Гидроудар в трубопроводе: почему он возникает при остановке насоса и как защитить линию

Гидроудар в трубопроводе — это резкий скачок давления, когда поток воды внезапно останавливается или меняет направление. Вода почти несжимаема, и её движущаяся масса ударяет в клапан, задвижку или колено. Такой удар бывает в несколько раз сильнее рабочего давления насоса. Поэтому гидроудар ломает обратные клапаны, рвёт стыки и срывает опоры труб.

Почему возникает гидроудар в трубопроводе

• Внезапная остановка насоса — отключили питание или сработала защита. Столб воды в напорной линии по инерции идёт вверх, затем разворачивается и бьёт в обратный клапан.
• Быстрое закрытие задвижки на работающей линии — о задвижках см. статью о запорной арматуре для насоса.
• Хлопок обратного клапана: тарелка закрывается уже при обратном потоке и с ударом останавливает его.
• Пуск насоса на пустую линию: вода разгоняется и с ударом заполняет трубу, особенно если в ней воздух.

Сильнее всего гидроудар в длинных жёстких трубопроводах: в напорных ставах шахт, в стальных линиях водоотлива, на перекачке на большое расстояние.

Гидроудар в трубопроводе: формула Жуковского

При мгновенной остановке потока скачок давления оценивают по формуле Жуковского:

ΔP = ρ · c · Δv

• ρ — плотность воды, 1000 кг/м³;
• c — скорость распространения ударной волны: порядка 1000–1300 м/с в стальной трубе и 200–500 м/с в полиэтиленовой;
• Δv — насколько изменилась скорость воды, м/с.

Удар считается мгновенным, если поток остановился быстрее, чем волна успела пройти до конца линии и обратно, то есть быстрее, чем за 2L / c. Для стальной линии длиной 500 м это меньше секунды. Чем медленнее останавливается поток, тем слабее удар.

Гидроудар в трубопроводе при остановке насоса

Для насосной линии самый опасный момент — не пуск, а внезапная остановка. Насос перестаёт давить, столб воды тормозится и начинает течь обратно. Если обратный клапан закроется в этот момент с запаздыванием, он остановит уже обратный поток — с ударом. Кроме того, на высоких участках линии давление может упасть так низко, что столб воды разрывается. Когда разрыв схлопывается, удар получается ещё сильнее.

Признаки гидроудара: стук в линии при остановке насоса, подпрыгивание труб, течь на стыках, треснувший корпус клапана, сорванные хомуты и опоры.

Как защитить трубопровод от гидроудара

• Плавный останов. Устройство плавного пуска или частотный преобразователь замедляют насос постепенно, и поток тормозит без удара. Подробнее — в статьях о плавном пуске и о частотном преобразователе. Но при пропадании питания плавного останова не будет.
• Быстрый обратный клапан. Подпружиненный клапан закрывается раньше, чем поток развернётся, и не хлопает. О выборе — в статье об обратном клапане.
• Медленное закрытие задвижек. Задвижку на длинной линии закрывают за время, заметно большее 2L / c.
• Меньшая скорость воды. Удар пропорционален скорости, поэтому линия большего диаметра снижает и потери, и гидроудар — см. статью о потерях напора в трубопроводе.
• Воздушные клапаны в высоких точках линии и гасители — демпферы, гидроаккумуляторы или колонны — на крупных системах. Их подбирает проектировщик по расчёту переходных процессов.

Гидроудар в рукаве и в жёсткой трубе

Гибкий напорный рукав сам гасит часть удара: стенки растягиваются, и волна идёт медленнее. Поэтому на временном водоотливе с рукавами гидроудар обычно не главная проблема. Жёсткий стальной став в шахте или карьере — другое дело: там гидроудар учитывают при проектировании, а защиту ставят обязательно.

Частые вопросы

Может ли гидроудар повредить насос? Да. Удар передаётся на корпус и уплотнения, а обратный поток может раскрутить колесо в обратную сторону.

Почему линия стучит только при отключении насоса? При остановке столб воды разворачивается и бьёт в обратный клапан. Нужен клапан, который закрывается быстрее, или плавный останов.

Нужна ли защита от гидроудара на коротком рукаве? Как правило, нет. Длина маленькая, а рукав гасит волну.

Помогает ли гидроаккумулятор? Да, на крупных линиях. Его объём и давление определяют расчётом.

Вывод: гидроудар в трубопроводе возникает при резкой остановке потока, чаще всего при внезапном отключении насоса и хлопке обратного клапана. На длинной стальной линии скачок давления может в разы превысить рабочий. Защищают линию плавным остановом, быстрыми обратными клапанами, медленным закрытием задвижек и меньшей скоростью воды. Насосы для водоотлива с длинными ставами — в обзоре дренажных насосов Grindex. Производитель оборудования — шведская компания Grindex.