ما هو مطرقة الماء وكيفية إصلاحها؟

ما هو مطرقة الماء؟

تحدث ظاهرة الطرق المائي عند انقطاع مفاجئ للتيار الكهربائي أو عند إغلاق الصمام بسرعة كبيرة، حيث تتولد موجة صدمية نتيجة قصور تدفق الماء المضغوط، تمامًا كصوت مطرقة تضرب، ومن هنا جاءت تسميتها. وقد تكون القوة الناتجة عن موجات الصدمات المترددة لتدفق الماء، والتي قد تكون شديدة في بعض الأحيان، قادرة على إتلاف الصمامات والمضخات.

عند إغلاق صمام مفتوح فجأة، يتدفق الماء باتجاه الصمام وجدار الأنبوب، مُحدثًا ضغطًا. وبسبب نعومة جدار الأنبوب، يصل تدفق الماء اللاحق بسرعة إلى أقصى حد له بفعل القصور الذاتي، مُسببًا أضرارًا. يُعرف هذا في ميكانيكا الموائع بـ"تأثير المطرقة المائية"، أي المطرقة المائية الموجبة. يجب مراعاة هذا العامل عند إنشاء خطوط أنابيب إمداد المياه.

على النقيض من ذلك، عند فتح الصمام المغلق فجأة، يحدث ما يُعرف بظاهرة الطرق المائي، والتي تُسمى الطرق المائي السلبي. ولها أيضاً قدرة تدميرية، لكنها أقل من الطرق المائي السلبي. فعندما تفقد مضخة المياه الكهربائية طاقتها فجأة أو تبدأ بالعمل، يحدث أيضاً صدمة ضغط وتأثير الطرق المائي. تنتشر موجة الصدمة الناتجة عن هذا الضغط على طول خط الأنابيب، مما قد يؤدي بسهولة إلى زيادة الضغط الموضعي فيه، وبالتالي إلى تمزقه وتلف المعدات. لذلك، أصبحت الحماية من تأثير الطرق المائي إحدى التقنيات الأساسية في هندسة إمدادات المياه.
شروط حدوث ظاهرة المطرقة المائية

1. يفتح الصمام أو يغلق فجأة؛

2. تتوقف وحدة مضخة المياه فجأة أو تبدأ بالعمل؛

3. توصيل المياه عبر أنبوب واحد إلى الأماكن المرتفعة (يتجاوز فرق ارتفاع تضاريس إمدادات المياه 20 مترًا)؛

4. يكون إجمالي ضغط التشغيل (أو ضغط التشغيل) للمضخة كبيرًا؛

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

6. خط أنابيب المياه طويل جدًا والتضاريس تتغير بشكل كبير.

مخاطر ظاهرة الطرق المائي

قد يصل ارتفاع الضغط الناتج عن ظاهرة الطرق المائي إلى عدة أضعاف أو حتى عشرات أضعاف ضغط التشغيل الطبيعي لخط الأنابيب. وتتسبب هذه التقلبات الكبيرة في الضغط في إلحاق الضرر بنظام خط الأنابيب بشكل رئيسي كما يلي:

1. التسبب في اهتزاز قوي لخط الأنابيب وانفصال وصلة خط الأنابيب؛

2. الصمام تالف، والضغط الخطير مرتفع للغاية لدرجة أنه يتسبب في انفجار الأنبوب، وينخفض ​​ضغط شبكة إمدادات المياه؛

3. على العكس من ذلك، إذا كان الضغط منخفضًا جدًا، فسوف ينهار الأنبوب، وسيتضرر الصمام وأجزاء التثبيت؛

4. التسبب في عكس اتجاه مضخة المياه، وإتلاف المعدات أو الأنابيب في غرفة المضخة، والتسبب بشكل خطير في غمر غرفة المضخة، والتسبب في إصابات بشرية وحوادث جسيمة أخرى، والتأثير على الإنتاج والحياة.

تدابير وقائية للقضاء على ظاهرة الطرق المائي أو التخفيف من آثارها

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 خط الأنابيب إلى خفض ضغط المطرقة المائية إلى حد ما، ولكنه سيزيد من قطر خط الأنابيب ويرفع تكلفة المشروع. عند مدّ خطوط الأنابيب، يجب مراعاة تجنب التضاريس المرتفعة أو التغيرات الحادة في الميل. يرتبط حجم المطرقة المائية عند توقف المضخة بشكل أساسي بالارتفاع الهندسي لغرفة المضخة. فكلما زاد الارتفاع الهندسي، زادت المطرقة المائية عند توقف المضخة. لذلك، يجب اختيار ارتفاع مناسب للمضخة وفقًا للظروف المحلية الفعلية. بعد إيقاف المضخة في حالة حدوث عطل، انتظر حتى يمتلئ خط الأنابيب خلف صمام الفحص بالماء قبل إعادة تشغيلها. لا تفتح صمام مخرج المضخة بالكامل عند بدء التشغيل، وإلا سيحدث اندفاع كبير للماء. تحدث معظم حوادث المطرقة المائية الكبيرة في العديد من محطات الضخ في ظل هذه الظروف.

2. تركيب جهاز إزالة المطرقة المائية

(1) استخدام تقنية التحكم في الضغط الثابت:
نظراً لتغير ضغط شبكة أنابيب إمداد المياه باستمرار مع تغير ظروف التشغيل، غالباً ما يحدث انخفاض أو ارتفاع في الضغط أثناء تشغيل النظام، مما يزيد من احتمالية حدوث ظاهرة الطرق المائي، وبالتالي تلف الأنابيب والمعدات. لذا، تم اعتماد نظام تحكم آلي للتحكم في ضغط شبكة الأنابيب. يقوم النظام بالكشف عن الضغط، والتحكم في بدء تشغيل مضخة المياه وإيقافها وضبط سرعتها، والتحكم في التدفق، ثم 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) قم بتركيب جهاز إزالة مطرقة الماء

يمنع هذا الجهاز بشكل أساسي ظاهرة الطرق المائي عند توقف المضخة. يُركّب عادةً بالقرب من أنبوب مخرج المضخة. يستخدم ضغط الأنبوب نفسه كمصدر للطاقة لتنفيذ عملية تلقائية عند انخفاض الضغط، أي عندما يكون الضغط في الأنبوب أقل من قيمة الحماية المحددة، يُفتح صمام التصريف تلقائيًا لتصريف المياه. يعمل هذا الجهاز على تخفيف الضغط لموازنة ضغط الأنابيب المحلية ومنع تأثير الطرق المائي على المعدات والأنابيب. يمكن تقسيم أجهزة تخفيف الضغط عمومًا إلى نوعين: ميكانيكي وهيدروليكي.

3) قم بتركيب صمام عدم رجوع بطيء الإغلاق على أنبوب مخرج مضخة المياه ذات القطر الكبير

يُمكن لهذا الصمام أن يُزيل ظاهرة الطرق المائي بفعالية عند توقف المضخة، ولكن نظرًا لوجود ارتداد مائي عند تشغيله، يجب أن يحتوي بئر السحب على أنبوب تصريف. يوجد نوعان من صمامات الفحص بطيئة الإغلاق: صمام الطرق المائي وصمام تخزين الطاقة. يُمكن ضبط زمن إغلاق هذا النوع من الصمامات ضمن نطاق مُحدد حسب الحاجة. عادةً، يُغلق 70% إلى 80% من الصمام خلال 3 إلى 7 ثوانٍ بعد انقطاع التيار الكهربائي، ويتم ضبط زمن إغلاق النسبة المتبقية (20% إلى 30%) وفقًا لظروف مضخة المياه وخط الأنابيب، ويتراوح عادةً بين 10 و30 ثانية. تجدر الإشارة إلى أن صمام الفحص بطيء الإغلاق فعال للغاية في حالات وجود انحناءات في خط الأنابيب، حيث يُساعد على تجاوز ظاهرة الطرق المائي.

(4) قم بتركيب برج حماية من زيادة التيار أحادي الاتجاه

يُبنى برج التحكم أحادي الاتجاه بالقرب من محطة الضخ أو في موقع مناسب على خط الأنابيب، ويكون ارتفاعه أقل من ضغط خط الأنابيب في تلك المنطقة. عندما يكون الضغط في خط الأنابيب أقل من مستوى الماء في البرج، يقوم البرج بتزويد خط الأنابيب بالماء لمنع انهيار عمود الماء وتجنب ظاهرة الطرق المائي. مع ذلك، فإن تأثيره في خفض الضغط على الطرق المائي، باستثناء الطرق المائي الناتج عن توقف المضخة، مثل الطرق المائي الناتج عن إغلاق الصمام، محدود. إضافةً إلى ذلك، يجب أن يكون أداء الصمام أحادي الاتجاه المستخدم في برج التحكم أحادي الاتجاه موثوقًا تمامًا. ففي حال تعطل الصمام، قد يؤدي ذلك إلى حوادث جسيمة.

(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 الماء المضغوط في المضخة يكون أعلى من ضغط الماء على جانب السحب. عند انقطاع التيار الكهربائي المفاجئ الذي يُوقف المضخة، ينخفض ​​الضغط عند مخرج محطة الضخ انخفاضًا حادًا، بينما يرتفع الضغط على جانب السحب ارتفاعًا حادًا. في ظل هذا الفرق في الضغط، يتحول الماء ذو ​​الضغط العالي المؤقت في أنبوب السحب الرئيسي إلى ماء ذي ضغط منخفض مؤقت يدفع صفيحة صمام عدم الرجوع ويتدفق إلى أنبوب الماء المضغوط الرئيسي، مما يزيد من ضغط الماء المنخفض هناك؛ ومن ناحية أخرى، يقل أيضًا تأثير الصدمة المائية على جانب السحب في المضخة. بهذه الطريقة، يتم التحكم في ارتفاع وانخفاض الصدمة المائية على جانبي محطة الضخ، مما يقلل بشكل فعال من مخاطر الصدمة المائية ويمنعها.
(6) اضبط صمام الفحص متعدد المراحل

في خطوط أنابيب المياه الطويلة، يُضاف صمام أو أكثر من صمامات عدم الرجوع، ويُقسّم خط الأنابيب إلى عدة أقسام، ويُركّب صمام عدم رجوع على كل قسم. عند ارتداد الماء في الأنبوب أثناء ظاهرة الطرق المائي، تُغلق صمامات عدم الرجوع تباعًا لتقسيم تدفق الارتداد إلى عدة أقسام. ولأن الضغط الهيدروستاتيكي في كل قسم من الأنبوب (أو قسم تدفق الارتداد) يكون منخفضًا، ينخفض ​​تدفق الماء. يُعرف هذا الإجراء باسم "تعزيز الطرق المائي". 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 تكلفة إمدادات المياه.

(7) يتم تركيب أجهزة العادم التلقائي وأجهزة إمداد الهواء عند أعلى نقطة في خط الأنابيب لتقليل تأثير المطرقة المائية على خط الأنابيب.