Młot wodny w zamkniętych instalacjach rurowych: przyczyny, skutki i rozwiązania

Czym jest młot wodny?

Młot wodny to nagły wzrost ciśnienia w przewodzie rurowym spowodowany szybkimi zmianami natężenia przepływu. Zjawisko to występuje, gdy poruszający się płyn w układzie zamkniętym jest doprowadzony do nagłego zatrzymania się lub zmiany kierunku. Ten wzrost ciśnienia rozciąga się na cały system i początkowo jest zwielokrotniany, co prowadzi do wzrostu ciśnienia do poziomu przewyższającego granice, który nie jest dopuszczalny dla komponentów. Ponadto następuje wielokrotny wzrost natężenia przepływu, który w niesprzyjających warunkach może osiągnąć nawet 1200 m/s. 

Młot wodny występuje nie tylko w przypadku wody, ale także innych nieściśliwych cieczy (które nie zmieniają znacząco swojej gęstości nawet pod ciśnieniem) lub gazów. Uderzeniu hydraulicznemu często towarzyszą wibracje lub dźwięk pukania, który powtarza się przed ponownym spadkiem ciśnienia. Dlatego czasami określa się to zjawisko mianem młota wodnego.

Chociaż wyraźnie słychać skoki ciśnienia, są one trudne do zmierzenia, ponieważ skoki ciśnienia narastają i rozpraszają się w niezwykle krótkim czasie w zakres milisekund. Elektroniczne urządzenia pomiarowe często nie nadają się do takich pomiarów lub skok ciśnienia wykracza poza wartość końcową zakresu pomiarowego.

Przyczyny zjawiska młota wodnego

Istnieje kilka przyczyn młota wodnego, np. szybkie otwarcie i zamknięcie zaworów, szybkie uruchomienie lub wyłączenie pomp, zbyt szybkie zamknięcie zaworów zwrotnych oraz nagłe przerwy w zasilaniu. Oddzielenie słupa wody lub bufory ciśnieniowe również sprzyjają powstaniu tego zjawiska.

Także rodzaj konstrukcji wpływa na występowanie uderzeń hydraulicznych. Do szczególnie dużego ryzyka dochodzi w systemach, w których występują różnice wysokości, ponieważ do pokonania różnic wysokości wymagane są wyższe wartości ciśnienia.

Konstrukcje systemów zakłócające równomierny przepływ również stwarzają zwiększone ryzyko. Dlatego też, jeśli jest to możliwe, należy unikać krzywizn i silnych wahań ciśnienia.

Bezpośrednie skutki młota wodnego

Młot wodny może spowodować poważne szkody:

• Nieszczelności w komponentach.
• Odkształcenie lub zniszczenie gniazda zaworu.
• Odkształcenie tarcz zaworu zwrotnego.
• Pęknięte lub wygięte wały pomp.
• Przedwczesne spłaszczenie uszczelek i pierścieni typu o-ring.
• Pęknięte koła/rolki.
• Nieszczelne lub uszkodzone przewody rurowe.

Możliwe długoterminowe skutki dla systemów rurowych

Oprócz uszkodzeń poszczególnych instrumentów i komponentów, młot wodny często ma również negatywny wpływ na żywotność całego systemu. Niebezpieczeństwo wzrasta proporcjonalnie do wzrostu intensywności efektów młota wodnego. Często dochodzi do nieszczelności w przewodach rurowych, co powoduje, że instalacja nie działa wydajnie w dłuższym wymiarze czasowym i dochodzi do utraty medium lub produktu.

Zapobiegaj efektowi młota wodnego

Prawidłowy dobór zaworu na etapie planowania

W optymalnym przypadku system jest zaplanowany w taki sposób, aby od samego początku zminimalizować ryzyko młota wodnego. Kluczową rolę odgrywa przy tym wybór odpowiednich zaworów. Na etapie planowania użytkownicy powinni wybrać zawory wysokiej jakości, które zapewniają odpowiednią funkcjonalność, aby zapobiec wystąpieniu zjawiska młota wodnego. W odpowiednich wariantach dostępne są zawory uruchamiane pneumatycznie lub elektrycznie. Można również zastosować zawory uruchamiane ręcznie. Oto krótki przegląd wymogów, jakie powinny spełniać zawory.

Zawory procesowe uruchamiane pneumatycznie z możliwością regulacji czasu otwarcia lub zamknięcia

W przypadku zaworów procesowych sterowanych pneumatycznie dostępne są zawory zamykające skośne (znane również jako zawór Y) lub zawory z gniazdem prostym (znane również jako zawory proste). Ważne jest, aby zawory były skonfigurowane tak, aby zamykały się w kierunku przeciwnym do kierunku przepływu cieczy. Dzięki temu funkcja zamykania jest dostosowana do bezwładności medium, co pozwala w sposób naturalny unikać skoków ciśnienia. W ten sposób można skonfigurować zarówno zawory ze sprężyną powrotną, jak i zawory dwustronnego działania.

Zawory elektromotoryczne

Również zawory elektromotoryczne, tak jak pneumatyczne zawory procesowe, są oferowane z odpowiednimi wariantami obudów, takimi jak zawory zamykające skośne lub zawory kulowe. Zawory silnikowe Bürkert charakteryzują się następującymi właściwościami, które mają pozytywne działanie w kontekście problemu młota wodnego:

• Sztywny zespół napędowy, który jest niereaktywny i niezależny od ciśnienia medium. Dlatego wahania lub skoki ciśnienia w medium nie mają wpływu na pozycję zaworu. Na przykład zalecane są zawory kompaktowe (typu 3280 / 3281 / 3285). 
• W porównaniu do pneumatycznych zaworów procesowych, specyficzna konstrukcja mechaniczna zaworu nie wymaga zastosowania łożysk sprężynowych i zapewnia wysoki poziom odporności na wstrząsy i wibracje.
• Prędkość uruchamiania zaworów silnikowych Bürkert można precyzyjnie regulować za pomocą funkcji oprogramowania. W ten sposób zawory można w sposób zamierzony powoli otwierać lub zamykać, aby niepotrzebnie nie zwiększać ciśnienia w układzie i zminimalizować związane z tym skutki.

2/2-drogowy zawór membranowy z napędem elektrycznym (otw./zamk.)

Typ 3323

• Pozycja zabezpieczająca dzięki zasobnikowi energii
• Regulowana siła napędowa
• Funkcje diagnostyczne i połączenie z magistralą Fieldbus
• Powierzchnie mające kontakt z produktem od Ra ≤0,38 µm…1,6 µm (do wyboru w wersji elektropolerowanej)
• Dostępne w rozmiarach przyłącza DN 06 do DN 100

Zawory membranowe

Można również zastosować sterowane pneumatycznie lub elektromotorycznie zawory membranowe, szczególnie w obszarze produkcji w takich branżach, jak farmaceutyczna i biotechnologiczna. W przeciwieństwie do zaworów gniazdowych, tego typu zawory można stosować niezależnie od kierunku przepływu, choć podlegają tym samym kryteriom projektowym (wartość kV, maksymalne ciśnienie...) co zawory gniazdowe. W przypadku zaworów membranowych należy pamiętać, że zjawiska młota wodnego mogą prowadzić do krótkotrwałego wycieku na zewnątrz (nie tylko przez środnik), który początkowo jest widoczny tylko w krótkim momencie uderzenia wodnego. Jeżeli membrana nie jest uszkodzona, w najlepszym przypadku zawór może nadal normalnie pełnić swoją funkcję.  

Zawór membranowy 2/2-drogowy (typu ELEMENT) z napędem pneumatycznym z obudową ze stali nierdzewnej, do zdecentralizowanej automatyzacji

Typ 2103

• Obudowa zaworu i membrana dostępne w wykonaniu z różnych tworzyw i w różnych wariantach
• Powierzchnie styku z produktem Ra ≤0,38–1,6 µm (opcjonalnie polerowane elektrolityczne)
• Dostępne we wszystkich popularnych rozmiarach i wariantach przyłączy

Opcje optymalizacji istniejących systemów

W przypadku istniejących systemów istnieją różne metody, które pozwalają zmniejszyć ryzyko młota wodnego w przyszłości. Tego typu dostosowanie całego systemu powinno być rozważane wyłącznie przez inżyniera procesu, który dysponuje dogłębną wiedzą na temat całego procesu.

Możliwe metody to:

• Wymiana pojedynczych zaworów na zawory z regulowanymi czasami otwierania i zamykania.
• Instalacja przepustnic i stopni rurowych w celu zmniejszenia natężenia przepływu cieczy przez zawór, aby zawory zamykały się wolniej. 
• Zmniejszenie prędkości zamykania pneumatycznych zaworów procesowych poprzez zmniejszenie wentylacji pneumatycznej napędu pneumatycznego. 
• Zastosowanie napędów z silnikami elektrycznymi z możliwością ustawienia czasu otwierania i zamykania.
• Ograniczenie zmiany prędkości w systemie.
• Zastosowanie napędów dwustronnego działania wraz z odpowiednią jednostką sterującą.

Wnioski

Młot wodny to poważny problem w systemach rurowych. Może to uszkodzić instrumenty systemowe i przewody rurowe. Właściwy dobór zaworów, regulacja prędkości zamykania, zamontowanie przepustnic lub zaworów zwrotnych i inne regulacje instalacji wykonane przez doświadczonych specjalistów w większości przypadków mogą zapobiec zjawisku uderzenia hydraulicznego.

Masz problemy z młotem wodnym lub chcesz go uniknąć?

Eksperci od armatur z firmy Bürkert doradzą Ci na etapie planowania, a także pomogą w wyborze odpowiednich komponentów.

Skontaktuj się z nami teraz