ضربه قوچ (Water Hammer) که به عنوان چکش سیال، چکش آبی و شوک هیدرولیکی هم شناخته می شود، مثل پدیده کاویتاسیون، از رایج ترین رخدادها در مکانیک سیالات است که موقع توقف ناگهانی مسیر شاره ای در حال حرکت، اتفاق می افتد. در این مقاله قصد داریم به بررسی دلایل این پدیده و راه هایی برای جلوگیری از وقوع آن بپردازیم.
ضربه قوچ در واقع افزایش فشاری است که در سیالات بعد از تغییر مسیر یا بسته شدن ناگهانی مسیر جریان رخ می دهد و این افزایش فشار در اغلب مواقع، زمانی اتفاق می افتد که یک شیر در مسیر حرکت سیال بسته شود. افزایش فشار در اثر وقوع ضربه قوچ میتواند 5 تا ۱0 برابر فشار سیستم باشد و این فشار اثرات مخرب زیادی بر سیستم اعمال می کند.
با توجه به تعریف بالا بدیهی است که چکش آبی در خطوط لوله ای که جریانی تحت فشار دارند به وقوع بپیوندد. در بعضی از این سیستم های لوله کشی تحت فشار، مانند خطوط نفت، توزیع آب، نفت و … این پدیده با تشکیل موج هایی با سرعت بالا سبب بروز خطرات مختلفی می شود تا جایی که بعضی از مواقع قدرت تخریبی شان در حدی است که خسارات سنگینی از جمله شکستن شیرها یا پمپ ها و ترکیدن لوله ها در خطوط انتقال را از خود به جا می گذارد.
در یک طبقه بندی کلی ضربه قوچ را می توانیم به دو نوع تقسیم کنیم:
پدیده ضربه قوچ ممکن است به دلایل مختلفی رخ دهد که یکی از آنها انتخاب شیر نادرست یا انتخاب مکان نامناسبی برای قرارگیری اش باشد. بعضی از شیرهایی که میتوانند دلیل وقوع پدیده چکش آبی باشند، عبارتند از:
در واقع این شیرهای یک طرفه، چون برای بستن شان و برگشتن دیسک به حالت اولیه به فشار مخالف جریان اصلی و جریان برگشتی نیاز داریم، تمایل دارند که به جریان شاره ضربه وارد بکنند. به دلیل این که جریان برگشتی دارای نیروی زیادی است، دیسک با نیروی زیادی به هم کوبیده می شود. این شوک، هم ترازی دیسک را از بین می برد و سبب می شود که شیر در تمام زوایا با تکیه گاه در تماس نباشد که این مورد باعث خساراتی در اجزای سیستم می شود.
همچنین نگهداری و تعمیرات ضعیف هم میتواند باعث وقوع چکش آبی باشد.
پدیده چکش آبی، تاثیراتی روی سیستم می گذارد که یکی از آنها نشتی در اتصالات است. علاوه بر این مورد گاهی اوقات این ضربه موجب ایجاد تغییر شکل یا ترک در لوله ها می شود و به دلیل هزینه بالای تعویض لوله ها، این خرابی می تواند باعث خساراتی جبران ناپذیر باشد.
علامت رایج چکش آبی، صدای آن است و همان طور که از نامش پیداست مانند ضربه چکش به گوش می رسد که عامل تولید این صدا برخورد موج فشار به شیر بسته شده است. این مورد یکی از منابع نویز است که وقوع پی در پی آن باعث خسارت هایی در واشرها، اتصالات، فشار سنج و … می شود. این موضوع که این پدیده با توجه به صدایی که از آن منتشر می شود قابل تشخیص است، به پیش بینی و پیشگیری از خسارات احتمالی کمک می کند.
حال که با ضربه قوچ آشنا شدیم و آثار مخرب آن را بررسی کردیم، در ادامه به معرفی روش هایی برای کاهش اثرات این پدیده خواهیم پرداخت. راه های گوناگونی برای کاهش اثرات مضر این پدیده وجود دارد:
اگر بخواهیم از دید دیگری این موضوع را بررسی کنیم، با توجه به این رابطه، 3روش کلی برای کاهش اثر چکش آبی خواهیم داشت:
dP/dt = ρa dV/dt
از آن جایی که پدیده چکش آبی ناشی از نحوه باز و بسته کردن شیر، قطع پمپ، تغییر سرعت سیال و … است، اغلب روش ها و تجهیزات کنترل کننده، در واقع کنترل کننده تغییرات ناگهانی سرعت هستند. از این بابت که شیرها از دلایل عمده ظهور این پدیده هستند، به راه هایی مرتبط با شیرها برای جلوگیری از ضربه قوچ می پردازیم.
زمان بندی برای بستن شیرها نقش مهمی در مقدار فشار ایفا می کند. مراحلی که برای بستن شیر (به خصوص شیرهای دروازه ای) طی می کنیم، تاثیر زیادی روی مقدار فشار چکش آبی می گذارد. نکته ای که ذکر کردیم برای بقیه شیرها نیز قابلیت تعمیم دارد. بهترین روشی که می توان برای بررسی تاثیر این امر بر مقدار فشار ضربه قوچ استفاده کرد، تحلیل این مورد با دانش مهندسین و استفاده از برنامه های کامپیوتری است.
در بعضی موارد هم لازم است تا از شیرهای خیزاب شکن بهره ببریم زیرا شیر قطع و وصل با سرعت بالایی بسته می شود و به عنوان مانعی در راه جریان قرار می گیرد. همین مورد سبب می شود که سرعت جریان به طور آنی کم شود و ضربه قوچ شدیدی ایجاد بشود و در این مواقع استفاده از شیرهای خیزاب شکن یکی از بهترین راه ها برای جلوگیری از چکش آبی است.
آخرین اقداماتی که می توان برای جلوگیری از پدیده ضربه قوچ و کم کردن اثراتش انجام داد عبارتند از:
پس امروزه ضروری است که در تمام خطوط انتقال آب یا دیگر سیالات، چکش آبی را به دقت مورد بررسی قرار دهیم تا با درک اثراتش برای جلوگیری از اثرات مضر این پدیده، اقدامات لازم صورت گیرد.