Гидравлический удар в трубопроводах

При быстром перекрытии трубопровода, по которому течёт жидкость, или при внезапной остановке выходного звена гидродвигателя (например, поршня) возникает резкое, неодновременное по длине трубопровода, изменение скорости и давления жидкости (за счет перехода кинетической энергии жидкости в потенциальную энергию давления). Это изменение носит колебательный характер (в опытах Жуковского было зарегистрировано 12 полных циклов, с каждым циклом величина ударного давления постепенно снижалась из за потерь на трение), характеризующийся периодическим повышением и понижением давления относительно первоначального уровня, и изменением скорости движения жидкости как по величине, так и по направлению. Такой процесс очень быстротечен (происходит в течении 0,02 с…0,04 с и обусловлен упругими свойствами трубопровода. Для трубопровода особую опасность представляет первая фаза гидроудара на это указывает график на рис. 3.6. Во время этой фазы давление в трубопроводе может вырасти в несколько раз за короткое время. Время, за которое ударная волна пробегает путь равный удвоенной длине трубопровода от места перекрытия до компенсатора, дальше которого волна не распостраняется называется фазой удара.

Рис. 3.6. График изменения давления в трубе при гидравлическом ударе

Коэффициент увеличения давления зависит от плотности жидкости , скорости потока до и после развития гидроудара, времени t , в течении которого скорость претерпела изменение от до Увеличение давления в трубопроводе определяется по формуле :

,

где – уменьшение скорости, вызванное перекрытием трубопровода.

– плотность жидкости,

а– скорость распостранения ударной волны в жидкости (1320 м/с).

В развернутом виде эта формула, носящая имя Жуковского, принимает вид:

, (3.12)

где – плотность жидкости,

D – диаметр трубопровода,

– толщина стенки трубопровода,

Е – объёмный модуль упругости материала трубы,

Е_Ж – объёмный модуль упругости жидкости.

E = 2,1^. 10¹¹ н/м² – стальные трубы; E_Ж =1,6^. 10⁹ н/м² – минеральное масло.

Характер гидроудара зависит от соотношения времени t_П перекрытия трубопровода и времени . Удар считается полным если изменение скорости происходит за время t_П < – это, например, соответствует резкой остановке поршня: =0, (скорость поршня до остановки). Если время из менения скорости t_П > , то такой удар называют неполным и в формулу подставляют

.

При резкой остановке исполнительного механизма к давлению, вызванному гидроударом, следует добавить прирост давления, вызванный инерцией тормозящихся масс, связанных с исполнтительным устройством гидропривода:

,

где m– тормозящиеся массы, приведенные к поршню (валу) гидродвигателя:

S – площадь поршня;

t – время изменения скорости от до .

Последствия гидроудара могут быть следующими:

· разрыв трубопровода,

· выход из строя манометра,

· самопроизвольное срабатывание отдельных устройств гидросистемы,

·нарушение герметичности гидросистемы.

Для ограничения величины гидроудара применяют малоинерционые прехранительные клапаны, пневмоаккумуляторы, емкости с газовой подушкой, распределители с гидравлическим управлением, закладывают в конструкцию гидропривода устройства для плавного гашения скорости поршня в конце хода. Резкое увеличение давления вызывает в стенке трубы большие внутренние напряжения. Для обеспечения прочности трубы необходимо определить толщину ее стенки по формуле:

, м; (3.13)

где р – давление в трубе, Па;

d_ВН – внутренний диаметр трубы, м;

_ВР – предел прочности на растяжение материала трубы, Па;

k – коэффициент запаса, k =2…4

Минимально допустимая толщина стенки трубы для безнапорного трубопровода с целью исключить его механические повреждения – 0,5 мм.

Явление кавитации

При течении жидкости через местное сужение трубы происходит увеличение скорости ее движения. Согласно уравнению Бернулли абсолютное давление в этом сужении станет меньше, чем оно было до момента входа жидкости в сужение. Если абсолютное давление уменьшится до значения, равного упругости (давлению) насыщенных паров, или до давления, при котором начинается интенсивное выделение из нее воздуха, то в данном месте потока начинется интенсивное парообразование и выделение газов. Наличие парогазовой смеси (каверны) в потоке приводит к нарушению его сплошности.

Выделившиеся пузырьки воздуха и пары жидкости будут увлекаются потоком движущейся жидкости. После выхода жидкости из сужения давление в потоке снова вырастет. Начнется процесс растворения воздуха в жидкости, а пузырьки пара конденсируются. Этот процесс происходит практически мгновенно (говорят, что пузырьки схлопываются рис. 3.7).

Особенно интенсивно процесс схлопывания пузырьков пара про­исходит в месте их контакта со стенкой трубы, поверхностью гидромашин и гидроаппаратов.

При приближении к твёрдой поверхности пузырьки пара деформируются, а затем разрушаются, что приводит к явлению подобному детонации.

Так как давление в потоке может быть значительным, за счет сжатия пузырьков воздуха могут возникнуть локальные очаги очень высокой температуры, что приводит (в случае использования в качестве рабочей жидкости минеральных масел) к самовоспламенению масловоздушной смеси (дизельный эффект).

Контактирующие поверхности разрушаются вследствие длительного воздействия знакопеременных сил (усталость металла). Этому, также, способствует и значительное выделение тепла на твердой поверхности в месте, где происходит процесс детонация газовых пузырьков. Важно отметить, что разрушение материала при кавитации происходит не там, где выделяются пузырьки, а там, где они конденсируются. Кавитация сопровождается характерным шумом. При кавитации возрастает сопротивление трубопроводов движению жидкости и, следовательно, уменьшается их пропускная способность.

Рис. 3.7. Иллюстрация к протеканию кавитации

Особенно опасно возникновение кавитации во всасывающем трубопроводе. В этом случае область кавитации распространяется на значительную часть всасывающего трубопровода или даже на всю его длину. Поток в трубопроводе становится двухфазным – жидкость с паром. Работа привода нарушается.

При установке на входе во всасывающий трубопровод фильтра необходимо провести расчет на допустимую высоту подъема жидкости, иди на допустимую скорость всасывания жидкости для исключения кавитации во всасывающем патрубке.

Облитерация

При течении жидкости через зазоры с поперечным размером меньше 0,1 мм наблюдается следующее явление: расход жидкости через этот зазор с течением времени уменьшается, несмотря на то, что перепад давления на зазоре и физические свойства жидкости остаются неизменными.

Причина этого явления заключается в том, что в результате сложных физико-химических процессов на твердой поверхности происходит адсорбция жидкости с последующим её уплотнением до твердого состояния. Это явление носит названиеоблитерации. Толщина адсорбционного слоя составляет несколько микрометров. Со временем этот слой может существенно уменьшить площадь поперечного сечения щели или полностью её перекрыть.

С повышением температуры интенсивность адсорбции, а следовательно, и облитерации, понижается. Увеличение перепада давления на зазоре стимулирует процесс облитерации. В связи с этим:не рекомендуется при длительной работе дросселя иметь поперечный размер его щели меньше 0,2 мм.