ค้อนน้ำคืออะไร และจะแก้ไขได้อย่างไร?

Water Hammer คืออะไร?

ภาวะค้อนน้ำ (Water Hammer) คือภาวะที่ไฟฟ้าดับกะทันหัน หรือเมื่อวาล์วปิดเร็วเกินไป อันเนื่องมาจากความเฉื่อยของแรงดันน้ำ จึงเกิดคลื่นกระแทกของการไหลของน้ำ คล้ายกับการที่ค้อนกระทบกับพื้น จึงเรียกว่า ภาวะค้อนน้ำ แรงที่เกิดจากคลื่นกระแทกของการไหลของน้ำที่ไหลไปมา ซึ่งบางครั้งรุนแรงมาก อาจทำให้วาล์วและปั๊มเสียหายได้

เมื่อวาล์วเปิดถูกปิดกะทันหัน น้ำจะไหลผ่านวาล์วและผนังท่อ ทำให้เกิดแรงดัน เนื่องจากผนังท่อที่เรียบ ทำให้อัตราการไหลของน้ำที่ตามมาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วภายใต้แรงเฉื่อย และก่อให้เกิดความเสียหาย นี่คือ “ปรากฏการณ์ค้อนน้ำ” ในกลศาสตร์ของไหล หรือที่เรียกว่า ค้อนน้ำเชิงบวก ปัจจัยนี้ควรนำมาพิจารณาในการก่อสร้างท่อส่งน้ำ

ในทางกลับกัน หลังจากวาล์วปิดถูกเปิดขึ้นอย่างกะทันหัน ก็จะเกิดอาการน้ำกระแทก (water hammer) ซึ่งเรียกว่า “น้ำกระแทกเชิงลบ” แม้จะมีพลังทำลายล้างในระดับหนึ่ง แต่ก็ไม่รุนแรงเท่าเดิม เมื่อปั๊มน้ำไฟฟ้าเกิดไฟดับหรือสตาร์ทติดกะทันหัน ก็จะทำให้เกิดแรงดันช็อกและปรากฏการณ์น้ำกระแทก (water hammer effect) คลื่นกระแทกจากแรงดันนี้จะแพร่กระจายไปตามท่อ ซึ่งอาจนำไปสู่แรงดันเกินในท่อได้ง่าย ส่งผลให้ท่อแตกและเกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ ดังนั้น การป้องกันปรากฏการณ์น้ำกระแทกจึงกลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญในงานวิศวกรรมประปา
เงื่อนไขการเกิดค้อนน้ำ

1. วาล์วเปิดหรือปิดกะทันหัน

2. ชุดปั๊มน้ำหยุดหรือสตาร์ทกะทันหัน

3. การส่งน้ำแบบท่อเดียวไปยังที่สูง (ความสูงของพื้นที่จ่ายน้ำต่างกันเกิน 20 เมตร)

4. หัวรวม (หรือแรงดันการทำงาน) ของปั๊มมีขนาดใหญ่

5. ความเร็วน้ำในท่อส่งน้ำมีมากเกินไป

6. ท่อส่งน้ำยาวเกินไป และภูมิประเทศเปลี่ยนแปลงไปมาก

อันตรายจากค้อนน้ำ

แรงดันที่เพิ่มขึ้นจากการเกิดค้อนน้ำอาจสูงกว่าแรงดันใช้งานปกติของท่อหลายเท่าหรือหลายสิบเท่า ความผันผวนของแรงดันที่สูงเช่นนี้ก่อให้เกิดความเสียหายต่อระบบท่อ โดยมีสาเหตุหลักดังนี้:

1. ทำให้ท่อเกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงและข้อต่อท่อหลุดออก

2. วาล์วเสียหาย และแรงดันสูงเกินไปจนทำให้ท่อแตก และแรงดันของเครือข่ายแหล่งจ่ายน้ำลดลง

3. ในทางกลับกัน หากแรงดันต่ำเกินไป ท่อจะพังทลาย และวาล์วและชิ้นส่วนยึดจะได้รับความเสียหาย

4. ทำให้ปั๊มน้ำไหลย้อนกลับ ก่อให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์หรือท่อในห้องปั๊ม ทำให้ห้องปั๊มจมอยู่ใต้น้ำอย่างร้ายแรง ก่อให้เกิดการบาดเจ็บส่วนบุคคลและอุบัติเหตุร้ายแรงอื่นๆ และส่งผลกระทบต่อการผลิตและชีวิต

มาตรการป้องกันเพื่อขจัดหรือลดอาการค้อนน้ำ

มีมาตรการป้องกันการเกิดค้อนน้ำอยู่หลายประการ แต่ต้องใช้มาตรการที่แตกต่างกันไปตามสาเหตุที่เป็นไปได้ของการเกิดค้อนน้ำ

1. การลดอัตราการไหลของท่อส่งน้ำสามารถลดแรงดันน้ำกระแทกได้ในระดับหนึ่ง แต่จะเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อส่งน้ำและเพิ่มการลงทุนในโครงการ เมื่อวางท่อส่งน้ำ ควรพิจารณาหลีกเลี่ยงการเกิดการกระแทกหรือการเปลี่ยนแปลงความลาดชันอย่างรุนแรง ขนาดของแรงดันน้ำกระแทกเมื่อหยุดปั๊มส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับหัวปั๊มแบบเรขาคณิต ยิ่งแรงดันน้ำกระแทกสูงเท่าไหร่ แรงดันน้ำกระแทกก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นเมื่อหยุดปั๊ม ดังนั้น ควรเลือกหัวปั๊มที่เหมาะสมตามสภาพพื้นที่จริง หลังจากหยุดปั๊มแล้ว ให้รอจนกว่าท่อหลังเช็ควาล์วจะเต็มไปด้วยน้ำก่อนเริ่มปั๊ม อย่าเปิดวาล์วทางออกของปั๊มน้ำจนสุดขณะเริ่มปั๊ม มิฉะนั้นจะเกิดแรงกระแทกจากน้ำอย่างรุนแรง อุบัติเหตุจากแรงดันน้ำกระแทกครั้งใหญ่ในสถานีสูบน้ำหลายแห่งมักเกิดขึ้นในสถานการณ์เช่นนี้

2. ติดตั้งอุปกรณ์กำจัดค้อนน้ำ

(1) การใช้เทคโนโลยีการควบคุมแรงดันคงที่:
เนื่องจากแรงดันในเครือข่ายท่อจ่ายน้ำมีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องตามสภาพการทำงานที่เปลี่ยนแปลงไป จึงมักเกิดแรงดันต่ำหรือแรงดันเกินขึ้นระหว่างการทำงานของระบบ ซึ่งเสี่ยงต่อการเกิดค้อนน้ำ (water hammer) ส่งผลให้ท่อและอุปกรณ์เสียหาย ระบบควบคุมอัตโนมัติถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมแรงดันในเครือข่ายท่อ การตรวจจับ การควบคุมการป้อนกลับของปั๊มน้ำ การควบคุมการเริ่ม หยุด และความเร็ว ควบคุมการไหล และรักษาแรงดันให้อยู่ในระดับที่กำหนด สามารถตั้งค่าแรงดันน้ำของปั๊มได้โดยการควบคุมไมโครคอมพิวเตอร์ เพื่อรักษาแรงดันน้ำให้คงที่และหลีกเลี่ยงความผันผวนของแรงดันที่มากเกินไป โอกาสเกิดค้อนน้ำจึงลดลง

(2) ติดตั้งเครื่องกำจัดค้อนน้ำ

อุปกรณ์นี้ส่วนใหญ่ช่วยป้องกันการเกิดค้อนน้ำเมื่อปั๊มหยุดทำงาน โดยทั่วไปจะติดตั้งใกล้กับท่อระบายน้ำของปั๊มน้ำ โดยใช้แรงดันจากตัวท่อเป็นพลังงานในการทำงานอัตโนมัติภายใต้แรงดันต่ำ กล่าวคือ เมื่อแรงดันในท่อต่ำกว่าค่าป้องกันที่ตั้งไว้ ท่อระบายน้ำจะเปิดและระบายน้ำโดยอัตโนมัติ การลดแรงดันจะช่วยปรับสมดุลแรงดันในท่อและป้องกันการเกิดค้อนน้ำต่ออุปกรณ์และท่อ โดยทั่วไปแล้ว อุปกรณ์กำจัดน้ำสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ แบบกลไกและแบบไฮดรอลิก

3) ติดตั้งเช็ควาล์วปิดช้าที่ท่อระบายน้ำของปั๊มน้ำขนาดใหญ่

สามารถกำจัดอาการค้อนน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อปั๊มหยุดทำงาน แต่เนื่องจากมีน้ำไหลย้อนกลับในปริมาณหนึ่งเมื่อวาล์วทำงาน บ่อน้ำดูดจึงจำเป็นต้องมีท่อล้น วาล์วตรวจสอบแบบปิดช้ามีสองประเภท ได้แก่ แบบค้อนและแบบกักเก็บพลังงาน วาล์วประเภทนี้สามารถปรับเวลาปิดวาล์วให้อยู่ในช่วงที่กำหนดตามความต้องการ โดยทั่วไป 70% ถึง 80% ของวาล์วจะปิดภายใน 3 ถึง 7 วินาทีหลังจากไฟฟ้าดับ และเวลาปิดที่เหลืออีก 20% ถึง 30% จะถูกปรับตามสภาพของปั๊มน้ำและท่อ โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10 ถึง 30 วินาที สิ่งที่ควรทราบคือวาล์วตรวจสอบแบบปิดช้ามีประสิทธิภาพมากเมื่อมีรอยนูนในท่อเพื่อเชื่อมกับอาการค้อนน้ำ

(4) ติดตั้งเสาไฟกระชากทางเดียว

ติดตั้งใกล้สถานีสูบน้ำหรือในตำแหน่งที่เหมาะสมของท่อส่งน้ำ และความสูงของหอส่งน้ำทางเดียวต้องต่ำกว่าแรงดันในท่อ เมื่อแรงดันในท่อต่ำกว่าระดับน้ำในหอส่งน้ำ หอส่งน้ำจะจ่ายน้ำไปยังท่อเพื่อป้องกันไม่ให้คอลัมน์น้ำแตกและหลีกเลี่ยงการเกิดค้อนน้ำ อย่างไรก็ตาม การลดแรงดันของหอส่งน้ำต่อค้อนน้ำอื่นๆ นอกเหนือจากค้อนน้ำที่หยุดการทำงานของปั๊ม เช่น ค้อนน้ำที่ปิดวาล์ว ยังคงมีจำกัด นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของวาล์วทางเดียวที่ใช้ในหอส่งน้ำทางเดียวต้องเชื่อถือได้อย่างแน่นอน หากวาล์วเสียหายอาจนำไปสู่อุบัติเหตุร้ายแรงได้

(5) ติดตั้งท่อบายพาส (วาล์ว) ในสถานีสูบน้ำ

เมื่อระบบปั๊มทำงานตามปกติ วาล์วตรวจสอบจะปิดลง เนื่องจากแรงดันน้ำที่ด้านแรงดันน้ำของปั๊มสูงกว่าแรงดันน้ำที่ด้านดูด เมื่อไฟฟ้าดับ ปั๊มจะหยุดทำงานกะทันหัน แรงดันที่ทางออกของสถานีสูบน้ำจะลดลงอย่างรวดเร็ว ขณะที่แรงดันที่ด้านดูดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ภายใต้แรงดันที่แตกต่างกันนี้ น้ำแรงดันสูงชั่วคราวในท่อหลักดูดน้ำคือน้ำแรงดันต่ำชั่วคราวที่ดันแผ่นวาล์วตรวจสอบออกและไหลไปยังท่อหลักแรงดันน้ำ ส่งผลให้แรงดันน้ำต่ำเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน แรงดันน้ำกระแทกของปั๊มน้ำที่ด้านดูดก็จะลดลงเช่นกัน ด้วยวิธีนี้ แรงดันน้ำกระแทกขึ้นลงของทั้งสองฝั่งของสถานีสูบน้ำจึงถูกควบคุม จึงช่วยลดและป้องกันอันตรายจากแรงดันน้ำกระแทกได้อย่างมีประสิทธิภาพ
(6) ตั้งวาล์วตรวจสอบหลายขั้นตอน

ในท่อส่งน้ำที่ยาวขึ้น ให้ติดตั้งเช็ควาล์วอย่างน้อยหนึ่งตัว แบ่งท่อส่งน้ำออกเป็นหลายส่วน และตั้งเช็ควาล์วในแต่ละส่วน เมื่อน้ำในท่อไหลย้อนกลับในระหว่างกระบวนการค้อนน้ำ เช็ควาล์วจะปิดทีละตัวเพื่อแบ่งการไหลย้อนกลับออกเป็นหลายส่วน เนื่องจากแรงดันไฮโดรสแตติกในแต่ละส่วนของท่อ (หรือส่วนการไหลย้อนกลับ) ค่อนข้างต่ำ อัตราการไหลของน้ำจึงลดลง Hammer Boost มาตรการป้องกันนี้สามารถใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพในสถานการณ์ที่ความแตกต่างของความสูงของแหล่งจ่ายน้ำทางเรขาคณิตมีมาก แต่ไม่สามารถขจัดความเป็นไปได้ของการแยกตัวของคอลัมน์น้ำได้ ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดคือ การใช้พลังงานของปั๊มน้ำเพิ่มขึ้นในระหว่างการทำงานปกติ และต้นทุนการจ่ายน้ำก็เพิ่มขึ้น

(7) ติดตั้งอุปกรณ์ระบายอากาศและอากาศอัตโนมัติที่จุดสูงสุดของท่อเพื่อลดผลกระทบของค้อนน้ำต่อท่อ