Trykstød eller vandslag i lukkede rørsystemer: årsager, konsekvenser og løsninger

Hvad er vandslag?

Vandslag er en pludselig trykstigning i en rørledning, der skyldes hurtige ændringer af flowhastigheden. Dette fænomen opstår, når en væske i bevægelse bliver tvunget til at stoppe eller ændre retning i et lukket system. Dette trykstød går gennem hele systemet og flerdobles hurtigt, hvilket medfører en trykstigning, der overstiger komponenternes tilladte grænseværdier. Samtidig øges flowhastigheden mange gange og kan under ugunstige forhold nå helt op på 1.200 m/s. 

Vandslag optræder ikke kun i vand, men også i andre inkompressible væsker (der ikke ændrer massefylde væsentligt, selv ikke under tryk) eller gasarter. Trykstødet ledsages ofte af vibrationer eller en bankelyd, der gentages, før trykket aftager igen. Vandslag kaldes derfor "water hammer" på engelsk.

Selvom man tydeligt kan høre trykstødene, er de svære at måle, da trykstødet opbygges og forsvinder igen inden for en ekstremt kort periode på få millisekunder. Elektroniske måleapparater er ofte ikke egnede til at foretage denne type målinger, og trykstødet kan også overstige måleområdets slutværdi.

Årsager til vandslag

Der er flere årsager til vandslag, fx hurtig åbning og lukning af ventiler, hurtig opstart eller deaktivering af pumper, kontraventiler, der lukkes for hurtigt, samt pludselig afbrydelse af strømforsyningen. Adskillelse af vandsøjlen eller en trykbuffer er også medvirkende til at forårsage vandslag.

Men selve konstruktionen har også indflydelse på, om vandslag kan opstå. I systemer med store højdeforskelle er risikoen særligt høj, da det kræver højere tryk at overvinde højdeforskellene.

Systemkonstruktioner, der afbryder et jævnt flow, er også forbundet med øget risiko. Bøjninger og kraftige trykudsving bør derfor så vidt muligt undgås.

Direkte virkninger af vandslag

Vandslag kan medføre alvorlige skader:

• Utætheder i komponenter.
• Deformation eller funktionsfejl i ventilsædet.
• Deformation af kontraventilens skiver.
• Knækkede eller bøjede pumpeaksler.
• For tidlig nedslidning af pakninger og O-ringe.
• Knækkede hjul.
• Utætte eller knækkede rørledninger.

Mulige langsigtede følger for rørsystemer

Ud over skaderne på enkelte instrumenter og komponenter har vandslag ofte også en negativ effekt på hele systemets levetid. Faren øges med vandslagenes tiltagende trykstød. Der opstår ofte også lækager i rørledningerne, og det kan medføre, at systemet ikke længere fungerer effektivt gennem længere tid, og der kan opstå medie- eller produkttab. 

Sådan undgås vandslag

Valg af de rette ventiler i planlægningsfasen

Den optimale løsning er, at systemet allerede er planlagt, så faren for vandslag minimeres helt fra starten. Valget af egnede ventiler spiller derfor en stor rolle. I planlægningsfasen skal brugerne sikre, at de vælger ventiler af høj kvalitet, som også har den rette funktionalitet for at forhindre, at vandslag overhovedet opstår. Pneumatisk eller elektrisk aktiverede ventiler fås i egnede varianter. Man kan også anvende manuelt betjente ventiler. Her får du et hurtigt overblik over, hvilke krav ventilerne skal opfylde.

Pneumatisk aktiverede procesventiler med indstillelig åbne- eller lukketid

De pneumatisk aktiverede procesventiler fås som skråsædeventiler (også kaldet Y-ventiler) og gennemgangsventiler (også kaldet lige ventiler). Det er vigtigt, at ventilerne bliver konfigureret, så de lukker op mod væskens flowretning. På den måde harmoniseres lukkefunktionen med mediets inerti, og trykstød undgås derved helt naturligt. Både ventiler med fjederretur og dobbeltvirkende ventiler kan konfigureres på denne måde.

Elektromotoriske ventiler

Elektromotoriske ventiler fås, lige som pneumatisk aktiverede procesventiler, også med egnede husvarianter som skråsædeventil eller lige sædeventil. Motorventilerne fra Bürkert udmærker sig ved at have følgende egenskaber, der har en positiv effekt i forbindelse med vandslag:

• En stiv drivlinje, der er ikke-reaktiv og uafhængig af medietrykket. Trykudsving eller trykstød i mediet overføres dermed ikke til ventilpositionen. Vi anbefaler for eksempel at anvende kompakte ventiler (type 3280/3281/3285). 
• Sammenlignet med pneumatisk aktiverede procesventiler er denne ventil specifikt mekanisk opbygget uden fjederleje, og den har stor modstandsdygtighed over for stød og vibrationer.
• Indstillingshastigheden af Bürkert-motorventiler kan indstilles meget præcist med en softwarefunktion. På den måde kan ventilerne åbnes og lukkes bevidst langsomt, så trykket i systemet ikke bliver unødvendigt forhøjet, og det minimerer den dermed forbundne effekt.

2/2-vejs membranventil med elektromotor (åben/lukket)

Type 3323

• Sikkerhedsposition med energy pack
• Drivkraften kan tilpasses
• Diagnosefunktioner og feltbustilslutning
• Produktberørte overflader fra Ra ≤ 0,38-1,6 µm (fås også med elektropolering)
• Fås i størrelserne DN 06-DN 100

Membranventiler

Særligt inden for produktionen i farma- og bioteksektoren anvendes der desuden pneumatisk eller elektromotorisk styrede membranventiler. Denne ventiltype kan i modstætning til sædeventiler anvendes uafhængigt af flowretningen, men dens konstruktion skal overholde de samme kriterier (kV-værdi, maks. tryk osv.) som sædeventilerne. Med hensyn til membranventiler er det vigtigt at være opmærksom på, at der i tilfælde af vandslag kortvarigt kan opstå utæthed udadtil (ikke kun ved forbindelsesstykket), som umiddelbart kun viser sig en gang i det korte øjeblik, hvor vandslaget finder sted. Hvis membranerne ikke er beskadiget, kan ventilen i bedste fald stadig opfylde sin normale funktion.  

Pneumatisk betjent 2/2-vejs membranventil med pneumatisk aktuator i rustfrit stål (type ELEMENT) til decentral automatisering

Type 2103

• Ventilhus og membran fås i forskellige materialer og varianter
• Overflader i kontakt med produktet fra Ra ≤ 0,38 µm - 1,6 µm (kan efter valg elektropoleres)
• Fås i alle almindelige tilslutningsstørrelser og -varianter

Optimeringsmuligheder i eksisterende systemer

I eksisterende systemer findes der forskellige muligheder for efterfølgende at reducere faren for vandslag. Denne type systemtekniske tilpasning bør kun foretages af en procestekniker, der har en omfattende viden om og forståelse for hele processen. 

Mulige tiltag:

• Udskiftning af enkelte ventiler med ventiler med indstillelig åbne- og lukketid.
• Montering af drosselventiler og rørtrin for at reducere væskens volumenstrøm gennem ventilen, så ventilerne lukker langsommere. 
• Nedsættelse af de pneumatiske procesventilers lukkehastighed ved at reducere den pneumatiske ventilation eller udluftning af den pneumatiske aktuator. 
• Anvendelse af elektromotoriske aktuatorer med indstillelig åbne- og lukketid.
• Begrænsning af hastighedsændringen i systemet.
• Anvendelse af dobbeltvirkende aktuatorer inkl. passende styreenhed.

Konklusion

Vandslag udgør et alvorligt problem i rørsystemer. Vandslag kan beskadige systeminstrumenter og rørledninger. Valg af de rette ventiler, tilpasning af lukkehastigheden, montering af drosselventiler eller kontraventiler samt yderligere tilpasninger af systemet, der foretages af erfarne fagfolk, kan i de fleste tilfælde forhindre vandslag.

Har I eller vil I gerne undgå problemer med vandslag?

De fluidtekniske eksperter fra Bürkert rådgiver gerne i planlægningsfasen og hjælper også med at vælge egnede komponenter.

Kontakt os