مقدمه و کلیات
ضربه قوچ در خطوط لوله جریان تحت فشار اتفاق می افتد و بر آن قوانین فشار، تغییرات دبی یا سرعت جریان و شرایط مکانی زمانی حرکت سیال استوار است .برای فهم ساده تر ، حالتی را در نظر بگیرید که سیال در یک لوله در حال جریان است و از شیر انتهای آن خارج می‌شود. در شرایط مذکور، سیال با توجه به سرعت و جرمی که دارد دارای مومنتوم است. اگر در این حالت، شیر به یکباره بسته شود، سیال با مومنتوم بالا به یکباره به شیر برخورد می‌کند و ضربه زیادی به شیر وارد می‌شود. این موضوع، افزایش فشار زیادی را در سیال ایجاد می‌کند و این افزایش فشار مانند یک موج فشاری نوسان کننده در طول لوله حرکت می‌کند و در نهایت باعث آسیب رساندن به قسمت‌های مختلف در مسیر لوله، مانند شیرها و سایر تجهیزات می‌شود. موج ایجاد شده در زمان بسیار کوتاهی از بین می‌رود ولی افزایش فشار ناگهانی که در این پدیده (ضربه قوچ) تولید می‌شود می‌تواند خسارات زیادی را در آن زمان کوتاه و یا در اثر خستگی (Fatigue) در مدت طولانی تر ایجاد کند.
این پدیده همان طور که گفته شد در اثر تغییر ناگهانی سرعت آب رخ می دهد .در بین مهندسان ایرانی گاهی به این پدیده ضربه آبی و یا سرج گفته می شود .در ارتباط با کلمه سرج (serge)این نکته حایز اهمیت است که طبق تعاریف مندرج در کتاب های مرجع طراحی خطوط لوله به تغییر سرعت ناچیز جریان آب و موج برگشتی ضعیفی که اثر تخریبی چندانی ندارد واژه سرج اطلاق می شود .به بیان دیگر سرج یک ضربه قوچ ضعیف و فاقد اثر تخریبی است .
در سال ۱۸۹۸ میلادی ژوکوفسکی رابطه ای برای محاسبه حداکثر تغییرات فشار ناشی از تغییرات ناگهانی سرعت سیال ارایه کرد طبق این رابطه حداکثر تغییر ناشی از ضربه قوچ عبارت است از :

∆H=(a×∆V)/g

∆H= (حداکثر تغییر ارتفاع ناشی از ضربه قوچ (متر
a= (سرعت انتشار موج فشار در خط لوله (متر بر ثانیه
∆V= (تغییرات سرعت آب (متر بر ثانیه
g= (شتاب ثقلی (متر بر مجذور ثانیه

این رابطه برای محاسبه افزایش فشار ناشی از بستن آنی شیر است .(زمان بسته شدن به سمت صفر میل می کند.
چنان که این رابطه نشان مید هد مستقیما ، طول خط لوله، ارتفاع استاتیک و پروفیل طولی خط لوله، هیچ تاثیری در به وجود آمدن و یا مقدار کاهش و یا افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ آب ندارند ذکر این توضیح ضرورت دارد که هر یک از عوامل گفته شده مستقیما در میزان ضربه تاثیر ندارند اما عواملی که تغییر سرعت سیال را تشدید نمایند در شدت ضربه و افزایش فشار ایجاد شده موثرند . ولی این عوامل در تعیین ابعاد و حجم تجهیزات مقابله با ضربه قوچ تاثیر دارند . به طور مثال در یک پروفیل خط لوله یکنواخت و فاقد پستی و بلندی هر چه طول خط لوله بیشتر باشد حجم مخزن ضربه گیر تحت فشار بزرگ تر می شود و یا هر چه ارتفاع استاتیک سامانه بیشتر باشد ضخامت جداره مخزن ضربه گیر تحت فشار و یا ارتفاع stand pipe و یا فشار کار شیرهای اطمینان یا شیرهای کنترل ضربه بیشتر می شود.

عوامل ضربه قوچ در ایستگاههای پمپاژ
۱-بسته شدن یا باز شدن سریع شیرهای قطع و وصل
۲-قطع ناگهانی برق و یا خاموش و روشن کردن لحظه ایی پمپها در ایستگاههای پمپاژ
۳-پر کردن غیر اصولی خط لوله
۴-استفاده از شیرهای یک طرفه نامناسب
۵-تغییر قطر بصورت دفعی در لوله و یا انشعابات
۶- در ارتباط با بسته شدن سریع شیر ذکر این نکته ضرورت دارد که هر گاه زمان بسته شدن یک شیر τ از نیم پریود T/2 یا ۲L/a ثانیه طولانی تر باشد گفته می شود شیر به صورت آهسته بسته شده است و در این حالت ازدیاد فشار از حالت بستن لحظه ای کم تراست . معادله میشو نشان میدهد که در حالت بستن تدریجی شیر فلکه زمان بستن t روی افزایش فشار تاثیر می گذارد و هر چه این زمان بیشتر باشد افزایش فشار کم تر می شود این نکته در شیر های آب مصرفی ساختمان نیز که به صورت تدریجی و پیچی بسته می شوند قابل لمس می باشد .

روش ها و تجهیزات کنترل ضربه قوچ
کنترل ضربه قوچ با تمهیدات اولیه در طراحی
براساس استاندارهای مختلف ارایه شده که در جدول ذیل آورده شده است ملاحظه می شود که به طور معمول در حدود ۵۰-۱۰ درصد از فشار کاری شبکه به عنوان فشار ناشی از ضربه قوچ در

طراحی در نظر گرفته می شود .

استاندارهایی که برای تعیین ضخامت و کیفیت مواد در خطوط لوله به کار گرفته می شوند باید در حد بالایی باشند .
با توجه به مشکلات بهره برداری از برخی تجهیزات ضربه گیر و همچنین ملاحظات اقتصادی دوره ساخت و بهره برداری ، با افزایش قطر لوله و کاهش سرعت از یکطرف و استفاده از لوله با جنس مقاومتر و ضخامت بیشتر از طرف دیگر می توان ضربه قوچ ایجاد شده در مسیر را مستهلک نمود . بسیاری از خطوط لوله بخصوص در فشارهای هیدرواستاتیک بالا فاقد تجهیزات پیچیده ضربه قوچ می باشند ، بعنوان مثال خط لوله آبرسانی از دشت خاتون آباد با ظرفیت ارسال ۲۵۰۰ مترمکعب در ساعت و ارتفاع هیدرواستاتیک تقریبا ۹۰ بار و هد دینامیکی ۱۱۰ بار با لوله فولادی به قطر ۲۸ اینچ فاقد تجهیزات پیچیده ضربه گیر قوچ می باشد و اصطلاحا ضربه گیر در ضخامت و جنس لوله که بر اساس استاندارد API X60 انتخاب شده است مهار میشود.
همانگونه که گفته شد سرعت جریان در خطوط لوله کم در نظر گرفته شود و یا به عبارت دیگر قطر لوله انتخابی در حدودی باشد که سرعت نهایی دبی طرح از حد معقول تجاوز ننماید .معمولا سرعت های اقتصادی در سامانه آب در حدود ۰.۷ تا حداکثر ۲ متر بر ثانیه تعیین می شود .
چند مرحله ای نمودن شبکه انتقال با استقرار ایستگاههای پمپاژ بین راهی .
انواع وسایل حفاظتی که در ایستگاههای پمپاژ و مسیر خطوط لوله انتقال جهت کنترل و یا کاهش شدت فشار ضربه قوچ به کار می روند عبارتند از :
استفاده از پمپ های با اینرسی زیاد
لوله های کنار گذر مجهز به شیر اطمینان و شیر موسوم به شیر کنترل ضربه قوچ
شیرهای یکطرفه
شیرهایی که زمان باز و بسته شدن آن ها تنظیم و کنترل فشار میشود .
در ادامه جهت آشنایی بیشر نوعی از تانک استهلاک ضربه و توضیح قابل فهمی از ایجاد ضربه آمده است :
تانک ضربه گیر قوچ برای سیستم پمپاژ با آبدهی متوسط
۱-تعریف
تانک ضربه گیر یک اکومالاتور هیدروپنوماتیک است که برای کنترل ضربه های فشار در سیستم های آبرسانی با دبی متوسط بر اساس نتایج آنی هیدرولیکی ناشی از خاموش و روشن کردن یک پمپ فرضا پمپ آتش نشانی طراحی شده است.

۲-توصیف ساختمان تانک ضربه گیر بدون کمپرسور
۱-۲ تانک ضربه گیر یک مخزن ازجنس کربن استیل است که شامل تیوپ لاستیکی ( bladder )که گاز شاررژ شده را از آب جدا می کند. بدیهی است مخزن بر اساس استاندارد قابل قبول طراحی و ساخته شده است .
مخزن فولادی تا فشار ضربه طبق استاندارد تست شده است . یک صفحه ی روزنه دار به منظور جلوگیری از خارج شدن تیوپ در هنگام شارژ شدن تعبیه شده است .اکومالاتورهای معمولی و رایج ساختمان متفاوتی نسبت به این اکومالاتور دارند با این توضیح که از تیوپ لاستیکی آب وارد می شود و هوای فشرده از قسمت فوقانی مخزن به محفظه وارد و متراکم می شود .
تیوپ ی لاستیکی از نیتریل نوعی پلاستیک شکل گرفته است . برای عملکرد و عمر بهینه بهتر است گاز شارژ شده در تیوپ نیتروژن خشک باشد.
۲-۲ توصیف عملکرد ضربه قوچ
از نظر مکانیکی روشن شدن پمپ را می توان بوسیله ی یک میله بلند ثابت که بوسیله یک چکش تحت ضربه قرار می گیرد مشابه سازی نمود. .بین میله و چکش یک فنر قرار گرفته است .ضربه حاصل از برخورد چکش به فنر معادل روشن شدن پمپ است فنر تانک ضربه گیر و میله معادل ستون آب است. بدون وجود فنر چکش میله را تحت اثر ضربه قرار میدهد .با اضافه شدن فنر تاثیر چکش (ضربه ) کمتر می شود و قبل از اینکه به طور کامل بایستد سعی می کند ضربه را مستهلک نماید و انرژی و مومنتوم در فنر مستهلک گردد.

حجم گاز یا سایز تانک ضربه گیر در میزان اثر ضربه و استهلاک در زمان روشن شدن پمپ تاثیر مستقیم دارد . به نحوی که افزایش حجم گاز باعث افزایش میزان استهلاک ضربه خواهد بود .

عملکرد
به طور کلی تانک ضربه گیر موصوف با بالانس انرژی در خط لوله از سیستم لوله کشی در مقابل تغییرات سریع فشار (ضربه) محافظت می کند .
در هنگام روشن شدن پمپ ستون سیال در خط لوله بایستی از صفر تا حالت سرعت ثابت شتاب بگیرد.مقاومت در مقایل
شتاب گرفتن تا زمانی که نرخ جریان به حالت یکنواخت برسد فشار ناگهانی بالایی را در خروجی پمپ ایجاد می کند .

با نصب تانک ضربه گیر در خروجی پمپ به صورت هیدرولیکی منبع تامین انرژی پمپ از سیستم لوله جدا میشود. تانک ضربه گیر وقتی که پمپ روشن می شود سیال را از پمپ تا زمانی که به حالت جریان یکنواخت برسد جذب می کند .و سپس به منظور توازن فشارسیال را به سیستم تخلیه می کند .
زمانی که سیال در سیستم در حالت سرعت یکنواخت در حال جریان است و ناگهان پمپ خاموش می شود در خروجی پمپ به صورت آنی یک منطقه فشار پایین ایجاد می شود .ستون سیال کماکان از خروجی پمپ خارج می شود .اگر فشار به زیر فشار بخار سیال برسد ستون سیال جدا شده و بخار گاز در خروجی پمپ ایجاد می شود .

بعد از اینکه ستون سیال به سرعت صفر رسید به دلیل اختلاف فشار ایجاد شده بواسطه ی مومنتوم سیال ستون سیال در جهت عکس می شود .جریان بازگشتی بخار گاز را متلاشی می کند و فشار بسیار بالای ناگهانی را بعنوان نتیجه عکس العمل انرژی تولید می کند.جریان بازگشتی همچنین وقتی که شیر یکطرفه پمپ بسته است باعث ایجاد ضربه قوچ می شود .این نوسانات ستون سیال تا زمانی که انرژی بر اثر افت های سیال تلف شود ادامه می یابد .

با نصب یک تانک ضربه گیر در خروجی پمپ می توان جدایش را حذف کرد .وقتی که تانک ضربه گیر تا ۵۰ درصد فشار کاری شارژ شود تقریبا نصف حجم مخزن برای خط لوله در هنگام خاموش شدن قابل دسترس است. این سیال ذخیره شده وقتی که پمپ خاموش است به خط لوله تخلیه میشود. این مرحله تا زمانی که ستون سیال از حرکت بایستد. ادامه می یابد.
فشار خروجی بالاتر از فشار بخار باقی می ماند بنابراین از جدایش ستون سیال جلوگیری می شود .

در زمان جریان برگشتی بعد از اینکه شیر یکطرفه بسته شود تانک ضربه گیر سیال را جذب می کند ، بنابراین ضربه قوچ حذف می شود .انرژی جنبشی جریان بازگشتی در متراکم شدن نیتروژن شارژ شده در تیوپ صرف میشود .

موقعیت روشن شدن پمپ
۱-تانک ضربه گیر تا ۸۵ درصد فشار نرمال سیستم شارژ شده است.(هیچ سیالی وجود ندارد و سیستم آبی ساکن است)

۲-پمپ روشن می شود.جریان پمپ وارد تانک ضربه گیر می شود و فشار شارژ شده را تا حداکثر فشار متراکم می کند .

۳-جریان خط لوله در حالت دایم است .

موقعیت خاموش شدن پمپ
۱-سیستم در حالت دبی یکنواخت است .حجم گاز در تانک ضربه گیر تقریبا ۵۰ درصد حجم از قبل شارژ شده است.

۲-پمپ خاموش می شود .جریان در لوله ادامه می یابد و تانک ضربه گیر سیال را به سیستم به منظور جلوگیری از جدایش ستون سال تخلیه می کند .

۳-تمام سیال در تانک ضربه گیر تخلیه می شود .و ستون سیال به سرعت صفر می رسد .

۴-اختلاف فشاری بین خروجی پمپ و جریان پایین دست در خط لوله ایجاد می شود .و باعث می شود جریان برگشتی به سمت پمپ برگردد و شیر یکطرفه بسته شود .تانک ضربه گیر سیال برگشتیراجذب می کند و ضربه قوچ را از بین می برد .

اینک با علم به اینکه کار انجام شده روی گاز نیتروژن با کار انجام شده توسط ضربه برابر است به استخراج فرمول سایزینگ تانک ضربه گیر می پردازیم :

برای سیستم متریک و کاربرد مهندسی میتوان رابطه فوق را با در نظر گرفتن گاز نیتروژن برای میرا کردن ضربه در داخل اکومالاتور به شکل ذیل ساده نمود :

منابع :
دستورالعمل انتخاب و طراحی تجهیزات کنترل ضربه قوچ در تاسیسات آب شهری ، نشریه ۵۱۷
Fire protectionSurge Suppressor For Automatic Sprincler Systems, Young Engineering Manufactouring Inc

تهیه شده توسط واحد مهندسی شرکت آتیه کویر کرمان
بهار ۱۳۹۷