Гидроудар в трубопроводе

Общие сведения

Пример экспериментальной зависимости давления от времени при гидравлическом ударе после резкого закрытия задвижки в трубопроводе. Видно понижение давления ниже атмосферного во время фазы разрежения.

Явление гидравлического удара количественно описал в — г. Н. Е. Жуковский. Увеличение давления при гидравлическом ударе определяется в соответствии с его теорией по формуле:

Dp=ρ(v−v1)c{\displaystyle D_{p}=\rho (v_{0}-v_{1})c},

где Dp{\displaystyle D_{p}} — увеличение давления в Н/м²,

ρ{\displaystyle \rho } — плотность жидкости в кг/м³,

v{\displaystyle v_{0}} и v1{\displaystyle v_{1}} — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (запорного клапана) в м/с,

с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода.

Эту формулу можно получить, исходя из закона сохранения импульса: DpSt=ρS(v−v1)ct{\displaystyle D_{p}St=\rho S(v_{0}-v_{1})ct}, где S{\displaystyle S} — поперечное сечение трубопровода.

Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны c находится в прямо пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформации стенок трубопровода, определяемой модулем упругости материала E, из которого он выполнен, а также от диаметра трубопровода.

Следовательно, гидравлический удар не может возникнуть в трубопроводе, содержащем газ, так как газ легко сжимаем.

Зависимость между скоростью ударной волны c, её длиной и временем распространения (L и τ{\displaystyle \tau } соответственно) выражается следующей формулой:

c=2Lτ{\displaystyle c=2L/\tau }

Как избежать?

Для того, чтобы не оказаться в неприятной ситуации, достаточно следовать простым рекомендациям:

• проезжать лужи на небольшой скорости, поддерживая работу мотора на средних оборотах;
• не пересекать на автомобиле водные преграды с высоким водным уровнем;
• регулярно проверять двигатель и прокладки ГБЦ.

Нужно трезво оценивать возможности своего авто и понимать, что там, где с лёгкостью проезжает внедорожник, легковой автомобиль рискует заглохнуть. Даже представители одного класса могут с абсолютно разным успехом преодолеть такое препятствие из-за особенностей конструкции своих воздухозаборников. При отсутствии возможности избежать водное препятствие, нужно помнить о максимальном уровне погружения в воды — до середины колес.

Владельцы легковых автомобилей в некоторых случаях устанавливают на мотор шноркели. Это устройство, оснащенное двумя каналами для подвода воздуха к мотору и выводу отработанных газов. Устанавливается на двигатель вертикально, под крылья на высоту порядка 700-100 см. шноркели можно встретить на внедорожниках, кроссоверах и машинах-амфибиях.

Гидроудар, чаще всего, становится первым и последним для двигателя. Не стоит крутить руль в сторону луж, если в планах нет покупки нового мотора или капитального ремонта старого.

Расчет гидравлического удара

Прямой гидравлический удар бывает тогда когда время закрытия задвижки t3 меньше фазы удара T, определяемой по формуле:

T=2lCu{\displaystyle T={\frac {2l}{Cu}}}

Здесь l{\displaystyle l} — длина трубопровода от места удара до сечения, в котором поддерживается постоянное давление, Cu{\displaystyle Cu} — скорость распространения ударной волны в трубопроводе, определяется по формуле Н.Е. Жуковского, м/с:

Cu=Ep11+EEtrDhk{\displaystyle Cu={\sqrt {\frac {E}{p}}}{\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {E}{Etr}}{\frac {D}{h}}k}}}}

где E{\displaystyle E} — модуль объемной упругости жидкости, p{\displaystyle p} — плотность жидкости, Ep{\displaystyle {\sqrt {\frac {E}{p}}}} — скорость распространения звука в жидкости, Etr{\displaystyle Etr} — модуль упругости материала стенок трубы, D{\displaystyle D} — диаметр трубы, h{\displaystyle h} — толщина стенок трубы.

Для воды отношение EEtr{\displaystyle {\frac {E}{Etr}}} зависит от материала труб и может быть принято; для стальных — 0.01; чугунных — 0.02; ж/б — 0.1-0.14; асбестоцементных — 0.11; полиэтиленовых — 1-1.45

Коэффициент k{\displaystyle k} для тонкостенных трубопроводов применяется (стальные, чугунные, а/ц, полиэтиленовые) равным 1. Для ж/б

k=11+9.5a{\displaystyle k={\frac {1}{1+9.5a}}},

a=fh{\displaystyle a={\frac {f}{h}}} коэффициент армирования кольцевой арматурой (f{\displaystyle f} — площадь сечения кольцевой арматуры на 1м длины стенки трубы). Обычно a=0.015−0.05{\displaystyle a=0.015-0.05}
Повышение давления при прямом гидравлическом ударе определяется по формуле:

P=pCuVo{\displaystyle P=pCuVo}

где Vo{\displaystyle Vo} — скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки.

Если время закрытия задвижки больше фазы удара (t3>Т), такой удар называется непрямым. В этом случае дополнительное давление может быть определено по формуле:

P=2pVolt3{\displaystyle P={\frac {2pVol}{t3}}}

Результат действия удара выражают также величиной повышения напора H, которая равна:

при прямом ударе H=CuVog{\displaystyle H={\frac {CuVo}{g}}}

при непрямом H=2Volgt3{\displaystyle H={\frac {2Vol}{gt3}}}

Причины возникновения гидроудара

Физическая природа этого явления кроется в полной утрате или существенным снижением пропускной способности водопроводов, вследствие которой и повышается давление жидкости в системе.

В домах, где были неграмотно спроектированы и обустроены инженерные коммуникации, нередко можно услышать в трубопроводе характерное постукивание и щелчки.

Они являются внешним проявлением гидроудара и возникают, когда в замкнутой системе внезапно прекратилась циркуляция жидкости, а затем также внезапно возобновилось ее движение.

В роли естественных препятствий трубопровода часто выступают воздушные пробки, переходники с большего диаметра на меньший, либо установленная запорная арматура

Если на пути движущегося с определенной скоростью потока воды возникает препятствие, его скорость перемещения замедляется, а объем продолжает увеличиваться. Не находя выхода, он формирует обратную волну, которая, сталкиваясь с основной водной массой, повышает давление в системе. Иногда оно может достигать порога в 20 Атм.

Ввиду герметичности магистрали скопившемуся объему деваться некуда, но мощная энергия все равно стремится найти выход во внешнюю среду. Возникающая в результате такого столкновения сила удара и создает опасность разрыва трубы, которая не обладает достаточным запасом прочности.

По этой причине для обустройства системы необходимо использовать адаптированные под водные сети бесшовные водо-газопроводные трубы, соответствующие ГОСТу 3262-75, либо напорные металлопластиковые аналоги, произведенные согласно ГОСТу 18599.

От перманентного воздействия водной энергии и сам трубопровод, и жесткие элементы системы постепенно или быстро станут разрушаться

Основными факторами, провоцирующими возникновение гидроудара в трубах, являются:

• перебои в работе или выход из строя циркуляционного насоса;
• присутствие воздуха в замкнутом контуре системы;
• перебои с подачей электроэнергии;
• при внезапном перекрытии запорной арматуры.

Кратковременное повышение давления в замкнутом контуре вследствие нагнетания жидкости свыше положенной нормы может возникнуть, если при включении насоса крыльчатка начинает свое движение с больших оборотов.

В последнее время при обустройстве автономной системы отопления вместо старых вентилей и задвижек все чаще применяют шаровые краны, устройство которых не предусматривает плавный ход.

Их способность оказывать быстродействующий эффект имеет обратную сторону, являясь одной из самых распространенных причин гидроудара.

Если при запуске системы из нее не выпустили воздух, в момент открытия шарового крана возникает столкновение воздуха с практически несжимаемой жидкостью

В плане безопасности винтовые краны являются более предпочтительными, поскольку за счет поэтапного раскручивания буксы обеспечивают плавное открывание/перекрывание запорной арматуры.

Аналогичная ситуация возникает и когда перед запуском системы из контура не выпущен воздух. В момент открытия крана вода сталкивается с воздушной пробкой, которая в условиях замкнутой системы выступает своего рода пневматическим амортизатором.

Печальные результаты

Почему жидкость так разрушительна для движка? Из-за несжимаемости. Попав в цилиндры, она вступает в противостояние с поршнем, старающимся «сдавить несдавливаемое». В герметичной камере сгорания у воды все шансы на победу — она разрушает металл.

Итак, машина получила гидроудар двигателя — последствия не будут разрушительны лишь в одном случае. Если вода из цилиндров — хотя бы часть ее — просочится в коллектор или картер. В этой ситуации движок заглохнет, не успев сломаться. Но не всем так везет, бывает хуже:

• происходит деформация шатуна;
• при новых оборотах коленвала юбка ударит по противовесу (длины шатуна уже не хватает);
• происходит вращение противовеса — и поршень заламывается на сторону. Или ломается совсем, или встречайте блок цилиндров с дырой.

Если жидкости мало и шатун не слишком гнется, юбка все равно будет касаться противовеса, и движок начнет стучать. Ну а если шатун сломается сразу — велик шанс, что «полетит» коленвал.

Учтите: гидроудар дизельного двигателя случается при малом количестве воды (камера сгорания меньше, степень сжатия выше). То есть дизель вдвое проще испортить, если бороздить на нем водные просторы! Даже незначительный гидроудар двигателя чреват тем, что потрескаются головки цилиндров. Ремонтировать даже эту неполадку тяжело. Если воды много — движок сломается более серьезно.

Внимание: чем выше обороты коленвала в момент залития камер сгорания водой, тем большая вероятность, что потребуется ремонт двигателя после гидроудара

О причинах гидравлического удара

Любому водителю следует знать, отчего в этом случае глохнет машина — то есть как происходит гидроудар двигателя. Силовой агрегат любого авто работает за счет воздушно-топливной смеси в цилиндрах — то есть ее свободной циркуляции. Вам не кажется, что вода, заливающая мотор, тут явно лишний компонент?

Стандартная причина гидроудара двигателя — проникновение воды, залившей воздушный фильтр и впускной коллектор, в цилиндры. Второй причиной может быть попадание антифриза. Жидкости не сжимаются, поэтому в цилиндрах движка нарушается нормальная воздушно-топливная циркуляция и происходят различные разрушения.

Для справки: следует знать, сколько воды нужно для гидроудара двигателя. Если в движок попало всего несколько капель, повода для беспокойства нет. Но автолюбителям, форсирующим глубокие прудообразные лужи, стоит помнить, что чем ниже расположение воздушного фильтра авто, тем больше шансов, что машина, на скорости гоня волну капотом, «нахлебается» воды в большом количестве и произойдет гидроудар двигателя.

Как определить гидравлический удар мотора?

Даже несколько миллилитров H2O, если поршень находится в ВМТ (верхней мертвой точке), могут вывести из строя устройство. Диагностируют поломку чаще всего по резкой остановке движка и выливающейся из патрубка воде.

Причины гидроудара двигателя

Влага проникает через моторный отсек в воздуховод (например, при переезде речки вброд или прохождении глубокой лужи на скорости). Попадание через горючее невозможно — топливная система оснащена несколькими ступенями фильтрации. Форсунки тоже препятствуют появлению H2O в цилиндрах.

Что значит гидроудар движка для спортивных авто? Чаще рассматриваемой неисправности подвержены именно такие “тачки” и их аналоги. Дело в том, что элемент нулевого сопротивления обладает высокой пропускной способностью (не способен задержать мелкие фракции H2O, поэтому рекомендуют дополнительно использовать специальное масло-блокатор). Также воздуховоды на “спорткарах”, как правило, монтируют низко. Общий вывод — при езде избегайте глубоких луж.

Симптомы гидравлического удара

Когда части силового агрегата сталкиваются с H2O, запчасти разрушаются или деформируются (уменьшаются в длине). Как узнать, был ли гидроудар в двигателе? О наличии неприятности сигнализируют:

• H2O в коллекторе впуска;
• искривленная гофра воздушного фильтра;
• толстый или неравномерный слой нагара (после гидроудара двигатель работает, но на головке “копоти” больше, чем в других местах — машина нуждается в ремонте);
• деформированный шатун;
• вкладыши коленвала затерты по краям.

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.

Неприятные последствия и методы защиты от гидроудара

Самые страшные последствия после сильного гидроудара — всевозможные разрушения трубопровода

Дело в том, что в теории, внутреннее давление в трубе может расти без остановки, достигая любой силы. Последствия в таких ситуациях будут следующими:

• Прорыв трубы, разрушение трубопровода или системы подачи тепла;
• Деформация или уничтожение приборов отопления;
• Как следствие — прекращение подачи воды и тепла на время ремонта;
• Получения ожоговых травм жильцами, находившимися в непосредственно близости от тепловых сетей во время гидроудара;
• Гидравлический удар в трубах приводит к затоплениям вашего имущества и соседей, живущих под вами (в случае с квартирами).

Глядя на этот неполный список возможных последствий, хочется узнать о методах защиты от гидроударов. Как обезопасить себя от возможного несчастья?

Первый и самый весомый аргумент в сторону защиты от гидравлических ударов — компенсаторы трубопроводов. Эти специальные приспособления способны принимать в себя часть жидкости из общей системы при возрастании внутреннего давления, снижая его таким образом. Виды компенсаторов водопроводов бывают разными, но наибольшее распространение получили сильфонные, линзовые и сальниковые, ввиду своих эксплуатационных особенностей.

Еще один метод защиты — клапан для защиты от гидравлических ударов. Этот приспособление устанавливается в системах повышенного давления и при использовании насоса. Этакий гаситель гидроударов, клапан открывается и сбрасывает излишнее давление при его резком скачке.

Касательно больших магистралей и длинных участков трубопровода теплоснабжения, для защиты на них устанавливают неподвижные опоры для труб теплоснабжения, которые фиксируют конструкцию, делая ее более жесткой, устойчивой к вибрации и повышениям давления

ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО

Защита трубопроводов обычными методами, а точнее — мерами предосторожности, обязательна. Закрывайте опорную арматуру постепенно, спускайте воздух из труб заблаговременно и установите компенсатор гидроударов, желательно большого объема

Избегаем гидроударов – основные правила

Люди, столкнувшиеся с гидроударами и не понаслышке знающие об их губительном воздействии, интересуются: а можно ли всего этого избежать? Вариантов существует сразу несколько, ознакомимся с каждым из них.

• В первую очередь, действуйте аккуратно и мягко. Не закрывайте резко шаровой кран, иначе возникнет удар. Во избежание его появления арматуру закрывайте плавно, спешить при этом не стоит. Удосужьтесь потратить несколько лишних секунд – это не так много по сравнению с предстоящим ремонтом водопровода.
• Для уменьшения данного эффекта можно несколько усовершенствовать систему. Как уже отмечалось, для этого устанавливаются гидроаккумуляторы (их еще называют демпферами), накапливающие воду в случае повышения давления в контуре.

Если удары возникают вследствие прекращения работы насоса, то можете поставить специальный клапан для защиты. Такие устройства срабатывают исключительно при ударе и снижают нарастающее давление в магистрали. Этот клапан крайне надежен. Он устанавливается рядом с насосом.
Автоматика – еще один возможный вариант решения проблемы. Благодаря специальным блокам управления активизация и остановка системы будут предельно плавными. Насос при необходимости будет увеличивать или уменьшать давление, из-за чего риск гидравлического удара практически сводится к нулю.
Наконец, если гидроудары возникают по причине неправильного планирования всей системы, то единственный выход – полностью ее переделать.

Обратите внимание! Если не устранить проблемы сразу же после появления ударов, то систему в любом случае рано или поздно переделывать все же придется. Ведь если ситуация все время повторяется, то все элементы – в том числе трубы – вскоре выйдут из строя

После этого ремонт будет стоить намного больше.

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.

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.

Что это

Начнём с самого понятия гидроудар двигателя, и как он происходит. В обычном режиме работы силовой установки в рабочие цилиндры поступает топливовоздушная смесь. Поршни сжимают её, от сжатия или свечи она воспламеняется, образующаяся сила толкает поршень обратно и так повторяется многократно. Такое явление позволяет приводить в движение транспортное средство.

Но теперь следует разобраться в том, что значит этот самый гидроудар двигателя. Он происходит, когда кроме топлива и воздуха в цилиндре оказывается дополнительно вода. Циклы не прерываются, что идёт сжатие и воспламенение. Единственная и самая главная проблема в том, что вода, в отличие от топливовоздушной смеси (фактически газа) практически не может сжиматься.

Когда количество воды незначительно, ничего страшного обычно не происходит. Влага быстро испаряется из-за высокой температуры. Но когда объём воды возрастает, а поршень при этом находится в верхней мёртвой точке, начинаются проблемы. Деформируется шатун, а также происходят иные разрушительные процессы.

Поскольку вода практически не сжимается, при такте сжатия поршень движется вверх, но упирается в слой воды. Она не даёт полностью закончить такт и добраться до верхней точки своего движения. Цикл не заканчивается, возникает такое явление как гидроудар.

Гидроудары способны приводить к крайне серьёзным и опасным разрушениям элементов конструкции двигателя. Первым страдает в основном шатун. Происходит подобное из-за того, что шатун располагается между поршнем, который при этом упёрся в воду, и коленвалом, совершающим свои вращения по инерции. Это приводит к деформации шатуна. Он гнётся, поскольку фактически зажат между двумя элементами. Словно молот и наковальня.

Исходя из всего сказанного выше, гидроударом можно назвать попадание в пространство поршня внутри камеры сгорания воды. Из-за этого начинается активный разрушительный процесс, при котором могут гнуться и деформироваться элементы двигателя. Страдают шатуны, поршни, в цилиндрах образуются трещины.

Всё это оборачивается дорогостоящим ремонтом. А иногда, если вовремя не принять правильное решение, и продолжить при этом движение на повреждённом моторе, требуется полная замена силовой установки. А это крайне внушительные финансовые затраты.

Что такое гидроудар?

Гидроудар являет собой кратковременный, но существенный скачок давления в наполненной жидкостью системе. Это явление возникает в момент столкновения потока жидкости с возникшим на его пути препятствием. К характерным примерам возникновения подобных преград относят резкое перекрытие запорной арматуры, внезапная остановка насоса, воздушная пробка и т.д.

Столкнувшись с преградой поток воды по инерции продолжает течение с той скоростью, с которой двигался до появления преграды. Контактирующие с препятствием первые слои с той же скоростью уплотняются за счет поступления следующих слоев.

Из-за постоянного нагнетания новых слоев потока давление стремительно возрастает, а жидкость “ищет” способ сбросить свою часть, чтобы его разрядить.

Аналогичная ситуация практически всегда возникает при разрыве потока шаровым краном или задвижкой. На первый взгляд явление может казаться безобидным. А потому многие хозяева не придают ему особого внимания.

Но на самом деле, при обнаружении предпосылок для назревающего дефекта труб и арматуры стоит как можно быстрее его устранить. Ведь из-за гидроудара в системе отопления появляются расколы и трещины, а также повреждения оборудования.

Этой серьезной проблеме могут предшествовать щелчки и стуки, а также посторонний шум в подающих воду трубах, сопровождающийся характерным «рычанием».

Пощелкивание преимущественно возникает в тех местах, где трубы большего размера соединены с патрубками меньшего сечения. Проходящая вдоль их внутренних стенок вода наталкивается на пусть и неполноценное, но все же препятствие.

Регулярное возникновение гидравлического удара негативно сказывается на работе системы, существенно сокращая срок ее эксплуатации

При возникновении аварийных ситуаций от эффекта гидроудара могут пострадать:

• оборудование (нарушается герметичность трубопроводов и разрушаются отопительные приборы);
• имущество (вытекающая из поврежденной сети вода затопит жилье и приведет к порче мебели);
• домочадцы (если нарушение произошло в системе теплоснабжения, есть опасность получить серьезные термические ожоги).

Согласно статистическим данным «львиная доля» аварий трубопровода, составляющая порядка 60%, возникает вследствие гидроудара. Чаще негативные последствия от такого эффекта можно наблюдать у износившихся труб, покрывшихся коррозией.

Последствия регулярных гидродинамических ударов могут быть непредсказуемыми, и самое распространенное среди них – прорыв

Больше всего неприятностей он доставляет протяженным трубопроводам, например, при обустройстве «теплого пола», по контурам которого циркулирует разогретая до определенной температуры жидкость.

Степень повреждения во многом зависит от места возникновения преграды: если она в начале протяженного трубопровода, величина повышенного давления будет незначительной, если же в конце – значительно выше.

Чаще всего эффект проявляется, когда при укладке отопительной системы были задействованы трубы разных диаметров. Если «разнокалиберные» трубы с помощью переходников не приведены к общему «знаменателю», возрастание давления в системе отопления неизбежно. В этой ситуации для защиты системы контур оснащают специальным клапаном – термостатом.