1/المفهوم

يُطلق على ظاهرة المطرقة المائية أيضًا اسم المطرقة المائية. تحدث هذه الظاهرة أثناء نقل الماء (أو السوائل الأخرى) نتيجة الفتح أو الإغلاق المفاجئ لـصمام الفراشة API, صمامات البوابةافحص الصمامات وصمامات كرويةعند التوقف المفاجئ لمضخات المياه، أو الفتح والإغلاق المفاجئ لريش التوجيه، وما إلى ذلك، يتغير معدل التدفق فجأةً ويتذبذب الضغط بشكل ملحوظ. يُعرف هذا التأثير بظاهرة "المطرقة المائية"، وهي ظاهرة خطيرة تحدث نتيجة اصطدام تدفق المياه بجدار الأنبوب عند تشغيل المضخة وإيقافها. فجدار الأنبوب الداخلي أملس، مما يسمح بتدفق المياه بحرية. عند إغلاق صمام مفتوح فجأةً أو إيقاف مضخة إمداد المياه، يُولّد تدفق المياه ضغطًا على الصمام وجدار الأنبوب، وخاصةً على الصمام أو المضخة. ولأن جدار الأنبوب أملس، فإن القوة الهيدروليكية، بفعل قصور تدفق المياه اللاحق، تصل بسرعة إلى أقصى حد لها، مُحدثةً آثارًا مدمرة. هذا هو "تأثير المطرقة المائية" في علم الهيدروليكا، أي المطرقة المائية الموجبة. في المقابل، عند فتح صمام مغلق فجأةً أو تشغيل المضخة، تحدث أيضًا ظاهرة "المطرقة المائية السالبة"، ولكنها أقل حدةً من الأولى. سيؤدي تأثير الضغط إلى إجهاد جدار الأنبوب وإصدار ضوضاء، تمامًا مثل المطرقة التي تضرب الأنبوب، لذلك يطلق عليه تأثير المطرقة المائية.

2/المخاطر

قد يصل الضغط اللحظي الناتج عن ظاهرة الطرق المائي إلى عشرات أو حتى مئات أضعاف ضغط التشغيل الطبيعي في خط الأنابيب. يمكن أن تتسبب هذه التقلبات الكبيرة في الضغط في اهتزازات أو ضوضاء شديدة في نظام الأنابيب، وقد تُلحق الضرر بوصلات الصمامات. ولها تأثير بالغ الضرر على نظام الأنابيب. ولمنع حدوث الطرق المائي، يجب تصميم نظام الأنابيب بشكل صحيح لمنع ارتفاع معدل التدفق. عمومًا، يجب ألا يتجاوز معدل التدفق المصمم للأنبوب 3 أمتار/ثانية، كما يجب التحكم في سرعة فتح وإغلاق الصمامات.
بسبب تشغيل المضخة وإيقافها وفتح الصمامات وإغلاقها بسرعة كبيرة، تتغير سرعة الماء بشكل كبير، وخاصة ظاهرة الطرق المائي الناتجة عن التوقف المفاجئ للمضخة، والتي قد تُلحق الضرر بالأنابيب والمضخات والصمامات، وتؤدي إلى انعكاس اتجاه المضخة وانخفاض ضغط شبكة الأنابيب. تُعد ظاهرة الطرق المائي مدمرة للغاية: فإذا كان الضغط مرتفعًا جدًا، فإنه سيؤدي إلى تمزق الأنبوب. وعلى العكس، إذا كان الضغط منخفضًا جدًا، فإنه سيؤدي إلى انهيار الأنبوب وتلف الصمامات والتجهيزات. في فترة وجيزة جدًا، يرتفع معدل تدفق الماء من الصفر إلى معدل التدفق المُصنّف. ولأن السوائل تمتلك طاقة حركية وقابلية انضغاط معينة، فإن التغيرات الهائلة في معدل التدفق خلال فترة زمنية قصيرة جدًا ستؤدي إلى تأثيرات ضغط عالية ومنخفضة على خط الأنابيب.

3/إنشاء

هناك العديد من الأسباب لحدوث ظاهرة الطرق المائي. وفيما يلي العوامل الشائعة:

1. يفتح الصمام أو يغلق فجأة؛

2. تتوقف وحدة مضخة المياه فجأة أو تبدأ بالعمل؛

3. أنبوب واحد ينقل المياه إلى مكان مرتفع (يتجاوز فرق الارتفاع في منطقة إمداد المياه 20 مترًا)؛

4. يكون إجمالي الرفع (أو ضغط التشغيل) لمضخة المياه كبيرًا؛

5. سرعة تدفق المياه في خط أنابيب المياه كبيرة جدًا؛

6. خط أنابيب المياه طويل جدًا والتضاريس تتغير بشكل كبير.
7. يُعدّ البناء غير المنتظم خطراً خفياً في مشاريع خطوط أنابيب إمدادات المياه
(1) على سبيل المثال، فإن إنتاج دعامات الدفع الأسمنتية للوصلات الثلاثية، والمرفقات، والمخفضات، والوصلات الأخرى لا يفي بالمتطلبات.
وفقًا لـ"اللوائح الفنية لهندسة خطوط أنابيب إمداد المياه المدفونة المصنوعة من البولي فينيل كلوريد الصلب"، يجب تركيب دعامات خرسانية عند الوصلات، مثل وصلات حرف T، والمرفقات، والمخفضات، وغيرها من الأنابيب التي يبلغ قطرها 110 مم أو أكثر، وذلك لمنع حركة خط الأنابيب. يجب ألا تقل صلابة هذه الدعامات الخرسانية عن الدرجة C15، ويجب صبها في الموقع على أساس التربة الأصلية المحفورة ومنحدر الخندق. مع ذلك، لا يولي بعض المقاولين اهتمامًا كافيًا لدور الدعامات الخرسانية، حيث يقومون بتثبيت وتد خشبي أو شوكة حديدية بجوار خط الأنابيب كدعامة. في بعض الأحيان، يكون حجم الدعامة الخرسانية صغيرًا جدًا أو لا تُصب على التربة الأصلية. من جهة أخرى، تكون بعض الدعامات الخرسانية غير قوية بما يكفي. ونتيجة لذلك، أثناء تشغيل خط الأنابيب، لا تعمل هذه الدعامات وتصبح عديمة الفائدة، مما يؤدي إلى اختلال محاذاة وصلات الأنابيب، مثل وصلات حرف T والمرفقات، وتلفها.
(2) صمام العادم التلقائي غير مثبت أو أن موضع التثبيت غير معقول.
وفقًا لمبدأ الهيدروليكا، يجب تصميم وتركيب صمامات العادم الأوتوماتيكية عند أعلى نقاط خطوط الأنابيب في المناطق الجبلية أو التلال ذات التضاريس المتموجة. حتى في المناطق السهلية ذات التضاريس المتموجة قليلاً، يجب تصميم خطوط الأنابيب بشكل مدروس عند حفر الخنادق، بحيث يكون هناك ارتفاعات وانخفاضات دورية، ولا يقل الانحدار عن 1/500، ويتم تصميم صمام أو صمامين للعادم عند أعلى نقطة في كل كيلومتر.
أثناء عملية نقل المياه في الأنابيب، يتسرب الغاز ويتراكم في الأجزاء المرتفعة منها، مما قد يؤدي إلى انسداد هوائي. وعندما يتذبذب معدل تدفق المياه، تستمر جيوب الهواء المتكونة في الأجزاء المرتفعة بالانضغاط والتمدد، فيصبح الضغط الناتج عن انضغاط الغاز أكبر بعشرات أو حتى مئات المرات من الضغط الناتج عن انضغاط الماء (مصدر الصورة: بامب باتلر). في هذه الحالة، قد يؤدي هذا الجزء من الأنبوب، الذي يحمل مخاطر خفية، إلى الحالات التالية:
• بعد مرور الماء في اتجاه مجرى الأنبوب، يختفي الماء المتساقط في اتجاه المصب. ويعود ذلك إلى أن الكيس الهوائي الموجود في الأنبوب يمنع تدفق الماء، مما يؤدي إلى انفصال عمود الماء.
• يتم ضغط الغاز المضغوط في خط الأنابيب إلى أقصى حد ويتمدد بسرعة، مما يؤدي إلى تمزق خط الأنابيب.
عندما ينتقل الماء من مصدر مرتفع إلى أسفل المجرى بسرعة معينة بفعل الجاذبية، وبعد إغلاق الصمام العلوي بسرعة، وبسبب قصور فرق الارتفاع ومعدل التدفق، لا يتوقف عمود الماء في الأنبوب العلوي فورًا، بل يستمر في الحركة بسرعة معينة. في هذه الحالة، يتشكل فراغ في الأنبوب لعدم إمكانية تعويض الهواء في الوقت المناسب، مما يؤدي إلى انكماش الأنبوب بفعل الضغط السلبي وتلفه.
(3) لا تفي التربة الموجودة في الخندق والتربة المستخدمة في الردم باللوائح.
تُلاحظ الخنادق غير المُجهزة بشكل صحيح في المناطق الجبلية، ويعود ذلك أساسًا إلى كثرة الصخور في بعض المناطق. تُحفر هذه الخنادق يدويًا أو تُفجّر بالمتفجرات. يكون قاع الخندق غير مستوٍ بشكل كبير، وتبرز منه صخور حادة. في هذه الحالة، ووفقًا للوائح ذات الصلة، يجب إزالة الصخور من قاع الخندق، ورصف طبقة من الرمل بسمك يزيد عن 15 سنتيمترًا قبل مدّ خط الأنابيب. مع ذلك، يتصرف عمال البناء بإهمال، أو يختصرون الإجراءات، فيضعون الرمل مباشرةً دون رصفه، أو يرصفونه بشكل رمزي. يُمدّ خط الأنابيب فوق الصخور. عند اكتمال الردم وبدء تشغيل خط الأنابيب، وبسبب وزن خط الأنابيب نفسه، وضغط التربة الرأسي، وحمولة المركبات عليه، وتأثير الجاذبية، فإنه يرتكز على صخرة أو أكثر من الصخور الحادة البارزة في قاعه، مما يُسبب تركيزًا مفرطًا للإجهاد، وبالتالي يُصبح خط الأنابيب عرضةً للتلف والتشقق على طول خط مستقيم. هذا ما يُطلق عليه الناس غالباً "تأثير التسجيل".

4/التدابير

هناك العديد من التدابير الوقائية ضد ظاهرة الطرق المائي، ولكن يجب اتخاذ تدابير مختلفة وفقًا للأسباب المحتملة لهذه الظاهرة.
١. يمكن أن يؤدي تقليل معدل تدفق المياه في خطوط الأنابيب إلى خفض ضغط المطرقة المائية إلى حد ما، ولكنه سيزيد من قطر خطوط الأنابيب ويرفع تكلفة المشروع. عند مدّ خطوط الأنابيب، ينبغي مراعاة تجنب المطبات أو التغيرات الحادة في الانحدار لتقليل طول خط الأنابيب. فكلما زاد طول خط الأنابيب، زادت قيمة المطرقة المائية عند توقف المضخة. ولربط محطتي ضخ، يُستخدم بئر سحب مياه.
ظاهرة الطرق المائي عند توقف المضخة

يشير مصطلح "مطرقة الماء عند توقف المضخة" إلى ظاهرة الصدمة الهيدروليكية الناتجة عن التغيرات المفاجئة في سرعة تدفق الماء في مضخة الماء وأنابيب الضغط عند فتح الصمام وإيقافه بسبب انقطاع مفاجئ للتيار الكهربائي أو لأسباب أخرى. على سبيل المثال، قد يؤدي تعطل نظام الطاقة أو المعدات الكهربائية، أو عطل عرضي في وحدة مضخة الماء، إلى فتح صمام المضخة الطاردة المركزية وتوقفها، مما ينتج عنه مطرقة الماء عند توقف المضخة. يرتبط حجم مطرقة الماء عند توقف المضخة بشكل أساسي بالارتفاع الهندسي لغرفة المضخة. فكلما زاد الارتفاع الهندسي، زادت قيمة مطرقة الماء عند توقف المضخة. لذلك، ينبغي اختيار ارتفاع مناسب للمضخة بناءً على الظروف المحلية الفعلية.

قد يصل أقصى ضغط ناتج عن ظاهرة الطرق المائي عند توقف المضخة إلى 200% من ضغط التشغيل العادي، أو حتى أعلى من ذلك، مما قد يؤدي إلى تدمير الأنابيب والمعدات. تتسبب الحوادث العادية في تسرب المياه وانقطاعها؛ أما الحوادث الخطيرة فتؤدي إلى غمر غرفة المضخة بالمياه، وتلف المعدات والمنشآت، أو حتى التسبب في إصابات أو وفيات.

بعد إيقاف المضخة بسبب حادث، انتظر حتى يمتلئ الأنبوب خلف صمام الفحص بالماء قبل تشغيلها. لا تفتح صمام مخرج المضخة بالكامل عند تشغيلها، وإلا سيحدث اندفاع قوي للماء. غالبًا ما تحدث حوادث الطرق المائي الخطيرة في العديد من محطات الضخ في مثل هذه الظروف.

2. تركيب جهاز إزالة المطرقة المائية
(1) استخدام تقنية التحكم في الجهد الثابت
يُستخدم نظام تحكم آلي PLC للتحكم في المضخة ذات السرعة المتغيرة التردد، وللتحكم الآلي في تشغيل نظام غرفة مضخات إمداد المياه بالكامل. ونظرًا لتغير ضغط شبكة أنابيب إمداد المياه باستمرار مع تغير ظروف التشغيل، غالبًا ما يحدث انخفاض أو ارتفاع في الضغط أثناء تشغيل النظام، مما قد يؤدي بسهولة إلى ظاهرة الطرق المائي، وبالتالي تلف الأنابيب والمعدات. يُستخدم نظام التحكم الآلي PLC للتحكم في شبكة الأنابيب، حيث يقوم برصد الضغط، والتحكم في بدء وإيقاف مضخة المياه، وضبط السرعة، والتحكم في التدفق، وبالتالي الحفاظ على الضغط عند مستوى محدد. ويمكن ضبط ضغط إمداد المياه للمضخة عن طريق التحكم في الحاسوب الصغير للحفاظ على ضغط إمداد مياه ثابت وتجنب تقلبات الضغط المفرطة، مما يقلل من احتمالية حدوث ظاهرة الطرق المائي.
(2) تركيب جهاز إزالة مطرقة الماء
يمنع هذا الجهاز بشكل أساسي ظاهرة الطرق المائي عند توقف المضخة. يُركّب عادةً بالقرب من أنبوب مخرج المضخة. ويعتمد على ضغط الأنبوب نفسه كمصدر للطاقة لتفعيل خاصية التشغيل التلقائي عند انخفاض الضغط. أي أنه عندما ينخفض ​​الضغط في الأنبوب عن قيمة الحماية المحددة، يُفتح منفذ التصريف تلقائيًا لتصريف المياه. يُستخدم تخفيف الضغط لموازنة ضغط الأنابيب المحلية ومنع تأثير الطرق المائي على المعدات والأنابيب. تُقسم أجهزة تخفيف الضغط عمومًا إلى نوعين: ميكانيكية وهيدروليكية. تُعاد الأجهزة الميكانيكية إلى وضعها الطبيعي يدويًا بعد انتهاء عملها، بينما تُعاد الأجهزة الهيدروليكية إلى وضعها الطبيعي تلقائيًا.
(3) قم بتركيب صمام عدم رجوع بطيء الإغلاق على أنبوب مخرج مضخة المياه ذي القطر الكبير

يمكنها القضاء بفعالية على ظاهرة الطرق المائي عند إيقاف المضخة، ولكن نظرًا لأن كمية معينة من الماء ستتدفق للخلف عند...API 609عند تفعيل الصمام، يجب أن يحتوي بئر سحب المياه على أنبوب تصريف. يوجد نوعان من صمامات الفحص بطيئة الإغلاق: صمام المطرقة وصمام تخزين الطاقة. يمكن لهذا النوع من الصمامات ضبط زمن إغلاقه ضمن نطاق محدد حسب الحاجة (تابعونا على Pump Butler). عادةً، يُغلق الصمام بنسبة 70% إلى 80% خلال 3 إلى 7 ثوانٍ بعد انقطاع التيار الكهربائي. أما النسبة المتبقية (20% إلى 30%)، فيتم ضبطها وفقًا لظروف مضخة المياه وخط الأنابيب، وعادةً ما تكون في نطاق 10 إلى 30 ثانية. تجدر الإشارة إلى أنه عند وجود انحناء في خط الأنابيب وحدوث ظاهرة المطرقة المائية، يصبح دور صمام الفحص بطيء الإغلاق محدودًا للغاية.
(4) قم بإنشاء برج تنظيم ضغط أحادي الاتجاه
يُبنى برج تنظيم الضغط أحادي الاتجاه بالقرب من محطة الضخ أو في موقع مناسب على خط الأنابيب، ويكون ارتفاعه أقل من ضغط خط الأنابيب في تلك المنطقة. عندما ينخفض ​​الضغط في خط الأنابيب عن مستوى الماء في البرج، يقوم البرج بتزويد خط الأنابيب بالماء لمنع انهيار عمود الماء وتخفيف حدة ظاهرة الطرق المائي. مع ذلك، فإن تأثيره في خفض الضغط على أنواع الطرق المائي الأخرى، مثل الطرق المائي الناتج عن إغلاق الصمام، محدود. إضافةً إلى ذلك، يجب أن يكون أداء الصمام أحادي الاتجاه المستخدم في برج تنظيم الضغط أحادي الاتجاه موثوقًا تمامًا، إذ قد يؤدي تعطل الصمام إلى حدوث طرق مائي كبير.
(5) قم بتركيب أنبوب (صمام) جانبي في محطة الضخ
عندما يعمل نظام المضخة بشكل طبيعي، يكون صمام عدم الرجوع مغلقًا لأن ضغط الماء على جانب الضغط في المضخة أعلى من ضغط الماء على جانب السحب. عند انقطاع التيار الكهربائي المفاجئ الذي يُوقف المضخة، ينخفض ​​الضغط عند مخرج محطة الضخ بشكل حاد، بينما يرتفع الضغط على جانب السحب بشكل حاد. تحت تأثير هذا الفرق في الضغط، يدفع الماء ذو ​​الضغط العالي المؤقت في أنبوب السحب الرئيسي صفيحة صمام عدم الرجوع ليفتحها، ويتدفق إلى الماء ذي الضغط المنخفض المؤقت في أنبوب الضغط الرئيسي، مما يؤدي إلى زيادة الضغط المنخفض هناك؛ في المقابل، ينخفض ​​أيضًا ارتفاع ضغط المضخة الناتج عن ظاهرة الطرق المائي على جانب السحب. بهذه الطريقة، يتم التحكم في ارتفاع وانخفاض ضغط الطرق المائي على جانبي محطة الضخ، مما يقلل بشكل فعال من مخاطر الطرق المائي ويمنعها.
(6) قم بتركيب صمام فحص متعدد المراحل
في خط أنابيب مياه طويل، أضف واحدًا أو أكثرصمامات الفحصيُقسّم خط أنابيب المياه إلى عدة أقسام، ويُركّب صمام عدم رجوع على كل قسم. عند ارتداد المياه في الأنبوب أثناء ظاهرة الطرق المائي، يُغلق كل صمام عدم رجوع تباعًا لتقسيم تدفق الارتداد إلى عدة أقسام. نظرًا لانخفاض الضغط الهيدروستاتيكي في كل قسم من أقسام الأنبوب (أو قسم تدفق الارتداد)، ينخفض ​​معدل تدفق المياه، مما يُعزز فعالية هذه التقنية. يُمكن استخدام هذا الإجراء الوقائي بفعالية في الحالات التي يكون فيها فرق الارتفاع الهندسي لإمدادات المياه كبيرًا، ولكنه لا يمنع تمامًا احتمالية انفصال عمود الماء. أما عيبه الأكبر فهو زيادة استهلاك الطاقة لمضخة المياه أثناء التشغيل العادي، وبالتالي زيادة تكاليف إمدادات المياه.