อันตรายจากค้อนน้ำ

ใครมาเคาะประตู? อันตรายจากค้อนน้ำ

การประเมิน (และลด) การเกิดค้อนน้ำในระบบการสุ่มตัวอย่างของเหลว ปัญหาทั่วไปที่มักไม่ได้รับการระบุ ถือเป็นภัยคุกคามที่สำคัญต่อระบบการสุ่มตัวอย่างของเหลวใดๆ เรียกว่า การเกิดค้อนน้ำ และอาจแฝงตัวอยู่ในระบบและพร้อมที่จะสร้างความเสียหายให้กับส่วนประกอบของระบบของไหล

จะลดอาการค้อนน้ำได้อย่างไร?
ปรากฏการณ์ค้อนน้ำอาจฟังดูคุ้นเคยจากระบบประปาภายในบ้าน เป็นเสียงเคาะที่เกิดขึ้นในท่อเมื่อปิดก๊อกน้ำอย่างกะทันหัน แต่ในระบบเก็บตัวอย่างของเหลวที่ปรับแต่งอย่างดี ผลกระทบจะรุนแรงกว่านั้น แรงดันที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน ซึ่งแรงพอที่จะทำให้มาตรวัดแรงดัน มิเตอร์อัตราการไหล ปั๊ม และส่วนประกอบที่สำคัญและละเอียดอ่อนอื่นๆ เสียหายได้ อาจพุ่งผ่านระบบโดยไม่มีการเตือนที่ชัดเจน หากแรงกระตุ้นนั้นแรงพอ อาจทำให้ท่อแตกหรือการเชื่อมต่อปลายแตกได้ ซึ่งอาจเป็นอันตรายได้หากระบบมีของเหลวที่เป็นพิษและ หรืออุณหภูมิสูง

ปรากฏการณ์ค้อนน้ำอาจทำให้ผู้ปฏิบัติงานสับสน ก่อกวน และสร้างความเสียหายได้ โดยจะเกิดขึ้นเมื่อวาล์วปิดกะทันหัน และการไหลของของเหลวหยุดลง ในระบบเก็บตัวอย่างทั่วไป มักมองข้ามสาเหตุของปัญหาหรือวินิจฉัยผิดพลาด แรงดันสูงสุดของกระบวนการของระบบจะไม่เกินการออกแบบ ดังนั้น แรงดันพิเศษนั้นมาจากไหน?

โชคดีที่ผู้ปฏิบัติงานสามารถระบุ ประเมิน และลดการเกิดค้อนน้ำได้ หากเขาหรือเธอรู้ว่าต้องมองหาอะไร และขั้นตอนที่ถูกต้องในการแก้ไขปัญหา มาดูกันว่าเกิดอะไรขึ้นภายในระบบการสุ่มตัวอย่างเมื่อเกิดค้อนน้ำ

ทำความเข้าใจเหตุและผลเกี่ยวกับค้อนน้ำ 

เมื่อวาล์วปิดและขัดขวางการไหลของของเหลว จะต้องมีบางสิ่งบางอย่างดูดซับโมเมนตัมของของเหลวนั้นเพื่อให้หยุดนิ่ง เนื่องจากของเหลวมีน้ำหนักมากและเคลื่อนที่เร็ว แรงที่จำเป็นในการชะลอความเร็วของของเหลวจึงสร้างแรงดันกระชาก แรงดันกระชากมีต้นกำเนิดมาจากการบีบอัดของของเหลวและจากการเสียรูปของผนังท่อ จากนั้นคลื่นแรงดันที่เกิดขึ้นจะเดินทางขึ้นต้นน้ำในท่อ

แรงดันไฟกระชากนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งโดยปกติจะเร็วเกินกว่าที่วาล์วระบายแรงดันแบบสัดส่วนทั่วไปจะทำหน้าที่ตามที่ต้องการได้ แรงดันไฟกระชากอย่างรวดเร็วอาจทำให้แผ่นแตกของวาล์วระบายแรงดันแตกตามที่ตั้งใจไว้ แต่จะเกิดขึ้นช้าเกินไปจนไม่สามารถบรรเทาความเสียหายร้ายแรงต่อเซ็นเซอร์หรือมาตรวัดอัตราการไหลต้นทางได้ ส่วนประกอบเหล่านี้จะได้รับแรงดันไฟกระชากเต็มที่ก่อนที่วาล์วระบายแรงดันจะเปิด

อันตรายที่ชัดเจนและเกิดขึ้นจริง  วิธีลดความเสี่ยง

ขั้นตอนแรกในการแก้ปัญหาค้อนน้ำคือการประมาณผลกระทบที่แรงดันพุ่งสูงมีต่อระบบ กำหนดสิ่งนี้โดยใช้การคำนวณที่ค่อนข้างง่ายที่เรียกว่าสมการ Joukowsky โดยใช้ความหนาแน่นของของไหลตัวอย่าง (ρ) สมการจะประมาณขนาดของพัลส์แรงดันที่เกี่ยวข้องกับค้อนน้ำ (ΔP) ที่เกิดขึ้นเมื่อความเร็วของไหล (u) เปลี่ยนแปลงกะทันหันโดย Δu ดังต่อไปนี้

ΔP = c · ρ · Δu

พารามิเตอร์ c คือความเร็วของเสียงในของไหลภายใต้สภาวะการทำงานจริง ตัวอย่างเช่น ความเร็วของเสียงในน้ำที่อุณหภูมิ 20°C อยู่ที่ประมาณ 1,400 ม./วินาที ดังนั้น เมื่อการทำงานของวาล์วหยุดการไหลของน้ำอย่างกะทันหันด้วยความเร็ว 1 ม./วินาที พัลส์ความดันที่คำนวณได้คือ

ΔP = 1400 m/s × 1000 kg/m3 × 1 m/s

ΔP = 1400 kPa

ในตัวอย่างข้างต้น ผลลัพธ์คือแรงดันเพิ่มเติม 14 บาร์ในระบบการสุ่มตัวอย่าง ซึ่งผู้ปฏิบัติงานอาจไม่ได้วางแผนไว้ และระบบอาจไม่สามารถทนรับได้ หากระบบไหลด้วยความเร็วสูงกว่า 1 ม./วินาที แรงดันที่เพิ่มขึ้นจะยิ่งสูงขึ้นไปอีก

สมการของ Joukowsky ให้แรงดันพัลส์เชิงทฤษฎี แต่ภายใต้เงื่อนไขจริง พัลส์อาจไม่สูงขนาดนั้น แรงเต็มที่ของพัลส์จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อความเร็วเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน โดยเฉพาะเมื่อ Δu เกิดขึ้นภายในระยะเวลาที่กำหนด (t) จากนั้นปรับการคำนวณให้ละเอียดขึ้นเพื่อคำนึงถึงเงื่อนไขเหล่านี้ด้วยสมการต่อไปนี้ (โดยที่ L คือความยาวของเส้นของไหล)

t ≥ (2·L)/c

หากเส้นน้ำในตัวอย่างข้างต้นมีความยาว 100 ม. แสดงว่า

t ≥ (200/1400)/s

t ≥ 142 ms

ในตัวอย่างนี้ t แสดงถึงเวลาที่คลื่นความดันใช้ในการแพร่กระจายไปยังต้นน้ำและสะท้อนกลับไปยังวาล์ว พัลส์ความดันเต็มที่จะเกิดขึ้นเมื่อคลื่นความดันที่สะท้อนกลับมาเพื่อค้นหาวาล์วที่ปิดอยู่เท่านั้น ผลลัพธ์ข้างต้นบ่งชี้ว่าพัลส์จะน้อยกว่าความดันที่คำนวณได้หากวาล์วใช้เวลาในการปิดนานกว่า 142 มิลลิวินาที กล่าวอีกนัยหนึ่ง พัลส์ค้อนน้ำสามารถลดให้เหลือน้อยที่สุดได้โดยการปิดวาล์วในช่วงเวลาที่นานกว่า 142 มิลลิวินาที

การลดการเกิดค้อนน้ำให้เหลือน้อยที่สุด
ในระบบประปาภายในบ้าน การแก้ปัญหาค้อนน้ำสามารถทำได้โดยการติดตั้งท่อแนวตั้งที่มีอากาศขังอยู่ใกล้กับก๊อกน้ำแต่ละอัน จึงสามารถขจัดเสียงเคาะอันไม่พึงประสงค์ได้ การออกแบบนี้อาจใช้ได้ผลในระบบเก็บตัวอย่างของไหล แต่โชคไม่ดีที่อาจทำให้เกิดการปนเปื้อนของตัวอย่างที่ยอมรับไม่ได้ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องใช้วิธีการอื่น ซึ่งก็คือการจัดการการไหลเพื่อลดการเกิดค้อนน้ำ

ทางเลือกหนึ่งในการจัดการการไหลได้ดีขึ้นคือการใช้เข็มวาล์วแบบหมุนหลายรอบที่มีที่นั่งปิดที่แน่นเพื่อปิดการไหลอย่างช้าๆ แทนที่จะใช้บอลวาล์วซึ่งจะหยุดการไหลทันที ไม่สามารถปิดบอลวาล์วช้าๆ (หรือควบคุม) ได้โดยไม่ทำให้วาล์วเสียหาย การหยุดการไหลกะทันหันจากบอลวาล์วอาจทำให้เกิดแรงดันพุ่งสูงในระบบปรับสภาพและขนส่งตัวอย่างที่ละเอียดอ่อนและนำไปสู่ความเสียหาย ระบบที่มีเข็มวาล์วแบบหมุนหลายรอบ

ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานหยุดการไหลได้ช้าลง ทำให้โมเมนตัมของของไหล กระจายตัวออกไปอย่างมีประสิทธิภาพในช่วงเวลาที่ยาวนานขึ้นเพื่อลดพัลส์น้ำกระแทก อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าเข็มวาล์วจะทำให้แรงดันลดลงมากกว่าบอลวาล์ว ดังนั้นผู้ปฏิบัติงานควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันที่จ่ายไปยังระบบเพียงพอหากใช้เข็มวาล์ว

การจัดการการไหลในระบบของไหล

วิธีการจัดการการไหลแบบที่สองคือการเปลี่ยนเส้นทางการไหลของของเหลวในระบบแทนที่จะหยุดการไหล ในภาพแสดงระบบวงจรด่วนที่มีด้ามจับร่วมที่ควบคุมวาล์วบายพาสสองตัว ทำให้มั่นใจได้ว่าแต่ละวาล์วไม่สามารถเคลื่อนย้ายได้อย่างอิสระ สามารถใช้บอลวาล์วสามทางที่มีพอร์ตเฉพาะทางเพื่อเปิดเส้นทางการไหลบายพาสก่อนที่เส้นทางหลักจะปิด ในระบบดังกล่าว วาล์วจะไม่ปิดเลย จึงสามารถขจัดความเสี่ยงที่จะเกิดอาการน้ำกระแทกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แม้ว่าระบบจะได้รับการออกแบบตามที่อธิบายไว้ แต่การทำงานของวาล์วยังสามารถทำให้เกิดอาการค้อนน้ำเล็กน้อยได้ และพัลส์แรงดันที่เกี่ยวข้องอาจสร้างความเสียหายให้กับมาตรวัดแรงดันได้ การติดตั้งตัวกันแรงดันสามารถลดโอกาสนี้ลงได้ และปกป้องมาตรวัดทั้งหมดที่อาจได้รับพัลส์แรงดันที่ไม่ได้ตั้งใจ ตัวกันแรงดันเพียงแค่ทำให้การตอบสนองของมาตรวัดแรงดันช้าลง ป้องกันไม่ให้เกิดพัลส์แรงดันชั่วขณะที่เกิดขึ้นภายในท่อ

ระบบรายการตรวจสอบค้อนน้ำของคุณยังทันสมัยอยู่เสมอหรือไม่? 

ค้อนน้ำอาจทำให้เกิดปัญหาในระบบการสุ่มตัวอย่างของเหลวใดๆ ก็ได้ รวมถึงปัญหาในการบำรุงรักษา การหยุดทำงาน และสถานการณ์ที่อาจเป็นอันตราย

เมื่อออกแบบระบบ ควรคำนึงถึงเคล็ดลับพื้นฐานเหล่านี้ เพื่อป้องกันผลกระทบจากปัญหาค้อนน้ำ

- ใช้สมการของ Joukowsky เพื่อประมาณค่าค้อนน้ำ
- ใช้เข็มวาล์วเพื่อปิดท่อตัวอย่าง
- พิจารณาเปลี่ยนทิศทางการไหลแทนที่จะปิดโดยสมบูรณ์
- ใช้ตัวลดแรงดันเพื่อป้องกันมาตรวัดแรงดันทั่วทั้งระบบ

เคล็ดลับเหล่านี้จะช่วยลดอาการค้อนน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยเพิ่มความปลอดภัย ลดความต้องการในการบำรุงรักษา และลดระยะเวลาหยุดทำงานของระบบ

* ผู้เขียนบทความโดย ผู้จัดการผลิตภัณฑ์ เครื่องมือวิเคราะห์ สเวจล็อค เมืองโซลอน รัฐโอไฮโอ สหรัฐอเมริกา