Lovitura de berbec - fenomen ondulatoriu de crestere (scadere) a presiunii in conducte

Lovitura de berbec

Lovitura de berbec este un fenomen ondulatoriu de crestere (scadere) a presiunii in conductele fortate ale hidrocentralelor sau ale statiilor de pompare, produs prin incheierea (deschiderea) brusca a vanelor la capatul aval al conductelor respective.

Lovitura de berbec este deci o suprapresiune (alternativ pozitiva si negativa), care se adauga presiunii in miscarea de regim permanent si independenta de aceasta presiune.

De suprapresiunea creata de lovitura de berbec trebuie sa tina seama in mod specialin conductele fortate ale centralelor hidroelectrice. Lovituri de berbec se produc si la inchiderea rapida a hidrantilor, la trecerea peste furtunuri a vehiculelor grele, la formarea coturilor pe liniile de furtun, la inchiderea tevilor cu robinet si in alte situatii. Inainte de a analiza aparitia loviturii de berbec in furtunuri si hidranti se va explica producerea acestui fenomen in conducte.

Asa de exemplu, daca la extremitatea unei conducte de diametru D si de lungime L se monteaza un robinet R cu ajutorul caruia se regleaza debitul, viteza de circulatie a apei in conducte fiind v, se observa ca la o inchidere brusca a robinetului lichidul se ridica intr-un tub piezometric, asezat ca in figura 68, cu mult peste nivelul lichidului din rezervor, adica peste linia orizontala AA`. In acest caz presiunea in conducta este cu mult mai mare decat H, care reprezinta presiunea la extremitatea conductei, atunci cand robinetul este inchis si lichidul se gaseste in stare de repaus.

Fig. 68. Schema producerii loviturii de berbec.

Dupa ce lichidul izbeste robinetul, acesta sufera mai intai o contractie apoi o destindere care se transmite in amonte pe conducta pana ajunge la rezervor.

Prin inchiderea robinetului viteza lichidului este brusc redusa la zero, iar energia de care masa de lichid este capabila are valoarea:

E = mv² = γ Π/4 D²L/2 g v² kgm (1)

in care,

m este masa lichidului;

v viteza de circulatie a lichidului in m/s;

γ greutatea specifica a apei sau lichidului, exprimata in kgf/m³;

D diametrul conductei in m;

L lungimea conductei in m;

g acceleratia gravitatiei pamantului in m/s².

Efectul izbirii apei in robinet este simtit si de conducta, in sensul ca ea se umfla si uneori crapa. Umflatura se produce mai ales la conductele de plumb, deoarece nu au suficienta elasticitate.

Practic aceste umflaturi se observa in apropierea robinetelor de la chiuvete, la bai, ca urmare a inchiderii bruste a robinetelor (fig. 69).

Fig. 69. Efectul loviturii de berbec intr-o conducta cu robinet.

In cazul unei conducte din cauciuc elastic umflatura se poate simti cu mana sau chiar vedea cu ochiul liber.

La deschiderea brusca a unui robinet se poate produce o turtire datorita vidului partial creat in conducta si apasarii aerului din exterior. In acest caz avem de-a face cu o lovitura de berbec negativa.

Lovitura de berbec este cu atat mai violenta cu cat conducta este mai lunga si inchiderea mai rapida. In schimb, lovitura de berbec este redusa la conductele scurte si la manevrarea inceata a vanelor si robinetelor la intercalarea pe conducta a unei capacitati care sa acumuleze lichid si la iesirea lichidului printr-o derivatie din conducta.

Suprapresiunile se pot calcula teoretic.

O astfel de formula simplificata pentru conductele metalice care transporta apa, cunoscand si modulul de elasticitate este:

H_max - H = a/g (v₀ - v) (2)

in care,

H_max este presiunea totala data de lovitura de berbec;

H - presiunea statica in cazul cand robinetul este inchis si apa este in repaus;

v₀ - viteza de regim de curgere a apei prin conducta, inainte de inchiderea robinetului;

v - viteza redusa in cazul cand robinetul a fost inchis partial;

a - viteza de propagare a undei de soc;

g - acceleratia gravitatiei pamantesti.

Valoarea lui a este data de relatia:

a = 9900/√48,3 + k d/e m/s

in care,

a este viteza de propagare a undei de soc;

k - reprezinta un coeficient dependent de natura materialului din care este confectionata conducta (k = 0,5 pentru conducte din fonta; k = 5 pentru conducte din plumb);

d - diametrul interior al conductei;

e - grosimea peretilor conductei.

Printr-un calcul aproximativ in cazul unei conducte din fier, otel sau fonta, se obtine valoarea lui a = 1000 m/s (aproximativ).

In cazul conductelor metalice de aductiune a apei, in care viteza apei nu depaseste 1 m/s suprapresiunea poate sa ajunga 1000/9,8 ≈ 102 m, adica aproximativ 10 at. Pentru viteze mai mari de circulatie a apei se foloseste formula ∆p = (10 14) v₀, in at, v₀ fiind viteza de circulatie a apei in m/s.

Forta de izbire a apei capata valoarea cea mai mare dupa timpul de inchidere t = 2 l/a, aceasta inseamna ca unda de soc s-a propagat pana la rezervor si s-a intors; in acest caz se spune ca lovitura de berbec este perfecta.

S-a aratat ca si in furtunurile de incendiu suprapresiunile pot sa apara ca urmare a opririi bruste a apei, in tevile de refulare. Oprirea brusca a apei provoaca o perturbatie elastica, manifestata prin o succesiune de suprapresiuni si depresiuni propagate in ambele sensuri cu mare viteza, dupa care se atenueaza pana la disparitie.

La dilatarea furtunurilor sub presiune, ca urmare a suprapresiunii aparute dupa inchiderea robinetului de la teava, teava de refulare poate fi smulsa din mainile servantului si provoaca accidente.

Furtunul este supus unei serii de suprapresiuni.

Lichidul prin care se transmit suprapresiunile si depresiunile este inchis intr-un furtun, ale carui caracteristici elastice permit sa se obtina presiuni mult mai mici decat cele care s-ar produce daca furtunul ar fi aproape rigid, de exemplu metalic.

Seful de teava poate actiona astfel incat sa nu se produca suprapresiuni prea mari. Acest lucru se poate realiza printr-o inchidere treptata (progresiva) a robinetului de la teava de refulare.

O data cu marirea lungimii liniei de furtun creste si perioada de oscilatie a presiuii. Debitul are un rol deosebit in ceea ce priveste valoarea suprapresiunilor fortmate in liniile de furtun. Astfel, pe masura cresterii debitului, in furtunuri se maresc si suprapresiunile, acestea ajungand la valori care trebuie luate in considerare.

Suprapresiunea se poate determina cu ajutorul relatiei:

∆h = + a/g v₀ in care,

∆h reprezinta cresterea presiunii in metri pe coloana de apa;

a - viteza de propagare a undei de soc in furtun, in m/s;

v₀ - viteza circulatiei apei in furtun m/s;

g - acceleratia gravitatiei pamantesti in ms²;

Din relatia de mai sus se observa ca marimea loviturii de berbec in furtun este in raport direct proportional cu viteza de circulatie a apei v si cu viteza de propagare a undei de soc, a.

Pentru conductele de otel viteza undei de soc atinge valori intre 900 - 1100 m/s (scade la 600 - 700 m/s in cazul unor diametre mari) si rareori scade sub 1000 m/s (pentru conductele de fonta). Experimentarile efectuate in unele tari au stabilit vitezele de propagare a undei de soc in limitele presiunii de regim in furtunuri necauciucate si cauciucate; aceasta viteza pentru furtunurile necauciucate este de 220 - 250 m/s, iar la cele cauciucate 180 - 200 m/s.

In furtunurile de incendiu (cauciucate si necauciucate) suprapresiunea creata in urma loviturii de berbec ajunge, in general, la valori de 2 pana la 2,5 at, la o viteza de curgere a apei de 1 m/s.

Deci ∆p = (2 25) v₀ in at.

De exemplu, in urma inchiderii bruste a unei tevi cu un ajutaj de 11,8 mm, alimentata de o pompa la o presiune de 80 m H₂O, s-a obtinut o suprapresiune maxima de 45 m H₂O (s-a folosit un furtun cu diametrul de 45 mm). Cea mai mare crestere a presiunii, din cauza loviturii de berbec, se produce la schimbarea cu violenta a vitezei apei.

Loviturile de berbec sunt mai puternice in furtunurile cu diametre mari, prin care se refuleaza apa sub presiune si in special in cele in care posibilitatile de alungire a tesaturii sunt epuizate.

Cele mai multe deteriorari de pe urma loviturii de berbec se produc la furtunurile imbatranite natural si la cele care nu se intretin si exploateaza corespunzator.

Lovitura de berbec in conducta (socul hidraulic) se produce si la deschiderea brusca a hidrantilor de incendiu.

Daca ventilele hidrantului sunt inchise fenomenul are loc chiar si in corpul acestuia.

Hidrantii portativi de incendiu se inchid si se deschid cu ajutorul cheii de hidrant.

O manipulare brusca a cheii de hidrant, ventilele hidrantului fiind inchise, cauzeaza uneori o lovitura de berbec care se poate solda cu smulgerea hidrantului. De aceea este necesar ca manipularea cheii de hidrant, sa se faca progresiv si cu multa atentie.

Prin manipularea gresita a hidrantului de incendiu este posibila producerea loviturilor de berbec si in conducta ce-l alimenteaza.

In corpul hidrantului si in furtun, inainte de a ajunge apa, se gaseste aer, care, desi nu se evacueaza in intregime nu poate constitui un amortizor pentru socul hidraulic. Din contra, daca apa este introdusa cu viteza in furtun, aerul care se gaseste in interior se comprima si poate provoca spargerea furtunului. La furtunurile din relon si poliesteri, data fiind elasticitatea lor, loviturile de berbec nu mai sunt chiar asa de temult. Totusi si in aceste furtunuri loviturile de berbec trebuie evitate ori de cate ori este posibil, mai ales cand furtunul nu este inca plin cu apa. Pentru aceasta este necesar sa se lase deschis robinetul de la teava re refulare, daca nu complet cel putin partial.

Manipularea progresiva a cheii de hidrant, intretinerea permanenta a furtunurilor de incendiu, manevrarea progresiva a ventilelor de la pompele de refulare, respectarea regulilor de folosire a furtunurilor si accesoriilor la presiuni de regim normale sunt masuri care impiedica formarea loviturilor de berbec.