מהו פטיש מים (מכת מים) ומדוע הוא מסוכן?

פטיש מים, או מכת מים, הוא גל לחץ שנע לאורך קו צנרת כאשר מהירות הזרימה משתנה בפתאומיות, למשל בסגירה מהירה של מגוף או בנפילת משאבה. עמוד המים הנע נעצר בבת אחת, האנרגיה הקינטית שלו הופכת ללחץ, ונוצר גל שנע הלוך ושוב בין נקודת השינוי לבין המאגר במהירות של מאות מטרים לשנייה. עליית הלחץ יכולה להגיע לעשרות אטמוספרות מעל לחץ העבודה, ולגרום לפיצוץ צינור, להרס אביזרים, לרעידות ולקריסת ואקום בצד היונק. זו אחת הסיבות השכיחות לכשלים חוזרים בקווי מים ובתחנות שאיבה.

איך מחשבים את עליית הלחץ בפטיש מים?

בסגירה מהירה משתמשים בנוסחת Joukowsky: עליית העומד ΔH = a·Δv/g, ועליית הלחץ ΔP = ρ·a·Δv, כאשר a מהירות הגל בצינור, Δv שינוי מהירות הזרימה (בעצירה מלאה זו מהירות הזרימה עצמה), g תאוצת הכובד ו-ρ צפיפות המים. מהירות הגל a מחושבת מנוסחת Korteweg ותלויה בקושי המים (מודול הנפח) ובגמישות הצינור (מודול יונג, הקוטר ועובי הדופן). צינור פלדה קשיח נותן מהירות גל של כ-1000 עד 1200 מטר לשנייה, וצינור פלסטי גמיש נותן רק כ-300 עד 500, ולכן מכת המים בפלסטיק חלשה בהרבה.

מהו הזמן הקריטי וההבדל בין סגירה מהירה לאיטית?

הזמן הקריטי הוא Tc = 2L/a, הזמן שלוקח לגל לנוע מהמגוף עד המאגר ובחזרה (L אורך הקו). אם זמן סגירת המגוף קצר מהזמן הקריטי, הסגירה נחשבת מהירה והלחץ עולה במלוא ערך Joukowsky. אם זמן הסגירה ארוך מהזמן הקריטי, הסגירה איטית, גל הההחזרה המקזז מספיק להגיע לפני סיום הסגירה, ועליית הלחץ קטנה, בקירוב ΔH ≈ 2·L·v/(g·T). לכן האמצעי הזול ביותר להקטין מכת מים הוא להאריך את זמן סגירת המגוף.

מה קורה כשמשאבה נופלת (הפסקת חשמל)?

בנפילת משאבה הזרימה נעצרת כמעט מיידית, מגוף האל-חוזר נטרק, וזו למעשה סגירה מהירה במלוא עליית Joukowsky. בנוסף נוצר תחילה גל לחץ נמוך (ואף ואקום) בצד המשאבה לפני גל הלחץ הגבוה החוזר, מה שעלול לגרום לקריסת הצינור או להיפרדות עמוד המים. זה התרחיש המסוכן ביותר ולרוב הוא הקובע את הצורך באמצעי הגנה, כמו מיכל הלם (כלי אוויר), מגוף האטה, או מגוף שחרור לחץ. המחשבון מאפשר לדמות זאת על ידי הזנת זמן סגירה קצר מאוד.

איך מגינים על קו מפני פטיש מים?

הדרך הראשונה היא להאריך את זמן סגירת המגוף מעבר לזמן הקריטי, והמחשבון מציג את זמן הסגירה המינימלי שדרוש כדי לא לחרוג מדירוג הצינור. אם זה לא מספיק, מוסיפים אמצעי הגנה: מיכל הלם או כלי אוויר שסופג את הגל, מגוף האטה דו-שלבי, מגוף שחרור לחץ, מגוף אל-חוזר עם בולם, או מגדל איזון. בחירת האמצעי תלויה באורך הקו, בפרופיל הגובה ובמהירות הזרימה, ודורשת ניתוח הידראולי של המקרה הספציפי.

המחשבון מחליף ניתוח הידראולי מלא?

לא. המחשבון נותן הערכה מהירה של גודל מכת המים ושל הזמן הקריטי לפי נוסחאות Joukowsky ו-Korteweg, והוא כלי תכן וסינון מצוין. אבל קו אמיתי כולל פרופיל גובה, אביזרים, הסתעפויות, התנהגות אל-חוזר ואפשרות להיפרדות עמוד מים, שדורשים ניתוח מעבר (transient) בתוכנה ייעודית. לקווים קריטיים, לתחנות שאיבה ולמקרים בהם הלחץ המרבי קרוב לדירוג, כדאי לבצע ניתוח מלא ובדיקת שדה.

מחשבון פטיש מים (מכת מים / גל הלם) — עליית לחץ Joukowsky, מהירות גל וזמן סגירת מגוף

מחשבון פטיש מים (מכת מים / גל הלם)

הזינו ספיקה, קוטר, חומר הצינור, אורך הקו וזמן סגירה וקבלו תוך 60 שניות את מהירות הגל, עליית הלחץ והלחץ המרבי בצינור, האם הסגירה מהירה או איטית, ואת זמן הסגירה המינימלי הבטוח. לפי ΔH = a·Δv/g.

נתוני הקו והמגוף

ספיקה Q 100 מ³/ש'

0מטר מעוקב לשעה2000

קוטר פנימי D 300 מ"מ

20קוטר פנימי (מ"מ)1600

עובי דופן e 6 מ"מ

1עובי דופן (מ"מ)60

חומר הצינור (מודול יונג E)

צינור גמיש (פלסטי) מקטין משמעותית את מהירות הגל ואת מכת המים.

אורך הקו L 500 מ'

10מהמגוף עד המאגר (מ')5000

זמן סגירת המגוף T 5 שנ'

0 (נפילת משאבה)שניות60

לחץ עבודה 4 בר

דירוג צינור PN 10 בר

דירוגי PN נפוצים: PN 6 / 10 / 16 / 25 בר. הלחץ המרבי מושווה לדירוג זה.

💥

תוצאה

הזינו נתונים

הזינו ספיקה, קוטר ואורך קו כדי לחשב את מכת המים.

מהירות הגל

—

a (מ'/שנ')

עליית לחץ

—

גל ההלם (בר)

לחץ שיא בצינור

—

עבודה + הלם (בר)

זמן קריטי

—

Tc = 2L/a

פירוט החישוב

גל

מהירות הגל בצינור

זרימה

מהירות הזרימה

סגירה

סוג הסגירה

לחץ

עליית הלחץ והלחץ המרבי

הגנה

המלצה

איך מחושב: מהירות הגל לפי Korteweg: a = √(K/ρ) / √(1 + K·D/(E·e)), כאשר K מודול הנפח של המים, E מודול יונג של החומר. עליית הלחץ בסגירה מהירה לפי Joukowsky: ΔH = a·v/g. בסגירה איטית (זמן מעל Tc) ההערכה ΔH ≈ 2·L·v/(g·T). שימו לב: זו הערכה מהירה לקו פשוט בעצירה מלאה. קו אמיתי כולל פרופיל גובה, אביזרים והתנהגות אל-חוזר שעשויים לדרוש ניתוח מעבר מלא ובדיקת שדה, במיוחד כשהלחץ המרבי קרוב לדירוג הצינור.

קו או תחנה שסובלים ממכות מים?

המחשבון נותן הערכה מהירה של גודל הבעיה. רעידות, צינורות שמתפוצצים שוב ושוב, מגופי אל-חוזר שנשברים או משאבות שנופלות, נבדקים בשטח. מהנדס מים ואנרגיה מודד את נקודת העבודה, בוחן את התנהגות הסגירה ונפילת המשאבה, ומציע אמצעי הגנה מתאימים, ממגוף האטה ועד מיכל הלם. השאירו פרטים ואחזור עם הצעה מותאמת.

מחשבון פטיש מים (מכת מים / גל הלם)

נתוני הקו והמגוף

קו או תחנה שסובלים ממכות מים?

שאלות נפוצות