ค้อนน้ำ

Water Hammer

Water Hammer (วอเตอร์แฮมเมอร์) คือ ปรากฏการณ์ความดันกระชาก (Pressure Surge) ที่สามารถจะเกิดขึ้นได้ในระบบสูบน้ำหรือระบบท่อที่มีการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลอย่างฉับพลัน
โดยทั่วไป Water Hammer มักเกิดจากสาเหตุต่าง ๆ เช่น

• การ Start และ Stop ปั๊มอย่างรวดเร็ว
• การ เปิดหรือปิดวาล์วในระบบอย่างรวดเร็ว
• การเกิด Water Column Separation หรือการแยกตัวของคอลัมน์น้ำ
• การกลับมาชนกัน หรือปิดตัวของคอลัมน์น้ำ (Column Closure)

Water Hammer เมื่ออัตราการไหลของน้ำเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน น้ำที่กำลังไหลอยู่ในท่อจะเกิดการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัม (Momentum) การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วนี้สามารถสร้างคลื่นกระแทก (Shock Wave) ซึ่งคลื่นจะเดินทางย้อนกลับไปกลับมาภายในระบบ ระหว่างสิ่งกีดขวางหรือจุดกั้นที่เป็นต้นเหตุของคลื่นกับจุดกั้นหรืออุปกรณ์อื่นที่อยู่ปลายอีกด้านหนึ่งของระบบ หากความรุนแรงของคลื่นกระแทกสูงมาก อาจทำให้เกิดความเสียหายทางกายภาพต่อระบบอุปกรณ์หรือระบบท่อได้ เช่น

• ท่อแตกหรือรั่ว
• หน้าแปลนเสียหาย
• วาล์วเกิดความเสียหาย
• ปั๊มและอุปกรณ์ประกอบได้รับแรงกระแทก
• จุดรองรับท่อ (Pipe Support) เกิดความเสียหาย
• เกิดการสั่นสะเทือนและเสียงกระแทกภายในระบบ

Water Hammer อาจเป็นปัญหาที่ต้องให้ความสำคัญมากเป็นพิเศษในระบบแรงดันต่ำ (Low-pressure Systems) แม้ในตอนแรกอาจดูเหมือนว่าระบบแรงดันต่ำไม่น่าจะได้รับผลกระทบรุนแรงก็ตาม

Water Hammer ตัวอย่างหนึ่งของกฎการอนุรักษ์พลังงาน (Conservation of Energy) ในระหว่างการเกิด Water Hammer พลังงานที่อยู่ในรูปของพลังงานจากความเร็วของน้ำ (Velocity Energy) จะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความดัน (Pressure Energy) เนื่องจากคุณสมบัติของๆเหลว ซึ่งสามารถถูกอัดตัวได้เพียงเล็กน้อย (Low Compressibility) เมื่อเกิดการหยุดหรือเปลี่ยนแปลงความเร็วของน้ำอย่างรวดเร็ว พลังงานที่ถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานความดันจึงสามารถทำให้เกิดความดันกระชากที่สูงมากได้

น้ำกำลังไหล → วาล์วปิดเร็ว / ปั๊มหยุดกะทันหัน → น้ำหยุดหรือเปลี่ยนความเร็วอย่างรวดเร็ว → โมเมนตัมเปลี่ยน → เกิดคลื่นกระแทก → ความดันพุ่งสูง → Water Hammer

ในระบบท่อจึงควรควบคุมความเร็วในการเปิด ปิดวาล์ว การ Start/Stop ปั๊ม และการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลเพื่อป้องกันแรงดันกระชากและลดความเสียหายต่อระบบ

วิธีที่ดีที่สุดในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์นี้ อาจเริ่มจากตัวอย่างสมมติว่ามีปั๊มสูบน้ำเข้าสู่ท่อซึ่งในขณะที่ปั๊มเริ่มทำงานนั้น ภายในท่อยังว่างเปล่าอยู่ วาล์ว 2 ตัวซึ่งติดตั้งอยู่ที่ทางออกของปั๊ม (Pump Discharge) และที่ปลายด้านไกลของท่อ (Downstream End) เปิดอยู่เต็มที่และสามารถปิดได้ในทันที

สมมตินี้ให้ถือว่าท่อ วาล์ว และข้อต่อต่างๆไม่มีการยืดหรือหดตัวเลย และไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรไม่ว่าความดันจะสูงเพียงใด นอกจากนี้คอลัมน์น้ำที่กำลังไหลผ่านท่อมีด้านหน้าที่เรียบและตั้งฉากกับท่อโดยมีรูปร่างพอดีกับพื้นที่หน้าตัดด้านในของท่อ เมื่อด้านหน้าของคอลัมน์น้ำเคลื่อนที่ไปถึงวาล์วปลายท่อ วาล์วจะปิดลงอย่างรวดเร็วมากจนแทบจะทันที และไม่มีอากาศถูกกักอยู่ด้านหน้าของคอลัมน์น้ำ

อะไรจะเกิดขึ้นเมื่อน้ำชนวาล์วที่ปิดอยู่

แม้ว่าด้านหน้าของคอลัมน์น้ำจะกระแทกเข้ากับวาล์วที่ปิดแล้ว แต่น้ำที่ไหลเข้าสู่ท่อยังคงไหลต่อไปอีกช่วงเวลาหนึ่งซึ่งกินเวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาที เมื่อการไหลหยุดลง วาล์วด้านต้นทางก็ปิดลงเช่นกัน ทำให้คอลัมน์น้ำถูกกักอยู่ระหว่างวาล์วทั้งสองด้านอย่างสมบูรณ์ สำคัญคือเมื่อคอลัมน์น้ำที่กำลังเคลื่อนที่ชนกับวาล์วปลายทางที่ปิดอยู่จะเกิดอะไรขึ้น และทำไมน้ำจึงยังสามารถไหลเข้าสู่ท่อได้ทั้งที่วาล์วปิดไปแล้ว

เปรียบเทียบกับแท่งโลหะ
ลองสมมติว่าคอลัมน์ที่กำลังเคลื่อนที่นี้ไม่ใช่น้ำแต่เป็นแท่งโลหะเมื่อแท่งโลหะเคลื่อนที่ไปชนวาล์วที่ปิดอยู่ อาจเกิดเหตุการณ์ได้ 2 ลักษณะ ขึ้นอยู่กับ Coefficient of Restitution หรือความสามารถของวัสดุในการคืนรูปหลังการกระแทก

กรณี 1: แท่งโลหะเกิดการเสียรูป พลังงานจลน์ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของแท่งโลหะจะเปลี่ยนเป็นพลังงานกลในรูปของการบดอัดหรือการเสียรูปบริเวณด้านหน้าของแท่งโลหะ เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ แท่งโลหะจะหยุดนิ่งอยู่ที่วาล์ว

กรณี 2: แท่งโลหะมีความสามารถในการคืนรูปสูง หากแท่งโลหะสามารถป้องกันการเสียรูปได้ พลังงานจลน์อาจทำให้แท่งโลหะเด้งกลับ (Bounce) และเคลื่อนที่ย้อนกลับไปในทิศทางตรงกันข้าม

ในกรณีของแท่งโลหะ แท่งโลหะทั้งแท่งจะต้องหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ย้อนกลับ แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันเมื่อตัวกลางเป็นน้ำ

น้ำสามารถถูกอัดตัวได้แม้จะเพียงเล็กน้อย น้ำเป็นของเหลวที่เกือบไม่สามารถอัดตัวได้ (Nearly Non-compressible) คำว่าเกือบหมายความว่าจริงๆแล้วน้ำยังสามารถถูกอัดตัวได้เล็กน้อยที่อุณหภูมิแวดล้อม เมื่อความดันเพิ่มขึ้น 1 psi ปริมาตรของน้ำจะลดลงประมาณ 0.0000034% ตัวเลขนี้ดูเหมือนจะเล็กมาก แต่เมื่อมีปริมาตรน้ำจำนวนมาก ผลกระทบจะสามารถเห็นได้ชัดเจนขึ้น

หากน้ำไม่สามารถถูกอัดตัวได้เลย ระดับน้ำทะเลจะสูงกว่าระดับปัจจุบันประมาณ 100 ฟุต เมื่อความดันสูงมาก เช่นประมาณ 40,000 psi ความสามารถในการอัดตัวของน้ำจะเพิ่มขึ้นจนมีค่าประมาณ 10% นอกจากนี้ น้ำเราใช้งานจริงไม่ได้ประกอบด้วยน้ำเพียงอย่างเดียว แต่ยังมีอากาศละลายปะปนอยู่ในน้ำ ซึ่งประกอบด้วยไนโตรเจนประมาณ 78% และออกซิเจนประมาณ 21% อากาศที่ละลายอยู่ในน้ำมีปริมาณประมาณ 2% ของปริมาตรน้ำที่ยังไม่ได้ผ่านกระบวนการปรับสภาพ อากาศดังกล่าวช่วยเพิ่มความสามารถในการอัดตัวของน้ำอย่างมีนัยสำคัญ

ทำไมเกิด Water Hammer

สาเหตุสำคัญคือ ความสามารถในการอัดตัวของน้ำและอากาศที่ละลายอยู่ในน้ำ คุณสมบัตินี้ทำให้น้ำมีพฤติกรรมแตกต่างจากแท่งโลหะ หากน้ำไม่สามารถถูกอัดตัวได้เลยเมื่อด้านหน้าของคอลัมน์น้ำชนวาล์วที่ปิดอยู่ด้านหน้าของคอลัมน์น้ำจะต้องเกิดการเสียรูปอย่างถาวร หรืคอลัมน์น้ำทั้งหมดจะต้องเด้งย้อนกลับ ความเป็นจริงน้ำสามารถถูกอัดตัวได้เล็กน้อยเมื่อด้านหน้าของคอลัมน์น้ำชนกับวาล์วที่ปิดอยู่ น้ำบริเวณด้านหน้าจะหยุดลงอย่างฉับพลัน ขณะเดียวกันน้ำที่อยู่ด้านหลังยังคงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดิม ดังนั้นน้ำที่อยู่ด้านหลังจึงเริ่มถูกบีบอัด (Compressed) การบีบอัดนี้ทำให้น้ำบางส่วนยังคงสามารถไหลเข้าสู่ท่อได้อีกเล็กน้อย แม้ว่าด้านหน้าของคอลัมน์น้ำจะหยุดอยู่กับที่แล้วก็ตามเมื่อการไหลหยุดลงในที่สุด

พลังงานจลน์จากการเคลื่อนที่บวกกับพลังงานจากการอัดตัวของน้ำจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความดัน (Pressure Energy) และทำให้เกิดความดันกระชาก (Pressure Surge) เกิด Shock Wave การอัดตัวจะเริ่มต้นบริเวณด้านหน้าของคอลัมน์น้ำ เนื่องจากพลังงานเพิ่มเติมที่เกิดขึ้นไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านวาล์วที่ปิดอยู่ได้ จึงเกิดเป็นคลื่นความดันหรือคลื่นกระแทก (Pressure/Shock Wave) คลื่นนี้จะเดินทางไปตามเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำที่สุด ซึ่งในตัวอย่างนี้คือย้อนกลับไปทางด้านต้นน้ำ (Upstream) ลักษณะการเกิดคลื่นนี้สามารถเปรียบเทียบได้กับเสียงสะท้อน (Echo) เช่นเดียวกับคลื่นเสียงที่เดินทางผ่านอากาศ เมื่อคลื่นเสียงไปกระทบสิ่งกีดขวาง คลื่นจะสะท้อนกลับมา

ในกรณี Water Hammer เมื่อคลื่นความดันเดินทางไปถึงวาล์วด้านต้นน้ำ คลื่นจะสะท้อนกลับไปยังด้านปลายน้ำอีกครั้ง แต่มีความรุนแรงลดลง กระบวนการสะท้อนไปกลับนี้จะเกิดซ้ำหลายครั้งจนกระทั่งแรงเสียดทานและการสูญเสียพลังงานจากการสะท้อน ทำให้คลื่นค่อยๆ หายไป

ความเร็วของ Shock Wave

ความเร็วในการเดินทางของคลื่นและปริมาณพลังงานที่สูญเสียระหว่างการเดินทางจะขึ้นอยู่กับ

• ความหนาแน่น (Density) ของตัวกลาง
• ความสามารถในการอัดตัว (Compressibility) ของตัวกลาง

คุณสมบัติของน้ำทั้งในด้านความหนาแน่นและความสามารถในการอัดตัว ทำให้น้ำเป็นตัวกลางที่สามารถสร้างและส่งผ่านคลื่นกระแทกได้ดี คลื่นความดันที่เกิดจาก Hydraulic Shock มีลักษณะคล้ายกับคลื่นเสียง (Sound Wave) และเดินทางด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วเสียงในน้ำ ความเร็วเสียงในน้ำมีค่าประมาณ 4,860 ft/sec หรือประมาณ 1,481 m/s

ระยะเวลาในการเดินทางของคลื่น

เวลาที่คลื่น Water Hammer ใช้ในการเดินทางผ่านท่อสามารถคำนวณได้จาก

เวลา = ความยาวท่อ ÷ ความเร็วของคลื่น

ในการวิเคราะห์ Water Hammer มักใช้ Time Constant (Tc) ซึ่งอธิบายเวลาที่คลื่นเดินทางจากจุดกำเนิดไปยังจุดกั้นอีกด้านหนึ่งแล้วสะท้อนกลับมา

Tc = 2L/a โดย

• Tc = เวลาที่คลื่นเดินทางไป–กลับ

• L = ความยาวท่อ

• a = ความเร็วของคลื่น หรือความเร็วเสียงในน้ำ

หากท่อมีความยาว 1,000 ft คลื่นความดันสามารถเดินทางไปจนถึงปลายท่อและสะท้อนกลับมาครบหนึ่งรอบได้ในเวลาน้อยกว่า 0.5 วินาที

สมการคำนวณความดันเพิ่มเติมจาก Water Hammer

สมการที่ใช้ประมาณความดันเพิ่มเติมจาก Shock Wave คือ

P(additional) = aV / 2.31g โดย

• P = ความดันเพิ่มเติมที่เกิดจาก Shock Wave

• a = ความเร็วของคลื่น

• V = ความเร็วของน้ำที่ไหลในท่อ หน่วย ft/sec

• g = ค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงสากล = 32 ft/sec²

• 2.31 = ค่าคงที่สำหรับการแปลงหน่วยความดัน

ความดันที่เกิดจาก Shock Wave นี้ แปรผันโดยตรงกับทั้งความเร็วของคลื่นและความเร็วของน้ำในท่อ คือ

น้ำไหลเร็วขึ้น → เมื่อเกิดการหยุดการไหลอย่างฉับพลัน → Water Hammer รุนแรงขึ้น → ความดันกระชากสูงขึ้น

แม้ว่าสมการนี้จะไม่ได้พิจารณาผลกระทบจากความยาวท่อ เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ และความยืดหยุ่นของท่อ แต่สามารถใช้เพื่อช่วยให้เห็นภาพว่าการเกิด Water Hammer สามารถสร้างความดันเพิ่มเติมได้มากเพียงใด

ความดันที่เพิ่มขึ้น

หากความเร็วของน้ำในท่อเท่ากับ 5 ft/sec จะเกิดความดันเพิ่มเติมจาก Shock Wave ประมาณ 328 psi หากเพิ่มความเร็วของน้ำเป็น 10 ft/sec ความดันเพิ่มเติมจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 657 psi จะเห็นได้ว่าเพียงเพิ่มความเร็วของน้ำเป็น 2 เท่า ความดันกระชากก็เพิ่มขึ้นประมาณ 2 เท่าเช่นกัน

หากระบบท่อไม่ได้ถูกออกแบบมาให้สามารถรองรับแรงดันที่เพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันได้ ก็อาจทำให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรง หรือในบางกรณีอาจถึงขั้นระบบเสียหายหรือถูกทำลายได้

กลไก Water Hammer

น้ำไหลด้วยความเร็วสูง วาล์วปิดอย่างรวดเร็ว / ปั๊มหยุดกะทันหัน

ด้านหน้าของคอลัมน์น้ำหยุดทันที  น้ำด้านหลังยังคงเคลื่อนที่ต่อ 

น้ำเกิดการอัดตัว  พลังงานจลน์เปลี่ยนเป็นพลังงานความดัน -> เกิด Shock Wave

-> คลื่นเดินทางย้อนกลับไป–กลับมาในระบบท่อ -> เกิด Pressure Surge / Water Hammer -> ท่อ วาล์ว หน้าแปลน ปั๊ม และอุปกรณ์ต่างๆ อาจได้รับความเสียหาย

ยิ่งความเร็วของน้ำสูงและยิ่งการเปลี่ยนแปลงการไหลเกิดขึ้นเร็ว ความรุนแรงของ Water Hammer ก็ยิ่งสูง

ท่อหลักที่มีวงจรท่อแยก

Valve Closure & Opening การปิดและเปิดวาล์วเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของการเกิด Water Hammer คือการปิดวาล์วอย่างฉับพลัน

รูปแสดงท่อหลัก (Main Pipeline) ที่มีท่อแยก (Branch Circuit) เชื่อมต่อเข้ากับท่อหลักผ่านข้อต่อแบบ Tee บริเวณปลายสุดของท่อแยกมีวาล์วติดตั้งอยู่

• ลูกศรสีดำ แสดงทิศทางการไหลของน้ำในท่อหลักและท่อแยก
• ลูกศรสีม่วง แสดงความยาวของท่อแยก
• Valve ที่ปลายท่อแยกทำหน้าที่เป็นสิ่งกีดขวางหลัก (Primary Barrier)
• ส่วน Tee ทำหน้าที่เป็น สิ่งกีดขวางรอง (Secondary Barrier)

ลักษณะคล้ายกับระบบในรูป แต่ในกรณีนี้มีความแตกต่างตรงที่ Tee เชื่อมต่อกับท่อหลักทั้งสองด้านเมื่อวาล์วที่ปลายท่อแยกปิดอย่างรวดเร็ว สมมติว่าน้ำกำลังไหลอยู่ในท่อแยกและวาล์วที่ปลายท่อถูกปิดอย่างรวดเร็วจะเกิด Shock Wave หรือคลื่นกระแทกขึ้นภายในท่อ กลไกการเกิดจะคล้ายกับตัวอย่างในรูป กล่าวคือ

น้ำกำลังไหล → วาล์วปิดอย่างรวดเร็ว → น้ำหยุดกะทันหัน → น้ำเกิดการอัดตัว → เกิดคลื่นความดัน → Shock Wave เดินทางกลับไปตามท่อ

กรณีนี้มีความแตกต่างเล็กน้อยเนื่องจาก Tee เปิดเชื่อมต่อกับท่อหลักทั้งสองด้าน พลังงานบางส่วนของคลื่นความดันจะสูญเสียไปเมื่อคลื่นเดินทางมาถึง Tee แต่ถึงแม้จะมีการสูญเสียพลังงานไปบางส่วน ก็ยังมีพลังงานของคลื่นจำนวนมากสะท้อนกลับไปทางวาล์ว

การมีท่อแยกหรือ Branch Line ไม่ได้หมายความว่าจะสามารถกำจัด Water Hammer ได้ แต่ลักษณะการสะท้อนและการสูญเสียพลังงานของคลื่นจะเปลี่ยนแปลงไป

สมการที่ 2 การคำนวณความดันเพิ่มเติมจาก Water Hammer
สมการที่ใช้ในกรณีนี้คือ P = 0.07 (VL / t) โดย
P = ความดันเพิ่มเติมที่เกิดจาก Shock Wave
V = ความเร็วของการไหล หน่วย ft/sec
L = ความยาวของท่อระหว่างสิ่งกีดขวางทั้งสอง หน่วย feet
t = เวลาที่ใช้ในการปิดวาล์ว หน่วย วินาที
0.07 = ค่าคงที่ที่ได้จากการคำนวณ/การทดลอง

มีตัวแปรสำคัญ 3 ตัว
สิ่งที่แตกต่างจากตัวอย่างก่อนหน้านี้คือในกรณีนี้เราสามารถควบคุมเวลาที่ใช้ในการปิดวาล์วได้
ในตัวอย่าง วาล์วถูกปิดเร็วมากจนเกือบจะเป็นการปิดในทันที แต่ในระบบจริงเราสามารถเลือกได้ว่าจะปิดวาล์วเร็วหรือช้าเพียงใดและ Closure Time มีผลอย่างมากต่อการเริ่มต้นและความรุนแรงของ Water Hammer นอกจากเวลาปิดวาล์วแล้ว ยังมีตัวแปรสำคัญอีก 2 ตัว คือ

• Flow Velocity ความเร็วของน้ำ
• Pipeline Length ความยาวของท่อ

ตัวแปรหลักที่มีผลต่อ Water Hammer ได้แก่

• ความเร็วการไหล (V)
• ความยาวท่อ (L)
• เวลาปิดวาล์ว (t)

ความสัมพันธ์ของตัวแปรจากสมการ P = 0.07 (VL / t) จะเห็นความสัมพันธ์ได้อย่างชัดเจนว่า

1.ความเร็วของน้ำ (V) เพิ่ม → ความดันเพิ่ม

ความดัน Water Hammer แปรผันตรงกับความเร็วของน้ำ

กล่าวคือ น้ำไหลเร็วขึ้น → Water Hammer รุนแรงขึ้น

2.ความยาวท่อ (L) เพิ่ม → ความดันเพิ่ม
ความดัน Water Hammer แปรผันตรงกับความยาวของท่อ
ดังนั้นท่อยิ่งยาว → มีโอกาสเกิดแรงดันกระชากสูงขึ้น

3.เวลาปิดวาล์ว (t) เพิ่ม → ความดันลดลง
ความดัน Water Hammer แปรผกผันกับเวลาที่ใช้ในการปิดวาล์ว
หมายความว่า ปิดวาล์วเร็ว → ความดันกระชากสูง ในทางกลับกัน

ปิดวาล์วช้าลง → ความดันกระชากลดลง นี่เป็นหนึ่งในหลักการสำคัญในการควบคุม Water Hammer ในระบบท่อ
ตัวอย่างจาก Table กำหนดค่าตัวแปรไว้ดังนี้

ตัวแปร	ค่า
ความเร็ว V	5 และ 10 ft/sec
ความยาวท่อ L	100 และ 1,000 ft
เวลาปิดวาล์ว t	1 และ 2 sec

โดยในแต่ละตัวอย่างจะกำหนดให้ ตัวแปร 2 ตัวคงที่ แล้วเปลี่ยนแปลงอีก 1 ตัว เพื่อดูผลที่เกิดขึ้นกับความดัน ตัวอย่างเช่น หากเพิ่มความเร็วจาก 5 → 10 ft/sec โดยตัวแปรอื่นคงที่ ความดันที่เกิดจาก Water Hammer จะเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า ในทำนองเดียวกันหากเพิ่มความยาวท่อจาก 100 → 1,000 ft โดยตัวแปรอื่นคงที่ ความดันจะเพิ่มขึ้น 10 เท่า แต่หากเพิ่มเวลาปิดวาล์วจาก 1 → 2 วินาที โดยตัวแปรอื่นคงที่ ความดันจะลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง

สรุปให้เห็นภาพ สูตร P = 0.07 (VL / t) สามารถจำง่าย ๆ ได้ว่า
V ↑ → P ↑
L ↑ → P ↑
t ↑ → P ↓
หรือพูดง่าย ๆ ว่า น้ำไหลเร็ว + ท่อยาว + ปิดวาล์วเร็ว = Water Hammer รุนแรงในทางกลับกัน ลดความเร็วการไหล + ลดความรุนแรงของการเปลี่ยนแปลงการไหล + เพิ่มเวลาปิดวาล์ว = ลด Water Hammer

ดังนั้น ในงานออกแบบและเดินระบบจริง การใช้ Slow-closing Valve, Motorized Valve ที่ควบคุม Closing Time, Soft Start/Soft Stop ของปั๊ม, Surge Vessel หรือ Air Chamber สามารถเป็นแนวทางในการลดผลกระทบจาก Water Hammer ได้

ความดันเพิ่มเติมที่เกิดจากความเร็ว ความยาวท่อ และเวลาปิดวาล์วที่แตกต่างกัน

ข้อมูลในตารางทั้งสองคอลัมน์แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์โดยตรงของ ความเร็วการไหล (Velocity) และความยาวท่อ (Pipe Length) กล่าวคือเมื่อความเร็วหรือความยาวท่อเพิ่มขึ้น ความดันที่เกิดจาก Water Hammer ก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย

ส่วนค่าที่ต่ำกว่าในคอลัมน์ด้านขวาแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์แบบผกผันของเวลา (Time) กล่าวคือค่าความดันเหล่านี้มีค่าเพียงครึ่งหนึ่งของคอลัมน์ด้านซ้าย เนื่องจากเวลาปิดวาล์วเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า

โดยทั่วไป ค่า L หรือความยาวท่อมักเป็นค่าที่กำหนดตายตัวตามลักษณะของระบบและการใช้งาน แต่เราสามารถควบคุมตัวแปรอีก 2 ตัวได้มากกว่า ได้แก่

• ความเร็วของน้ำ
• เวลาที่ใช้ในการปิดวาล์ว

หากควบคุมสองตัวแปรนี้อย่างเหมาะสม เราสามารถกำจัดหรือลดผลกระทบของ Water Hammer ลงได้อย่างมาก

ผลของขนาดท่อและวัสดุของท่อ

นอกจากความเร็ว ความยาวท่อและเวลาปิดวาล์วแล้ว เส้นผ่านศูนย์กลางท่อและความยืดหยุ่นของวัสดุท่อก็มีผลต่อความดันที่เกิดขึ้นด้วย ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ สามารถดูดซับความรุนแรงของ Shock Wave ได้บางส่วน จึงสามารถช่วยลดความดันที่เกิดจาก Water Hammer

วัสดุท่อที่มีความยืดหยุ่นสูง สามารถยืดตัวหรือขยายตัวได้เล็กน้อยเมื่อเกิดแรงดันกระชาก ทำให้สามารถดูดซับพลังงานของ Shock Wave ได้บางส่วนได้ ดังนั้น ท่อขนาดใหญ่กับ วัสดุที่มีความยืดหยุ่นมากกว่า → ช่วยลดความรุนแรงของ Water Hammer

ผู้ผลิตท่อหลายรายมีการจัดทำกราฟหรือตาราง เพื่อแสดงค่าความดัน Water Hammer ที่อาจเกิดขึ้นสำหรับท่อที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและวัสดุแตกต่างกัน

Water Hammer เกิดจากการเปิดวาล์วอย่างรวดเร็ว

สมมติว่าวาล์วที่ปลายท่อแยกถูกปิดอยู่ หากเราเปิดวาล์วอย่างรวดเร็ว ผลกระทบที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะคล้ายกับการปิดวาล์วอย่างรวดเร็ว เมื่อวาล์วเปิดอย่างฉับพลันความดันในท่อแยกจะลดลงทันที จากนั้นน้ำจากท่อหลักจะไหลเข้ามาและทำให้คอลัมน์น้ำที่ก่อนหน้านี้อยู่นิ่งเร่งความเร็วขึ้น แต่เนื่องจากมีแรงเสียดทานและปัจจัยอื่นๆ ที่จำกัดการไหล ส่วนด้านหน้าของคอลัมน์น้ำอาจทำหน้าที่เป็นสิ่งกีดขวางเริ่มต้น (Initial Barrier) และทำให้เกิด Water Hammer ได้อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไป Water Hammer ที่เกิดจากการเปิดวาล์วอย่างรวดเร็วจะมีความรุนแรงน้อยกว่าการปิดวาล์วอย่างรวดเร็วมาก ปรากฏการณ์นี้มักเรียกว่า Surge หรือแรงดันกระชาก ถึงแม้โดยทั่วไปจะมีความรุนแรงน้อยกว่าแต่ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง Surge ก็สามารถสร้างความเสียหายต่อระบบได้

การ Start และ Stop ปั๊ม

ผลกระทบของ Water Hammer อาจมีความสำคัญมากเป็นพิเศษในระบบแรงดันต่ำ (Low-pressure Systems) ความดันเพิ่มเติมที่เกิดจาก Shock Wave มีความสัมพันธ์กับ

• • ความยาวของท่อ
• • ความเร็วของน้ำ

สำคัญคือ ไม่ได้ขึ้นอยู่โดยตรงกับ Operating Pressure ของระบบ ตัวอย่างเช่น ถ้ามีท่อยาว 1,000 ft และน้ำไหลด้วยความเร็ว 5 ft/sec Shock Wave ที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะใกล้เคียงกัน ไม่ว่าความดันใช้งานของระบบจะเป็น 50 psi หรือ 200 psi แต่สิ่งที่แตกต่างกันคืออัตราส่วนระหว่าง Shock Pressure กับ Design/Operating Pressure ในระบบแรงดันต่ำ Shock Pressure จะคิดเป็นสัดส่วนที่สูงกว่าของแรงดันระบบ โอกาสที่จะเกิดความเสียหายจึงมากกว่า

การ Start ปั๊มกับวาล์วปิด

ในระบบขนาดใหญ่จำนวนมากวิธีปฏิบัติปกติที่จะ Start ปั๊มในขณะที่วาล์วทางออก (Discharge Valve) ปิดอยู่ เมื่อปั๊มทำงานจนถึงความเร็วเต็มที่แล้วจึงค่อยๆเปิดวาล์ว ลำดับการทำงานคือ

Start ปั๊ม → วาล์วปิด → ปั๊มถึงความเร็วเต็ม → ค่อย ๆ เปิดวาล์ว → เริ่มมีการไหล → เพิ่ม Flow จนถึงค่าสูงสุด

เมื่อจะหยุดปั๊ม จะทำให้เกิดในลำดับตรงกันข้าม

ลดการไหล → ค่อย ๆ ปิดวาล์ว → หยุดปั๊ม การ Start และ Stop ปั๊มโดยใช้วาล์วที่เปิดหรือปิดอย่างช้าๆ จะช่วยยับยั้งหรือป้องกันการเริ่มต้นของ Water Hammer

ปัญหาของวาล์วที่ควบคุมด้วยมือเมื่อไฟฟ้าดับ

Discharge Valve

อาจควบคุมด้วยมือหรือควบคุมด้วยระบบอัตโนมัติก็ได้ ข้อเสียอย่างหนึ่งของ Manual Valve จะเกิดขึ้นเมื่อมีไฟฟ้าดับ เมื่อมอเตอร์ปั๊มสูญเสียกำลังไฟ ความเร็วรอบของปั๊มและอัตราการไหลจะลดลงอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์ไปเป็นพลังงานความดันสามารถทำให้เกิด Water Hammer Wave ในท่อทางออกของปั๊ม เมื่อคอลัมน์น้ำเริ่มไหลย้อนกลับ (Reverse Flow) ใบพัดปั๊ม (Impeller) จะถูกทำให้หมุนย้อนกลับ เมื่อ Impeller ถึงความเร็วรอบย้อนกลับสูงสุด การไหลย้อนกลับจะเริ่มลดลงและทำให้เกิด Pressure Surge เพิ่มเติม

Spring-loaded Check Valve

ในระบบเพิ่มแรงดัน (Pressure Boosting) ส่วนใหญ่มักติดตั้ง Spring-loaded Check Valve ที่หรือใกล้กับทางออกของปั๊ม เมื่อปั๊มหยุดทำงาน Check Valve จะยังคงปิดอยู่ เมื่อปั๊มเริ่มทำงานน้ำจะยังไม่ไหลผ่านวาล์วจนกว่าความดันที่ปั๊มสร้างขึ้นจะสูงกว่าความดันด้าน Downstream หากสามารถควบคุมไม่ให้ความดันด้าน Downstream ลดลงต่ำกว่าระดับที่กำหนด การไหลจะค่อยๆเพิ่มขึ้นและช่วยป้องกันหรือลดการเกิด Water Hammer

Quick-closing Check Valve

เมื่อปั๊มหยุดทำงานจะเกิดเหตุการณ์ที่ดูเหมือนขัดกับความเข้าใจทั่วไป วาล์วที่ปิดเร็วอาจช่วยยับยั้ง Water Hammer แทนที่จะเป็นสาเหตุให้เกิด Water Hammer ในกรณีนี้ สปริงจะทำให้ Check Valve ปิดอย่างรวดเร็ว การปิดนี้ช่วยป้องกันไม่ให้คอลัมน์น้ำเปลี่ยนทิศทางเนื่องจากความดันด้าน Downstream สูงกว่า แม้ว่าอัตราการไหลจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วแต่ความดันตลอดคอลัมน์น้ำด้าน Downstream ยังคงค่อนข้างคงที่

หากใช้ Standard Check Valve คอลัมน์น้ำจะสามารถเร่งความเร็วถอยหลังได้ จากนั้นจะกระแทกวาล์วให้ปิดอย่างรุนแรง (Valve Slam) และทำให้เกิด Shock Wave ลักษณะการทำงานและเวลาปิดของ Check Valve จึงมีความสำคัญมาก

VFD — Variable Frequency Drive

ปัจจุบันมีการใช้ VFD (Variable Frequency Drive) ในระบบจำนวนมาก เพื่อช่วยป้องกันการเกิด Water Hammer ระหว่างการ Start และ Stop ปั๊ม เทคนิคนี้เรียกว่า Soft Start & Soft Stop หลักการคือ VFD จะค่อยๆเพิ่มหรือลดความเร็วรอบของมอเตอร์ภายในช่วงเวลาหลายวินาทีแทนที่จะเพิ่มหรือลดความเร็วอย่างรวดเร็ว ผลก็คือ

Motor Speed เพิ่มช้า → Flow Velocity เพิ่มช้า และ

Motor Speed ลดช้า → Flow Velocity ลดช้า

จึงช่วยลดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันของความเร็วการไหลและลดโอกาสเกิด Water Hammer ได้อย่างมาก

Single-phase System

การอธิบาย Water Hammer ที่ผ่านมาเป็นระบบ Single-phase System ในระบบประเภทนี้น้ำยังคงอยู่ในสถานะเดิมตลอดเวลา ตัวอย่างเช่น น้ำ = ของเหลว (Liquid) แม้ว่าสภาวะทาง Hydraulic จะเปลี่ยนแปลงไปก็ตาม Shock Wave ที่เกิดขึ้นในระบบ Single-phase เกิดจาก การเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลอย่างฉับพลัน → พลังงานจลน์เปลี่ยนรูป → เกิดพลังงานความดัน

Water Column Separation & Closure

ในกรณี Water Column Separation and Closure กลไกจะซับซ้อนกว่า เพราะเป็นกระบวนการแบบ Two-phase Process ระบบ Two-phase หมายถึง ภายในพื้นที่ปิดเดียวกันน้ำสามารถมีอยู่ได้ทั้ง

• Liquid ของเหลว
• Vapor ไอ

การเปลี่ยนสถานะนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อความดันในท่อลดลงจนถึง Vapor Pressure ของน้ำ เมื่อความดันลดลง คอลัมน์น้ำสามารถแยกออกจากกัน (Water Column Separation) ได้ในตำแหน่งหนึ่งหรือหลายตำแหน่ง โดยมีโพรงไอน้ำ (Vapor Pocket) แทรกอยู่ระหว่างคอลัมน์น้ำเมื่อความดันเพิ่มขึ้นจนสูงกว่า Vapor Pressureคอลัมน์น้ำจะกลับมาเชื่อมต่อกันหรือชนกลับเข้าหากัน (Column Closure) การชนกลับเข้าหากันนี้สามารถสร้างคลื่นความดันสูงมาก (High-pressure Wave)

Water Column Separation

Water Column Separation เองก็สามารถสร้างปัญหาได้ โดยเฉพาะใน

• ท่อที่มี เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่มาก
• ท่อที่มี ความหนาผนังบาง

เพราะแรงดันภายนอกอาจทำให้ท่อเกิดการยุบตัว (Pipe Collapse) ได้ อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่พบได้บ่อยกว่าคือ Water Hammer ที่เกิดขึ้นตอน Water Column กลับมาชนกัน (Closure)

เหตุการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อ

1. ปั๊มหยุดทำงาน
   เมื่อปั๊มหยุด คอลัมน์น้ำอาจเกิดการไหลย้อนกลับ ความดันอาจลดลงจนถึง Vapor Pressure และเกิด Vapor Pocket ขึ้น
2. Condensate Line
   สามารถเกิดขึ้นในระบบท่อ Condensate ได้เช่นกัน โดยเฉพาะในระบบที่มีอุณหภูมิสูงอุณหภูมิสูงสามารถทำให้การเกิด Vaporization เกิดขึ้นได้ง่ายขึ้นแม้ว่าความดันจะไม่ได้ลดลงมากนัก
   Condensate Line
   แม้ว่าการเกิด Water Column Separation ทั้งสองรูปแบบจะสามารถสร้างความเสียหายอย่างรุนแรงได้ แต่ Condensate Line มักมีความอันตรายมากกว่าเมื่อคอลัมน์น้ำกลับมาชนกัน คลื่นกระแทกที่เกิดขึ้นสามารถเดินทางไปในทิศทางตรงกันข้าม หากคลื่นเหล่านี้ไปกระทบกับ Secondary Barrier คลื่นจะสามารถสะท้อนกลับเข้าหากันได้เมื่อคลื่นที่สะท้อนกลับมาชนกัน ความรุนแรงของคลื่นอาจเพิ่มขึ้นแทนที่จะลดลง ปรากฏการณ์นี้พบได้ในลักษณะเดียวกันกับคลื่นน้ำและคลื่นแรงดันไฟฟ้า (Voltage Waves) และอาจเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้ Water Hammer ที่เกิดจาก Water Column Closure สามารถสร้างความเสียหายได้มากกว่าการเกิด Water Hammer จากการปิดวาล์วทั่วไป
   Water Hammer สรุปได้เป็น 3 ลักษณะ
3. Valve Closure
   วาล์วปิดเร็ว → น้ำหยุดกะทันหัน → Shock Wave → Pressure Surge
4. Pump Start/Stop
   ปั๊ม Start/Stop เร็ว → ความเร็วการไหลเปลี่ยนเร็ว → เกิด Pressure Surge
   แนวทางลดผลกระทบคือ VFD + Soft Start + Soft Stop + ควบคุม Valve Closing Time
5. Water Column Separation & Closure
   ความดันลดต่ำกว่า Vapor Pressure → น้ำแยกตัว → เกิด Vapor Pocket → ความดันกลับสูง → คอลัมน์น้ำชนกัน → เกิด Shock Wave รุนแรง
   การป้องกัน Water Hammer ไม่ได้หมายถึงเพียงห้ามปิดวาล์วเร็วเท่านั้น แต่ต้องพิจารณาทั้งความเร็วของน้ำ ความยาวและขนาดท่อ ความยืดหยุ่นของท่อ เวลาปิดวาล์ว การทำงานของ Check Valve การ Start/Stop ปั๊ม และโอกาสเกิด Water Column Separation ร่วมกัน