چکیده  
استفاده از لوله های پلی اتیلن در صنایع مختلف اعم از صنایع نفت ،گاز ،پتروشیمی و صنایع آب و فاضلاب به جهت ویژگیهای منحصر بفرد این جنس از لوله ها در حال افزایش روزافزون می باشد .روش های ساده در نصب و راه اندازی و جوشکاری سریع و مطمئن از دلائل اصلی این افزایش مصرف می باشد .هرچند باید مواردی چون مقاومت در برابر مواد شیمیائی و عمر طولانی در محیط های اسیدی و مرطوب را نیز به آن اضافه نمود .
در این مقاله بررسی اثرات ضربه قوچ و  محاسبات میزان عددی  اثر این ضربه در لوله های پلی اتیلن پارس اتیلن کیش  مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است .در ادامه دو روش دستی و رایانه ای محاسبه میزان عددی این ضربه مورد بررسی قرار گرفته است .

کلمات کلیدی:  لوله پلی اتیلن ، ضربه قوچ ، موج فشاری ،مدول الاسیسیته ، سرعت انتشار موج

   مقدمه  
ضربه قوچ در اثر بستن و یا باز کردن ناگهانی و یا تدریجی شیر تغذیه کننده لوله و یا دریچه و یا سوپاپ موجود در قسمت انتهای لوله حامل سیال تحت فشار ایجاد می شود که با تغییرات سرعت و تغییر اندازه حرکت همراه است و سبب ایجاد یک افزایش فشار و یا کاهش فشار در لوله می گردد و بصورت موج منفی و مثبت با سرعتی که به سرعت موج موسوم است در طول لوله پیش می رود . ضربه قوچ از ترجمه واژه فرانسوی Coup DE Belier گرفته شده است و مترادف اصطلاح انگلیسی Water Hammer‌ (چکش آب) می باشد . ضربه قوچ در اثر یک تغییر (یا قطع ناگهانی) در سرعت جریان سیال در یک مجرا (شبه) به وجود می آید . به عبارت دیگر انرژی سینتیک (Kinetic energy) به انرژی الاستیسیته (Elasticity energy) تبدیل می گردد .

   ضربه قوچ و اثرات آن  
هر گاه در شبکه ای با خطوط طویل ، به هر علتی سرعت سیال ناگهان قطع شود  موج های فشاری در شبکه به وجود می آید که این موج ها می توانند چندین برابر فشار کار دستگاه (پمپ)  فشار تولید نمایند و موجب به وجود آمدن تنش های بسیار زیادی در اجزاء شبکه گردد و باعث صدمات فراوانی به شبکه شوند و در بدترین حالات باعث شکستگی پوسته پمپ و لوله ها و اتصالات شبکه می شود .
همانطور که در بالا اشاره شد  بر اثر قطع ناگهانی نیروی محرکه پمپ ، برای زمان کوتاهی پمپ مانند توربین آبی (Water Turbine) عمل می نماید و کاهش ناگهانی حرکت سیال موجب می شود فشار داخل لوله خروجی پمپ از فشار اتمسفر کمتر گردد . همچنین به علت اصطکاک درونی پمپ و موتور ، کاهش قابل ملاحظه ای در خروجی پمپ ایجاد می نماید که مجموعه این عوامل باعث تبخیر آب و قطع جریان آن در خروجی پمپ می شود و حداقل فشاری در حد فشار بخار آب در لوله خروجی ایجاد می گردد .

عمل تشکیل بخار باعث جدا شدن ستون آب از پمپ می گردد (پدیده جدا شدن ستون آب ، همان جدا شدن مایع است که در اثر کشش بیش از حد وقتی فشار کاهش یافته و نزدیک فشار تبخیر می شود به وجود می آید.) و این کاهش فشار در لوله با سرعت و به صورت موج حرکت می نماید و ادامه پیدا می کند تا به مخزنی که آب به آن پمپ می شود ، برسد. این حرکت موجی بر اثر برخورد با این مانع منعکس می گردد و ستونهای آب جدا شده مجدداٌ به هم متصل شده و به صورت یک موج افزایش یافته دوباره به سمت پمپ برمی‌گردد و به پمپ ضربه وارد می نماید (ضربه قوچ) و این پدیده مجدداً تکرار می شود . در خلال حرکت موج فشاری در لوله ، مقداری از انرژی آن در اثر اصطکاک از بین می رود . موج فشاری ناشی از افزایش فشار‏‏، موج تراکم و موج فشاری ناشی از کاهش فشار موج، انبساط نام دارد . امواج متراکم در برخورد با مانع نرم مانند منبع آب ، هوا و … به صورت موج انبساطی و در اثر برخورد با مانع سخت مانند شیر یکطرفه ، دیوار و … بصورت امواج متراکم منعکس می شود . این مسئله در مورد موج انبساطی نیز صدق می نماید .افت فشاری که بر اثر اصطکاک داخل لوله به وجود می آید روی نوسانات فشار تأثیر نموده و کم کم آن را مستهلک و سیستم به حالت تعادل در می آید . پتانسیل تخریبی ضربه قوچ با صدای ناشی از آن قابل تشخیص است ولی مواردی بوده است که صدای ضربه قوچ شنیده نشده است اما باعث منهدم شدن لوله شده است که پس از آنالیز آن مشخص شده است که تخریب به وسیله پدیده ضربه قوچ بوده است . ضربه قوچ سریع و زود گذر است ولی ضربات بسیار مخرب دارد  و تعیین شدت آن در بعضی از مواقع بی نهایت دشوار می باشد .
پدیده ضربه قوچ در زمان استارت پمپ هم به وجود می آید و باعث ازدیاد فشار اضافی در پمپ و لوله می گردد . ولی مشکلات و مخاطرات ناشی از آن کمتر از ضربه قوچ هنگام خاموش شدن پمپ می باشد. در ابتدای راه اندازی پمپ ، میزان جریان آب حدود صفر می باشد ولی با ازدیاد ناگهانی فشار بر اثر چرخش پروانه و ایجاد جریان سریع ، موج فشاری برابر با فشار ضربه قوچ (در حالتی که شیر بسته باشد) ایجاد می نماید . این پدیده را با نیمه باز گذاشتن شیر خروجی پمپ می توان کنترل و فشار اضافی ایجاد شده را کاهش داد .
سرعت این موج به تراکم پذیری مایع و ضریب کشسانی لوله بستگی دارد چون تغییر فشار در لوله بصورت حرکت موج ظاهر می شود . بستن سریع شیر بخاطر تبدیل انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل می تواند ایجاد موج فشاری کند. این موج درسیستم حرکت می کند و می تواند در محلی بسیار دورتر از منبع آن ایجاد خطر کند. اندازه ضربه قوچ بستگی به خصوصیات و سرعت سیال، مدول الاستیسیته لوله، ضخامت لوله، طول خط لوله و شدت تغییر ممنتم سیال دارد.

شکل شماره 1- چگونگی ایجاد ضربه قوچ

مدول الاستیسیته کم در لوله های پلی اتیلن باعث توانایی بالای دفع نیروی موج و کاهش تاثیر موج در سیستم می شود . شدت موج فشاری در لوله های فلزی بخاطر بالا بودن مدول الاستیسیته آنها بیشتر است . بدین ترتیب شدت ضربه قوچ در لوله های پلی اتیلن  بسیار کمتر در شرایط مشابه در لوله های کربن استیل یا چدنی می باشد .

1. محاسبات دستی میزان ضربه قوچ در لوله پلی اتیلن پارس اتیلن کیش

در سال 1900 میلادی دانشمند روسی بنام ژوکوفسکی فرمولی برای محاسبه حداکثر تغییرات فشار ناشی از تغییرات ناگهانی سرعت ارائه نمود که به فرمول سنت پترز بورگ نیز مشهور می باشد .طبق این فرمول حداکثر تغییر فشار ناشی از ضربه قوچ بصورت زیر فرموله می شود :
H  =                                                           (1)
= c سرعت انتشار موج فشار بر حسب (m/sec )
V = تغییرات سرعت آب بر حسب m/sec) )
با توجه به جنس لوله مورد استفاده ، سرعت انتشار موج بین 800 الی 1200 متر در ثانیه متفاوت می باشد ولی در لوله های پلاستیکی با توجه به ویژگیهای این لوله ها ممکن است اعداد بسیار کمتر باشد .چنانکه این فرمول نشان می دهد طول خط لوله ، ارتفاع استاتیک ، و پروفیل طولی خط لوله هیچ تاثیری در بوجود آمدن و یا مقدار کاهش و یا افزایش فشار ناشی از ضربه قوچ آب ندارند ولی این فاکتورها در تعیین نوع،ابعاد و حجم تجهیزات مقابله با ضربه قوچ تاثیر دارند .
                                                                (2)
L  : طول خط لوله
c : سرعت انتشار موج فشار در خط لوله
 زمان انعکاس موج فشار :
که می توان  سرعت انتشار موج فشار در خط لوله  را از فرمول زیر محاسبه نمود :
                                                              (3)
 C : سرعت انتشار آشفتگی (Distubrance Propagation Speed )
1420 m/s سرعت حرکت صوت در آب 15درجه سانتیگراد :  
  : مدول الاسیسیته آب :    Kgf /m2 ) )
Ep : مدول الاسیسیته لوله :  (Kgf /m2 )
Di : قطر داخلی لوله (m )
S : ضخامت لوله (m )
   از    به دوره تناوب ضربه قوچ  نام می برند .بعد از محاسبه سرعت انتشار آشفتگی مقدار ضربه قوچ و یا اضافه فشار ناشی از آن با استفاده از فرمول ذیل محاسبه  می گردد :
                                                    (4)
   = اضافه فشار
C = سرعت انتشار آشفتگی  (m/s  )
 = سرعت آب درون لوله  (m/s  )
  = شتاب ثقل (  / m )

1. محاسبات نرم افزاری ضربه قوچ در لوله پلی اتیلن پارس اتیلن کیش

این نرم افزار محصول شرکتAPPLIED FLOW TECHNOLOGY   می باشد. 
عمده قابلیت این نرم افزار مدلسازی فرآیند ضربه قوچ می باشد.این نرم افزار این امکان را به کاربر خود می دهد تا بازه گسترده از عوامل ایجاد جریان گذرا در لوله را مدل و تحلیل نماید.و این امکان را کاربر می دهد که حد بالای فشار ایجاد از بابت جریان گذرا به دست آورد و بتواند که راهکاری را برای کم نمودن اثرات آن به دست آورد.

شکل شماره 1- نمای اولیه نرم افزار محاسب ضربه قوچ

شاید در گذشته ابزارهائی که برای تحلیل ضربه قوچ معرفی می شدند به عنوان ابزارهائی که سخت هستند و به دانش زیادی نیاز دارند معروف بودند اما نرم افزار AFT Impulse   این امکان را برای کاربر برای انجام این محاسبات در سیستم های لوله کشی می دهد.        
این نرم افزار به کاربر خود این امکان را می دهد تا طراح  سیستم لوله کشی خود را به گونه ای طراحی بنماید که اثرات مخرب ضربه قوچ و یا هر عامل جریان گذرا در سیستم در حد مجاز و غیر مخرب باقی بماند.

شکل شماره 2- نمونه لوله کشی و انجام محاسبات

شرکت سازنده این نرم افزار در معرفی نرم افزار خود آنرا ابزاری برای متخصص ها و غیر متخصص ها لقب داده است محیط مدلسازی خوب و مدلسازی آسان که از طریق Drag وDrop    نمودن اجزاء در صفحه مدلسازی صورت می پذیرد .

شکل شماره 2- اجزای نرم افزار و آنالیز سیستم

از قابلیت های این نرم افزار می توان از موارد زیر نام برد         
1.   مشخص نمودن حدود بیشینه فشار       
2.   مدلسازی کارکرد سیستم
3.   مشخص نمودن پاسخ سیستم لوله کشی به شرایط گذرا        
4.   مشخص نمودن ابعاد و موقعیت ابزارهای فشار شکن در سیستم
5.   مشخص نمودن مقدار نیروئی که به لوله وارد می شود  
6.   آماده سازی یک فایل نیرو –زمان برای نرم افزار های تحلیل تنش لوله کشی نظیر Caesar II 

   نتایج  
با توجه به مباحث ارائه شده بالا می توان از هر دو روش عنوان شده میزان عددی ضربه قوچ را در لوله های پلی اتیلن پارس اتیلن کیش مورد محاسبه قرار داد . تفاوت لوله های پلی اتیلن  با لوله های فلزی و یا سیمانی باعث میشود که مقاومت لوله های پلی اتیلن پارس اتیلن کیش در برابر ضربه قوچ در مقایسه با انواع دیگر لوله ها بسیار بیشتر باشد .

    مراجع   

 1)  Waterhammer and Mass Oscilation (WHAMO) 3.0 ,User’s Manual ,US Army Corps of Engineers,September 1998 mahdee.nr@gmail.com This e-mail address is being protected from spam bots, you need JavaScript enabled to view it This e-mail address is being protected from spam bots, you need JavaScript enabled to view it