Гидроудар в системе водоснабжения и отопления: что это такое, причины и последствия

Последствия и профилактика

Гидравлические удары могут являться причиной нарушения герметичности и разрушения трубопроводов и сосудов системы отопления и водоснабжения. Также может пострадать имущество, находящееся рядом с трубопроводами. Особую опасность представляют гидроудары в системах горячего водоснабжения и отопления (из-за высокой температуры воды).

В результате гидроударов может произойти затопление помещений, разрушение конструкций зданий и сооружений (особенно в холодное время года). Может произойти прекращения электроснабжение и, как следствие, выйти из строя насосное оборудование (а это, в свою очередь, повлечет за собой прекращение подачи воды). Гидроудары даже могут стать причиной пожаров (из-за короткого замыкания в системе электроснабжения).

Для предотвращения возникновения гидравлических гидроударов необходимо избегать резкого поступления жидкости с большим давлением в участок трубопровода с меньшим давлением. Также нужно избегать быстрого смешивания жидкостей с разной температурой в системах водоснабжения и отопления. Для этого необходимо открывать водопроводную арматуру плавно, чтобы вода в участок трубопровода, находящийся за задвижкой или вентилем, поступала медленно.

Понятие и причины возникновения

Гидравлический удар в трубопроводах – изменение давления (повышение или снижение) в трубопроводе, по которому движется поток жидкости, из-за значительного изменения скорости ее движения в короткий промежуток времени.

Причинами гидроударов (в отоплении) служат:

быстрое перекрытие или открывание запорной арматуры;
мгновенная остановка или быстрый разгон насоса;
скачкообразное изменение площади сечения трубопровода;
появление препятствий движению жидкости в виде потока другого направления или скопления воздуха и т.д.

При этом, величина избыточного давления зависит от:

сжимаемости жидкости (вода, практически, не сжимаема),
скорости ее движения,
времени развития процесса.

Играет роль и жесткость материалов, подвергающихся воздействию: чем она выше, тем сильнее оказываемое явлением воздействие.

Связано явление с невозможностью быстрого преобразования энергии движущейся жидкости в другие виды, например, в потенциальную энергию сжатия самой жидкости или деформации стенок трубы.

В результате, давление в точке появления препятствия (расширения) скачкообразно увеличивается (снижается), порождая ударную волну.

При превышении давлением допустимых значений для материала трубопровода, происходит его разрушение.

К сведению! Гидроудар не всегда захватывает весь объем жидкости.

К примеру, при работе крыльчаток насосного оборудования, например, станции для повышения давления воды для частного дома (написано здесь), в зонах турбулентности возникают кавитационные пузырьки.

Их схлопывание порождает локальный (микро) гидроудар с энергией, не приводящей к глобальным разрушениям.

Однако, ее хватает для того, чтобы привести к микроповреждениям поверхности деталей насосов, что при постоянном воздействии выводит их из строя.

Несколько слов о теории

О возникновении ударных явлений в напорных трубопроводах при перекрытии запорной арматуры стало известно с началом их эксплуатации.

Применявшиеся, изначально, пробковые краны мгновенно перекрывали поток воды, инициируя гидроудар.

Разрушения труб централизованного водопровода, вследствие этого явления, происходили, практически, в каждом городе.

В разной степени работы по исследованию гидроудара велись и в России, и за рубежом, в частности:

братьями Монгольфье,
швейцарским изобретателем Э. Арганом,
М. Бультоном,
профессором Казанского университета И.С.Громекой.

Массовое разрушение водопроводных труб в Москве конца XIX века вынудило, действовавшее в то время Управление городским хозяйством, организовать комиссию для выяснения причин и разработки методов борьбы с этим явлением.

По приглашению Главного инженера Московского водопровода Н. П. Зимина в ее работе принял участие профессор механики Московского высшего технического училища Николай Егорович Жуковский.

Исследования проводились на базе Алексеевской водокачки.

Для работы использовались манометры и самопишущие аппараты, установленные на участках, путем врезки в чугунную трубу водопровода (как сделать, прочитайте здесь).

Отрезки трубопроводов диаметром 2, 4 и 6 дюймов были проложены по поверхности и соединены с водоводом, отвечавшим за подачу в город.

Предметом исследования стала динамика движения жидкости, изменения давления в трубах при срабатывании заслонок.

Результаты подтвердили, что причиной разрушения водопровода стала ударная волна, появляющаяся и распространяющаяся при быстром срабатывании запорной арматуры.

На основании выводов комиссии были приняты меры, главной из которых, стало постепенное закрытие и открытие задвижек.

Собранный материал позволил Н.Е.Жуковскому получить соотношение для времени срабатывания арматуры, которое полностью исключало гидроудар, или сводило его последствия к минимальным:

t = L*v/75P.

В формулу входят величины:

t – время срабатывания задвижки в секундах;
L – длина участка трубопровода в саженях;
v – скорость движения потока жидкости в трубопроводе в футах, в секунду;

P – допустимое давление для материала трубы в атмосферах.

Это соотношение и другие результаты исследований вошли в работу Н.Е. Жуковского «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах», материалы которой были представлены в докладе в Политехническом обществе 26.09.1897 г.

Последствия гидравлического удара

Конечно же, в квартирных сетях возникновение гидравлических ударов не влечет таких разрушительных последствий, как на магистральных трубопроводах. Однако и здесь они могут доставить массу хлопот, если не учитывать возможность их появления.

Периодически повторяющиеся гидравлические удары в квартирной водопроводной сети могут стать причиной следующих последствий:

Сокращение срока службы водопроводов. Нормативный срок службы внутренних водопроводов определяется по совокупности характеристик (температура, давление, время), в которых эксплуатируется труба. Даже кратковременные, но часто повторяющиеся, скачки и провалы давления, происходящие при гидравлическом ударе, существенно искажают картину эксплуатационного режима водопровода, сокращая срок его безаварийной эксплуатации. В большей степени это относится к полимерным и многослойным трубам.

Выдавливание прокладок и уплотнителей в арматуре и соединителях трубопроводов. Этому подвержены такие элементы, как поршневые редукторы давления, шаровые краны, вентили и смесители с резиновыми сальниковыми кольцами, уплотнительные кольца обжимных и пресс-соединителей, а также кольца полусгонов («американок»). В квартирных водосчетчиках выдавливание уплотнительного кольца между измерительной камерой и счетным механизмом может привести к попаданию воды в счетный механизм.

Даже однократный гидравлический удар может полностью вывести из строя контрольно-измерительные приборы, установленные в квартире. Например, изгиб стрелки манометра от взаимодействия с ограничительным штифтом – явный признак имевшего место гидравлического удара.

Каждый гидравлический удар в квартирном трубопроводе из полимерных материалов, выполненном на обжимных, прессовых или надвижных соединителях, неизбежно приводит к микроскопическому «сползанию» соединителя с трубопровода. В конце концов, может наступить момент, когда очередной гидроудар станет критическим и труба полностью вылезет из соединителя.

Кавитационные явления, которые могут сопровождать гидравлический удар, нередко являются причиной появления каверн в золотнике и корпусе запорной арматуры. Схлопывание вакуумных пузырьков при кавитации просто «выгрызает» куски металла с поверхности, на которой они образуются. В результате золотник перестает выполнять свою функцию, из-за нарушения герметичности запорного элемента. Да и корпус такой арматуры очень быстро выйдет из строя.

Особую опасность для квартирных трубопроводов, выполненных из многослойных труб, представляет зона разряжения ударной волны при гидравлическом ударе. При клеевом слое низкого качества или наличии непроклеенных участков, образующийся в трубе вакуум отрывает внутренний слой трубы, заставляя его «схлопываться.

При частичном схлопывании труба будет продолжать выполнять свою функцию, но с гораздо большим гидравлическим сопротивлением. Однако может произойти и полное схлопывание. В этом случае труба будет перекрыта своим же внутренним слоем. К сожалению, ГОСТ 53630-2009 «Трубы напорные многослойные» не требует проведения испытания образцов труб при внутреннем давлении ниже атмосферного. Но ряд производителей, зная о подобной проблеме, включают в технические условия обязательный пункт о проверке трубы под разряжением.

Еще одна опасность подстерегает при гидравлическом ударе внутренние трубопроводы горячего водоснабжения. Как известно, температура кипения воды находится в тесной зависимости от давления. Если в квартирный водопровод поступает горячая вода с температурой 70 °С, а в зоне разрежения гидравлического удара давление снижается до абсолютного значения 0,3 атм., то в этой зоне вода превратится в пар. Учитывая, что объем пара при нормальных условиях почти в 1200 раз больше объема такой же массы воды, следует ожидать, что данное явление может привести к еще большему росту давления в зоне сжатия ударной волны (см. табл. «Зависимость температуры кипения воды от давления» ).

Возможные причины

Проблема состоит в том, что причин этому феномену может быть много, но распространенными считаются три:

Резкое включение или остановка насоса, работающего на высоких оборотах, а также его поломка или экстренное отключение;
Экстренная остановка жидкости, текущей по трубам, путем перекрытия запорной арматуры;
Препятствие на пути потока жидкости в идее воздушной пробки.

Случай с работой или неисправностями насоса — наименее вероятным из этого списка. Прорыв канализации или водопровода из-за гидроудара по этой причине происходит реже других пунктов. Объясняется это тем, что у многих насос не установлен вовсе, а если он все же имеется, такое оборудования оснащается защитными системами.

Гидроудар из-за образования в системах отопления и подачи воды воздушной пробки более частое явление. Этот случай опасен тем, что при соприкосновении потока воды с завоздушенностью, скорость жидкости не снижается, а давлению и воздуху в закрытой среде некуда деться, что грозит сильным повышением атмосферного давления. Если 1–2 раза трубопровод выдержит, частые инциденты приведут к тотальным последствиям и прорыв труб неизбежен.

Наиболее частой причиной гидроудара по статистике становится именно резкое закрытие запорной арматуры. Этот фактор сильно усугубился, когда широкое распространение получил шаровый кран. Дело в том, что при вентильном кране, поток воды перекрывался постепенно, путем поэтапного закручивания вентиля и давление в трубах оставалось в допустимых пределах. Но технология шарового крана действует в разы быстрее и движущаяся жидкость внутри трубопроводов врезается в препятствие резко, не сбрасывая скорость, что приводит к сильному износу оборудования из-за повышающихся нагрузок и повышает риск гидроударов. В таких ситуациях даже компенсаторы для трубопроводов спасают не всегда.

Примеры гидроударов

Наиболее простым примером возникновения гидравлического удара является пример трубопровода с постоянным напором и установившимся движением жидкости, в котором была резко перекрыта задвижка или закрыт клапан.

В скважинных системах водоснабжения гидроудар, как правило, возникает, когда ближайший к насосу обратный клапан расположен выше статического уровня воды более, чем на 9 метров, или ближайший к насосу обратный клапан имеет утечку, в то время как расположенный выше следующий обратный клапан держит давление.

В обоих случаях в стояке возникает частичное разрежение. При следующем пуске насоса вода, протекающая с очень большой скоростью, заполняет вакуум и соударяется в трубопроводе с закрытым обратным клапаном и столбом жидкости над ним, вызывая скачок давления и гидравлический удар. Такой гидравлический удар способен вызвать образование трещин в трубах, разрушить трубные соединения и повредить насос и/или электродвигатель.

Гидроудар может возникать в системах объёмного гидропривода, в которых используется золотниковый гидрораспределитель. В момент перекрытия золотником одного из каналов, по которым нагнетается жидкость, этот канал на короткое время оказывается перекрытым, что влечёт за собой возникновение явлений, описанных выше.

Какие последствия гидроудара могут быть для системы отопления

Довольно часто после запуска системы отопления с приходом холодов в трубах можно услышать периодические щелчки и стук

Обратите внимание, что если подобные явления возникают слишком часто, это может привести к необходимости проведения срочного ремонта системы отопления. Связана такая необходимость может быть с тем, что гидроудар в трубах иногда приводит к прорыву теплоносителя, неисправности отопительного оборудования или повреждениям расширительного бачка

Поскольку самостоятельно определить возможные результаты воздействия ударной волны на систему довольно сложно, обычно для этих целей приглашают специалистов, чьи услуги стоят достаточно дорого. Поэтому настоятельно рекомендуем перед началом отопительного сезона провести диагностику отопительного контура и выявить все возможные недостатки.

Наиболее распространенной причиной гидроударов в отопительном контуре является различное сечение используемых труб. Поскольку на участке трубопровода с меньшим диаметром создается постоянное повышенное трение, оно мешает теплоносителю свободно двигаться по системе. Следовательно, в трубах постоянно слышится гудение, шипение или щелчки из-за повышенного давления.

Причины его появления

Появление гидравлического удара возможно в следующих случаях:

Трубопровод заполняют жидкостью: воздух выпускают через открытый кран, но с меньшим сечением, чем труба, жидкость достигает сечения крана, который не может принять в себя весь поток. В результате внезапной преграды давлению образуется гидравлический удар.
Подобный эффект можно наблюдать в случае внезапного закрытия запорных устройств на трубопроводе с постоянным давлением за счет чего несжимаемой жидкости внезапно перекрывается путь.

Картинка поясняет причины возникновения гидроудара

Гидроудары в трубопроводе разделяют на отрицательный (когда напор понижается в результате открытия задвижки или выключения насоса) и положительный (напор жидкости возрастает после включения насоса или внезапного перекрытия трубопровода).

Второй вариант гидравлического удара упоминают, как слишком опасный для систем отопления и водоснабжения (подробнее тут). Сильный скачок давления способствует нарушению непроницаемости запорной арматуры, вызывает расколы и трещины, выводит из строя оборудование.

Как рассчитать гидроудар в трубопроводе (качайте все формулы)?

В своих работах теоретик Н. Е. Жуковский детально описал явление гидроудара, где предоставил формулу, позволяющую определить степень повышения давления.

Последствия гидроударов в системах отопления

С приходом отопительного сезона, можно услышать, как в трубах системы отопления периодически что-то стучит и щелкает

Если подобные явления привлекают к себе внимание довольно часто, вероятно, в скором времени придется заняться ремонтом, так как появление гидроударов в системе отопления, может привести к нежелательным последствиям: вплоть до прорыва теплоносителя, выхода из строя расширительного бака или поломки отопительного прибора

В списке возможных проблем, являющихся причиной гидравлического воздействия, первое место обычно занимает совершенно разное сечение труб, используемых в системе отопления.

Постоянное сопротивление трубы с меньшим диаметром не позволяет свободно двигаться жидкости по системе. В результате повышается давление на трубы, слышится гудение или щелчки.

В данном случае потребуется капитальный ремонт системы отопления. Иначе через время трубопровод даст о себе знать.

Как избежать возникновения описанных проблем?

Этот вопрос необходимо решать сразу после монтажа или планового ремонта отопительной системы, путем ее грамотной настройки. Только таким способом можно устранить все существующие ошибки, допущенные в процессе проектирования и устройства.

В случае модернизации отопительной системы рекомендуется приобретать комплектующие детали, выполненные из износостойких и прочных материалов. Все подобранные детали должны соответствовать правилам эксплуатации системы.

Избежать нагнетания давления в трубопроводе позволяет дополнение системы специальными компенсаторами (гидроаккумуляторами), которые вбирают в себя излишнюю жидкость, тем самым предотвращают гидроудар.

Также осуществлять контроль давления потока жидкости по системе, можно используя электронасос. Оборудование плавно подает воду в систему, при малейшем изменении давления, регулирует ее подачу.

Еще подробнее об этом явлении и методике расчета смотрите в видео ниже.

Как избежать проблемы?

Уменьшить интенсивность и нейтрализовать влияние избыточного давления поможет грамотная защита системы водоснабжающих трубопроводов.

Защитные механизмы для автономных систем против гидроудара в большинстве случаев направлены на сглаживание силы потока водяной массы

Для профилактики создания избыточного давления разового и перманентного характера как на отдельном участке контура, так и всей системе в целом, применяют ряд основных мер.

Вариант #1. Плавное перекрытие системы

Это одно из основных требований при запуске и отключении систем трубопроводов, которое четко прописано в нормативных документах.

Дело в том, что энергия гидравлического удара в связи с упругостью стенок трубы действует единовременно не всей своей силой. За счет компенсации упругих деформаций она разделена на несколько временных интервалов.

А потому при одинаковой суммарной силе удара мощность воздействия на определенный момент будет существенно понижаться. Посредством плавного включения можно продлить во времени процесс нарастания давления, сведя к минимуму существенные повреждения системы.

При выборе запорной арматуры предпочтение стоит отдавать изделиям, которые имеют относительно большой промежуток перекрытия воды

Краны, конструкция которых предусматривает большой промежуток до момента перекрытия воды, устанавливают еще на этапе монтажа оборудования.

Вариант #2. Применение автоматических устройств

Автоматика должна быть настроена на плавную коррекцию статического давления в системе. Достичь желаемого эффекта помогает установка насосов с автоматическим изменением числа оборотов либо же агрегатов с электронным управлением, которые оснащены встроенными частотными преобразователями.

Задействование автоматических систем позволит контролировать поток жидкости, а также считывать показания ее давления в трубопроводе

Насосы, оснащенные автоматической регулировкой оборотов электродвигателя, способны плавно увеличивать/понижать давление в системе. При этом программное обеспечение одновременно выполняет две задачи: отслеживает изменение давления в водопроводе и автоматически регулирует напор.

Причины возникновения гидроудара и его особенности

Итак, основная причина гидроудара – это изменение скорости потока жидкости в трубе. При этом перепад должен быть скачкообразный, то есть, резким. К примеру, отключился насос подачи воды, или, наоборот, он резко включился. Особенно это будет чувствоваться в местах, где поток воды встречается с какой-либо преградой: воздушным пузырем или запорной арматурой. Через задвижки и вентиля жидкость проходит без проблем, здесь ее скорость практически не изменяется, но увеличивается перед ними ее объем.

А увеличение массы – это увеличение давления на данном участке, которое при разных обстоятельствах может превышать 10 атм. Такой избыточный объем должен куда-то выйти, а так как водопроводная система отчасти закрытая, то появляется большая вероятность, что труба на этом участке, особенно в стыке с запорной арматурой, разорвется.

Пластиковая труба после неоднократных гидроударов

Причины появления гидроудара

Итак, об основной причине уже упоминалось – включение или выключение насоса. Теперь остальные причины.

Воздушные пробки, которые образуются внутри трубной разводки водопровода. Поэтому от них надо избавляться еще до начала работы. Правда, необходимо отметить, что такая причина не является основной, когда дело касается водоснабжения. Чаще воздух становится причиной гидроударов в системах отопления.
Если резко закрыть вентиль или задвижку на магистральном контуре подачи воды. Кстати, в настоящее время специалисты отмечают, что данная причина становится основной, потому что в водопроводные схемы стали устанавливать быстро закрывающиеся элементы, такие как шаровые краны. И если внутри трубы окажется воздушная пробка, то давление при закрытии крана может резко подняться от 1 до 10. Конечно, надо отдать должное производителям труб, они могут выдержать и не такие нагрузки. Но многократное давление может вывести из строя даже их.
Конечно, перебои с подачей электроэнергии становится, во-первых, причинами резкого отключения насосного оборудования. А уже, во-вторых, резкой остановкой скорости потока жидкости. Соответственно все то же самое произойдет и с включением.

Как правильно закрывать запорную арматуру

Последствия гидроударов

Безопасность системы водоснабжения основана на правильном подходе к ее проектированию

Поэтому очень важно, создавая водопровод, учитывать все нюансы, касающиеся причин возникновения гидравлических ударов. И самое основное – это постараться создать такую трубную разводку, в которой вода при движении не встречала преград, а точнее, их должно быть как можно меньше

Но даже установленный вентиль на пути движения воды не всегда будет той преградой, которая создаст большое давление. Ведь все будет зависеть от объема жидкости, которая начнет собираться перед ним. К примеру, короткий трубопровод или труба с малым диаметром. На таких участках гидравлические удары большая редкость.

Что касается последствий, то неприятных моментов, созданных гидроударом достаточно много.

Разрушаются трубные разводки.
Выходит из строя запорная арматура и насос.
Затапливаются помещения.
Портится мебель и другие предметы интерьера.
Требуется ремонт водопровода с полной или частичной заменой труб.
На какое-то время прекращается подача воды в дом.

Последствия гидравлического удара в водопроводной трубе

Краткое описание

Весьма распространенный гидравлический удар в обустроенной системе качественного отопления представляет собой своеобразное явление, которое базируется на нормах динамики разных веществ. Само проявление отличается тем, что при периодическом изменении скорости движении потока рабочей жидкости наблюдается повышение показателей давления. В качестве главного теплоносителя выступает вода, основным показателем которой является несжимаемость. В период циркуляции заправленного теплоносителя по трубопроводам и нагревательным элементам на его пути могут возникать различные гидравлические препятствия. В большинстве случаев это повороты, резкие перепады диаметра трубопроводов, а также арматура запорно-регулирующего типа.

В созданных неблагоприятных условиях теплоноситель может повредить те элементы, которые представляют потоку сильное гидравлическое сопротивление. Это могут быть конвекторы, повороты труб, различные приборы, радиаторы и даже теплообменники котлов.

Авария вполне может возникнуть в результате постепенного износа эксплуатируемой конструкции и ее элементов либо в результате внезапного воздействия сильного скачка показателей. Во всех ситуациях последствия гидроудара влекут за собой материальные растраты на ликвидацию протечки. Чтобы самому не оказаться в такой ситуации следует понимать базовые причины образования гидроудара. Последствия аварии всегда непредсказуемые, начиная от самой обычной поломки циркуляционного насоса и заканчивая масштабным затоплением всего дома. Все зависит от качества и мощности системы.

Самые распространенные последствия воздействия гидроудара

Что нужно делать для профилактики

1.Периодически проверяют безопасную работу защитного клапана, манометра, воздухоотводчика.

2.проверяют давление в конструкции, расположенной за мембраной камеры для искусственного расширения трубы. При необходимости корректируют работу.

3.проводят тестовые испытания на отсутствие утечек, выявляют уровень износа системы.

4.проверяют вентиля арматуры для запора на наличие течи.

5.очищают фильтры, которые задерживают ржавчину, песок и т.д.

Профилактические меры содержат несложные работы, которые стоит выполнять, чтобы при необходимости обойтись небольшими ремонтными работами.

Работу по профилактике проводят комплексно, именно такой метод исключит гидроудары и продлит срок эксплуатации трубопровода.

Причины и последствия гидроудара в системе водоснабжения

О таком явлении, как гидроудар в системе водоснабжения, стали говорить еще в 19 веке, когда промышленность развивалась достаточно быстро, и стало повсеместно использоваться оборудование для перекачки жидкостей. И это явления стали сразу же изучать, потому что оно было негативным. Современная статистика утверждает, что 60% поломок трубопроводов с жидкостями – это и есть гидроудар в них.

Что такое гидроудар? Это резкий скачок давления внутри трубопровода. А причина банальна – изменение скорости движения жидкости. Поэтому еще на стадии разработки водопровода, необходимо учитывать данное явление, которое будет определять надежность системы водоснабжения. Это явление сопровождается различными шумами внутри труб, щелчками, постукиваниями. Казалось бы, вроде бы ничего опасного, поэтому многие звукам не придают особого значения, но на деле все иначе. Гидроудар в водопроводной системе приводит к растрескиванию труб, к выходу из строя оборудования и запорной арматуры.