ضربه قوچ چیست و راه‌های جلوگیری از چکش آبی

ضربه قوچ (Water Hammer) یا چکش آبی که به عنوان چکش سیال و شوک هیدرولیکی نیز شناخته می‌شود، مانند پدیده کاویتاسیون، از رایج‌ترین رخدادها در مکانیک سیالات است، این پدیده در هنگام توقف ناگهانی مسیر شاره‌ای در حال حرکت، اتفاق می‌افتد. در این مقاله قصد داریم به بررسی دلایل وقوع ضربه قوچ و راه‌های جلوگیری از چکش آبی بپردازیم.

ضربه قوچ چگونه اتفاق می افتد؟

ضربه قوچ در واقع افزایش فشار سیالات، در نتیجه تغییر مسیر سیال و یا بسته شدن ناگهانی مسیر جریان است. این افزایش فشار در اغلب مواقع، زمانی اتفاق می افتد که یک شیر در مسیر حرکت سیال بسته شود. این افزایش فشاری که در اثر وقوع ضربه قوچ حاصل می‌شود، می‌تواند ۵ تا ۱۰ برابر فشار عادی سیستم باشد، بنابراین، این فشار اثرات مخرب زیادی بر سیستم اعمال می‌‌کند.
با توجه به توضیحات ارائه شده، بدیهی است که چکش آبی در خطوط لوله‌ای که در آن‌ها یک جریان تحت فشار وجود دارد، به وقوع می‌پیوندد. در برخی از این سیستم‌های لوله کشی تحت فشار، از جمله خطوط نفت، خطوط توزیع آب، نفت و … نیز این پدیده با تشکیل موج‌هایی با سرعت بالا، سبب بروز خطرات مختلفی می‌شود. تا جایی که در بعضی از مواقع قدرت تخریبی آن‌ها در حدی است که خسارات سنگینی را در خطوط انتقال از خود به جای می‌گذارند؛ از جمله شکستن شیرها یا پمپ‌ها و همچنین ترکیدن لوله‌ها.

انواع ضربه قوچ

به طور کلی ضربه قوچ را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:

۱) ضربه قوچ ناشی از ایجاد مانع سخت (مثلاً به هنگام بسته شدن شیر پایین دست مدار): در هنگام بسته شدن آنی شیر پایین دست مدار، به دلیل این که تغییر فشار سیستم در زمان کوتاهی رخ می‌دهد، ضربه قوچ سخت را ایجاد می‌کند. در این حالت شوک فشاری شدیدتری به سیستم وارد می‌شود و در نتیجه چکش آبی ایجاد شده نیز شدیدتر خواهد بود.

۲) ضربه قوچ ناشی از ایجاد مانع نرم (مثلاً به هنگام خاموش شدن پمپ): اگر پمپ مدار به صورت ناگهانی خاموش شود، پدیده ضربه قوچ نرم اتفاق خواهد افتاد. همان طور که از نام این ضربه پیداست، چکش آبی نرم ضربه چندان شدیدی به سیستم وارد نمی‌کند، زیرا در هنگامی که پمپ خاموش می‌شود، پره‌های آن تا مدت کوتاهی همچنان به چرخش ادامه می‌دهند و فشار سیستم آهسته تر کاهش می‌یابد.

دلایل وقوع ضربه قوچ

پدیده ضربه قوچ ممکن است به دلایل مختلفی رخ دهد، اما یکی از آن دلایل، انتخاب شیر نادرست یا انتخاب مکان نامناسبی برای قرارگیری شیر است. بعضی از انواع شیرهایی که می‌توانند دلیل وقوع پدیده چکش آبی باشند، عبارتند از:

• شیر یک طرفه وزنه‌ای (Tilting Disc Check Valve)
• شیر یک طرفه دو در (Double Door Check Valve)
•  شیر یک طرفه نوسانی (Swing Check Valve)

در واقع در این شیر های یک طرفه، به دلیل این که برای بستن شیر و برگشتن دیسک به حالت اولیه، به فشار مخالف جریان اصلی و جریان برگشتی نیاز است، بنابراین تمایل دارند که به جریان شاره ضربه وارد کنند و از آن جایی که جریان برگشتی دارای نیروی زیادی است، دیسک نیز با نیروی زیادی به هم کوبیده می‌شود. این شوک، هم‌ ترازی دیسک را از بین برده و سبب می‌شود که شیر در تمام زوایا با تکیه‌ گاه تماس نداشته باشد که در نتیجه، این مورد باعث ایجاد خساراتی در اجزای سیستم می‌شود. علاوه بر این، نگهداری و تعمیرات ضعیف سیستم نیز می‌تواند موجب وقوع چکش آبی شود.

اثرات پدیده چکش آبی

پدیده چکش آبی، اثرات مختلفی روی سیستم می‌گذارد که یکی از آن‌ها ایجاد نشتی در اتصالات است. علاوه بر ایجاد نشتی در اتصالات، گاهی اوقات این ضربه موجب ایجاد تغییر شکل در لوله‌ها و یا حتی ایجاد ترک در آن‌ها می‌شود. اما در این شرایط نیز به دلیل هزینه بالای تعویض لوله‌ها، این خرابی می‌تواند باعث ایجاد خسارات جبران ناپذیری در سیستم شود.

نشانه رایج چکش آبی، صدای ایجاد شده در هنگام وقوع آن است و همان طور که از نام آن مشخص است، مانند ضربه چکش به گوش می‌رسد که عامل تولید این صدا نیز برخورد موج فشار به شیر بسته شده است. صدای برخورد موج فشار به شیر بسته شده در پدیده ضربه قوچ، یکی از منابع نویز است که اگر به صورت مکرر اتفاق بیفتد، باعث ایجاد خسارت هایی در واشرها، اتصالات، فشار سنج‌ و … می‌شود. این موضوع که پدیده چکش آبی با توجه به صدایی که از آن منتشر می‌شود قابل تشخیص است، تا حدودی می‌تواند به پیش‌ بینی و پیشگیری از خسارات احتمالی کمک کند.

مطالب مرتبط:

• لیست قیمت شیر توپی

راه‌های کاهش اثر ضربه قوچ

راه‌های گوناگونی برای جلوگیری از چکش آبی و یا کاهش اثرات مضر این پدیده وجود دارد که برخی از آن‌‌ها عبارتند از:

•  یکی از ساده‌ترین روش‌هایی که به کمک آن می‌توان اثر ضربه قوچ را کاهش داد، آموزش افرادی است که با شیرها و دستگاه‌های موجود در سیستم، در حال کار هستند، زیرا کسی که اهمیت و همچنین روش باز و بسته کردن شیرها و خاموش و روشن کردن پمپ‌ ها را آموزش دیده و به طور کامل بلد باشد، در نتیجه اقدامات و کارهای درستی انجام می‌دهد که همین امر موجب کاهش اثرات مخرب پدیده ضربه قوچ می‌شود. البته این موضوع برای شیرهایی مانند شیرهای توپی (Ball Valve)، شیرهای سماوری (Plug Valve) و شیرهای پروانه‌ای (Butterfly Valve) تاثیر بیشتری دارد.
• یکی دیگر از این روش‌های ساده برای کاهش اثر ضربه قوچ این است که قطر لوله به منظور کاهش سرعت جریان پمپ، افزایش داده شود؛ اما این روش نیارمند صرف هزینه است.
• علاوه بر این با قراردادن چرخ لنگر در محور پمپ، می‌توان مدت زمان ایستادن پمپ را افزایش داد، که همین مسئله نیز تأثیر چشمگیری در کاهش اثر این ضربه خواهد داشت.
• در روش دیگر با قرار دادن شیر خودکار هواگیر و هواده بعد از پمپ، موجب می‌شود که در هنگام ایجاد مکش، هوا وارد لوله شده و در هنگام برگشت موج فشار نیز هوا از لوله بیرون برود.
• با کمک خفه کننده‌هایی مانند برج تعادل و منابع هوای فشرده نیز می‌توان مانع از کاهش ناگهانی سرعت جریان در لوله شد.

مطالب مرتبط:

• قیمت شیرالات صنعتی

• قرار دادن شیرهای الکتریکی پشت پمپ در سیستم نیز روشی است که از طریق آن می‌توان زمان باز و بسته کردن شیر را تنظیم کرد تا قبل از روشن و خاموش کردن پمپ از آن استفاده بشود.
• متوقف کننده‌های ضربه قوچ راهی هستند که از طریق آن‌ها می‌توان افزایش فشارهای ناشی از چکش آبی را تا حد زیادی کنترل کرد. بدین ترتیب که اجزای این سیستم، تنش باقی مانده در اجزا را به مقدار زیادی کاهش می‌دهند. بنابراین در صورتی که این متوقف کننده‌ها به درستی تولید و نصب شوند، راه حل بسیار خوبی برای کاهش اثرات مضر این پدیده هستند.
• یکی از راه حل‌های دیگر برای کاهش اثرات مخرب ناشی از پدیده ضربه قوچ، کاهش فشار جریان در سیستم است، چرا که این کاهش فشار در سیستم، موجب کاهش نیرو در فرایند بستن شیر نیز می‌گردد.
• انتخاب نوع لوله نیز برای کاهش مقدار سرعت موج بسیار تاثیرگذار است. مثلاً استفاده از انواع لوله‌های پلی اتیلن می‌تواند سرعت موج را کاهش دهد.

روش های جلوگیری از چکش آبی

– زمان بندی بستن شیرها نقش مهمی در مقدار فشار سیستم ایفا می‌کند. مراحلی که  برای بستن شیر (به ویژه شیرهای دروازه‌ای) انجام می‌شود، تاثیر زیادی روی مقدار فشار چکش آبی می‌گذارد.

– گاهی هم لازم است که از شیرهای خیزاب شکن استفاده شود، زیرا شیر قطع و وصل که با سرعت بالایی بسته می‌شود، به عنوان مانعی در مسیر جریان قرار می‌گیرد و سبب می‌شود که سرعت جریان در یک لحظه کاهش یابد و ضربه قوچ شدیدی ایجاد شود. بنابراین استفاده از شیرهای خیزاب شکن یکی از بهترین راه‌ها برای جلوگیری از چکش آبی است.

– استفاده از عملگرهای برقی و محرکه در شیر قطع و وصل که با کنترل روی عملکرد شیر، موجب می‌شود به صورت آهسته و به آسانی بتوان شیر را باز یا بسته کرد.

– استفاده از شیرهای یک طرفه که با سرعت بالایی بسته می‌شوند: از آنجایی که دلیل وقوع این پدیده، تغییرات ناگهانی در سرعت شاره است که موجب برگشت آن می‌شود، بنابراین استفاده از یک شیر یک طرفه که سرعت بسته شدن بالایی دارد، اجازه قطع کردن یا برگشت جریان را نداده و می‌تواند از این ضربه جلوگیری کند.