Uderzenie wodne w instalacji wodnej i grzewczej: przyczyny i środki zapobiegawcze

Jednym z głównych problemów podczas eksploatacji autonomicznych systemów grzewczych i dostaw wody jest skok ciśnienia. Uderzenie hydrauliczne w systemie zaopatrzenia w wodę i ogrzewania wodnego, powstałe w wyniku tego gwałtownego skoku, może być przyczyną poważnych uszkodzeń. Należy mu zapobiec, czy zgadza się Pan/Pani?

Opowiemy, jak zapobiec zjawisku i zneutralizować jego negatywne skutki, zapewniając nieprzerwaną pracę obiegów. U nas Pan/Pani dowie się, jakie sposoby są stosowane w celu wyeliminowania uderzenia hydraulicznego w systemach transportujących wodę do kranów czerpalnych i urządzeń grzewczych.

W przedstawionym do zapoznania się artykule szczegółowo omówiona jest natura uderzenia hydraulicznego. Wymieniono środki zapobiegawcze, wykluczające powstanie niebezpiecznej sytuacji. Dla przejrzystego odbioru trudnego tematu załączono schematy, ilustracje fotograficzne oraz wideo.

Co to jest uderzenie hydrauliczne?

Uderzenie hydrauliczne to krótkotrwały, ale znaczący skok ciśnienia w systemie wypełnionym cieczą. Zjawisko to występuje w momencie zderzenia strumienia cieczy z przeszkodą napotkaną na swojej drodze. Do typowych przykładów powstawania takich przeszkód należą nagłe zamknięcie zaworu odcinającego, nagłe zatrzymanie pompy, poduszka powietrzna itp.

Zderzając się z przeszkodą, strumień wody kontynuuje przepływ bezwładnościowo z tą samą prędkością, z jaką płynął przed pojawieniem się przeszkody. Pierwsze warstwy stykające się z przeszkodą są zagęszczane z tą samą prędkością przez dopływ kolejnych warstw.

Ze względu na ciągłe napływanie nowych warstw strumienia ciśnienie gwałtownie wzrasta, a ciecz “szuka” sposobu na zrzucenie swojej części, aby je rozładować.

Analogiczna sytuacja prawie zawsze występuje przy przerwaniu przepływu za pomocą zaworu kulowego lub zasuwy. Na pierwszy rzut oka zjawisko może wydawać się niegroźne. Dlatego wielu właścicieli nie przywiązuje do niego szczególnej uwagi.

Ale w rzeczywistości, po wykryciu przesłanek do narastającej wady rur i armatury, należy jak najszybciej ją usunąć. W wyniku uderzenia hydraulicznego w systemie grzewczym pojawiają się pęknięcia i rysy, a także uszkodzenia sprzętu.

Przed tym poważnym problemem mogą wystąpić trzaski i stuki, a także obcy hałas w rurach doprowadzających wodę, któremu towarzyszy charakterystyczne „warczenie”.

Trzaski występują głównie w miejscach, w których rury o większym rozmiarze są połączone z króćcami o mniejszym przekroju. Woda przepływająca wzdłuż ich wewnętrznych ścian napotyka na co prawda niepełną, ale jednak przeszkodę.

Regularne występowanie uderzenia hydraulicznego negatywnie wpływa na pracę systemu, znacznie skracając jego żywotność.

W przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnych w wyniku uderzenia hydraulicznego mogą ucierpieć:

• sprzęt (narusza się szczelność rurociągów i niszczone są urządzenia grzewcze);
• mienie (woda wyciekająca z uszkodzonej sieci zaleje mieszkanie i doprowadzi do zniszczenia mebli);
• domownicy (jeśli zakłócenie nastąpiło w systemie ciepłowniczym, istnieje ryzyko poważnych oparzeń termicznych);

Według danych statystycznych „lwia część” awarii rurociągu, stanowiąca około 60%, wynika z uderzenia hydraulicznego. Częściej negatywne skutki takiego efektu można zaobserwować w przypadku zużytych rur pokrytych korozją.

Konsekwencje regularnych uderzeń hydrodynamicznych mogą być nieprzewidywalne, a najczęstszym z nich jest przebicie.

Najwięcej problemów sprawia długim rurociągom, na przykład przy instalacji „ogrzewania podłogowego”, po którego obwodach krąży ciecz podgrzana do określonej temperatury.

Stopień uszkodzenia w dużej mierze zależy od miejsca wystąpienia przeszkody: jeśli na początku długiego rurociągu, wielkość podwyższonego ciśnienia będzie nieznaczna, jeśli natomiast na końcu – znacznie wyższa.

Najczęściej efekt występuje, gdy przy układaniu systemu grzewczego zastosowano rury o różnych średnicach. Jeśli „różnokalibrowe” rury za pomocą przejściówek nie zostały sprowadzone do wspólnego „mianownika”, wzrost ciśnienia w systemie grzewczym jest nieunikniony. W tej sytuacji, w celu ochrony systemu, obwód wyposaża się w specjalny zawór – termostat.

Przyczyny powstawania uderzenia hydraulicznego

Fizyczna natura tego zjawiska tkwi w całkowitej utracie lub znacznym zmniejszeniu przepustowości wodociągów, w wyniku czego wzrasta ciśnienie cieczy w systemie.

W domach, gdzie nieumiejętnie zaprojektowano i urządzono instalacje inżynieryjne, nierzadko można usłyszeć w rurociągu charakterystyczne pukanie i trzaski.

Są one zewnętrznym przejawem uderzenia hydraulicznego i powstają, gdy w zamkniętym systemie nagle ustanie cyrkulacja cieczy, a następnie równie nagle zostanie wznowiony jej ruch.

W roli naturalnych przeszkód rurociągu często występują korki powietrzne, przejściówki z większej średnicy na mniejszą lub zamontowana armatura odcinająca

Jeżeli na drodze poruszającego się z określoną prędkością strumienia wody pojawi się przeszkoda, jego prędkość ruchu zwalnia, a objętość nadal wzrasta. Nie znajdując ujścia, tworzy on falę zwrotną, która, zderzając się z główną masą wody, zwiększa ciśnienie w systemie. Czasami może ono osiągnąć próg 20 atm.

Ze względu na szczelność magistrali zgromadzona objętość nie ma gdzie odpłynąć, ale potężna energia mimo wszystko dąży do znalezienia ujścia do środowiska zewnętrznego. Powstająca w wyniku takiego zderzenia siła uderzenia stwarza zagrożenie pęknięcia rury, która nie ma wystarczającego zapasu wytrzymałości.

Z tego powodu do instalacji systemu należy stosować dostosowane do sieci wodnych bezszwowe rury wodno-gazowe, odpowiadające GOST 3262-75, lub ciśnieniowe analogi metaloplastikowe, wyprodukowane zgodnie z GOST 18599.

Pod wpływem permanentnego oddziaływania energii wody zarówno sam rurociąg, jak i sztywne elementy systemu będą stopniowo lub szybko ulegać zniszczeniu.

Głównymi czynnikami prowokującymi powstawanie uderzenia hydraulicznego w rurach są:

• przerwy w działaniu lub awaria pompy obiegowej;
• obecność powietrza w zamkniętym obiegu systemu;
• przerwy w dostawie energii elektrycznej;
• przy nagłym zamknięciu armatury odcinającej.

Krótkotrwały wzrost ciśnienia w zamkniętym obiegu spowodowany tłoczeniem cieczy powyżej normy może wystąpić, jeśli podczas włączania pompy wirnik rozpoczyna ruch z dużych obrotów.

W ostatnim czasie przy urządzaniu autonomicznego systemu ogrzewania zamiast starych zaworów i zasuw coraz częściej stosuje się kule zaworowe, których konstrukcja nie przewiduje płynnego ruchu.

Ich zdolność do wywierania szybkiego efektu ma drugą stronę, będąc jedną z najczęstszych przyczyn uderzenia hydraulicznego.

Jeśli podczas uruchamiania systemu nie wypuszczono z niego powietrza, w momencie otwarcia kuli zaworowej dochodzi do zderzenia powietrza z praktycznie nieściśliwą cieczą

Pod względem bezpieczeństwa zawory śrubowe są bardziej preferowane, ponieważ dzięki stopniowemu odkręcaniu dławnicy zapewniają płynne otwieranie/zamykanie armatury odcinającej.

Analogiczna sytuacja występuje również wtedy, gdy przed uruchomieniem systemu nie wypuszczono powietrza z obiegu. W momencie otwarcia zaworu woda zderza się z poduszką powietrzną, która w warunkach zamkniętego obiegu pełni rolę swoistego amortyzatora pneumatycznego.

Jak uniknąć problemu?

Zmniejszenie intensywności i zneutralizowanie wpływu nadmiernego ciśnienia pomoże odpowiednia ochrona systemu rurociągów wodociągowych.

Mechanizmy ochronne dla systemów autonomicznych przeciw uderzeniu hydraulicznemu w większości przypadków mają na celu łagodzenie siły przepływu masy wody

Do zapobiegania powstawaniu nadmiernego ciśnienia o charakterze jednorazowym i stałym, zarówno na poszczególnym odcinku obiegu, jak i w całym systemie, stosuje się szereg podstawowych środków.

Wariant #1. Płynne zamknięcie systemu

Jest to jeden z podstawowych wymogów przy uruchamianiu i wyłączaniu systemów rurociągów, który jest wyraźnie określony w dokumentach normatywnych.

Chodzi o to, że energia uderzenia hydraulicznego w związku ze sprężystością ścian rury nie działa jednocześnie całą swoją siłą. Dzięki kompensacji odkształceń sprężystych jest podzielona na kilka przedziałów czasowych.

A zatem przy tej samej całkowitej sile uderzenia moc oddziaływania w danym momencie będzie znacznie niższa. Poprzez płynne włączanie można przedłużyć w czasie proces narastania ciśnienia, minimalizując istotne uszkodzenia systemu.

Przy wyborze armatury odcinającej należy preferować produkty, które mają stosunkowo duży odstęp zamknięcia wody

Krany, których konstrukcja przewiduje duży odstęp do momentu odcięcia wody, instaluje się już na etapie montażu urządzeń.

Wariant #2. Zastosowanie automatycznych urządzeń

Automatyka powinna być ustawiona na płynną korekcję ciśnienia statycznego w systemie. Osiągnięcie pożądanego efektu ułatwia instalacja pomp z automatyczną zmianą liczby obrotów lub też agregatów z elektronicznym sterowaniem, które są wyposażone we wbudowane przetwornice częstotliwości.

Wykorzystanie systemów automatycznych pozwoli kontrolować przepływ cieczy, a także odczytywać wskazania jej ciśnienia w rurociągu

Pompy wyposażone w automatyczną regulację obrotów silnika elektrycznego są w stanie płynnie zwiększać/obniżać ciśnienie w systemie. Przy tym oprogramowanie jednocześnie wykonuje dwa zadania: śledzi zmiany ciśnienia w wodociągu i automatycznie reguluje ciśnienie.

Sposoby kompleksowej modernizacji systemu

Kompleksowa modernizacja systemu zakłada instalację urządzeń mających na celu neutralizację wpływu nadmiernego ciśnienia.

Sposób #1. Zastosowanie kompensatorów i amortyzatorów

Tłumiki i hydroakumulatory jednocześnie pełnią trzy funkcje: zbierają ciecz, usuwając przy tym jej nadmiar z systemu, a także przyczyniają się do zapobiegania niepożądanemu zjawisku.

Urządzenie kompensujące, którego rolę pełni hydroakumulator, instaluje się zgodnie z kierunkiem przepływu wody na tych odcinkach obiegu grzewczego, gdzie istnieje wysokie prawdopodobieństwo wahań ciśnienia w systemie.

Hydroakumulator lub tłumik to stalowa kolba o pojemności do 30 litrów, zawierająca dwie sekcje oddzielone gumową lub kauczukową membraną.

W przypadku wystąpienia w systemie nadmiernego ciśnienia słup wody pierwszej sekcji zaczyna naciskać na membranę separacyjną, w wyniku czego wygina się ona w kierunku komory powietrznej.

Wraz ze wzrostem ciśnienia uderzenia hydrauliczne są „zrzucane” do zbiornika. Dzięki wyginaniu gumowej membrany w stronę komory powietrznej w momencie podnoszenia się słupa wody osiąga się efekt sztucznego zwiększenia objętości obiegu.

Jako urządzenia amortyzujące stosuje się rury wykonane z żaroodpornej gumy wzmocnionej lub elastycznego plastiku.

Elastyczny materiał urządzeń amortyzujących samoczynnie tłumi energię uderzenia hydraulicznego w punkcie, w którym ciśnienie osiągnęło wartość krytyczną.

Aby osiągnąć pożądany efekt, wystarczy zastosować wyrób o długości 20-30 cm. Jeśli natomiast rurociąg ma dużą długość, odcinek amortyzatora zwiększa się o kolejne 10 cm.

Sposób #2. Instalacja zaworu ochronnego typu membranowego

Zawór ochronny typu membranowego umieszcza się na odgałęzieniu rurociągu w pobliżu pompy, aby wypuszczać określoną ilość wody przy nadmiarze ciśnienia.

Zawór ochronny wyposażony w sztywną uszczelkę, która pełni funkcję szybkiego spuszczania ciśnienia, jest niezawodnym zabezpieczeniem układu autonomicznego.

W zależności od producenta i typu modelu, zawór ochronny jest uruchamiany za pomocą sygnału elektrycznego z kontrolera lub za pomocą pilota szybkiego działania.

Urządzenie zadziała, gdy ciśnienie przekroczy bezpieczny poziom, chroniąc stację pompową w przypadku nagłego zatrzymania urządzenia. W momencie niebezpiecznego skoku ciśnienia otwiera się całkowicie, a gdy ciśnienie spadnie do normalnego poziomu – regulator powoli się zamyka.

Sposób #3. Wyposażenie zaworu termoregulacyjnego w bocznik

Bocznik to wąska rurka o świetle 0,2-0,4 mm, którą instaluje się w kierunku cyrkulacji czynnika grzewczego. Głównym zadaniem elementu jest stopniowe obniżanie ciśnienia w przypadku wystąpienia przeciążeń.

Wąską rurkę, której zakres przekroju nie przekracza 0,2-0,4 mm, umieszcza się po stronie, z której ciecz trafia do termostatu.

Metodę bocznikowania stosuje się przy urządzaniu systemów autonomicznych, których rurociąg wykonany jest tylko z nowych rur. Wynika to z faktu, że obecność rdzy i osadu w starych rurach może zniweczyć skuteczność bocznikowania. Z tego powodu przy użyciu bocznika na wejściu do obiegu grzewczego zaleca się instalowanie skutecznych filtrów wodnych.

Sposób #4. Zastosowanie termostatu z superochroną

Jest to rodzaj bezpiecznika, który monitoruje ciśnienie w systemie i nie pozwala mu działać po osiągnięciu wartości krytycznej. Urządzenie wyposażone jest w mechanizm sprężynowy umieszczony pomiędzy głowicą termostatyczną a zaworem. Mechanizm sprężynowy uruchamia się przy nadmiernym ciśnieniu, nie pozwalając zaworowi całkowicie się zamknąć.

Takie termostaty montuje się ściśle według kierunku wskazanego na obudowie.

Przeprowadzanie prac konserwacyjnych

Oprócz ścisłego przestrzegania zasad eksploatacji rurociągów, zapobieganiu awariom pomaga terminowe przeprowadzanie działań profilaktycznych. Wszystkie procesy w systemie wodociągowym lub obiegu grzewczym są ze sobą powiązane. A uderzenie hydrauliczne jest jedynie ostatnią destrukcyjną «kroplą», zdolną do prowadzenia do negatywnych konsekwencji na tle niezadowalającego stanu technicznego instalacji wodnej.

Wibracje rurociągu oraz zmiany wartości ciśnienia sprzyjają powstawaniu mikropęknięć w strukturze metalu. Powstałe z czasem wady w momencie uderzenia hydraulicznego natychmiast ujawniają się w obszarach podwyższonych naprężeń wewnętrznych: połączeniach mechanicznych, zagięciach i spoinach.

Profilaktyka polega na balansowaniu systemu grzewczego, które wykonuje się po zakończeniu montażu lub naprawy ogrzewania w domu prywatnym.

Podstawowy zakres prac wykonywanych podczas profilaktyki:

• sprawdzenie działania grupy bezpieczeństwa: zaworu bezpieczeństwa, odpowietrznika i manometru;
• okresowe sprawdzanie ciśnienia za membraną naczynia wzbiorczego, a w przypadku stwierdzenia niezadowalających wyników – jego korekta;
• testowanie systemu na obecność wycieków i sprawdzenie stopnia zużycia rur;
• śledzenie położenia zaworów armatury odcinająco-regulacyjnej pod kątem wycieków;
• regularne sprawdzanie stanu filtrów, zatrzymujących kamień, piasek i cząstki rdzy, w razie potrzeby – czyszczenie i płukanie elementów;

Profilaktyka mająca na celu utrzymanie sprawnego stanu instalacji wodociągowej i systemu grzewczego obejmuje proste rodzaje prac. Nie należy ich jednak ignorować. Może to bowiem prowadzić do znacznych wydatków pieniędzy i czasu na przeprowadzenie pełnowartościowych prac naprawczych.

Wymienione środki ochrony są najskuteczniejsze, jeśli stosuje się je kompleksowo. Ale dzięki kompleksowemu podejściu do rozwiązania problemu, będzie można zneutralizować negatywne skutki i tym samym przedłużyć żywotność systemu.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Film #1. Uderzenie hydrauliczne, jak do tego dochodzi:

Film #2. Test skuteczności zastosowania tłumika:

Uderzenie hydrauliczne w systemie wodociągowym to częste zjawisko, które może wyrządzić poważne szkody. A zadaniem Państwa jest jak najszybsze wyeliminowanie problemu. Przecież w razie powtórzenia się sytuacji, elementy systemu szybko ulegną uszkodzeniu. A naprawa po tym będzie kosztować znacznie więcej.

Proszę zadawać pytania i pisać komentarze w poniższym bloku. Czekamy na Państwa opowieści o tym, jak zarejestrowali Państwo uderzenie hydrauliczne w systemie lub zauważyli jego skutki. Interesuje nas Państwa opinia na temat przedstawionych informacji.