Гидравлический удар

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Пермский государственный  технический университет

Кафедра «Гидравлика  и гидравлические машины»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Дисциплина: «Гидравлика»

Тема: «Гидравлический удар»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Урахов И. Ю.

АДФ, СДМу – 06, з/о.

Проверил: профессор,

доктор  технических наук

Севастьянов Валерий Васильевич

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРМЬ 2009г.

 

Содержание

	стр
Введение…………………………………….…………………………………………………..	3
Описание явления гидравлического удара ………………………….………………………..	4
Особенности явления гидравлического удара……………..…...…………………………….	7
Расчет параметров гидравлического удара……………….…………………………………..	10
Особые случаи……………………………………….…………………………………………	16
О сверхединичности гидравлического удара…………………………………………………	26
Методы предотвращения гидравлического удара…………………...……………………….	27
Список литературы……………………………………………………………………………..	30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Общая протяженность  подземных нефте-, газо- и водопроводов в Российской Федерации составляет около 17 млн км, при этом из-за постоянных интенсивных волновых (колебаний давления, гидроударов) и вибрационных процессов участки этих коммуникаций приходится постоянно ремонтировать и полностью заменять. Весьма актуальны для нефтегазодобывающей и перерабатывающей отраслей и вопросы защиты от коррозии, вследствие металлоемкости резервуаров хранения нефтепродуктов и прочих сооружений, наличия здесь агрессивных сред и жестких условий эксплуатации металлоконструкций. Убытки, вызываемые гидроударами и коррозией, составляли, например, для Минтопэнерго бывшего СССР несколько сотен миллиардов долларов, на восстановительные мероприятия приходилось использовать около 50 тыс. т черных металлов в год. При общей динамике аварийности, по оценкам экспертов, причинами разрыва трубопроводов являются:

-  60% случаев  — гидроудары, перепады давления  и вибрации;

-  25% —  коррозионные процессы;

-  15% —  природные явления и форс-мажорные  обстоятельства.

  В течение всего срока эксплуатации трубопроводы испытывают динамические нагрузки (пульсации давления и связанные с ними вибрации, гидроудары и т.д.). Они возникают при работе нагнетательных установок, срабатывании запорной трубопроводной арматуры, случайно возникают при ошибочных действиях обслуживающего персонала, аварийных отключениях электропитания, ложных срабатываниях технологических защит и т.п. Техническое же состояние эксплуатируемых по 20–30 лет трубопроводных систем оставляет желать лучшего. Замена изношенного оборудования и трубопроводой арматуры в последние 10 лет ведется крайне низкими темпами. Именно поэтому, как свидетельствует госстатистика, в Российской Федерации наблюдается устойчивая тенденция увеличения аварийности на трубопроводном транспорте — на 7–9% в год.

Участились  аварии на трубопроводах, сопровождающиеся большими потерями природных ресурсов и широкомасштабным загрязнением окружающей среды. По официальным данным, только потери нефти из-за аварий на магистральных  нефтепроводах превышают 1 млн. т в год, и это без учета потерь при прорывах внутрипромысловых трубопроводов.

Поэтому полное устранение или существенное уменьшение интенсивности волновых и вибрационных процессов в трубопроводных системах позволяет не только в несколько  раз уменьшить количество аварий с разрывами трубопроводов и выходом из строя трубопроводной арматуры и оборудования, повысить надежность их работы, но также значительно увеличить срок их эксплуатации.В настоящее время для борьбы с пульсациями и колебаниями давления и расхода в трубопроводных системах используют воздушные колпаки, аккумуляторы давления, гасители различных типов, ресиверы, дроссельные шайбы, клапаны сброса и т.п.

Описание явления гидравлического удара.

Более-менее заметно гидравлический удар проявляется только в жёстких трубопроводах при большой скорости потока. Он происходит тогда, когда движущаяся с некоторой скоростью жидкость вдруг встречает на своём пути жёсткое препятствие, которым, как правило, бывает заслонка или заглушка. В подобной ситуации пресловутый cтальной шарик в вакууме просто отскочил бы от встретившейся стенки обратно с той же скоростью, с которой подлетел к ней. Однако жидкость — не шарик, да и вокруг не вакуум, а жёсткие стенки, а сзади напирают следующие порции, которые ещё «не знают», что впереди прохода нет! В результате жидкость останавливается, а её кинетическая энергия превращаются в потенциальную энергию упругого сжатия жидкости (ведь жидкости считаются несжимаемыми лишь по сравнению с газами, а на самом деле сжимаются примерно в той же степени, что и твёрдые тела с кристаллической структурой), а также потенциальную энергию упругого (а если не повезёт — то и пластического, то есть необратимого) растяжения стенок трубы. Всё это приводит к тому, что давление в месте остановки стремительно возрастает, тем больше, чем выше была скорость жидкости и чем меньше её сжимаемость, а также чем выше жёсткость трубы. Это повышение давления и является гидравлическим ударом внезапно остановленной жидкости.

Фазы развития гидроудара.

Как же развивается явление гидроудара? Рассмотрим это на самом простом примере — внезапном заполнении жидкостью пустой трубы постоянного сечения, погружённой на некоторую глубину. Один конец этой трубы закрыт жёсткой заглушкой, а другой свободно сообщается с окружающей жидкостью. Кстати, практически то же самое будет, если рассматривать резкое перекрытие установившегося потока в такой же трубе, только там будет отсутствовать первая фаза — заполнение пустой трубы, — а роль заглушки будет играть перекрывшая трубу заслонка.

 
Схема возникновения гидравлического  удара при заполнении жидкостью  пустой трубы. 
Голубым цветом обозначена внешняя среда с исходным давлением, светло-голубым — область пониженного давления, синим — область повышенного давления (зона гидроудара). Синие стрелки показывают перемещение вещества среды (жидкости), красные — перемещение границы зоны повышенного давления (без существенного перемещения вещества). H — глубина (напор) на входе трубы; h — перепад высот трубы, L — длина трубы от входа до заглушки. Цифрами обозначены фазы развития явления.

 

 

 

 

Таблица 1. Фазы развития гидравлического удара

№ фазы	Название фазы	Описание фазы
1	Заполнение трубы	Под действием внешнего давления жидкость заполняет трубу, при этом в соответствии с законом Бернулли её давление несколько меньше давления неподвижной среды вне трубы.
2	Встреча с препятствием	Жёсткая заглушка внезапно останавливает поток, который ударяется в неё. Однако практически вся жидкость в трубе ещё продолжает своё движение вперёд.
3	Рост зоны повышенного давления	Головная часть потока остановилась и её кинетическая энергия перешла  в потенциальную энергию упругой деформации жидкости и стенок трубы, вызвав в этой области повышение давления. Но до «хвоста» потока это воздействие ещё не дошло, и там жидкость продолжает двигаться в прежнем направлении. Граница области повышенного давления (ударная волна) перемещается от заглушки ко входу трубы, при достаточной жёсткости трубы эта скорость практически равна скорости распространения упругих колебаний в среде, т.е. скорости звука в жидкости.
4	Максимум повышенного  давления	Ударная волна достигла входа трубы и вышла в неподвижную среду. Поскольку внешняя среда неподвижна относительно стенок трубы, она уже не добавляет свою кинетическую энергию и не оказывает существенного сопротивления сжатой жидкости в трубе, и та начинает двигаться из зоны повышенного давления наружу. Кроме того, в свободной среде стенки трубы уже не ограничивают и не «фокусируют» ударную волну, так что она распространяется во все стороны, быстро теряя силу. Таким образом, достигнув входа трубы, ударная волна «рассеивается» и «гаснет». Более подробно этот момент рассмотрен ниже.
5	Начало обратного движения	Поскольку у входа в трубу  давление относительно невысоко, сжатая жидкость двигается туда под действием  повышенного давления внутри трубы. При этом потенциальная энергия упругой деформации снова превращается в кинетическую энергию, но движение уже направлено в обратную сторону. В результате граница зоны неподвижной жидкости под повышенным давлением перемещается от входа в трубу обратно к заглушке, оставляя у входа зону немного пониженного давления, в которой жидкость движется обратно ко входу трубы. Скорость перемещения этой границы в случае достаточно жёсткой трубы также равна скорости распространения упругих деформаций в среде, т.е. скорости звука в жидкости, однако перепад давления на границе не такой резкий, как при распространении ударной волны — зона границы существенно шире. Причиной этого являются особенности процесса рассеивания ударной волны у входа в трубу на предыдущей фазе. При падении давления вся потенциальная энергия упругой деформации снова переходит в кинетическую энергию жидкости (за вычетом неизбежных потерь, которые могут быть весьма малы), поэтому скорость «разряженной» жидкости почти равна её скорости до остановки, только направлена теперь в сторону входа.
6	Окончание сжатия	В момент, когда граница зоны пониженного  давления достигает заглушки, во всей трубе жидкость снова испытывает пониженное давление и движется обратно  ко входу со скоростью, равной скорости потока в трубе в фазе 2.
7	Фаза разрежения (отрыва)	Двигаясь в сторону входа  трубы, жидкость в силу инерции стремится  оторваться от заглушки. Поэтому, если гидроудар был достаточно сильным, то возле заглушки образуется зона разрежения, где жидкость отсутствует и давление близко к нулю (именно вакуум, а не атмосферное давление). Однако жидкость, выходящая из трубы, движется не в пустоту, а в среду, представляющую собой ту же жидкость, только неподвижную. Сопротивление этой среды достаточно быстро затормозит движение жидкости к выходу и вместе с зоной разрежения возле заглушки вновь заставит жидкость двигаться от входа внутрь трубы, тем самым повторяя фазу 1 (естественно, уже с меньшей энергией, потери которой, как всегда, неизбежны). При слабом гидроударе жидкости не удаётся оторваться от заглушки, однако всё равно давление существенно снижается относительно давления вне трубы (настолько, насколько оно повысилось в фазе сжатия). В этом случае выделяют фазы распространения отрицательной ударной волны (границы зоны с низким давлением) ко входу трубы и её возвращения обратно под действием внешнего давления, однако при сильном гидроударе с отрывом жидкости от заглушки появляется ещё и фаза «замирания». Впрочем, самостоятельное значение этих фаз не очень велико, поэтому все их объединяем в одну фазу разрежения. Чуть ниже это рассмотрено более подробно.

 

Факторы, влияющие на силу гидроудара.

Эластичные стенки трубопровода значительно  снижают силу гидроудара, достаточно легко увеличивая объём трубы или шланга в месте остановки жидкости. Если труба заполнена воздухом и по мере продвижения жидкости он не успевает покинуть трубу с нужной скоростью, это также способно предотвратить сильный гидроудар, поскольку в этом случае воздух играет роль пневматического амортизатора, в котором плавно повышается давление, и потому он оказывает всё большее сопротивление движению жидкости, постепенно замедляя её. Именно эти принципы использует большинство устройств для защиты трубопроводов от гидроударов.

Следует чётко понимать, что эти  факторы лишь растягивают процесс  гидроудара во времени, но общая  энергия гидравлического удара при этом остаётся прежней. Однако за счёт увеличения времени процесса, снижается его мощность, а значит, и максимальное давление, и максимальное усилие, воздействующее на стенки трубы. Но именно это и является целью защиты от гидроудара — ведь теперь трубу уже не разорвёт!

И, конечно, силу гидроудара снижает  более плавное перекрытие потока и уменьшение рабочей скорости движения жидкости в трубе (если необходимо сохранить расход, то для этого придётся увеличить диаметр трубы — скорость уменьшится пропорционально увеличению площади её просвета).

Если же силу гидроудара надо увеличить, то тут рекомендации обратные —  как можно более жёсткая (и прочная!) труба, как можно более резкое перекрытие потока и как можно больший разгон жидкости перед остановкой потока.

Особенности явления  гидроудара.

Гидроудар в силу своей природы  имеет несколько существенных особенностей, о которых нельзя забывать.

Высокая скорость процесса.

Прежде всего, следует учесть высокую  скорость процесса. Поскольку скорость перемещения границ зон с различным  давлением при высокой жёсткости  трубы и заглушки определяется скоростью  распространения упругих деформаций в жидкости, т.е. скоростью звука, всё происходит за очень короткое время.

Скорость звука в жидкостях  обычно составляет порядка 1000...1500 м/с (для воды при 4°С — 1.435 км/с, при 45°С 1.51 км/с (максимум), при 100°С — 1.46 км/с), поэтому в трубе с водой длиной 15 метров процесс распространения ударной волны от заглушки до входа или обратно займёт примерно 10 миллисекунд. За это время тело, находящееся в покое, под действием ускорения свободного падения успеет набрать лишь скорость в 9.8 см/сек и пройти путь менее 5 сантиметров. При более коротких длинах эти цифры пропорционально уменьшатся.

Это означает, например, что в горизонтальной трубе за такое время пустота  в зоне отрыва не успеет сколько-нибудь существенным образом перераспределиться и останется «сконцентрированной» именно возле заглушки, а не превратится в относительно небольшое снижение уровня жидкости на значительной части длины трубы. Многие другие эффекты, скажем, испарение заметного количества жидкости с границы зоны отрыва в область разрежения и, как следствие, существенное повышение там давления, также не смогут проявиться в полной мере из-за краткости отпущенного им времени.

Условия отрыва жидкости. Сильные и слабые гидроудары

В фазе разрежения отрыв жидкости от заглушки происходит не всегда. Для этого скорость потока должна быть достаточно высокой, а стенки трубы — достаточно жёсткими, чтобы удар получился резким. Если удар окажется слишком слабым (или слишком плавным), то пустой области у заглушки не образуется, хотя в любом случае в фазе разрежения давление внутри трубы, в том числе непосредственно у заглушки, будет меньше, чем давление окружающей жидкости снаружи.

Для того, чтобы  жидкость смогла оторваться от заглушки и появилась область отрыва, обратное давление (в идеале, без учёта потерь, равное максимальному повышению давления при сжатии) должно превышать давление среды снаружи. Таким образом, отрыв жидкости с образованием вакуума возможен при выполнении условия

ΔP_уд   >   P₀ + ΔP_h + ΔP_T     (1),

где  ΔP_уд — максимальное повышение давления в фазе сжатия относительно внешнего давления;  P₀ — абсолютное внешнее давление в резервуаре возле входа в трубу (т.е. давление относительно вакуума, а не атмосферы над поверхностью жидкости);  ΔP_h — гидростатическая разность давлений между входом в трубу и заглушкой, если труба расположена не горизонтально;  ΔP_T — необратимые потери давления при сжатии и расширении жидкости и стенок трубы в фазах 2-6.

Если пренебречь потерями, то для  строго горизонтальной трубы критерий возникновения области вакуума  будет ещё проще:

ΔP_уд   >   P₀     (2).

Может возникнуть вопрос: как же повышение  давления при гидроударе может превысить  давление на входе в трубу? Однако здесь нет парадокса, так как скачок давления зависит лишь от резкости остановки потока и набранной им к этому моменту кинетической энергии, поэтому жёсткая труба и малосжимаемая жидкость могут обеспечить сильный удар даже при не слишком высокой скорости потока.

Таким образом, гидроудары можно разделить на «сильные», когда образуется область вакуума в зоне отрыва, и «слабые», когда мощности удара для этого не хватает. При этом следует помнить, что речь именно о мощности удара, а не о его энергии, поскольку здесь определяющую роль играет резкость остановки.