ضربه قوچ و کاویتاسیون در پمپ ها یکی از عوامل مخرب هیدرودینامیکی در جریان های تحت فشار ناپایدار هستند و می توانند باعث بروز خسارات و آسیب های جدی به پمپ ها و خطوط لوله کشی شوند. به همین دلیل، حتماً قبل از راه اندازی و استفاده از پمپ ها و تجهیزات وابسته به آن لازم است “پدیده ضربه قوچ” به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در همین مرحله باید تمهیدات و راهکارهای پیشگیرانه برای عدم ایجاد پدیده ضربه قوچ در نظر گرفته شود.
ضربه قوچ در پمپ چیست؟
ضربه قوچ یا چکش آب که نام انگلیسی آن “Water Hammer” می باشد و نوعی شوک هیدرولیکی است که در پمپ ها زمانی اتفاق می افتد که به علت قطعی برق، سیستم پمپ به صورت ناگهانی از کار بیفتد و یا به دلیل باز یا بسته بودن شیر و یا انسداد خطوط لوله ها فشار داخل لوله ها به صورت ناگهانی کاهش یا افزایش یابد. در اثر این تغییرات ناگهانی یک هوای بزرگ بخار تشکیل و متلاشی می شود. این مساله باعث بروز یک موج فشار دو طرفه بسیار قوی با سرعت زیاد در سیستم می شود. این ضربه در برخی از مواقع به اندازه ای قوی است که می تواند منجر به آسیب و پارگی پوسته پمپ شود. به صورت کلی تغییرات ناگهانی در سرعت جریان سیال که باعث به وجود آمدن فشار موجی زیادی در لوله ها می شوند به عنوان “ضربه قوچ” شناخته می شود و می تواند به پمپ و تجهیزات لوله کشی آسیب وارد کند. جالب است بدانید ضربه قوچ در شرایطی که فشار کمتر است بیشتر می تواند آسیب وارد کند. در اصل ضربه قوچ حاصل تبدیل انرژی سرعتی به انرژی فشار می باشد و به دلیل اینکه مایعات تراکم پذیری کمی دارند انرژی فشار به سمت بالا تمایل بیشتری دارد.
ضربه قوچ در شروع کار پمپ
زمانیکه پمپ شروع به کار می کند و به اصطلاح روشن می شود پمپاژ سیال در خطوط لوله اتفاق می افتد سرعت جریان سیال در لوله ها باعث ایجاد فشار می شوند. این فشار به صورت ناگهانی افزایش می یابد و می تواند باعث ایجاد امواج ضربه ای به سمت عقب و جلو در طول لوله ها شوند. این امواج در اثر برخورد با تجهیزات پمپ یا لوله می توانند باعث لرزش و تنش های شدید شوند. در نهایت ضربه قوچ ایجاد شده توسط فشار شروع کار پمپ می تواند به شیرآلات، اتصالات و سایر تجهیزات آسیب برساند و حتی در برخی از مواقع منجر به شکسته شدن لوله ها می شود.
راهکار جلوگیری از ضربه قوج در شروع پمپ
در زمانیکه این اتفاق می افتد لازم است از شیرهای کنترلی استفاده شود. شیرهای کنترلی با خاصیت آهسته باز شدن می توانند به کاهش ناگهانی جریان در زمان شروع پمپ ها کمک کنند. نصب مخازن فشار در نزدیک پمپ هم می تواند یک راهکار پیشگیرانه موثر باشد تا از فشار ناگهانی در سیستم جلوگیر کند. اما راهکار دیگر استفاده از پمپ ها با تکنولوژی راه اندازی آهسته است که به صورت پیش فرض می تواند از افزایش فشار ناگهانی در سیستم جلوگیری کند.
ضربه قوچ در توقف کار پمپ
ممکن است پمپ به هر دلیلی (قطع برق، انسداد و …) به صورت ناگهانی متوقف شود. این توقف به صورت ناگهانی باعث می شود سرعت جریان سیال موجود در پمپ متوقف شود و با توقف ناگهانی موج فشاری در لوله ها ایجاد گردد و باعث کاهش ناگهانی فشار در قسمت جلوی پمپ می‌شود. در مرحله بعدی فشار منفی ایجاد شده و این فشار به سمت عقب در طول لوله حر کت می کند و می تواند باعث آسیب به شیرآلات و تجهیزات شود. اما به دلیل اختلاف فشار دوباره فشار مثبت ایجاد می شود و و دائماً این رفت و برگشت اتفاق می افتد. ایجاد موج فشاری مثبت و منفی در لوله‌ها باعث افزایش لرزش، صداهای ضربه‌ای و حتی آسیب به لوله‌ها و تجهیزات می شوند.
راهکارهای جلوگیری از ضربه قوچ در زمان توقف پمپ
برای جلوگیری از ضربه قوچ در زمان توقف پمپ لازم است از شیرهای یک طرفه آهسته باز شو استفاده شود. این شیرها می توانند از برگشت ناگهانی سیال به سیستم جلوگیری کنند. راهکار دیگر استفاده از سنسورهای فشار و کنترل اتوماتیک در سیستم به منظور عدم نوسانات فشار در سیستم است. راهکار دیگر استفاده از پمپ های Soft Stop که با داشتن فناوری خاص و با کاهش تدریجی جریان در لوله ها از ضربه قوچ جلوگیری می کنند.
بیشتر بخوانید: آموزش و نحوه نصب دوزینگ پمپ
اثرات مخرب ضربه قوچ
ضربه قوچ در پمپ می تواند اثرات مخرب زیادی را به دنبال داشته باشد برخی از اثرات مخرب عبارتند از:
- آسیب لوله و اتصالات:
فشار ناگهانی در سیستم ها به دلیل شدت بالا می تواند باعث ترک خوردن یا حتی شکستگی لوله ها و اتصالات شود. این مساله ممکن است به مرور زمان اتفاق بیفتد و در ابتدا منجر به فرسایش و در نهایت باعث ترکیدگی شود.
- تخریب شیرآلات:
شیرهای یکرفه و شیرهای کنترلی در سیستم به دلیل نوسانات فشار در معرض خرابی قرار می گیرند. زیرا شیرها باید به یکباره و به صورت ناگهانی باز و بسته شوند.. علاوه بر این، ضربه های وارد شده به شیرها می تواند باعث تخریب قطعات داخلی آن شود.
- افزایش لرزش و صدا در پمپ
ضربه قوچ باعث ایجاد لرزش بیشتر به لوله ها و پمپ می شود. علاوه بر این، افزایش صدا، شکسته شدن پایه های نگهدارنده و یا شل شدن اتصالات می تواند از اثرات مخرب ضربه قوچ در پمپ باشد.
- آسیب به پمپ
ضربه قوچ در جریان برگشت می تواند برای پمپ ایجاد آسیب کند و به بخش های پروانه های پمپ، بلبیرینگ ها و دیگر اجزای داخلی آسیب وارد کند. همچنین می تواند باعث ترک و یا پارگی مخزن پمپ شود.
- ایجاد نشتی در سیستم
یکی دیگر از اثرات مخرب ضربه قوچ ایجاد ترک های ریز یا بزگ در سیستم است که می تواند باعث هدر رفت مایعات شود و هزینه های انرژی را نیز افزایش دهد. این مساله بخصوص در صنایعی که دارای حساسیت بیشتری هستند اهمیت زیادی دارد. به عنوان مثال صنایع خطوط انتقال نفت یا گاز باید نشت نداشته باشند و به صورت ایمن کار کنند.
تفاوت ضربه قوچ (چک آب) و کاویتاسیون
آیا ضربه قوچ و کاویتاسیون با هم تفاوت دارند؟ بله! شاید برخی از افراد این دو پدیده را با هم اشتباه بگیرند اما هر کدام با یکدیگر متفاوت هستند. یکی از عواملی که می تواند منجر به ایجاد ضربه قوچ شود کاویتاسیون است. در اصل پدیده کاویتاسیون از ترکیدن حباب های کوچک و محل اتفاق می افتد و ضربه ایجاد می کند این در حالی است که چکش آب یا ضربه قوچ به دلیل ترکیدن بخش زیادی هوای بخار داخلی است که منجر به ایجاد نوسانات فشار می شود. آسیب های کاویتاسیون در پمپ به مرور زمان اتفاق می افتد و احتمال اینکه خطرات جدی داشته باشد کمتر است این در حالی است که پدیده چکش آب می تواند باعث حوادث خطرناک شود.
بیشتر بخوانید: پدیده کاویستازیون Cavitation یا حفره زایی در دوزینگ پمپ ها
فرمول محاسبه چکش آب در پمپ ها
در صورت بسته شدن فوری شیر به شرط داشتن سیال تراکم پذیر مشخصات فشار پالس چکش آب را می توان از معادله زیر محاسبه کرد.
بنابراین برای دریچه ای که به طور آنی بسته می شود، حداکثر بزرگی پالس چکش آب به این شکل است.
جایی که Δ P بزرگی موج فشار (Pa)، ρ چگالی سیال (kg/m 3 )، a 0 سرعت صوت در سیال (m/s) و Δ v تغییر است. در سرعت سیال (m/s). این پالس به دلیل قوانین حرکت نیوتن و معادله تداوم اعمال شده برای کاهش سرعت یک عنصر سیال به وجود می آید.
اما معادله سرعت موج مطابق شکل زیر است
a = سرعت موج
B = مدول حجمی معادل کشش سیال-لوله سیستم،
ρ = چگالی سیال،K = مدول الاستیسیته حجمی سیال
E = مدول الاستیک لوله،D = قطر لوله داخلی
t = ضخامت دیواره لوله
c = پارامتر بدون بعد به دلیل شرایط محدودیت لوله سیستم [ شفاف سازی ] در سرعت موج.
بیشتر بخوانید: بررسی عوامل موثر بر راندمان پمپ ها
آیا ضربه قوچ یا چکش آب قابل پیش بینی است؟
واقعیت این است که ضربه قوچ یا چکش آب قابل پیش بینی نیست و وابسته به عوامل مختلفی می باشد از جمله انسداد لوله، قطعی ناگهانی برق و … به همین دلیل تا جای ممکن بهتر است از راهکارهای پیشگیرانه استفاده نمود و در عین حال با آموزش صحیح به اپراتورها به منظور اقدامات صحیح از بروز خطرات ناشی از این پدیده جلوگیری نمود. توجه داشته باشید.