تعریف ضربه قوچ
پدیده ای بنام ضربه قوچ از ترجمه واژه فرانسوی Coup DE Belier گرفته شده است و مترادف اصطلاح انگلیسی Water Hammer (چکش آبی) می باشد، ضربه قوچ در اثر یک تغییر (یا قطع ناگهانی) در سرعت جریان سیال در یک مجرا (شبکه) به وجود می آید، به عبارت دیگر انرژی سینتیک (Kinetic Energy) به انرژی الاستیسیته (Elasticity Energy) تبدیل می گردد.
گاهی اوقات قدرت تخریبی این موج ها به حدی است که نتایج وخیمی به بار می آورد. ترکیدن لوله و خطوط لوله در سیستم های انتقال و شبکه های توزیع، خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه های کنترل و پمپ ها از نمونه های بارز تاثیر این پدیده می باشد.
از این گونه حوادث که در طرح های آبی موجب تخریب می گردد؛ فراوان مشاهده می شود و همه ساله خسارت زیادی را بر سیستم های جریان تحت فشار تحمیل می نماید. البته در بعضی از پروژه ها شدت تخریب ضربه قوچ به حدی است که به یکباره سیستم انتقال را فلج می نماید، اما در همین سیستم ها نیز با تکرار این حادثه در هنگام بهره برداری موجب می شود تا از کارایی سیستم ها کاسته شده و نهایتاً به خطوط لوله، شیرآلات و دریچه ها، پمپ ها و توربین ها و سازه ی اطراف سیستم هیدرولیکی و یا تأسیسات مکانیکی مجاور صدمه وارد آید.
در واقع امروزه در کلیه طرح های انتقال آب یا سیستم های انقال سیالات دیگر، بررسی و مطالعه دقیق ضربه قوچ به عنوان یک امر لازم و ضروری می باشد تا با شناخت کامل اثر آن، برای کنترل اثرات سوء این فرآیند تمهیدات مناسب اتخاذ گردد و سیستم انتقال از خطرات این پدیده مصون بماند.
ضربه قوچ آب در خطوط لوله را شاید بتوان یکی از پیچیده ترین و در عین حال جذابترین پدیده در نظر افرادی که با سیستم های پمپاژ و انتقال آب سروکار دارند به حساب آورد.
طراحی سیستم های با سرعت جریان کم (موردی که در ایران بسیار رایج است) باعث افزایش قطر لوله ها شده و سبب می شود که سالانه هزاران تن لوله اضافی در خاک مدفون بشود و اجرای پروژه ها با هزینه های سرسام آوری انجام یابد و از طرف دیگر اهمیت ندادن به مسائل ضربه قوچ (بخصوص در خط لوله با طول کم و یا ارتفاع استاتیک کم) مشکلات زیادی پیش می آورد که بهره برداری از سیستم ها را بسیار مشکل، پرهزینه و یا حتی غیرممکن می کند.
لذا آشنایی هر چه بیشتر کلیه دست اندرکاران سیستم های پمپاژ و انتقال آب با اصول اولیه این پدیده، روشهای محاسبه، عوامل تأثیر گذار و روش های مقابله با آن کاملاً ضروری است ضربه قوچ افزایش فشار یا موجی است که در شاره های در حال حرکت پس از توقف یا تغییر مسیر ناگهانی پیش می آید. این افزایش فشار معمولاً هنگامی رخ میدهد که شیری در مسیر حرکت شاره (آب یا گاز) ناگهان بسته میشود. ضربه قوچ که در بعضی از متون فارسی از آن به عنوان «چکش آبی» هم یاد شده از ترجمه واژه Water Hammering آمده است.
این پدیده در خطوط لوله جریان تحت فشار و مجاری باز اتفاق می افتد و بوضوح بر قوانین فشار، تغییرات آبی یا تغییرات سرعت جریان و شرایط زمانی و مکانی حرکت سیال استوار است. در بعضی از سیستم های هیدرولیکی تحت فشار، نظیر خطوط انتقال آب، نفت یا شبکه های توزیع و لوله های آب بر منتهی به توربین ها، تونل های آبی، سیستم های پمپاژ و جریان های ثقلی، پدیده ضربه قوچ با ایجاد موج های سریع، زودگذر و میرا موجب خطرات گوناگونی می شود.
گاهی اوقات قدرت تخریبی این موج های فشار به حدی است که نتایج وخیمی به بار می آورد. ترکیدن خطوط لوله در سیستم های انتقال و شبکه های توزیع، خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه های کنترل و پمپ ها از نمونه های بارز تأثیر این پدیده می باشد.
مثال قدرت تخریب ضربه قوچ
برای نمونه، در سال ۱۹۳۴ میلادی قدرت تخریبی ضربه قوچ در پروژه ای موجب شده که قطعه ای از اطراف خط لوله به وزن ۱۲ تن تا فاصله ۵۰ متری پرتاب شود. در واقع امروزه در کلیه طرح های انتقال آب یا سیستم های انتقال سیالات دیگر، بررسی و مطالعه دقیق ضربه قوچ به عنوان یک امر لازم و ضروری می باشد تا با شناخت کامل اثر آن، برای کنترل اثرات سوء این فرایند تمهیدات مناسب اتخاذ گردد.
ایجاد ضربه قوچ در اثر قطع برق در پمپ ها
در موقع قطع برق موتور پمپ های دورانی یا سانتریفوژ (قطع ناگهانی برق یا خاموش کردن ناگهانی پمپ)، نیروی محرکه دوران دهنده پروانه پمپ سریع قطع می گردد، به همین دلیل سرعت جریان سیال بطور ناگهانی تغییر می یابد و انرژی سینتیک از حالت فشار به مکش در خروجی پمپ تبدیل می شود. در این تغییر، امواج فشاری شدیدی در امتداد لوله خروجی پمپ پیش می رود و این امواج در اثر برخورد با مانع (منبع آب) منعکس و برگشت می کند، موج برگشتی جهت جریان سیال را در پمپ عوض کرده و دبی ماکزیممی در جهت عکس، از پمپ جریان می یابد و پمپ به صورت توربین در جهت عکس چرخش اولیه خود شروع به چرخش می نماید و برای مدت کوتاهی پمپ همانند توربین آبی عمل می نماید.
هرگاه در شبکه ای با خطوط طویل، به هر علتی سرعت سیال ناگهان قطع شود، موج های فشاری در شبکه به وجود می آید، که این موج ها می توانند چندین برابر فشار کار دستگاه (پمپ)، فشار تولید نمایند و موجب به وجود آمدن تنش های بسیار زیادی در اجزاء شبکه گشته و باعث صدمات فراوانی به شبکه شوند و در بدترین حالات باعث شکستگی پوسته پمپ و لوله ها و اتصالات شبکه می شود. چنانچه این فشار تعدیل نشود پمپی که می بایست حداقل ۱۰ سال کار نماید در کمتر از ۱۰ ماه از بین می رود.
همانطور که در بالا اشاره شد، بر اثر قطع ناگهانی نیروی محرکه پمپ، برای زمان کوتاهی پمپ مانند توربین آبی (Water Turbine) عمل می نماید و کاهش ناگهانی حرکت سیال موجب می شود، فشار داخل لوله خروجی پمپ از فشار اتمسفر کمتر گردد. همچنین به علت اصطکاک درونی پمپ و موتور، کاهش قابل ملاحظه ای در خروجی پمپ ایجاد می نماید که مجموعه این عوامل باعث تبخیر آب و قطع جریان آن در خروجی پمپ می شود و حداقل فشاری در حد فشار بخار آب در لوله خروجی ایجاد می گردد.
عمل تشکیل بخار باعث جدا شدن ستون آب از پمپ می گردد (پدیده جدا شدن ستون آب، همان جدا شدن مایع است که در اثر کشش بیش از حد وقتی
فشار کاهش یافته و نزدیک فشار تبخیر می شود به وجود می آید.) و این کاهش فشار در لوله با سرعت و به صورت موج حرکت نموده و ادامه پیدا می کند تا به مخزنی که آب به آن پمپ می شود، می رسد. این حرکت موجی بر اثر برخورد با این مانع منعکس گشته و ستون های آب جدا شده مجدداٌ به هم متصل شده و به صورت یک موج افزایش یافته دوباره به سمت پمپ برمیگردد و به پمپ ضربه وارد می نماید (ضربه قوچ) و این پدیده مجدداً تکرار می شود.
در خلال حرکت موج فشار در لوله، مقداری از انرژی آن در اثر اصطکاک از بین می رود. موج فشاری ناشی از افزایش فشار موج تراکم و موج فشاری ناشی از کاهش فشار موج انبساط نام دارد، امواج تراکم در برخورد با مانع نرم مانند منبع آب، هوا و … به صورت موج انبساط و در برخورد با مانع سخت مانند شیر یکطرفه، دیوار و … بصورت امواج تراکم منعکس می شود، این مسئله در مورد موج انبساط نیز صدق می کند. افت فشاری که بر اثر اصطکاک داخل لوله به وجود می آید روی نوسانات فشار تأثیر نموده و کم کم آن را مستهلک و سیستم به حالت تعادل در می آید.
علائم ضربه قوچ
پتانسیل تخریبی ضربه قوچ با صدای ناشی از آن قابل تشخیص است، ولی مواردی بوده است که صدای ضربه قوچ شنیده نشده است، اما باعث منهدم شدن لوله گردیده که پس از آنالیز آن مشخص شده است که تخریب به وسیله پدیده ضربه قوچ بوده است.
ضربه قوچ سریع و زود گذر است ولی ضربات بسیار مخرب دارد و تعیین شدت آن در بعضی از مواقع بی نهایت دشوار می باشد. پدیده ضربه قوچ در زمان استارت پمپ هم به وجود می آید و باعث ازدیاد فشار اضافی در پمپ و لوله می گردد. ولی مشکلات و مخاطرات ناشی از آن کمتر از ضربه قوچ هنگام خاموش شدن پمپ می باشد.
بیشتر بخوانید:همه چیز درباره پمپ هادر ابتدای راه اندازی پمپ، میزان جریان آب حدود صفر می باشد و با ازدیاد ناگهانی فشار بر اثر چرخش پروانه و ایجاد جریان سریع، موج فشاری برابر با فشار ضربه قوچ (در حالتی که شیر بسته باشد) ایجاد می نماید، این پدیده را با نیمه باز گذاشتن شیر خروجی پمپ می توان کنترل و فشار اضافی ایجاد شده را کاهش داد.
راه های پیشنهادی جهت جلوگیری از ضربه قوچ در زمان خاموش شدن پمپ
برای کاهش فشار ناگهانی از پدیده ضربه قوچ بخصوص در زمان خاموش شدن پمپ راه های ذیل پیشنهاد می شود:
- ایجاد شیر یکطرفه بر روی لوله رانش (البته شیر یکطرفه از خطرات ناشی از ضربه قوج مصون نیست و می بایست بطور متوسط هر یک ماه یکبار بازدید شود.
- نصب شیر اطمینان برای تنظیم فشار
یکی از بهترین راه های کاهش ضربه قوج استفاده از یک محفظه هوا در مجاورت خط لوله که قسمت پائینی آن پر از آب بوده و قسمت بالائی آن هوای فشرده محبوس است می باشد، بدین ترتیب که محفظه هوا را به هر شکل دلخواه هندسی می توان ساخت و بصورت افقی، قائم یا کج نصب نمود، وقتی پمپ بطور ناگهانی خاموش می شود هوای داخل محفظه انبساط می یابد و آب انتهای آنرا به لوله رانش منتقل می کند، شیر یکطرفه لوله رانش بسته میشود و موج برگشتی به داخل محفظه هوا جریان می یابد. توجه به نکات زیر نیز ضروری است:
- اگر پوسته پمپ ضمن کار داغ گردد ولی پمپ هیچ آبدهی نداشته باشد، دلیل آن است که برای این پمپ فشار رانش خیلی بالا است (البته ممکن است در اثر کور شدن لوله پمپ نیز این اتفاق بیافتد).
- اگر پمپ سرد باشد ولی آبدهی نداشته باشد دلیل آن است که پمپ هوا گرفته است.
- اگر پمپ مکش ندارد در حالی که عقربه های فشار سنج بشدت می پرند، دلیل اینست که هواگیری پمپ کامل نیست.
- اگر پمپ مکش نداشته باشد و خلاءسنج خلاء زیادی را نشان دهد، بدلیل اینست که شیر پایاب (سوپاپ) خراب است یا برای پمپ مذکور سنگین است یا مقاومت لوله مکش زیاد می باشد و یا اینکه ارتفاع مکش زیاد است.
- اگر پمپ کار کند و فشار سنج و خلاءسنج صفر نباشند ولی آبدهی وجود نداشته باشد دلیل آن مقاومت زیاد خطوط لوله است.
- اگر آبدهی پمپ کمتر از ارتفاع محاسباتی باشد علت آن ممکن است به علت گرفتگی صافی یا پره های پمپ، یا مشکل آبندی، یا ارتفاع رانش خیلی زیاد و یا گردش معکوس پروانه ها باشد.
- اگر پمپ مدت کوتاهی کار کند ولی بلافاصله آبدهی آن قطع شود احتمالاً بعلت نشت هوا از اتصالات لوله مکش، یا گرفتگی لوله ها و یا عدم استغراق کامل دهنه مکش باشد.
- اگر یاتاقان های پمپ بیش از حد داغ نمایند (دمای آنها نباید بیش از ۶۰ – ۷۰ درجه گرم شوند) علت آن عدم روغن کاری کافی پمپ یا عدم بالانس بودن محور پمپ و موتور و یا بعلت سائیدگی ناشی از کار زیاد می تواند باشد.
- اگر شدت صدای موتور پمپ بیش از حد معمول باشد علت آن سفتی بیش از حد کاسه نمد ها یا فاصله زیاد پروانه ها بعلت سائیدگی زیاد می باشد.
سلام
ما یک ساختمان ۵ طبقه هستیم که دارای موتورخانه و شوفاژ هستیم. هنگامی که شیرهای گردش آب در رادیاتورها را باز میکنیم و زمانی که پمپ سیرکولاسیون شروع به گردش آب میکند، صداهای مانند صدای ضربه بعضا از لوله ها شنیده میشود که برخی مواقع خیلی شدید است و در کل ساختمان میپیچد. در حدی که شبها باعث از خواب پریدن ساکنین میشود.
آیا این موضوع هم میتواند نوعی ضربه قوچی باشد؟
ره رفع این مشکل چیست؟