วอเตอร์แฮมเมอร์
Water hammer หรือ Hydraulic shock หรือ แรงกระแทกไฮดรอลิก คือปรากฎการณ์ที่แรงดันกระแทกที่เกิดขึ้นชั่วขณะในท่อเมื่อน้ำเปลี่ยนทิศทางหรืออย่างความเร็ว เช่น เมื่อวาล์วปิดตัวลงทันทีทันได จะเกิดคลื่นแรงดัน (Pressure Surge) ของน้ำซึ่งอัดตัวไม่ได้ ไม่มีที่ไป น้ำเมื่อโดนกระแทกจะเกิดคลื่นของจากแรงเฉื่อยของมัน ทำให้เกิดคลื่นแรงดันกระจายไปมาทุกทิศทางทั่วระบบท่อ แรงจะถูกส่งต่อไปยังผนังท่อ ปั๊ม และวาล์ว คลื่นแรงดันจะกระจายกลับไปกลับมาภายในระบบ เสียง “ดังตุ๊บ” เหมือนค้อนกระแทก
ปรากฏการณ์นี้จะรุนแรงยิ่งขึ้นเมื่อความถี่ของคลื่นชั่วคราว (Transient pulse) ไปกระทบกับความถี่ธรรมชาติ (Natural frequency) ของระบบท่อ หรือเมื่อเกิดคลื่นนิ่ง (Standing wave) ในระบบ ซึ่งอาจสะสมพลังงานจนทำให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรงเกิดขึ้น
สาเหตุหลักของการเกิด Water hammer
- การสตาร์ทปั๊ม – มีการไล่อากาศที่อยู่ในระบบท่อ เกิดช่องว่าง (Void) ในระบบท่อกระทันหัน น้ำไหลเข้าแทนที่อากาศกระทันหัน ทำให้เกิดแรงดันในระบบสูงขึ้นอย่างมาก
- ไฟฟ้าดับที่ปั๊ม – ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทิศทางการไหลกะทันหัน ความดันในระบบจะตุกจนเกิดการแยกตัวของไอน้ำ (Vapor column separation) ความเร็วของของเหลวที่กำลังเคลื่อนที่ก็จะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ของเหลวที่อยู่ด้านปลายทางของปั๊มจะพยายามไหลต่อไป ทำให้เกิดสุญญากาศภายในท่อ เกิดแรงกระแทกของน้ำในระบบ
- การเปิด–ปิดวาล์วเร็วเกินไป – การปิดวาล์วก่อนคลื่นแรงดันเดินทางกลับมา จะทำให้เกิดแรงดันกระแทกสูง
วาล์วบางประเภท เช่น
- วาล์วกันกลับแบบสวิง (Swing Check Valve),
- วาล์วกันกลับแบบแผ่นเอียง (Tilting Disc Check Valve),
- วาล์วกันกลับแบบประตูคู่ (Double Door Check Valve)
ล้วนมีแนวโน้มที่จะปิดอย่างรวดเร็วโดยธรรมชาติของการออกแบบ ซึ่งทำให้ระบบท่อที่ใช้วาล์วประเภทนี้เสี่ยงต่อปัญหาแรงกระแทกของน้ำมากขึ้น
4. อากาศในท่อหรือน้ำขยายตัว/หดตัวจากอุณหภูมิ
5. การเลือกใช้อุปกรณ์ควบคุม Surge ไม่ถูกต้อง
6. อุปกรณ์ป้องกันที่ออกแบบหรือเลือกใช้งานไม่ถูกต้อง – เช่น Relief valve ที่ใหญ่เกินไป
7. ในระบบท่อไอน้ำ เมื่อความดันต่ำไอน้ำในระบบลดลงต่ำกว่าความดันไออิ่มตัว (Saturated pressure) ไอน้ำจะเริ่มควบแน่น เป็นหยดน้ำคอนเดนเซท ใหลรวมไปกับไอน้ำ ความดันไอน้ำจะกดดันจนหยดน้ำแตก กระจายออกด้วยความเร็วสูง เกิดการกระแทกกับผิวท่อ เกิดเสียงดังตุ๊บตับ แรงกระแทกของไอน้ำเกิดขึ้นเมื่อไอน้ำบางส่วนควบแน่นกลายเป็นน้ำในบางช่วงของท่อ จากนั้นไอน้ำที่กำลังไหลจะพัดพาน้ำเหล่านี้ให้รวมตัวกันเป็น “ก้อนน้ำ” (Slug) แล้วกระแทกด้วยความเร็วสูงเข้าไปยังข้อต่อหรือส่วนโค้งของท่อ ทำให้เกิดเสียงกระแทกดังคล้ายค้อนตอก และสร้างแรงเค้นที่รุนแรงต่อท่อ
ผลกระทบของแรงกระแทกของน้ำ
น้ำเป็นของเหลวไม่สามารถอัดตัวได้ (Incompressible) เมื่อของเหลวกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว หากการเคลื่อนที่นั้นหยุดลงอย่างรวดเร็ว มันสามารถสร้างแรงกระทำได้อย่างมหาศาล
ถ้าการไหลของของเหลวหยุดลงภายในเวลาไม่ถึง 0.5 วินาที (ซึ่งเป็นเวลาปิดโดยประมาณของวาล์วทั่วไป) อาจทำให้เกิดแรงดันพุ่งสูงขึ้นมากกว่าแรงดันทำงานปกติของระบบท่อได้สูงถึง 100 psi
ผลกระทบจาก Water hammer
- ทำให้ท่อแตกหรือรั่ว
- ตัวยึดระบบท่อหลวม หรือเสียหาย
- วาล์วและข้อต่อเสียหาย
- อายุการใช้งานระบบลดลง
- ปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) มักเสียหายเมื่อไฟฟ้าดับ
- เพิ่มค่าใช้จ่ายซ่อมบำรุงและหยุดการทำงานของระบบ
วิธีการแก้ไข/ป้องกัน
- วาล์ว: ใช้วาล์วปิดช้า (Slow-closing valves) เพื่อควบคุมแรงดันเมื่อเกิด Down surge
- Pressure relief valve: ใช้ปล่อยแรงดันส่วนเกินออกชั่วคราว
- Air & vacuum relief valve: ป้องกันแรงดันต่ำหรือสูญญากาศในท่อ โดยให้มีอากาศเข้าออกได้พอดี
- การสตาร์ทปั๊มแบบช้าๆ: เพิ่มการไหลทีละน้อยเพื่อหลีกเลี่ยงแรงดันกระแทก
- Surge tank: ถังบรรเทาแรงดันในท่อ โดยเก็บน้ำส่วนเกินหรือลดแรงดัน
รูปถังถ่ายแรงดัน
รูประบบลด Water hammer
Air chamber: ใช้กันในบ้าน เช่น ติดตั้งหลังอ่างล้างหน้า–อ่างอาบน้ำ อากาศในห้องช่วยดูดซับแรงกระแทก
สัญญาณเตือนของแรงกระแทกของน้ำ
นอกจากเสียงดังแล้ว ยังมีสัญญาณอื่นที่ควรระวัง
- ท่อสั่นหรือสั่นสะเทือนขณะเปิด-ปิดน้ำ
- ก๊อกน้ำรั่วซึมหรือหยด
- อุปกรณ์ เช่น ปั๊ม หรือวาล์ว เสียหาย
- แรงดันน้ำผันผวนผิดปกติ
การหลีกเลี่ยงแรงกระแทกของน้ำ
1. ออกแบบระบบให้เหมาะสมตั้งแต่ต้น
ก่อนที่จะเริ่มการสร้างระบบท่อใดๆ จำเป็นต้องร่วมมือกับผู้ออกแบบระบบและผู้ขายอุปกรณ์ที่เชื่อถือได้
สำหรับระบบที่มีอยู่แล้ว
ควรพิจารณาลักษณะการทำงานของระบบท่อที่มีอยู่ เช่น
- ลดความเร็วของของเหลวในท่อ
โดยทั่วไป ตารางการเลือกขนาดท่อสำหรับบางแอปพลิเคชันแนะนำว่า ความเร็วของของเหลวในกระบวนการไม่ควรเกิน 4.9 ฟุตต่อวินาที
อย่างไรก็ตาม เรื่องนี้อาจขัดแย้งกับการออกแบบระบบที่ต้องใช้การทำความสะอาดแบบ CIP (Clean-In-Place) ซึ่งจำเป็นต้องมีการไหลแบบปั่นป่วน (Turbulent Flow) ที่มีความเร็วมากกว่า 5 ฟุตต่อวินาที
วิธีการเพิ่มเติมในการลดความเร็วของของเหลวในท่อ และลดโอกาสเกิดแรงกระแทกของน้ำ:
- ใช้ท่อแขนง (Branch Pipe) ที่มีความยาวสั้นลง
- ใช้ท่อตรง (Straight Pipe) ที่มีความยาวสั้นลง
- เพิ่มข้อศอก (Elbows) และห่วงขยายตัว (Expansion Loops) ในระบบท่อของกระบวนการผลิต
- แรงกระแทกของน้ำสัมพันธ์กับความเร็วของเสียงในของเหลว
- ข้อศอกสามารถช่วยลดผลกระทบของคลื่นแรงดันได้
- จัดวางท่อหลัก (Primary Pipes) ให้เป็นวงลูป เพื่อส่งของเหลวไปยังท่อแขนงขนาดเล็กและสั้น
- ในระบบท่อแบบวงลูป จะสามารถจ่ายของเหลวให้ท่อแขนงด้วยความเร็วที่ต่ำจากทั้งสองด้านของวงลูปได้
2. การโปรแกรมระบบอย่างเหมาะสม (Proper System Programming)
การเปลี่ยนแปลงของแรงดัน ซึ่งอาจนำไปสู่แรงกระแทกของน้ำ จะเกิดขึ้นทุกครั้งที่ของเหลวถูกเร่งหรือชะลอความเร็วจากการเปลี่ยนสถานะของปั๊ม หรือการเปลี่ยนตำแหน่งของวาล์ว
โดยปกติ การเปลี่ยนแรงดันเหล่านี้จะมีขนาดเล็กและเกิดอย่างช้าๆ จนไม่สามารถตรวจจับแรงกระแทกได้ แต่ในโรงงานที่มีการลำเลียงผลิตภัณฑ์ด้วยความเร็วสูงและท่อที่ยาว การเปิดหรือปิดปั๊มอาจสร้างแรงกระแทกที่รุนแรง
แนวทางป้องกัน:
สามารถขจัดการเปลี่ยนแรงดันที่รุนแรงได้ด้วยการเขียนโปรแกรมควบคุมระบบอย่างเหมาะสม เช่น:
- กำหนดให้ปั๊มเพิ่มหรือลดรอบการทำงานอย่างค่อยเป็นค่อยไป
- กระบวนการนี้สามารถยืดระยะเวลาของการเปลี่ยนแรงดันให้เกิดขึ้นช้าๆ ภายในหลายวินาที หรือแม้กระทั่งมากกว่าหนึ่งนาที
3. การฝึกอบรมระบบอย่างถูกต้อง (Proper System Training)
การฝึกอบรมพนักงานในโรงงานกระบวนการผลิตอย่างเหมาะสมมีบทบาทสำคัญในการลดหรือขจัดแรงกระแทกของน้ำ
การฝึกอบรมที่เพียงพอจะช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานเข้าใจความสำคัญของการเปิดและปิดวาล์ว (ทั้งแบบแมนนวลและแบบอัตโนมัติ) อย่างถูกต้อง ซึ่งช่วยลดผลกระทบของแรงกระแทกของน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การจัดตั้งแนวทางควบคุมระบบท่อที่ดี เช่น:
- ขั้นตอนการเริ่มต้นระบบ (Startup)
- ขั้นตอนการปิดระบบ (Shutdown)
ก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ช่วยให้ระบบทำงานได้อย่างถูกต้อง มีประสิทธิภาพ และปลอดภัย
