Гидроудар в трубопроводе: основные причины, последствия и способы защиты

Основные меры профилактики

Кроме строгого соблюдения всех установленных эксплуатационных правил, предотвратить возникновение аварии можно, если своевременно и регулярно проводить ряд профилактических действий. Вся причина в том, что в главной системе обогрева или водоснабжения абсолютно все процессы тесно связаны между собой. Непредвиденный пользователем гидроудар является всего лишь финальным деструктивным этапом, который вполне может привести к различным негативным последствиям. Все это происходит на фоне относительно плохого технического состояния годами используемых труб.

Перепады величины давления и возникающих вибраций только способствуют образованию различных трещин в толще металла. Со временем возникают более серьезные дефекты, которые после наступления гидроудара мгновенно проявляются на участках слишком высокого внутреннего напряжения. Это могут быть различные места изгибов, механические соединения и даже сварочные швы.

Профилактические манипуляции включают в себя следующие этапы:

  1. Своевременная проверка давления за эластичной мембраной эксплуатируемого расширительного сосуда. Если в ходе этой процедуры мастер обнаружит неудовлетворительные результаты, то без качественной корректировки эксплуатировать систему запрещено.
  2. Проверка работоспособности задействованных групп безопасности. Это касается отводчика воздуха, предохранительного клапана, а также классического манометра.
  3. Контроль положения вентилей задействованной запорно-регулирующей металлической арматуры.
  4. Периодическая проверка состояния всех фильтров. Эти элементы отвечают за задержку мелкого песка, классической накипи, фрагментов ржавчины. В случае необходимости мастеру нужно выполнить прочистку и последующую промывку фильтров.
  5. Тестирование используемой системы на наличие утечек. Также нужно проверить степень износа всех элементов.

Многие эксперты рекомендуют заменить классическую жесткую трубу пластиковым изделием. Оно более эластично в применении и способно быстро расширяться под воздействием давления. Но нужно быть аккуратными, так как не исключена разгерметизация стыков.

Профессиональный подход к профилактике, которая направлена на всеобщее поддержание оптимального состояния отопительной и водонагревательной системы, обязательно включает в себя элементарные виды работ. Оставлять без внимания этот этап не рекомендуется. Это связано с тем, что ремонт отопления в частном доме влечет за собой большие траты финансов и свободного времени. Все описанные меры защиты будут эффективными в том случае, если подходить к работе комплексно. Только в такой ситуации можно нейтрализовать различные нежелательные последствия и продлить срок слаженной работы системы.


Установка высококачественного промывного фильтра

Авто застряло в луже — как быть?

Если машина глохнет посреди лужи — не запускайте движок, не узнав причину остановки!

Если произошел гидроудар двигателя — признаки будут следующие:

  • заметные повреждения мотора;
  • подтекание масла;
  • сырость воздушного фильтра.

При бензиновом движке следует:

  • вывернуть каждую свечу зажигания;
  • поднять любое из ведущих колес;
  • на пятой передаче покрутить коленвал вручную;
  • если он крутится и не стучит, воспроизведите действие, используя стартер — движок «выплюнет» жидкость в отверстия для свеч. Теперь только в сервис на буксире!

Для справки: вы же знаете, что на дизеле свечей зажигания нет? Выкрутите свечи накала или форсунки.

Если гидроудар двигателя произошел от воздействия антифриза, вы увидите, что:

  • в расширительном бачке понизился уровень тосола;
  • оявилась желтая пена (вода смешалась с маслом, образовав эмульсию);
  • из выхлопной трубы клубами выходит белый дым — значит, пробило прокладку ГБЦ.

Скорость распространения ударной волны

Определим скорость
распространения ударной волны в
упругом трубопроводе круглого
поперечного сечения. Рассмотрим отсек
длиной
,
через который проходит ударная волн
за время.

В течение времени
жидкость
одновременно втекает слева и вытекает
справа, но с разными скоростями.
Поступление через левую грань происходит
со скоростью,
одновременно через правую грань жидкость
выходит с меньшей скоростью.
За времяв рассматриваемый отсек войдет
дополнительный объем жидкости.
Этот вошедший объем займет пространство,
образовавшееся вследствие растяжения
стенок трубопроводаи за счет сжатия жидкости в отсеке,
т. е.

При растяжении стенок радиус трубы
станет равным
,
площадь увеличится на величину.
Тогда.

При повышении давления на величину
первоначальный объем жидкости в отсекеуменьшится на величину.
Здесь– коэффициент объемного сжатия (см.
«Свойства жидкостей», «Сжимаемость»).
Величина обратная коэффициенту объемного
сжатия – модуль упругости жидкости..
Получим.

Имеем
.
Подставляем.

Разделим на объем отсека,
получим.

Ранее получено
,
откуда.

Очевидно, что
.
Получим:.
Отсюда.
Перейдем к пределу при.

Приведем полученную формулу к удобному
для использования виду.

Из геометрических соображений
.

Считаем, что модули упругости материала
стенки трубопровода
и жидкостине зависят от давления.

Деформации подчиняются закону Гука2, в наших обозначениях.

Напряжение в стенке трубы, вызванное
действием давления («котельная» формула3).
Здесь
диаметр трубопровода,– толщина стенки.

Перейдем к приращениям
.

Последовательно подставляем :

.
Умножаем числитель и знаменатель на.

Формула
Н.Е. Жуковского для скорости
распространения ударной волны

Здесь
и– модуль упругости жидкости и материала
стенки трубопровода. Модуль упругости
для воды=2*103МПа, для стали на два порядка выше2,1*105МПа, для минеральных масел немножко
меньше, чем у воды, зависит от вязкости.


внутренний диаметр трубы,
толщина стенки трубопровода.

Величина

скорость звука в жидкости.

Для воды скорость звука, т.е. скорость
распространения звука в воде

=1425
м/с, для бензина 1200 м/с, для минеральных
масел того же порядка.

Скорость распространения звука в воздухе
340 м/с.

Время закрытия запорного устройства
влияет на повышение давления при
гидроударе.

Изменение
давления перед затвором при мгновенном
закрытии затвора.

Фаза удара

Изменение давления
перед затвором при постепенном закрытии
затвора. Время закрытия затвора

Изменение давления
перед затвором при медленном закрытии
затвора. Время закрытия затвора

Определения.

Прямой гидроудар– время полного
закрытия задвижки меньше продолжительности
фазы гидроудара..

Непрямой гидроудар – время полного
закрытия задвижки больше продолжительности
фазы гидроудара...

Способы ослабления гидравлического
удара

Рекомендации Н.Е. Жуковского из его
работы «О гидравлическом ударе в
водопроводных трубах»

«Простейшим способом ограждения
водопровода от гидравлических ударов
является приспособление к медленному
закрытию кранов. При этом продолжительность
закрытия должна быть пропорциональна
длине труб. Воздушные колпаки надежных
размеров, поставленные при кранах и
задвижках, почти совершенно уничтожат
гидравлический удар».

1. Медленное закрытие запорного устройства
(видно из формулы для непрямого удара)

В лабораторных работах №1 и №6 имеется
пробковый кран, а в лабораторной работе
№ 3 шаровой клапан. При быстром их
закрытии происходит гидравлический
удар и вода выплескивается из пьезометров
и обливает шкалу. Поэтому закрывать
надо медленно.

При испытаниях центробежного насоса
при быстром закрытии шарового крана
слышен хлопок, это гидроудар (при быстром
закрытии водопроводного крана иногда
возникает вибрация труб).

2. Применение предохранительных клапанов
прямого действия (гидроклапана давления
Г54 – в гидроприводе)

3. Применение специальных защитных
клапанов.

В ответственных трубопроводах для
недопущения гидравлического удара
используются специальные устройства.
При закрытии запорного устройства от
повышения давления перед ним приоткрывается
перепускной клапан и жидкость обводится.

4. Использование гидро- пневмо-
аккумуляторов.

5. Увеличение толщины стенок, чтобы труба
выдержала повышение давления, вызванное
гидравлическим ударом.

Что делать при гидроударе?

Конечно, степень разрушения мотора будет зависеть от многих факторов – качества воды, количества залитых цилиндров, количества воды в цилиндрах, скорости машины и оборотов движка. Однако лучше сразу признать, что авто получило максимальный гидроудар, и оперативно действовать по определенному алгоритму:

  • остановить машину и выставить знаки аварийной остановки;
  • выкрутить свечу зажигания и проверить, есть ли на ней вода;
  • разобрать кожух и проверить воздушный фильтр на влажность;
  • попробовать прокрутить коленвал двигателя со снятой свечой – если он проворачивается, а из свечных гнезд не вытекает вода, значит, критических разрушений нет;
  • попробовать прокрутить мотор стартером – если не будет стуков, то нужно продуть цилиндры, вкрутить свечи и попытаться завести машину.

Если коленвал вручную не проворачивается, или при попытке прокрутить его стартером, вы слышите посторонние звуки – экспериментировать дальше смысла нет Надо вызывать эвакуатор и везти машину на СТО, чтобы просушить мотор. Если после нее и замены воздушного фильтра авто заведется и поедет – вам повезло.

Если гидроудар оказался небольшой силы, вы можете надеяться на то, что повреждены не все цилиндры, стержни поршневых шатунов получили незначительную деформацию и просто заклинили один-два поршня в гильзах. В этой ситуации потребуется заменить сами поршни и шатуны с пальцами.

Но, чаще всего, в залитых цилиндрах рвет поршни, ломает шатуны, пробивает стенки цилиндров, рвет прокладки и разрушает ГБЦ, разбивает коленвал и обрывает ГРМ, создает трещины в блоке цилиндров. В этом случае – двигатель придется менять.

Ситуация с дизельными авто – еще хуже. У «дизелей» камера сгорания меньше, и для гидроудара нужно меньше воды. Поэтому, если владельцы бензиновых авто еще имеют шансы отделаться легким испугом, то инжекторные машины в 95% случаев гарантированно становятся на капитальный ремонт.

Природа гидроудара

Охарактеризовать или описать гидроудар в системе водоснабжения несложно, рабочее воображение и минимальный багаж знаний по физики помогут в этом. Представьте, как по трубопроводу течет вода, она движется с определенной скоростью и оказывает на стенки труб давление в 2-3 атмосферы.

Но вдруг на пути водяного потока возникает препятствие, это может быть:

  • Завоздушенность — воздушная пробка, возникающая вследствие неправильной эксплуатации водопровода, его неграмотной конструкции и т.д. (все знают, что нужно открывать клапаны в системах водопровода, чтобы спускать воздух перед подачей воды, обычно речь идет о системах отопления).
  • Запорная арматура — элемент крана, вентильного или шарового, перекрывающий трубу с целью остановки воды и препятствования ее дальнейшему течению по системе водоснабжения. Каждая система теплоснабжения и другие водопроводы оснащены такими кранами на определенных участках.

Сталкиваясь с подобным препятствием, водяной поток не может мгновенно снизить свою скорость, а это значит, что при той же скорости на определенном участке возникает попытка увеличения объема жидкости, то есть резкий скачок давления. Труба в такой ситуации испытывается на прочность колоссальным поднятием атмосфер и может не выдержать.

Картина гидроудара

Когда при движении вверх поршень упирается в водяную «стену», на шатун начинает действовать гигантское усилие сжатия. Его источник — огромная инерция движущегося автомобиля, через колеса и трансмиссию проворачивающая коленвал и способная сломить упорное сопротивление поршня и шатуна. Под действием силы сжатия шатун теряет устойчивость и изгибается, чтобы пройти положение ВМТ. В момент деформации в соединении поршня с шатуном возникает колоссальное усилие, сила трения в парах шатун/палец и палец/поршень резко увеличивается, и подвижность поршня относительно шатуна падает. В результате поршень стремится повернуться в цилиндре вместе с шатуном, нагрузка на одну сторону его юбки становится чрезвычайно высокой, и юбка деформируется. Внешне поршень может выглядеть идеально, но стоит лишь взять в руки микрометр, как нарушение геометрии станет очевидным.

Признак третий — характерная «змейка» на шатуне, потерявшем устойчи-
вость в результате осевого сжатия

Дальнейшее развитие событий зависит от величины деформации шатуна (в основном от того, сколько воды было в цилиндре). Он может согнуться так сильно, что упрется в нижний край стенки цилиндра, и мотор заклинит. Двигатель может «дать клина» и по другой причине. Сгибаясь, шатун укорачивается, и если он стал короче примерно на 3 мм и более, поршень в НМТ «сядет» на противовесы коленвала, повредится частично или развалится полностью.

Если водички было немного, деформация шатуна будет небольшой. На следующем цикле воду «выплюнет» через систему выпуска, и машина помчится дальше… Такое незначительное повреждение ШПГ — самое хитрое следствие гидроудара. Оно может давать о себе знать слабым, едва заметным стуком, который возникает из-за нарушения параллельности осей отверстий в нижней и верхней головках шатуна. Иногда стука может и не быть вовсе. Укорачивание шатуна приводит к изменению положения поршня в ВМТ и, как следствие, к снижению степени сжатия в цилиндре. Небольшое падение степени сжатия в одном или двух «горшках» бензинового мотора не оказывает заметного влияния на его работу. Такие изменения можно зарегистрировать только методами аппаратной диаг­ностики. Поскольку никаких явных признаков повреждения может и не быть, владелец автомобиля не будет ведать о том, что мотор в опасности.

В дальнейшем события развиваются так. На шатун всегда действуют циклические осевые нагрузки растяжения/сжатия. Когда шатун погнут, осевые нагрузки приводят к возникновению в его теле дополнительных знакопеременных изгибающих напряжений. Это нера­счетный режим работы, который вызывает усталостное разрушение шатуна. Чтобы произошло усталостное разрушение, требуется немалое время, которое может измеряться несколькими сотнями или тысячами (обычно до 5–7) тыс. км пробега. Некоторые «знатоки» для обозначения описанного явления часто используют термин «отложенный гидроудар», что, согласитесь, абсолютно неверно. Сам гидро­удар происходит безотлагательно, откладываются лишь его финальные последствия.

Кстати, для дизельных двигателей такой сценарий нехарактерен. Из-за меньшего объема камеры сгорания и отсутствия в большинстве моторов дросселирования воздуха дизели «держат гидроудар» гораздо хуже бензиновых двигателей. Образно говоря, дизель если уж хлебнет воды, так «по полной» и сразу — в нокаут. Последствия гидроудара в дизельных двигателях обычно проявляются немедленно, и как проявляются: могучие шатуны нередко гнет и ломает так, что диву даешься!

Процесс гидроудара в ДВС и его последствия.

При движении поршня к верхней мертвой точке павшая в цилиндр несжимаемая жидкость оказывает возрастающее сопротивление, препятствует поступательному перемещению. Пара шатун-поршень испытывает возрастающие механически нагрузки сжатия.

В результате возможны:

  • Произвольная остановка ДВС (автомобиль глохнет);
  • Деформация юбки поршня. Благодаря высокому механическому усилию сжатия возрастает трение, проворот шатуна на поршневом пальце оказывается невозможным, движение коленвала заставляет пару проворачиваться как единое целое. Юбка поршня с усилием прижимается к стенке цилиндра, деформируется.
  • Действие продольных сил сжатия и поперечных усилий, передаваемых от коленвала, деформирует шатун. В зависимости от величины искривления возможно заклинивание группы в цилиндре или, выход поршня за отметку, характерную для нижней мертвой очки при нормальной работе и удар «щеками» коленвала на следующей половине оборота.

К аварии приводит любое скопление жидкости в надпоршневом пространстве, даже если объем ее меньше объема камеры сгорания. В этом случае ход поршня также уменьшается, свободный поворот шатуна на пальце оказывается невозможным, возникает деформация. Разница заключается только в ее степени.

Такой вариант чреват не менее серьезными последствиями. Наблюдается незначительное снижение компрессии в цилиндре, однако решающей роли для функционирования ДВС не играет. Владелец продолжает эксплуатацию автомобиля, деформированный шатун испытывает дополнительные знакопеременные изгибающие нагрузки (величина зависит от степени деформации). Металл накапливает усталость, спустя некоторое время разрушается (при незначительных повреждениях пробег до аварии может составлять до 5 тыс.км). В итоге — обрыв шатуна, разрушение цилиндра (кулак дружбы), деформация поршня.

Следует знать, что прикладываемое к поршневой группе усилие – действительно огромно. Определяется оно:

  • моментом двигателя;
  • инерцией автомобиля – сила к коленвалу прикладывается даже при заглохшем моторе через трансмиссию.

Соответственно, растет величина давления, которое испытывают конструкции блока цилиндров.

Внедрение амортизаторов

Реализуемые сегодня гидроаккумуляторы и гасители способны одновременно выполнять сразу несколько важных функций. Они не только собирают жидкость, но и устраняют лишний объем воды из системы, а также помогают предотвратить различные нежелательные проявления. Гидроаккумуляторы выполняют все функции компенсирующих агрегатов. Устанавливают их только по направлению основного потока воды на тех отсеках отопительного контура, где особенно велика вероятность внезапного снижения или подъема уровня измеряемого давления.

Своеобразный гаситель, а также гидроаккумулятор на практике представляют собой вместительную колбу из стали, в которую легко может поместиться до 35 литров жидкости. Они включают в себя сразу две разделенные долговечной каучуковой либо резиновой перегородкой секции. В случае повышения давления все гидроудары перенаправляются в резервуар. Благодаря изгибанию задействованной мембраны в момент резкого поднятия показателей специалистам удается достичь эффекта принудительного расширения контура.

В роли амортизирующих элементов выступают трубы, которые изготовлены из термоустойчивого армированного каучука либо эластичного пластика. Чтобы добиться желаемого эффекта, вполне достаточно задействовать изделие длиной 35 сантиметров. Если трубопровод отличается большой протяжностью, то и участок амортизатора нужно увеличить минимум на 12 см.

Качественный гаситель гидроударов

Как предотвратить гидроудар?

Лучший способ уберечь двигатель своего автомобиля от гидроудара – не ездить по лужам и беречь воздухозаборник машины от попадания воды. Но если выбора нет, и сквозь лужу придется проехать, делайте это так, чтобы вода стояла не выше половины высоты колеса.

При проезде луж старайтесь двигаться плавно и на небольшой скорости, чтобы вода не загребала в воздухозаборники. Добавлять газ следует только после того, как преодолено самое глубокое место.

Если вода в луже оказалась выше, чем нужно, лучше остановиться и выключить двигатель, после чего попытаться вытянуть машину из воды тросом. И в обязательном порядке провести двигателю диагностику сразу, на первой же СТО.

В заключении следует отметить, что даже малозначительные для автомобиля водные препятствия следует преодолевать аккуратно, если вы хотите избежать гидроудара, который способен за считанные секунды разрушить ваш двигатель, а вас загнать в длительный и дорогостоящий ремонт.

Если же у вас есть подозрения, что гидроудар произошел, немедленно прекратите попытки завести мотор, проверьте исправность индикатора положения коленвала, состояние воздушного фильтра и свечей зажигания, а также уровень воды в блоке цилиндров. Если не удастся отделаться продувкой цилиндров и просушкой мотора, то движок, скорее всего, придется заменить.

Способы предотвращения гидроударов

Сразу после проведения установки или капитального ремонта системы отопления следует позаботиться о недопущении гидроударов. Добиться этого можно с помощью корректной настройки работы контура. Если все сделать правильно, вы минимизируете последствия ошибок монтажа или планировки всей системы.

Если вы планируете провести обновление и усовершенствование отопления в доме, для этих целей стоит выбирать прочные и износостойкие комплектующие и расходные материалы

При этом нужно обращать внимание на эксплуатационные характеристики деталей

Чтобы не допустить резкого роста давления в трубах, следует дополнить отопительный контур компенсаторными устройствами – гидроаккумуляторами. Они поглощают излишний объем воды, предотвращая образование пробок и гидроударов.

Кроме того, удобным устройством, контролирующим уровень давления внутри системы, является электрический насос. Он позволяет подавать воду в трубопровод постепенно, регулируя напор в случае малейших колебаний давления.

Итак, мы рассказали об основных причинах и последствиях гидравлических ударов в трубопроводах. Надеемся, что данная информация позволит вам избежать возможных проблем и материальных затрат.

Один из примеров возникновения гидроудара во внутри квартирном водопроводеОдин из примеров возникновения гидроудара во внутри квартирном водопроводе

Что значит гидроудар

Гидравлический удар (гидроудар) – физическое явление, характеризующееся резким повышением гидравлического давления на отдельном участке жидкостной системы, вызванном значительным изменением скорости потока.

В системах отопления основным видом теплоносителя является вода. Вода является несжимаемой по определению, как и подавляющее большинство жидкостей. При движении потока на его пути могут образоваться препятствия. Причем для возникновения гидроудара препятствие должно возникнуть неожиданно. При возникновении преграды жидкость теряет скорость, градиент которой стремится к нулю.

При остановке объема жидкости на него продолжает действовать сила нагнетания устройства, осуществляющего циркуляцию воды. Под воздействием силы нагнетания на участке поднимается гидравлическое давление жидкости. Давление воздействует на стенки трубопроводов, сосудов.

При резком устранении преграды движения жидкость устремляется в зону наименьшего сопротивления и давления. При этом она приобретает огромную скорость за счет разницы давлений в точке высокого давления и в свободной зоне. Жидкость двигается с большой скоростью, при этом за счет своей несжимаемости может повредить элементы и конструкции системы отопления. Сила нанесенного удара зачастую намного превышает силу удара молотком наотмашь. Поэтому сильные гидроудары могут разрушить металлические изделия и устройства. При этом происходит разгерметизация коммуникаций и возникает опасность получения ожогов горячей водой.

Теория гидроудара

Возникновение явления возможно только по причине отсутствия компенсации перепадов давления. Скачок в одном месте вызывает распространение силы по всей протяженности трубопровода. Если в системе есть слабая точка, материал может деформироваться или разрушается полностью, образуется дыра в системе.

Впервые эффект был обнаружен в конце XIX века российским ученым Н.Е. Жуковским. Он же вывел формулу, по которой следует рассчитывать период времени, необходимый для закрывания крана, чтобы избежать неприятных последствий. Формула выглядит так: Dp = p(u0-u1), где:

  • Dp – увеличение давления в Н/м2;
  • p – плотность жидкости в кг/м3;
  • u0, u1 – средние показатели скорости воды в трубопроводе до и после закрывания кранов.

Чтобы знать, как доказать гидроудар в системе водоснабжения, необходимо знать диаметр и материал трубы, а также степень сжимаемости воды. Все расчеты проводятся после установления параметра плотности воды. Она различается по количеству растворенных солей. Определение скорости распространения гидравлического удара производится по формуле c = 2L/T, где:

  • c – обозначение скорости ударной волны;
  • L – длина трубопровода;
  • T – время.

Простота формулы позволяет быстро выявить скорость распространения удара, который, по сути, является волной с колебаниями заданной частоты. А теперь о том, как выяснить колебания за единицу времени.

Для этого пригодится формула M = 2L/a, где:

  • M – продолжительность цикла колебаний;
  • L – длина трубопровода;
  • a – скорость волны в м/с.

Упростить все расчеты позволит знание показателей скорости ударной волны при ударе для труб из самых популярных материалов:

  • сталь = 900-1300 м/с;
  • чугун = 1000-1200 м/с;
  • пластик = 300-500 м/с.

Теперь нужно подставить значения в формулу и просчитать частоту колебаний гидроудара на участке водопровода заданной длины. Теория гидроудара поможет быстро доказать возникновение явления и предупредить возможные риски, планируя строительство дома или замену водопроводной, отопительной системы.

Мембранный расширительный бак Reflex

Производитель Reflex предлагает целую линейку мембранных баков DE, модели которой могут использоваться в профессиональных целях. Уже в начальном сегменте серии, к примеру, можно найти компенсатор с пиковым давлением 10 бар, располагающий объемом 100 л. Максимальная температура при этом может составлять 70 °С. Как видно, главное достоинство этой версии заключается в способности принимать большие объемы теплоносителя. Использовать мембранный расширительный бак Reflex можно и в составе водоснабжающих линий, и в качестве гидроаккумуляторного блока конкретно для страховки насосной станции. В основе конструкции используется углеродистая сталь, поэтому допускается и комбинированная работа с промышленными перекачивающими установками.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий