредственно у задвижки (клапана, крана, т.д.) повышается давление вследствие преобразования кинетической энергии остановившегося слоя жидкости в потенциальную энергию (энергию давления) жидкости. При этом жидкость сжимается, а сечение трубопровода расширяется.

По мере остановки последующих слоев жидкости увеличение давления будет распространяться по трубопроводу в сторону от задвижки, создавая волну повышенного давления, называемую ударной волной.

После того, как жидкость остановится по всей длине трубопровода до резервуара, давление в трубопроводе станет больше давления в резервуаре, и жидкость придет в движение в направлении к резервуару, создавая волну пониженного давления в трубопроводе, называемую обратной ударной волной.

Существует два типа удара:

Прямой удар возникает в том случае, когда время закрытия оказывается меньше фазы удара, число фаз пробега меньше 1.

 

 

При обратном соотношении этих величин происходит не прямой или неполный удар, при котором увеличение давления оказывается меньше, чем при прямом ударе, число фаз пробега больше 1.

При непрямом гидроударе фронт ударной волны не только меняет направление своего движения на противоположное, но и частично проходит далее сквозь не до конца закрытую задвижку.

Время пробега прямой ударной волны (повышения давления от задвижки до резервуара) и обратной ударной волны (понижения давления от резервуара до задвижки) называется фазой гидроудара и определяется по формуле:

,

где – длина трубопровода;

     – фаза удара;

     – скорость распространения ударной волны.

После прохождения обратной волны – волны протекания жидкости из трубопровода в резервуар – благодаря инерции жидкости, давление в трубопроводе станет ниже, чем в резервуаре, и начнутся повторное движение жидкости по трубопроводу в сторону задвижки и повторный гидравлический удар, но с меньшим повышением давления, вследствие потерь энергии потока на трение и деформацию трубопровода, фазы гидроудара будут повторяться до полного затухания.

Повышение давления при гидравлическом ударе может во много раз превышать начальное давление в трубопроводе и может привести к разрушению трубопровода и арматуры.

Фронт, на котором происходит изменение гидродинамических параметров жидкости, имеет относительно малую протяженность и в виде волны давления распространяется по потоку. Аналогичное явление возникает в нефтепроводе и в других случаях, когда происходит скачкообразное изменение скорости (расхода) жидкости. Возможность гидравлического удара следует учитывать при проектировании и эксплуатации нефтепроводов, поскольку ударное давление может намного превысить допустимые нормы, привести к разрыву трубы и возникновению аварийной ситуации.

Необходимость считаться с разрушительной силой гидравлического удара в трубопроводах, транспортирующих капельные жидкости (нефть, нефтепродукты, воду и т.п.), выражается в том, что на подобных трубопроводах (в отличие от газопроводов) никогда не устанавливают краны, быстро перекрывающие сечение трубопровода, а наоборот, применяют вентильные задвижки, дающие медленное перекрытие сечения и обеспечивающие безопасную остановку потока жидкости. Минимальное время закрытия задвижки определится исходя из условия прочности трубопровода:

,

где – длина трубопровода;

    – скорость потока до закрытия задвижки;

     – давление до закрытия задвижки;

     – максимально допустимое давление, которое может выдержать трубопровод:

,

где – толщина стенки трубопровода;

     – максимально допустимые напряжения для данного материала трубы;

     – радиус внутренней поверхности трубы.

Тогда

 

 

Более того, в ряде случаев на перекачивающих станциях применяют специальные устройства, призванные защитить трубопровод от последствий гидравлического удара. Например, на линиях всасывания перекачивающих станций устанавливают гасители гидравлического удара на случаи, если станция внезапно отключится и давление перед ней начнет повышаться. Принцип действия гасителей гидравлического удара состоит в отводе части жидкости из трубопровода в специальный резервуар для снижения темпа нарастания давления. На линиях нагнетания перекачивающих станций устанавливают системы автоматического регулирования, одна из задач которых состоит в защите станций от ударных волн давления, распространяющихся вверх по потоку и приходящих с предыдущего участка.

Впервые правильное объяснение гидравлического удара дал наш великий соотечественник Н.Е. Жуковский в конце прошлого века. Его исследования были выполнены на Московской водопроводной станции, а сама работа "О гидравлическом ударе в водопроводных трубах" (1899) стала классической работой, известной во всем мире. Н.Е. Жуковский впервые связал значение ударного давления со свойствами сжимаемости жидкости и упругости стенок трубопровода. При этом были получены, проверены и рекомендованы к практическому использованию формулы для определения величины повышения давления при гидравлическом ударе и формулы для определения скорости с распространения ударной волны:

,

где – плотность жидкости;

     – средняя скорость движения жидкости в трубопроводе до гидроудара.

,

 

где и – модули упругости, соответственно жидкости и материала трубопровода;

     – внутренний диаметр трубопровода;

     – толщина стенки трубопровода.

Если трубопровод стальной (Па), а жидкостью является вода (), то формула для расчета с примет вид:

 

 

Волны гидравлического удара, генерируемые в нефтепроводах резкими изменениями скорости потока, могут распространяться на значительные расстояния, постепенно затухая вследствие диссипации механической энергии за счет сил вязкого трения. Наибольшую опасность волны повышенного давления представляют для тех участков трубопровода, где и без того существовало достаточно высокое статическое давление. Такие участки находятся вблизи перекачивающих станций, а также в наиболее низких сечениях трубопровода. В последних может быть высоким пьезометрический напор, что равносильно высокому давлению. При отражении волны гидравлического удара от закрытого сечения трубопровода или тупикового отвода амплитуда волны удваивается, что еще больше способствует возникновению аварийной ситуации.

Но и волны снижения давления могут вызывать опасные явления. В наиболее высоких сечениях нефтепровода могут возникать парогазовые скопления, которые при возврате к стационарному режиму исчезают далеко не сразу. При этом они значительно уменьшают расход перекачки и вызывают повышенную вибрацию трубопровода. На участках трубопровода с большим перепадом высот могут возникать возвратные течения жидкости, приводящие к так называемым профильным гидравлическим ударам.