مکانیک, مهندسی 10817 بازدید

ضربه قوچ مانند کاویتاسیون یکی از پدیده‌های بسیار رایج در مکانیک سیالات و توربوماشین‌ها است که هنگام بسته شدن ناگهانی مسیر جریان سیال، به وقوع می‌پیوندد. ضربه قوچ، ترجمه واژه فرانسوی coup de bélier است. این پدیده در زبان انگلیسی نیز با نام «چکش آبی» (Water Hammer) معرفی می‌شود.

پدیده ضربه قوچ در لوله‌ها را می‌توان با استفاده از صدای منتشر شده توسط این پدیده، شناسایی کرد. توجه شود که این صدا، دقیقا هنگام وقوع پدیده ضربه قوچ، تولید می‌شود. بنابراین صدای تولید شده توسط ضربه قوچ، تاثیر نهایی این پدیده نیست و تنها یک نشانه برای وقوع آن، در نظر گرفته می‌شود. نکته دیگر این است که این پدیده می‌تواند خسارات زیادی را در تجهیزات موجود در سیستم مانند شیر‌ها، اتصالات و «جریان سنج‌ها» (Flow Meter) ایجاد کند.

این مطلب ابتدا به بررسی مفهوم دقیق ضربه قوچ می‌پردازد. سپس تفاوت این مفهوم با حالتی که جریان سیال به صورت بخار (ضربه قوچ در حالت بخار فلشینگ نامیده می‌شود) است، بیان می‌شود. در ادامه، دلایل وقوع ضربه قوچ و روابط حاکم بر آن‌، مورد بررسی قرار می‌گیرند. در انتهای این مطلب نیز اثرات پدیده ضربه قوچ و راه حل‌های تئوری و عملی برای کاهش خسارات ناشی از آن و یا از بین بردن این پدیده مورد بررسی قرار می‌گیرند.

ضربه قوچ چیست؟

زمانی که یک توقف و یا تغییر ناگهانی در مسیر سیال اتفاق می‌افتد، یک افزایش فشار ناگهانی یا موج فشار در جریان سیال ایجاد می‌شود که این پدیده را ضربه قوچ می‌نامند. در واقع برای بیان ساده‌تر، حالتی را در نظر بگیرید که سیال در یک لوله در حال جریان است و از شیر انتهای آن خارج می‌شود.

water hammer
شکل 1: جریان سیال در یک لوله

در شرایط مذکور، سیال با توجه به سرعت و جرمی که دارد حامل مومنتوم است. اگر در این حالت، شیر به یکباره بسته شود، سیال با مومنتوم بالا به یکباره به شیر برخورد می‌کند و نیروی زیادی به شیر وارد می‌شود. این موضوع، افزایش فشار زیادی را در سیال ایجاد می‌کند و این افزایش فشار مانند یک موج فشاری نوسان کننده در طول لوله حرکت می‌کند و در نهایت باعث آسیب رساندن به قسمت‌های مختلف در مسیر لوله، مانند شیرها و سایر تجهیزات می‌شود. موج ایجاد شده در زمان بسیار کوتاهی از بین می‌رود ولی افزایش فشار ناگهانی که در پدیده ضربه قوچ تولید می‌شود می‌توان خسارات زیادی را در آن زمان کوتاه و یا در اثر «خستگی» (Fatigue) ایجاد کند.

ضربه قوچ
شکل 2: بسته شدن ناگهانی شیر و شکل‌گیری موج شوک

همانطور که اشاره شد پدیده ضربه قوچ با استفاده از لرزش و صدای آن قابل تشخیص است و در بسیاری از موارد باعث ایجاد اثرات مخرب زیادی در سنسورهای فشار، دیواره لوله و جریان سنج‌ها می‌شود و هزینه زیادی را بر سیستم اعمال می‌کند.

پدیده ضربه قوچ در صنایعی که در آن یک مایع، ذرات جامد را  حمل می‌کند نیز به وفور مشاهده می‌شود. در واقع این پدیده در شرایطی رخ می‌دهد که مایع موجود در لوله عامل اصلی انتقال ذرات در مسیر لوله‌ها باشد.

ضربه قوچ و فلشینگ

«فلشینگ» (Flashing) یکی دیگر از انواع افزایش فشار ناگهانی در سیستم است. این پدیده در سیستم‌هایی که سیال کاری آن، بخار است به وقوع می‌پیوندد. در این سیستم‌ها تحت شرایط خاص، بخشی از بخار به مایع تبدیل می‌شود و این مایع در قسمتی از لوله جمع می‌شود. در این شرایط، مایع جمع شده می‌تواند به یکباره از حالت مایع به بخار تبدیل شود و افزایش حجمی حدود 400 تا 600 برابر داشته باشد. این افزایش حجم باعث افزایش فشار و شکل‌گیری موج فشاری و در نتیجه تخریب بخش‌های مختلفی از سیستم می‌شود.

بررسی پدیده فلاشینگ، روابط و مفاهیم کاملا متفاوتی نسبت به ضربه قوچ دارد و همانطور که اشاره شد، سیال کاری در پدیده فلشینگ بخار و در ضربه قوچ مایع است.

دلایل وقوع پدیده ضربه قوچ

پدیده ضربه قوچ می‌تواند ناشی از انتخاب نادرست شیر یا انتخاب نادرست مکان قرارگیری آن باشد. همچنین انجام ضعیف تعمیرات و نگهداری نیز می‌تواند پدیده ضربه قوچ را ایجاد کند. برخی از شیرها مانند «شیر یک طرفه نوسانی» (Swing Check Valve)، «شیر یک طرفه وزنه‌ای» (Tilting Disc Check Valve) و «شیر یک طرفه دو در» (Double Door Check Valve) می‌توانند عامل ایجاد مسئله ضربه قوچ باشند.

طراحی این سه شیر با توجه به کاربردهای مختلفی که دارند، متفاوت است. برای مثال، طراحی شیر یک طرفه وزنه‌ای، طوری صورت گرفته که احتمال وقوع پدیده ضربه قوچ در آن نسبت به شیر یک طرفه نوسانی، کاهش پیدا کند. ولی همچنان این مشکل به عنوان یکی از مشکلات بسیار مهم در این گونه از شیرها حضور دارد.

شکل زیر نمونه‌ای از شیرهای یک طرفه دو در، یک طرفه نوسانی و یک طرفه وزنه‌ای را به تصویر کشیده است.

شیر یک طرفه دو در (Double-Door-Check-Valve)
شکل 3: شیر یک طرفه دو در
شیر یک طرفه نوسانی (swing-check-valve)
شکل 4: شیر یک طرفه نوسانی
شیر یک طرفه وزنه‌ای (tilting-disc-check-valve)
شکل 5: شیر یک طرفه وزنه‌ای

این شیرهای یک طرفه، تمایل دارند که به جریان سیال ضربه وارد کنند، زیرا برای بستن آن‌ها و بازگشت دیسک به حالت اولیه، نیاز به جریان برگشتی و فشار مخالف جریان اصلی است. در واقع زمانی که جریان برگشتی نیروی زیادی داشته باشد، دیسک با نیروی زیادی به هم کوبیده می‌شود. شوک وارد شده در این حالت، می‌تواند «هم‌ترازی» (Alignment) دیسک را از بین ببرد و پس از آن، این شیر در تمام زوایا با تکیه‌گاه خود در تماس نخواهد بود و در بهترین حالت تنها باعث نشتی شیر و افت بازده سیستم خواهد شد. در بدترین حالت نیز این موضوع باعث ایجاد خسارات جدی در اجزای مختلف سیستم می‌شود.

همانطور که مشاهده می‌شود، یکی از عواملی که در بسیاری از مشکلات جدی و خفیف سیستم نقش بازی می‌کند،‌ افت فشار ناگهانی در سیستم است.

شوک هیدرولیکی

همانطور که اشاره شد، رایج‌ترین دلیل وقوع پدیده ضربه قوچ، بسته شدن سریع شیر و یا خاموش شدن ناگهانی پمپ است. شوک هیدرولیکی در واقع افزایش آنی فشار سیال در سیستم لوله‌ها است و زمانی ایجاد می‌شود که سیال به یکباره متوقف می‌شود. همانطور که نیوتن در قانون سوم خود بیان کرده، یک جسم تمایل به حفظ وضعیت سکون و یا حرکت خود دارد، مگر آن که تحت تاثیر یک نیرو مجبور شود این وضعیت را ترک کند.

زمانی که به صورت ناگهانی یک شیر، بسته یا پمپ، متوقف می‌شود، سیال در سیستم لوله‌های بالا دست پمپ و شیر به صورت الاستیک دچار کشش می‌شود. این موضوع تا زمانی ادامه دارد که مومنتوم سیال به حالت اولیه باز گردد.

در ادامه، سیال تمایل دارد که به حالت نرمال خود یعنی وضعیت بدون تنش بازگردد. درواقع سیال، شرایطی مانند یک فنر کشیده شده را تجربه می‌کند که بعد از مدتی رها می‌شود. این موضوع باعث بازگشت سیال در طول لوله می‌شود. در این حالت، جریان برگشتی سیال با شیر بسته مواجه می‌شود و نیروی مخربی را به آن اعمال می‌کند. بازتاب این موج فشاری سیال یک انفجار بلند را ایجاد می‌کند. البته در این شرایط، بیش از یک جهش و ضربان فشاری مشاهده خواهد شد. این موضوع در نمودار فشار برای یک لوله مطابق شکل زیر قابل مشاهده است. در این سیستم، همانطور که نشان داده شده، شیر به صورت ناگهانی بسته می‌شود.

آزمایش ضربه قوچ
شکل 6: محل قرارگیری فشارسنج و شیر در لوله
فشار ضربه قوچ
شکل 7: نمودار فشار جریان سیال قبل از شیر، بر حسب زمان

بسته شدن ناگهانی شیرها به صورت رایج در «شیرهای ربع گرد» (Quarter-Turn Valves) و به صورت خاص‌تر در شیرهای ربع گرد اتوماتیک (Automated Quarter-Turn Valves) رخ می‌دهد. یکی از راه‌ حل‌های ساده برای جلوگیری از ضربه قوچ، این است که این گونه شیرها به صورت آرام بسته شوند. این راه حل در بسیاری از موارد راه حل مناسبی در نظر گرفته می‌شود ولی نمی‌توان آن را در تمام مجموعه‌ها مورد استفاده قرار داد. برای مثال، شیرهای از کار انداز اضطراری (Emergency Shutdown Valves) برای بسته شدن به صورت سریع طراحی شده‌اند. بنابراین در این شرایط باید راه حل‌های دیگری را مد نظر قرار دهیم که در انتهای این مطلب به بررسی این راه‌ حل‌ها پرداخته می‌شود.

پیش‌بینی مقدار افزایش فشار ضربه قوچ

مقدار افزایش فشار پدیده ضربه قوچ را می‌توانیم با استفاده از اطلاعاتی که از مکانیک سیالات، سیستم لوله‌ کشی و جریان سیال داریم، محاسبه کنیم. مقدار نیروی واقعی که در پدیده ضربه قوچ ایجاد می‌شود به دو عامل اصلی وابسته است. عامل اول دبی جریان سیال هنگام بسته شدن شیر در نظر گرفته می‌شود و عامل دوم مدت زمان بسته شدن شیر است.

به عنوان مثال، جریان آب به حجم 100 گالون (معادل 378.541 لیتر) که از یک لوله به قطر 2in (معادل 5.08 سانتی متر) و با سرعت 10ft/s (معادل 304.8 سانتی متر بر ثانیه) عبور می‌کند را در نظر بگیرید. در این شرایط با استفاده از یک شیر سریع، جریان سیال به صورت ناگهانی بسته می‌شود. نیروی وارد شده در این حالت، معادل کوبیدن یک چکش 835lbs (معادل 378.75 کیلوگرم) به یک مانع است.

در صورتی که جریان سیال در شرایط ذکر شده، در کمتر از نیم ثانیه، توسط شیر (این موضوع سرعت بسته شدن شیر را نمایش می‌دهد) بسته شود، مقدار افزایش ناگهانی فشار به مقدار 100psi (معادل 689.476 کیلو پاسکال) بیشتر از فشار عملکردی است که سیستم در حالت عادی می‌تواند تولید می‌کند.

رابطه مقدار افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ به صورت زیر قابل نمایش است.

معادله ضربه قوچ
رابطه ۱

$$ \Delta H $$ در این رابطه، تغییر هد فشار را نمایش می‌دهد. $$ \Delta V $$ تغییرات سرعت جریان سیال را بیان می‌کند. a و g نیز به ترتیب نشان دهنده سرعت صوت در آن محیط و شتاب گرانش هستند.

مثال

سیالی را در نظر بگیرید که در لوله‌ای با سرعت 5ft/s در حال جریان است. شتاب گرانش در این حالت برابر با مقدار ثابت 32.2ft/s2 در نظر گرفته می‌شود. در صورتی که سرعت صوت در این سیال و شرایط داده شده، برابر با 4864ft/s باشد، میزان افزایش فشار در اثر بستن ناگهانی مسیر سیال را بیابید.

با قرار دادن مقادیر فوق در رابطه ۱، مقدار افزایش هد فشاری ناشی از بستن ناگهانی مسیر سیال، به شکل زیر محاسبه می‌شود.

ضربه قوچ

ضربه قوچ

این مقدار افزایش هد فشار، معادل با افزایش فشاری به اندازه 328psi است.

زمان بسته شدن شیر

ضربه قوچ به عنوان یک عامل تاثیر گذار در شیوه تنظیم جریان و شیرها در کاربردهای صنعتی، در نظر گرفته می‌شود. این موضوع کاربرد زیادی در تصفیه خانه فاضلاب و سیستم آب شهری دارد.

ذکر چند مثال از جریان لوله‌ها، مفهوم مطالب ذکر شده را بهتر نشان می‌دهد. شیر حمام معمولا از لوله‌ 0.5in استفاده می‌کند و فشار آب آن در محدوده $$ 60-80 \enspace psi$$ و دبی آن در محدوده 8 – 10 گالون بر دقیقه است. یک لوله ۶in در تصفیه خانه آب باید دبی معادل با 900 گالون بر دقیقه را با سرعت 10 فوت بر ثانیه تامین کند. این در حالی است که یک لوله اصلی 24in باید دبی معادل با 12000 گالون بر دقیقه را حمل کند که این مقدار برای پر کردن یک استخر در کمتر از دو دقیقه کافی است.

بنابراین فرمول پایه برای زمان بسته شدن شیر به سرعت صوت در محیط سیال (سرعتی که موج فشاری ضربه قوچ با استفاده از آن منتشر می‌شود) و طولی که موج تا برخورد به یک مانع طی می‌کند بستگی دارد. این رابطه به شکل زیر قابل نمایش است.

«زمان بسته شدن شیر» (Valve Closure Time)
رابطه ۲

T در این رابطه، کمترین «زمان بسته شدن شیر» (Valve Closure Time) را در واحد ثانیه بیان می‌کند. L طول لوله مستقیم بین شیر بسته شده و مانع بعدی لوله (زانو، انشعاب و .. ) را نمایش می‌دهد. a نیز سرعت صوت در محیط سیال را بیان می‌کند.

این مقدار T را «زمان حرکت موج» (Wave Travel Time) نیز می‌نامند. در واقع این رابطه بیان می‌کند که زمانی که سرعت بسته شدن شیر، سریع‌تر از زمان حرکت موج باشد، ضربه قوچ در سیستم رخ می‌دهد.

طبق این رابطه، اگر آب با دمای 70oF) 21oC)، درون لوله‌ای جریان داشته باشد که طول مستقیم بین شیر و مانع بعدی لوله برابر با 100 فوت است، کمترین زمان بسته شدن شیر با استفاده از رابطه بالا برابر با 41 میلی ثانیه به دست می‌آید.

اثرات پدیده ضربه قوچ

پدیده ضربه قوچ، اثرات مختلفی در سیستم دارد که برخی از آن‌ها به صورت خفیف اعمال می‌شوند و برخی دیگر اثرات شدید دارند. علامت رایج این پدیده، صدای آن است که مانند ضربه چکش از لوله‌ها دقیقا بعد از بسته شدن شیر یا منبع فشار (پمپ) به گوش می‌رسد.

این صدا مربوط به برخورد موج شوک فشار با شیر بسته شده و یا مانع‌های دیگر موجود در سیستم است. این موضوع یکی از منابع نویز است که می‌تواند باعث پریشانی و نگرانی افرادی شود که در نزدیکی یکدیگر کار می‌کنند.

وقوع پی در پی این پدیده تنها به عنوان یک منبع نویز و مزاحم ساکنان، تلقی نمی‌شود، بلکه باعث ایجاد خسارات جدی در خط لوله، اتصالات، واشرها و سایر اجزای سیستم مانند جریان سنج و فشار سنج‌ها نیز می‌شود. افزایش فشار اعمالی در سیستم در اثر وقوع ضربه قوچ می‌تواند اندازه‌ای برابر با 5 تا ۱0 برابر فشار کاری سیستم داشته باشد و در نتیجه، این فشار اثرات مخرب زیادی بر سیستم اعمال می‌کند.

اثرات مخرب ضربه قوچ
شکل ۸: اثرات مخرب ضربه قوچ

علاوه بر موارد ذکر شده، ضربه قوچ می‌تواند باعث نشتی در اتصالات سیستم نیز شود. این پدیده در برخی از موارد، ترک و تغییر شکل نیز در لوله ایجاد می‌کند. نکته مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که تعویض لوله‌ها و اتصالات امری بسیار هزینه‌بر است و در برخی موارد خرابی ناشی از ضربه قوچ باعث توقف مجموعه برای تعویض قطعات می‌شود که این امر، هزینه و خسارات جبران ناپذیری را بر سیستم اعمال می‌کند.

اثرات مخرب ضربه قوچ
شکل ۹: نشتی لوله در اثر ضربه قوچ

راه حل‌های رفع پدیده ضربه قوچ

راه حل‌های مختلفی برای کاهش اثرات مخرب پدیده ضربه قوچ وجود دارد و این راه حل‌ها، وابستگی بسیار زیادی به شیوه وقوع این پدیده در آن سیستم دارد. به صورت کلی با توجه به رابطه زیر، سه راه برای کاهش اثرات ضربه قوچ و یا از بین بردن آن پیشنهاد می‌شود.

افزایش فشار در ضربه قوچ
رابطه ۳

طبق رابطه بالا، یکی از راه‌ حل‌ها کاهش سرعت صوت است که با دما کاهش پیدا می‌کند ولی میزان اثر آن بسیار کم است. یکی دیگر از راه حل‌ها، کاهش سرعت بستن شیر است. با کاهش سرعت بستن شیر، تغییرات زمان (dt) افزایش پیدا می‌کند و در نهایت میزان اثرات ضربه قوچ کاهش می‌یابد.

راه حل نهایی که با توجه به رابطه بالا به ذهن می‌رسد این است که تغییرات سرعت را کاهش بدهیم. محاسبات نشان می‌دهند که میزان افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ با کاهش دبی سیال عبوری از لوله، کاهش می‌یابد. این موضوع با مشاهده رابطه بالا نیز به وضوح دیده می‌شود. در ادامه به بررسی روش‌های عملی رفع پدیده ضربه قوچ پرداخته می‌شود.

یکی از ساده‌ترین روش‌هایی که با استفاده از آن می‌توان اثرات ضربه قوچی که عامل آن شوک هیدرولیکی است را کاهش داد، آموزش دادن و تمرین دادن اپراتورهایی است که با آن دستگاه‌ها و شیرها در حال کار کردن هستند. در واقع اپراتوری که اهمیت سرعت و شیوه باز و بسته کردن شیرها و خاموش و روشن کردن پمپ‌ها را بداند، اقدامات درستی را انجام می‌دهد که نتیجه آن کاهش اثرات مخرب است. این موضوع برای شیرهای ربع گرد مانند «شیرهای توپی» (Ball Valve)، «شیرهای پروانه‌ای» (Butterfly Valve) و «شیرهای سماوری» (Plug Valve) کاربرد زیادی دارد.

یکی دیگر از مسائل بسیار مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که پیش‌بینی وقوع خسارات ناشی از ضربه قوچ، کمک بسیار زیادی به پیش‌گیری از خسارات احتمالی آن می‌کند. بنابراین این پدیده با توجه به صدایی که از آن منتشر می‌شود و اکو، بازتاب و تکرارشونگی این صدا، قابل تشخیص است.

یکی از راه حل‌های دیگر برای کاهش اثرات مخرب ناشی از ضربه قوچ، کاهش فشار جریان سیال، حتی به میزان اندک است. این کاهش فشار باعث کاهش نیرو در فرایند بسته شدن شیر می‌شود.

«متوقف کننده‌های ضربه قوچ» (Water Hammer Arrestors)، راهی را فراهم‌ می‌کنند که به کمک آن می‌توان افزایش فشارهای زیادی که ناشی از ضربه قوچ است را به خوبی مهار کرد. اجزای این سیستم پایپینگ، نویز و تنش باقی مانده در اجزای سیستم را به مقدار زیادی کاهش می‌دهد و مانند یک دمپ کننده موج شوک رفتار می‌کند. در واقع در صورتی که این متوقف کننده‌های ضربه قوچ به درستی اندازه‌گیری، ساخت و نصب شوند، راه حل بسیار مناسبی برای مسئله ضربه قوچ هستند.

شکل زیر نمونه‌ای از این متوقف کننده‌های ضربه قوچ را به تصویر کشیده است.

«متوقف کننده‌های ضربه قوچ» (Water Hammer Arrestors)
شکل 10: متوقف کننده‌های ضربه قوچ

در برخی از متوقف کننده‌ها از فنر برای دمپ کردن فشار استفاده می‌شود و در برخی دیگر از ستون هوا برای متوقف کردن نوسانات فشار ضربه قوچ بهره گرفته می‌شود. به عنوان مثال، نمایی از داخل یک متوقف کننده ضربه قوچ که به صورت رایج برای آشپزخانه‌ها استفاده می‌شود، به شکل زیر قابل نمایش است.

«متوقف کننده‌های ضربه قوچ» (Water Hammer Arrestors)
شکل ۱۱: اجزای متوقف کننده‌های ضربه قوچ

این وسیله قبل از شیر نصب می‌شود و پیستون نوسان کننده و محفظه هوای آن باعث دمپ کردن افزایش فشار درون لوله می‌شود و نوسانات فشار ایجاد شده حین پدیده ضربه قوچ را کاهش می‌دهد.

همانطور که اشاره شد، ضربه قوچ پدیده‌ای است که هنگام بسته شدن ناگهانی مسیر جریان سیال یا خاموش شدن ناگهانی پمپ به وقوع می‌پیوندد. این پدیده می‌تواند ناشی از انتخاب نادرست شیر یا انتخاب نادرست مکان قرارگیری آن باشد. علامت رایج این پدیده، صدای آن است که مانند ضربه چکش از لوله‌ها دقیقا بعد از بسته شدن شیر یا منبع فشار (پمپ) به گوش می‌رسد. این پدیده کاربرد بسیار زیادی در پایپینگ و توربوماشین دارد. نکته مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که کاویتاسیون در اثر کاهش فشار در یک سیستم توربوماشین رخ می‌دهد و ضریه قوچ در نقطه مقابل آن قرار دارد و افزایش فشار، عامل پیدایش آن است.

در این مطلب ابتدا مفهوم دقیق ضربه قوچ به صورت دقیق مورد بررسی قرار گرفت. سپس تفاوت این مفهوم با حالتی که جریان سیال به صورت بخار است، نشان داده شد. در واقع، بیان شد که ضربه قوچ، وقتی سیال کاری در فاز بخار است، فلشینگ نامیده می‌شود. در ادامه، دلایل وقوع ضربه قوچ و روابط حاکم بر آن بررسی شدند و کمترین زمانی که لازم است شیر بسته شود تا ضربه قوچ در سیستم رخ ندهد شناسایی شد. در انتهای این مطلب نیز اثرات پدیده ضربه قوچ و راه حل‌های تئوری و عملی موجود برای کاهش خسارات ناشی از این پدیده و یا از بین بردن آن مورد بررسی قرار گرفت.

در صورتی که به مباحث ارائه شده، علاقه‌مند هستید و قصد یادگیری در زمینه‌های مطرح شده در مکانیک سیالات و توربوماشین‌ها را دارید، آموز‌ش‌های زیر به شما پیشنهاد می‌شود:

^^

بر اساس رای 16 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

6 نظر در “ضربه قوچ (Water Hammer) — به زبان ساده

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *