بررسی اثر جنس لوله ها در امواج حاصل از ضربه قوچ با استفاده از نرم افزارWater HammerV8i

در هر خط انتقال و ایستگاه پمپاژ وقوع جریانهای میرا انکار ناپذیر میباشد و بایستی مورد توجه قرار گیرند.یک نوع خاص از جریانهای میرا ،ضربه قوچ میباشد. ضربه قوچ در اثر تغییر ناگهانی سرعت در جریان سیال درون مجرا ایجاد و منتشر میگردد که در نتیجه این امر، فشارهای مثبت و منفی در خطوط لوله بوجود می آید که می تواند به خط انتقال خسارتهای زیادی وارد سازد.جهت بررسی این پدیده ها از جنبه بهینه بودن جنس لوله، خط لوله 1800 میلیمتری از کانال مغان به شرق دره رود انتخاب و با نرم افزار Water Hammer V8iمدل گردیده است. بررسی ها نشان میدهد که قدرت امواج حاصل از ضربه قوچ در لوله ها با جنس های مختلف رفتار متفاوتی را نشان می دهد. توضیح اینکه پمپاژ برای لوله ها با جنس های مختلف انجام گرفته و پس از تحلیل نتایج لوله GRP با قطر 1800  میلیمتر بهترین مورد بوده است.

بررسی اثر جنس لوله ها در امواج حاصل از ضربه قوچ با استفاده از

 نرم افزارWater HammerV8i

مهدی اسدی نیازی¹، فرشته آرامی²، سیده شبنم صفوی³

1. شرکت آب منطقه ای اردبیل،m.asadiniazi@gmail.com
2. دانشجوی کارشناسی مهندسی آب دانشگاه محقق اردبیلی،arami.f92@gmail.com
3. دانشجوی کارشناسی مهندسی آب دانشگاه محقق اردبیلی،sh.safavi22@gmail.com

چکیده

در هر خط انتقال و ایستگاه پمپاژ وقوع جریانهای میرا انکار ناپذیر میباشد و بایستی مورد توجه قرار گیرند.یک نوع خاص از جریانهای میرا ،ضربه قوچ میباشد. ضربه قوچ در اثر تغییر ناگهانی سرعت در جریان سیال درون مجرا ایجاد و منتشر میگردد که در نتیجه این امر، فشارهای مثبت و منفی در خطوط لوله بوجود می آید که می تواند به خط انتقال خسارتهای زیادی وارد سازد.جهت بررسی این پدیده ها از جنبه بهینه بودن جنس لوله، خط لوله 1800 میلیمتری از کانال مغان به شرق دره رود انتخاب و با نرم افزار Water Hammer V8iمدل گردیده است. بررسی ها نشان میدهد که قدرت امواج حاصل از ضربه قوچ در لوله ها با جنس های مختلف رفتار متفاوتی را نشان می دهد. توضیح اینکه پمپاژ برای لوله ها با جنس های مختلف انجام گرفته و پس از تحلیل نتایج لوله GRP با قطر 1800  میلیمتر بهترین مورد بوده است.

واژگان کلیدی:ضربه قوچ، سرعت موج، جنس لوله، فشار، Head

1.مقدمه

جریان ماندگار طبق تعریف جریانی است که خصوصیات سیال (دبی، فشار،سرعت و...) در هر نقطه آن با زمان ثابت بماند. جریانی که در تعریف فوق نگنجد، غیرماندگار(ناپایدار) نامیده می شود. زمانیکه شرایط جریان از یک حالت دائمی به یک حالت دائمی دیگر تغییر کند، شرایط جریان ما بین این دو حالت جریان میرا (Transient state Flow)مینامند [1].

در بعضی از سیستم های هیدرولیکی تحت فشار، نظیر خطوط انتقال آب، پدیده ضربه قوچ با ایجاد موج های سریع، زودگذر و میرا که در نتیجه تغییرات شدید هد ایجاد می شوند، موجب خطرات گوناگونی می شود،گاهی اوقات قدرت تخریبی موج های فشاری ضربه قوچ به حدی است که نتایج وخیمی به بار می آورد. ترکیدن خطوط لوله در سیستم های انتقال و شبکه های توزیع، خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه های کنترل و پمپ ها از نمونه های بارز تاثیر این پدیده می باشد[3].

به همین منظور نرم افزار Hammer، یکی از قدرتمندترین ابزارها با کاربرد آسان است که به مهندسان در تحلیل سیستم های مرکب از پمپ و شبکه های لوله هنگام انتقال از یک حالت ماندگار به حالت دیگر کمک می کند. روش های موجود برای حل معادلات ضربه قوچ عبارتند از: روش ترسیمی، روش حسابی،روش جبری، روش مشخصه[2].

روش مورد استفاده نرم افزار همر برای حل معادلات ضربه قوچ روش مشخصه (characteristic method) میباشد. با استفاده از روش مشخصه ابتدا معادلات دیفرانسیل جزئی را به معادلات دیفرانسیل معمولی تبدیل و سپس با روش تفاوت محدود گویا حل گردیده است. با استفاده نرم افزار Hammer میتوان به موارد زیر دست یافت:

- احتمال آسیب مربوط با ناپایداری هیدرولیکی را کاهش داد تا ایمنی به حداکثر برسد.

- استهلاک روزانه سیستم پمپاژ و خطوط لوله را کاهش داد تا عمر مفید طرح افزایش یابد

- خطر آلودگی ناشی از فشار های ناپایدار را در خطوط لوله ای که زیر تراز آب زیر زمینی و آلاینده ها قرار دارند، مخصوصا در طرح هایی که کیفیت مهم باشد کاهش داد.

- تعداد و شدت نیروهای حاصل از امواج ناپایدار را در هر جا که امکان دارد حادث شود کاهش داد .

- فهرست کاملی از عملیات برای استفاده در وضعیت های بحرانی مثل قطع برق، شکستن لوله ها و نقص های اجزای تشکیل دهنده(سوپاپ،پمپ) و یا کنترل را تهیه کرد

- سرعت های مطمئن برای باز کردن و بستن شیرها را برای بخش آتشنشانی و آبرسانی تهیه نمود

- اطلاعات اضافی(در خصوص مدلهای حالت پایدار)برای کمک به انتخاب پمپ ها ، تعیین محل مخزن ، تعیین ارتفاع مخزن هوایی و اندازه سوپاپ ها تهیه نمود[4].

2.معادلات حاکم برای جریان حالت ناپایدار

نظریه های ارائه شده به منظور تحلیل پدیده چکش آبی عبارتند از: رفتار ستون صلب و رفتار کشسانی با قابلیت انعطاف پذیری. در نرم افزار Hammer از مدل پیشرفته تئوری الاستیک جهت تجزیه و تحلیل جریان استفاده شده است.جهت تعیین مقادیر V و P ئر حالت جریان یک بعدی باید از معادلات مومنتم و پیوستگی استفده گردد و در صورتیکه فرضیات و داده ها جهت مدل کردن سیستم واقعی باشند با حل این معادلات به نتایج قابل قبولی خواهیم رسید.

1-2 معادله پیوستگی برای جریان ناپایدار

معادله پیوستگی از قانون تغییرات جرم تبعیت میکند. فرم کلی معادله پیوستگی برای جریان ناپایدار عبارت است از:

(1)                                                                                                      

مولفه دوم واقع در سمت چپ معادله نسبت به مولفه های دیگر خیلی کوچک است و میتوان از آن صرفنظر کرد بنابراین معادله اصلی پیوستگی مورد استفاده عبارت است از:

       (2)                                                     

که درآنa سرعت موج،V= x میانگین سرعت در لوله درجهت محور وH خط گرادیان هیدرولیکی می باشد

2-2 معادله حرکت برای جریان ناپایدار

معادله حرکت با در نظر گرفتن نیروهای وارد به یک جزء کوچک ازسیال درحال حرکت در داخل لوله به دست می آید که تنش برشی جدار لوله و لزجت را نیز در برمیگیرد معادله حرکت سه بعدی یک سیال در سیستم واقعی با استفاده از معادلات ناویر- استوکس  بدست می آیند اما باتوجه به اینکه جریان در جداره لوله تقریبا صفر است میتوان از حالت یکبعدی جریان استفاده نمود:

       (3)                                         

که در این معادله f ضریب اصطکاک دارسی ویسباخ و Dقطر داخلی لوله می باشد.

مولفه اول واقع در سمت مربوط به شتاب کلی و مولفه دو مشتابه انتقالی است که معمولا از آن صرفنظر میشود بنابراین خواهیم داشت:

      (4)                                                                                         

جهت حل مسائل ضربه قوچ برنامه های کامپیوتری مختلفی ارائه شده است. نرم افزار Hammer یکی از نرم افزارهایی است که بر اساس معادلات حاکم بر ضربه قوچ و روش مشخصه تولید شده و از قابلیت بسیار بالایی در حل مسائل ضربه قوچ دارد. در قسمت های بعد اثر جنس لوله (الاستیسیته) در یک پروژه خط انتقال بررسی شده و جنس های مختلف لوله با هم مقایسه خواهند شد.

3. انتخاب جنس لوله ها

انتخاب جنس لوله ها در خطوط لوله با توجه به موارد ذیل صورت میگیرد:

1-  مقاومت در برابر شرایط محیطی از جمله عوامل و نیروهای زمین، ناهمواریهای مسیر، نیروهای خارجی وارد بر لوله، تأثیر درجه حرارت محیط و خورندگی زمین.

2- مقاومت در برابر شرایط درونی شامل هیدرولیک لوله ها، ضربات قوچی آب و خورندگی آب.

3- تأثیر عوامل اجرایی و بهرهبرداری شامل امکان تأمین لوله خصوصاً در محدوده قطرهای مورد نظر و متعلقات آن، سهولت و سرعت انجام عملیات اجرایی، امکانات کارگذاری لوله ها، سهولت بهرهبرداری و نگهداری، حمل و نقل،  مسافت و امکان حمل توسط یک وسیله نقلیه با توجه به وزن و ابعاد ترافیکی.

4- رقابت با سایر گزینه ها از نظر هزینه سرمایه گذاری اولیه، عمر مفید، هزینه های بهره برداری و نگهداری.

5- لوله هایی که در صنعت لوله سازی داخلی دارای تولید انبوه و کاربرد اقتصادی در امر انتقال آب هستند، شامل لولههای فولادی، بتنی، آزبست سیمانی، فایبر گلاس (G.R.P) و پلی اتیلن میباشد[5].خلاصهای از مشخصات برخی ازاین لوله ها بشرح زیر ارائه میگردد:

3-1  لوله های فولادی

این نوع لوله ها با قطرهای تا و2000 میلیمتر ضخامت تا 25 میلیمتر تولید میگردد. انعطافپذیری و قابلیت ساخت انواع زانوها و اتصالات و عدم وجود تلفات در حمل و نصب لوله های فولادی از جمله مزایای این نوع لوله ها محسوب میشود. از معایب این لوله ها نیز میتوان به بالا بودن هزینه آنها اشاره نمود.

3- 2 لوله های چدنی داکتیل

این لوله ها از مقاومت خوبی در برابر ضربه قوچی آب و ضربات ترافیکی برخوردار بوده و اتصالات آب بندی مناسب دارند. لزوم اجرای پوشش حفاظتی از داخل و خارج، سرمایه گذاری زیاد اولیه آن، مشکل تهیه و مهمتر از همه تحمل فشار کمتر در مقایسه با لوله های فولادی از مهمترین معایب این لولهها محسوب  میشود.

3-3  لوله های آزبست سیمانی

این لوله ها از مخلوط سیمان و الیاف پنبه نسوز یا آزبست ساخته میشوند.وجود الیاف آزبست موجب ایجاد مقاومت مقاومت زیاد در برابر ترکیبات شیمیایی آب و خاک و ضریب زبری کم آن در مقابل جریان آب از  جمله مزایای لوله های آزبست سیمان میباشد.از معایبعمده این لوله ها آسیب پذیری زیاد آنها در حین حملاشاره نمود.

3-4 لوله های فایبر گلاس (پشم شیشه) یا G.R.P

این لوله ها در اقطار 100 تا 2400 میلیمترتولید می شوند که در برابر خوردگی و درجه حرات بسیار مقاوم میباشند. وزن کم این لوله ها که در حدود یک سوم لوله های فولادی میباشد و  صیقلی و بسیار صاف بودن سطح داخلی این لوله ها همچنین عدم نیاز به پوشش داخلی و خارجی و حفاظت کاتدی از جمله مزایای این لوله ها میباشد. محدود بودن واحدهای تولیدی در کشورو نیاز یه بسترسازی دقیق از جمله معایب این لوله ها به شمار می رود.

3.مطالعه موردی

به منظور بررسی عددی پدیده ضربه قوچ، خط لوله موجود 1800 میلیمتری ایستگاه پمپاژ شماره 1 مغان انتخاب گردید. محدوده مطالعاتی در استان اردبیل و محدوده رود ارس و حد فاصل شهرستان پارس آباد – اصلاندوز واقع گردیده است.

پروژه موردنظر که جهت انتقال آّب طراحی شده است شامل  6دستگاه پمپ است که 5 دستگاه درحال کار و یک عدد به عنوان پمپ ذخیره استفاده میشود.این خط شامل لوله ای ازجنس فولادی باقطر1800میلیمتر و طول4060 متر و ارتفاع هد 110 متراست. ایستگاه پمپاژ ذکر شده دبی 5 متر مکعب بر ثانیه را از طریق 5 پمپ اصلی مدل RDLO 500-1035B(KSB)که هر کدام به قدرت 1450 کیلو وات می باشد به خط انتقال 1800 میلیمتری پمپاژ می کند. همچنین لازم به ذکر است، فشار کاری خط لوله 10 بار و سرعت موج 13/1057 متر بر ثانیه می باشد.

4.بررسی تأثیرات جنس های مختلف در کنترل پدیده چکش آبی

جنس لولهدر کنترل پدیده ضربه قوچ تاثیر بسزایی دارد.هر قدر خاصیت کشسانی لوله بیشتر باشد در موقع وقوع چکش آبی توان جذب انرژی بیشتری خواهد داشت و سرعت موج کمتری ایجاد خواهد کرد وبدین ترتیب به عنوان عاملی در جهت استهلاک انرژی فشاری ناشی از این پدیده عمل خواهد نمود.جهت انتخاب گزینه مناسب برای خط انتقال مذکور و ارائه تحلیل درست لازم است امواج ناشی از ضربه آبی بین گزینه های مختلف مقایسه و گزینه ای که در تعدیل امواج فشاری بیشتر از سایر گزینه ها تاثیر دارد انتخاب شود. . نمودار های(1) تا (6) تغییرات هدوفشار در نقاط مختلف خط انتقال را به ازای جنس های فولادی،چدن داکتیل،آزبست سیمانی وفایبر گلاس نشان می دهند.