بحث علمى عن مشكلة المطرقة المائية التي تُسبِّب انفجارًا لمواسير إطفاء الحريق

ملف العدد

بحث علمى عن مشكلة المطرقة المائية التي تُسبِّب انفجارًا لمواسير إطفاء الحريق

مقدم من:

م. أحمد طاهر الشربيني
الكيميائية. نانيس صلاح العربي 

الفهرس: 

1. المقدمة. 
2. هدف البحث.
3. تعريف المطرقة المائية التي تحدث في أنظمة إطفاء الحريق.
4. أسباب مشكلة المطرقة المائية.
5. العوامل التي توثر في حدوث الطرق المائي.
6. مثال على إمكانية حدوث طرق مائي وموجات مائية.
7. المشاكل التي تنتج عن الطرقة المائية.
8. ما الحل؟ وما الطريق للتغلب على مشكلة المطرقة المائية؟

8.1 – أولًا: بالنسبة لنظام إطفاء الحريق.

8.2 – ثانيًا: الحلول الإضافية لنظام الإطفاء لعلاج مشكلة المطرقة المائية.

1. مكونات شبكة الحريق لحماية النظام من المطرقة المائية.
2. مثال: التحقيق في تأثير المطرقة المائية بالمملكة العربية السعودية في مشروع إمداد مياه بين الدمام والخبر.
3. حساب أقصى ضغط يحدث عنده طرق مائي Design Criteria، معادلات المهندس الروسي نيكولاي جوكوفيسكي.
4. مثال على ذلك: مشروع تصميم نظام إطفاء حريق لكامب شمال المملكة العربية السعودية NORTH ARABIA TURAIF CAMP TURAIF لأرامكو السعودية.
5. ابتكار Programmable Software Excel Sheet لحسابات سرعة المياه أثناء التدفق، وحساب الموجات المرتدَّة، والضغوطات الزائدة في نظام الإطفاء، وضغط الطرق المائي، وأقصى ضغط يتحمَّله النظام، وبعده هناك احتمال كبير أن يحدث انفجار في النظام، أي: طرق مائي.
6. أنواع نماذج الحلول.
7. أثناء الانفجار. 
8. المطرقة المائية والمشاريع العملاقة.

ختامًا، مدن حلَّت مشكلة المطرقة المائية.

1. المقدمة: 

سوف يتناول هذا البحث المطرقة المائية التي تصيب نظام إطفاء الحريق، علمًا بأن المطرقة المائية تصيب أي نظام مائي يتكوَّن من مجموعة مواسير مياه، ومضخَّة مياه، ومحابس، ومجموعة من الوصلات التي تربط المواسير؛ سواء وصلات ( 45/90 درجة)، أو كيعان.

منذ أن انتشرت الآلات المائية الحديثة، وخاصة المضخَّات، وحاجة الإنسان إلى إيصال الماء إليها في أنابيب مضغوطة، والحاجة لرفع الماء في أنابيب مضغوطة, وإيصال المياه إلى المباني المرتفعة، وإلى القطع الصحية كافَّة فيها، فسرعان ما تَبيَّن بأن نقل الماء بهذه الوسيلة يخلق ضغطًا غير عادي عندما تتغيَّر سرعة السائل قد يفوق أحيانًا عشرات أو مئات المرات الضغط الأصلي، وقد يُحْدث تدميرًا مروعًا. إنَّ هذه الظاهرة دعت الباحثين للعمل على تقدير مفعولها وشدتها، ووضعت عدَّة علاقات رياضية قريبة أو تقديرية كثيرة حتى استقرَّت الدراسة على الاعتماد على نظرية المرونة من دراسة الصدمة المائية، وتحديد مفعولها.

يجهل الكثير من المواطنين ظاهرة المطرقة المائية التي حيَّرت ولازالت تُحيِّر المهندسين في أكثر مشاريع الماء، وقد تعددت تعاريف المطرقة المائية في أكثر البحوث والكتب المنهجية بأنها: «حدوث تغيُّر فجائي أو لحظي لسرعة جريان المائع في الأنبوب نتيجة لإغلاق صمامٍ بصورة فجائية»، ولا يمكن إغفالها في بعض الحالات مطلقًا كون أنه من نتائجها اقتلاع الأنابيب أو حتى كسر الأنابيب، وتحدث هذه الظاهرة الهيدروليكية في كل الأنابيب، ولكنها تكون ظاهرةً واضحةً في الأقطار الكبيرة، والضغوط العالية، وكذلك في السرعات العالية. ولمرونة السائل وجدران الأنابيب دورٌ مهمٌّ في هذه الظاهرة، وإن تذبذبات الضغط الناشئة عن المطرقة المائية يمكن أن تُولِّد ضغوطًا عظمى تُهدِّد متانة الأنابيب بخطر التمزق، زائدة ناقصة يمكن أن تصل قيمتها المطلقة، كما أنها تولد ضغوطًا صغيرة لقيمة ضغط التبخر المناسب لدرجة حرارة السائل؛ ممَّا يُهدِّد بخطر نشوء ظاهرة التكهُّف، وتولد فجوات متكهفة مملوءة ببخار الماء تقسم عمود السائل إلى قسمين يتحركان باتجاهين متعاكسين، وغالبًا السرعة؛ ممَّا يجعلهما يتصادمان مع بعضهما البعض، ولهذه الأسباب يتوجَّب إجراء دراسة شاملة للمطرقة المائية.

تنشأ المطرقة المائیة في نظام الإطفاء نتیجة التغیُّر المفاجئ في سرعة المیاه داخل الأنابیب نتیجة انقطاع الكهرباء المغذي لمحركات الطلمبات فجأة، أو الغلق المفاجئ للمحابس أثناء التشغیل، وینتج عنها ارتفاع وانخفاض مفاجئ في الضغط، وظهور موجة ضغط موجبة وسالبة تتحرك بسرعة كبيرة؛ مما یُسبِّب أضرارًا بالغةً؛ مثل: (انفجار المواسیر – تدمیر الطلمبات – تدمیر المحابس…)، وتهدف الدراسة إلى تحلیل ووضع الحلول لظاهرة الطرق المائي، أو منعها عن طریق تركیب أجهزة الحمایة؛ مثل: (خزانات الفائض – خزانات المیاه والهواء – محابس الأمان – محابس الهواء).

• هدف البحث:

يهدف البحث الحالي إلى التعريف بالمطرقة المائية في نظام إطفاء الحريق من خلال مراجعات البحوث السابقة، مع تقديم حلولٍ لتفادي حالات الأضرار التي تُحْدثها في المباني المتواجد به نظام إطفاء للحرائق، والأجهزة المُلْحَقة بها، فضلًا عن دراساتها التجارية التي تستخدم في التأسيسات لمنع حدوثها، وكذلك القيام بدراسات عملية لإيجاد بدائل لتفادي المطرقة المائية، أو تقليل صدمتها.

• تعريف المطرقة المائية التي تحدث في نظام إطفاء الحريق: 

عبارة عن ضغطٍ ناتجٍ عن أمواج اهتزازية تحدث في أنظمة إطفاء الحريق، وذلك عندما يحدث تغيُّر مفاجئ في الضغط، ومعدل التدفق، وسرعة المياه.

• أسباب مشكلة المطرقة المائية: 

من المعروف أن نظام إطفاء الحريق من النوع الرطب يتكوَّن من مجموعةٍ من المواسير؛ سواء بلاستيكية تحت الأرض، أو حديدية فوق الأرض، ومجموعة من صناديق الحريق، وعساكر الحريق، وأيضًا رشاشات المياه، ومضخات حريق تتكوَّن من جوكي، ومضخة الكهرباء، ومضخة الديزل التي تعوض الكهرباء في حالة انقطاع الكهرباء، وتكون بنفس مواصفات المضخة الرئيسة، ويكون النظام مضغوطًا عند ضغطٍ مُعيَّنٍ، ويكون جميع المحابس في وضعٍ مفتوحٍ حيث يظل السائل متحركًا على ضغط ومعدل تدفق ثابت

 إلى أن يحدث تغيُّر في التدفق نتيجة حدوث (إما حريق، فينكسر الرشاش، وتبدأ مضخة الجوكي في العمل، وتعمل على رفع الضغط، ثم تعمل المضخة الرئيسة أو الديزل حتى يتم تعويض الفرق في الضغط، أو حدوث 

كسر في إحدى الوصلات، أو المواسير، أو الكيعان)، هذا التغيُّر في التدفق يحدث عند بدء تشغيل المضخة، أو عندء إيقافها، أو عند انقطاع التيار الكهربائي، أو عند فتح صمام موجود في نظام الإطفاء. إن انقطاع الكهرباء سيخلق انفصالًا عموديًّا بسبب استمرار المياه في السريان في المواسير حتى يملأ الفراغ الذي نشأ نتيجة توقُّف المضخة، ثم يحدث أن المياه تعود بسرعة في الاتجاه العكسي (وهو اتجاه المضخة)، مسببةً موجات صدمة مائية، وهنا سوف يغلق محبس الاتجاه الواحد (اللَّارجعي)، وهو القريب من المضخة.

يمكن تلخيص الأسباب في هيئة مجموعةٍ من النقاط، وهي:

• انقطاع التيار الكهربائي عن المضخات.
• تفريغ الهواء من الأنابيب.
• بدء وتوقُّف المضخات.
• تغيُّر كمية المياه المتدفقة داخل النظام.
• زيادة وسائل إطفاء الحريق من عساكر، وصناديق، ورشاشات مياه.
• أحجام خطوط الأنابيب غير مطابقةٍ للضغط المطلوب.
• الضغط العالي للماء، وعدم فعالية أجهزة تخفيف الضغط.
• انكسار في المواسير، وحدوث تسريب.

• العوامل التي تؤثر في حدوث الطرق المائي:

• سرعة موجة الطرق surge wave velocity 
• طول الماسورة بعد المحبس.
• ثبات الطلمبة، أو ثبات المحبس.

العوامل التي تؤثر في سرعة الموجة:

• مُعامِل مرونة السائل.
• مُعامِل مرونة الماسورة.
• قُطر الماسورة.
• سُمْك الماسورة.
• كثافة السائل.
• مُعامِل خاص بطرق تثبيت الماسورة من الجانبين.
• ضاغط الطلمبة (المضخة).
• سرعة المياه في الماسورة/ التصرف المار بالماسورة.
• القصور الذاتـي لدوران المضخة.
• عدد لفَّات المضخة  RPM

1. مثال على إمكانية حدوث طرق مائي، وموجات مائية:

 مضخة حريقٍ تعمل على تدفق المياه إلى مبنًى ارتفاعه (30 مترًا)، هنا تكون المياه تحت ضغط ومعدل تدفق ثابت صحيح.

حدث انقطاع الكهرباء للمضخة أثناء العمل، ماذا سيحدث؟ 

تعود المياه من أعلى نقطة إلى اتجاه المضخة (الاتجاه العكسي) بسرعة كبيرة تصل إلى (1000 متر/ الثانية)، سوف ينتج عن ذلك ضغط شديد على المواسير؛ ممَّا يؤدي إلى حدوث انفجار وتكسير في المواسير والوصلات.

• المشاكل التي تنتج عن المطرقة المائية: 

• انكسار الوصلات والمواسير.
• اهتزازات في المضخة وخرابها، وكذلك الصمامات.
• تلف المحابس، وانهيار نظام الإطفاء.

• ما الحل؟ وما الطريق للتغلُّب على مشكلة المطرقة المائية؟

8.1 أولًا: بالنسبة لنظام السلامة (نظام إطفاء الحرائق Firefighting System ( 

• أقطار المواسير التي تُغذِّي نظام الإطفاء يجب أن تكون ذات قُطر كبير لتحمُّل الضغوطات الكبيرة.
• أن يكون النظام Looped System طريقين يغذيان وسائل الإطفاء؛ مثل: عسكري، أو صندوق، أو رشاش المياه موصل من اتجاهين، وحتى عند عمل صيانةٍ للنظام يظلُّ يعمل من طريق آخر. 
• التأكُّد من أن سرعة المياه في مواسير الإطفاء طبقًا للمواصفات القياسية.
• عمل حسابات هيدروليكية تُبيِّن الضغط، ومعدل التدفق المطلوب، وبِناءً على ذلك يتم التصميم الصحيح.
• في المشاريع الكبيرة يكون خط طرد المضخة عبارة عن خَطَّيْ طردٍ حتى نحمي المضخة من الضغط السالب الواقع عليها.
• عند حدوث عطلٍ في المضخة، ويكون مستوى المياه عاليًا، تعود المياه إلى المضخة بسرعات كبيرة مُسبِّبةً طرقًا مائيًّا على المواسير، فعمل looped System، (أي: طريقين للعودة) سوف يُقلِّل من حدوث الطرق المائي؛ لذلك بعض الهيئات الحكومية (مثل: أرامكو السعودية) يشترط أن يكون قُطر المواسير لا يقلُّ عن (8 بوصات)، ويكون النظام المُغذِّي للإطفاء ذا اتجاهين Looped System 
• استخدام خزانات لامتصاص الماء الراجع في الاتجاه العكسي كما سوف نشرحه بعد قليل.

8.2 ثانيًا: الحلول الإضافية لنظام الإطفاء لعلاج مشكلة المطرقة المائية:

يُلَاحظ من معادلة جوكوفيسكي أن التغيُّر في الضغط هو تابع مباشر لمقدار التغيُّر في سرعة جريان السائل؛ لذلك فإنَّ المهمة الرئيسة لأي جهاز أو إجراء حماية من المطرقة المائية يقتضي التقليل من قيمة التغيُّر في سرعة الجريان أساسًا. وهناك عدد من الوسائل الشائعة الاستخدام في الحماية من المطرقة المائية، والحالات المناسبة لاستخدامها؛ منها ما يأتـي:

 1ـ الإغلاق البطيء للصمامات: والحل الأمثل هو اختيار زمنٍ مناسبٍ لإغلاق الصمام بحيث تكون قِيَم الضغوط العظمى والدنيا الناشئة عن عملية الإغلاق ضمن الحدود المقبولة، ويتمُّ تحديد ذلك بالطرق الحسابية.

2 ـ خزانات الحماية: في الحالات التي لا يمكن فيها التحكُّم في قِيَم الضغوط العابرة في الناقل أو المجموعة عن طريق تعديل عملية إغلاق المضخة، أو التخفيف من سرعة تباطؤ المضخة، فإنَّ تحويل جريان السائل إلى خزانات حماية قد يُخفِّف من معدل تباطؤه، ومن ثَم من قِيَم الضغوط الناتجة.

3 ـ خزانات الضغط: تُسْتخدم خزانات الضغط في الحالات التي لا يمكن فيها استخدام خزانات حماية مفتوحة من الأعلى لأسباب اقتصادية، أو فنية.. وخزان الضغط هو وعاء يحتوي على غاز مضغوط في جزئه العلوي (هواء غالبًا)، وسائل في جزئه السفلي، وغالبًا ما تستخدم خزانات الضغط وسيلةً للحماية من المطرقة المائية الناتجة عن توقُّف المضخات.

4- صمامات إدخال الهواء وإخراجه: قد يكون من الأنسب في بعض الحالات استخدام صمامات تحرير الضغط للحماية من موجات الضغط العالية عِوضًا عن استخدام خزانات حماية أو خزانات الضغط، ويحتوي تحرير الضغط -عمومًا- على فتحةٍ مغلقةٍ بوساطة مكبس يرتكز على نابض، أو بوساطة بوابة مثقلة بوزن خارجي، فإذا زاد ضغط السائل الجاري في الأنبوب عن حدٍّ مسبق التعيين (وهو الضغط الأعظمي المسموح للأنبوب تحمُّله مع هامش أمانٍ مناسبٍ)؛ يتحرك عند ذلك المكبس أو البوابة، فتنكشف الفتحة، ويخرج منها السائل، ويخف بذلك الضغط، وبعد زوال الضغط المرتفع  يعود المكبس أو البوابة إلى وضعهما الأصلي بفعل النابض أو الثقل الخارجي.

5- زيادة عدد المحابس على الخطوط الرئيسة؛ ممَّا يقلل طول الخط بين كل محبسين، وبالتالي يقلل طول الموجة.

6- مُولِّد كهربائي؛ لضمان وجود تيار كهربائي احتياطي للمضخات في حالة انقطاع التيار.

7- الاختيار الأنسب للمواسير من حيث السُّمك ومُعامِل السماكة لتحمُّلها لمقدار الطرق المائي المحتمل.

إذًا، ما مكونات شبكة إطفاء حريق لمبنًى أو مدينةٍ؟ 

• مُكوِّنات شبكة الحريق لحماية النظام من المطرقة المائية: 

1. مصدر مياه خزان السحب (دفاع مدني) Suction Tank
2. غرفة المضخات.
3. مضخات دفع تدفع المياه في المواسير في نظام الإطفاء.
4. خزان تمدد Surge tank .
5. محبس تنفيس هواء Air Vessel .
6. خزان Discharge Tank .
7. محابس تنفيس هواء Air Valve.
8. محبس صمام تنفيس ضغطي Relief Valve .
9. محبس لا رجعي Check Valve .
10. وسائل الإطفاء؛ مثل: صناديق الحريق، أو العساكر، أو رشاشات المياه.
11. محابس بوابة Gate Valve للتحكم في غلق وفتح وسائل الإطفاء.

ولنشرح كل واحدٍ سريعًا: 

1. مصدر المياه (خزان السحب): هو مصدر المياه المخزن في الخزانات، والمستخدم لإمداد المضخات بالمياه

2 غرفة المضخات: غرفة للمضخات، وتتكوَّن من مضخة كهرباء وديزل وجوكي، ويكون بها نظام رش آلي محمي

1. مضخات الحريق (دفع): هي مجموعة من المضخات التي تُستخدَم لدفع المياه إلى المباني، وتكون مضخَّات ذا قدراتٍ كبيرةٍ، ومضخة إطفاء الحريق هي الجزء الحيوي من نظام الرش الآلي الذي يُغذِّي مرشات مكافحة الحريق، وتعمل هذه المضخات عن طريق تغذيتها بالكهرباء، أو الديزل، أو البخار، وعادةً ما يكون خط السحب للمضخة متصلًا بمصدر ثابت للمياه (خزان مياه، بحيرة…)، ووظيفة المضخة هي إيصال تيار مائي بضغطٍ عالٍ إلى الصواعد المتصلة بالمرشات المائية وخراطيم إطفاء الحريق. ويجري فحص واختبار مضخات الحريق من قِبَلِ وكالات عالمية مُصرَّح لها؛ مثل: UL أو FM.

خزان Surge Tank، أو خزان تمدد: وظيفته إمداد خط المياه الرئيس بالمياه اللَّازمة في حالة وجود ضغطٍ منخفضٍ، وامتصاص المياه الراجعة في الاتجاه المعاكس، أي: اتجاه المضخة؛ حيث يوجد معه محبس يتمُّ ضبطه بضغطٍ مُعيَّنٍ، وعند رجوع المياه بضغطٍ مساوٍ له، أو أكبر منه، يفتح المحبس، فتدخل المياه في Surge Tank، وتحمي المضخة والمواسير من الضغط الراجع، وتحميها من التعرُّض للتلف.

Air Vessel (محبس تنفيس الهواء): حماية الموجة الارتدادية، وامتصاص الهواء الموجود مع ضغط المياه، انظر الصورة.

خزان Discharge Tank: حيث إنه عند رجوع المياه بالسرعة والتدفق الكبيرين، يتمُّ تصريفها تدريجيًّا إلى خزاناتٍ تخزن هذه المياه المتدفقة والعائدة في الاتجاه المعاكس.

1. الهواء؛ حيث إن كثرة الهواء قد تؤدي إلى انسداد المواسير، وعدم مرور المياه؛ حيث يأخذ فُقَّاعات الهواء ويقوم بإخراجها.محبس تنفيس الهواء  Air Valve: يكون في أعلى نقطة في النظام لتفريغ 

1. محبس صمام تنفسي: يقوم بعمل معادلة للضغط والتحكُّم فيه في الهبوط أو الارتفاع.

محبس لارجعي: يتمُّ وَضْعه على طول مسافات النظام لحماية المحابس والمضخات؛ حيث إنَّه يسمح بمرور المياه في اتجاهٍ واحدٍ، ولا يسمح برجوعها، ولكن يجب على المُصمِّم الأخذ في الاعتبار أماكنه؛ حتى لا ينكسر أو يتعرض للتلف نتيجة سرعة المياه.

1. 1. وسائل الإطفاء؛ مثل: عساكر الحريق الموجودة خارج المبنى، أو صناديق الحريق الموجودة داخل المبنى وخارجه

، وتعتبر وسيلة الدفاع اأولى عند حدوث الحريق؛ لذلك ﻻبد من وجودهم في أي مبنًى، ويوجد منها نوعان: * ريل هوز Hose Reel: عبارة عن خرطوم من المطاط Rubber  ملفوف على بكرة لها ذراع, ويستخدمه الأفراد داخل المباني.* وراك هوز Hose Rack: عبارة عن خرطوم من القماش المُقوَّى يُركَّب على راك، وفي الغالب يستخدمه الدفاع المدني، أو رشاشات المياه التي تغطي المبنى من الداخل.

1. محابس بوابة Gate Valve للتحكُّم في فتح وغلق وسائل الإطفاء، وعمل صيانة لها، كذلك ZCV , محبس الأدوار، ومحابس البوابة تستخدم بصورةٍ عامةٍ للتحكم في غلق وفتح سريان المياه، ومحابس البوابة تستخدم في شبكات وخطوط المياه والري والحريق، وكذلك في خطوط طرد ومحطات الصرف الصحي.

• ولشرح كيفيَّة الحلول، فلنأخذ مثال التحقيق في تأثير المطرقة المائية بالمملكة العربية السعودية في مشروع إمداد مياه بين الدمام والخبر.

تمَّ مُحَاكاة ظواهر المطرقة المائية ونمذجتها تجاريًّا لأغراض التحليل العددي، وكان الهدف الرئيس من هذه البرامج هو تحليل وتوقُّع سلوك المطرقة المائية في الخط الدائري بين الدمام والخبر (KDRL)، وتمَّ استخدام الأكواد الهندسية للسلامة لمُحَاكاة المكونات الهيدروليكية لخط أنابيب النقل في ظلِّ ظروفٍ ثابتةٍ، بينما تمَّ استخدام البحث لتحليل حدوث ظاهرة المطرقة المائية، ومُحَاكاة الاختلاف في حالات حماية المطرقة المائية.

وليكن مصدر المياه هو محطة الدفاع المدني، وهو قادم من خزان مياه في الدمام المسمى Suction Pond، وليكن منسوب المياه عندها (10 أمتار)؛ حيث تتصل بمواسير تحت الأرض من النوع PVC، وتوجد مضخة Pump لضخِّ المياه إلى مبنًى في الخبر اسمه Delivery على بُعْد (50 كيلومتر) منه، وليكن منسوب المياه عنده (90 مترًا موجبًا). 

المطلوب منِّي دفع المياه من مصدر الدفاع المدني الذي منسوب المياه عنده في الدمام إلى مبنى حكومي في الخبر يَبعُد عنه (50 كيلومتر) منسوب المياه عنده (90 مترًا).

إذًا، لابد من استخدام المضخة حتى تدفع المياه كل هذه المسافة، ونحن فرضنا مضخة واحدة كمثالٍ، لكن على أرض الواقع يمكن استخدام أكثر من مضخة.

بدايةً، تسحب المضخة من خزان السحب، وتضخ المياه إلى الاتجاه الموضح بالصورة عبر مواسير بلاستيكية تحت الأرض على بُعْد (50 كيلو متر)، كما ذكرنا، وتحت ضغط (10 بار)، فيقوم المينى باستخدام هذه المياه في عملية إطفاء المبنى من الحريق، أو أي غرض مثله.

الآن، ماذا لو أنه حدث فصلٌ للتيار الكهربائي للمضخة، أو تعطلت المضخة عن العمل، حتى مضخة الديزل البديلة لن تعمل, أي: حدثت مشكلة، المهم توقَّف اتجاه الدفع من المضخة للموقع الحكومي في الخبر Delivery 

ماذا سوف يحدث؟ 

سوف تعود المياه في الاتجاه العكسي

 كما هو موضح بالصورة الثانية. 

ولك أن تتخيَّل عودة المياه في الاتجاه العكسي إلى المضخة عند مستوى أعلى من مستوى المضخة، وبسرعة قد تصل إلى (1000 متر/الثانية)؛ نظرًا للمسافة الكبيرة. 

وفي الغالب سوف يحدث طرقٌ كبيرٌ على المواسير، ومتوقع حدوث انفجار أو انكسار لها بنسبة كبيرة، وأيضًا على المضخات.

فما العمل؟ 

هنا جاء دور Surge Tank وأيضًا Air Vessel حيث إنه عند رجوع المياه بالسرعة والتدفق الكبيرين، يتمُّ تصريفها تدريجيًّا إلى خزانات تخزن هذه المياه المتدفقة، والعائدة في الاتجاه المعاكس، وكذلك Air Valve لتنفيس الضغوطات، وكذلك Surge Tank إمداد وتسريب المياه، وبذلك تمَّ عمل كسر للموجة، وامتصاص هذه المياه المتدفقة بسرعاتٍ كبيرةٍ. 

• حساب أقصى ضغطٍ يحدث عنده طرق مائي Design Criteria 

يَصعُب تحديد التاريخ الدقيق لبداية تحليل ظاهرة المطرقة المائية في الأنابيب، ويُعتقَد أنَّ المهندس الروسي نيكولاي جوكوفيسكي Nicolai Joukowsky كان أول من أظهر عام 1898 أنَّ مقدار ارتفاع الضغط في ناقلٍ مائيٍّ هو تابعٌ لمقدار التغيُّر في سرعة جريان السائل، ولسرعة انتشار الموجة، والكتلة النوعية للسائل.

الرموز المستخدمة في المعادلات الرياضية التصميمية: 

H (pipe head):  ضغط المضخة

H0 (static head)  أقصى ضغطٍ للمضخة.

L (pipeline length)  طول المواسير من المضخة إلى أبعد نقطة حريق:

D (pipeline diameter):  قُطْر الماسورة. 

t (pipe wall thickness):  سُمْك الجدار المتصل بالماسورة. 

Qb (total flow- pump delivery capacity):  معدل السريان داخل المضخة.

P (design pressure): الضغط المُصمَّم للماسورة مُقَاس بالكيلو باسكال.

D (outside diameter):  قُطر خارجي للماسورة. 

1. F) Factor): ثابت رياضي.

S (specified minimum yield strength):  الضغط الواقع على الجدار.

E (longitudinal joint factor):  ثابت.

11.1 -حساب سرعة المياه داخل أنابيب الحريق (v)؛ حيث يتمُّ حسابها من خلال القانون التالي: 

Qb= V × S

مُعدَّل السريان داخل المضخة = حاصل ضرب سرعة الماء داخل الأنابيب والضغط الواقع على الجدار

الضغط الواقع على الجدار  S = (حاصل ضرب 3.14 × تربيع قُطر المواسير ) ÷ 4

سرعة الماء داخل أنابيب الحريق  V مُقَاس بالمتر/الثانية = معدل السريان داخل المضخة ÷ الضغط الواقع على الجدار

11.2 – حساب سرعة الموجات (الاتجاه العكسي للمياه، الضغط السالب للمياه، توقف المضخة عن العمل، أو حدوث عطل فيها، ويرمز لها بـ (a):

a = √1÷r×(1Ewater+Dt×Epipe)

حيث إن  a هي سرعة الموجات أو سرعة المياه العكسية، وتقاس بوحدة المتر/الثانية

r يُعبِّر عن كثافة المياه أو (water density)، وتساوي (1000 كيلوجرام/المتر المكعب). 

Ewater يُعبِّر عن مُعامِل اللُّزوجة للمياه Elasticity modulus 

Epipe يُعبِّر عن مُعامِل مرونة التوتر، أو معامل يونغ (tension elasticity modulus).

g يُعبِّر عن عجلة الجاذبية الأرضية، وتساوي (9.81 متر/ثانية تربيع). 

وبعد تطبيق هذه المعادلة، نحصل على سرعة المياه المرتدَّة، أو المياه في الاتجاه المعاكس العائدة للمضخة.

11.3 – حساب فترة الاهتزاز (الموجة)، ويرمز لها بـ  T

T = (2 × L) / a 

حيث L تُعبِّر عن طول المواسير من المضخة إلى أبعد نقطة حريق؛ 

حيث   a تُعبِّر عن سرعة الموجة أو المياه في الاتجاه المعاكس.

11.4 – حساب شكل انتشار الموجة: 

• Depression wave – موجة الكساد.
• Depression return wave – موجة عودة الكساد.
• – High pressure wave موجة ضغط عالٍ.
• High pressure return wave – موجة عائدة للضغط العالي.

11.5 – حساب زمن إغلاق محبس اللَّارجعي time of closure :

من المعروف أن المحبس اللَّارجعي check valve في اتجاهٍ واحدٍ، وإشارة للفقرة السابقة فإن الموجة في المرحلة الأولى والثانية تكون في اتجاه المحبس، وبالتالي يصبح المحبس مفتوحًا في المرحلتين لمدة:

T= t =4.59 sec 

حيث إن  T  تعبر عن  period of vibration، أو زمن الاهتزاز.

و  t وقت انغلاق المحبس اللَّارجعي عند وصول الموجة. 

(ولكن في الحقيقة  t أقل من   T).

11.6- حساب أقصى ضغطٍ تتحمَّله الماسورة  maximum pressure variation 

إذا كان  t أقل من أو يساوي  T، بالتالي فإن أقصى ضغطٍ تتحمله الماسورة يمكن حسابه من هذه العلاقة:

D h hammer = (a × v) / g 

الطرق المائي في الماسورة = (سرعة الموجات العكسية × سرعة المياه) ÷ عجلة الجاذبية الأرضية.

ونستنتج منها أقصى ضغطٍ تتحمَّله الماسورة، ونطلق عليه delta h hammer ضغط الطرق المائي.

11.7 – حساب الفقدان في الضغط خلال مرحلة الثبات في حالة عدم وجود طرق مائي، أو مشكلة في منظمة الإطفاء steady state head fraction loss 

ويمكن حسابها من خلال العلاقة التالية: 

D hfraction = I × (L/ D) × ( V2 / 2g ) 

حيث إن I تعبر عن الـ fraction coefficient of the pipe، أو مُعامِل انكسار الأنابيب المستعملة.

و   L تعبر عن طول الأنابيب pipeline length 

و    D  تعبر عن قُطر الأنابيب  pipeline diameter 

و   V  تعبر عن سرعة المياه داخل الأنبوبة  water velocity inside the pipe 

و   g تعبر عن عجلة الجاذبية الأرضية  acceleration of gravity 

ومن خلال ما سبق يمكننا حساب الضغط الكلي الذي تتعرَّض له المواسير، وقيمة الضغط المحتمل حدوث انفجار للماسورة عندها:

11.8- الضغط الكلي Hmax هو الضغط الذي يحدث عنده انفجار للماسورة بنسبة مئة بالمئة، ويمكن حسابه من خلال العلاقة التالية: 

Hmax = Hstatic + D hhammer +D hfraction 

Hstatic  تُعبِّر عن أقصى ضغطٍ للمضخة. 

D hhammer  تُعبِّر عن الضغط الناتج عن المطرقة المائية. 

D hfraction  تُعبِّر عن الضغط خلال مرحلة الثبات بدون طرق مائي. 

وبحساب القِيَم المجموعة بالفقرة السابقة نحصل على قيمة الضغط الذي تنفجر عنده المواسير والنظام (السيستم) كله، وما يتوجب تجنُّبه هو عدم وصول المواسير إطلاقًا لهذا الضغط؛ لمنع حدوث الانفجار.

•  مثال على ذلك: مشروع تصميم نظام إطفاء حريق لكامب شمال المملكة العربية السعوديةNORTH ARABIA TURAIF CAMP TURAIF

المالك: أرامكو السعودية.

المقاول العام: شركة الزامل.

المكتب الهندسي: عطية الزهراني.

المصمم: أحمد طاهر الشربيني.

مساحة الكامب: (77 ألف متر مربع). 

تاريخ المشروع: مارس 2022 

مخطط المشروع: مرفق في البحث.

المطلوب: دراسة حدوث المطرقة المائية على نظام الإطفاء، وحساب أقصى ضغطٍ تتعرض له مواسير نظام الإطفاء.

معلومات عن نظام الإطفاء: 

• المضخة:

• معدل التدفق ( (Flow: 1500 GPM 

• الضغط ( Static Pressure ) : 145 PSI 

• أقصى ضغط للمضخة: 160 PSI 

• وهناك ثلاث مضخات؛ هي: مضخة الكهرباء، ومضخة الديزل، ومضخة الجوكي. 

• خزانات المياه: (7 خزانات مياه): 

• خزان واحد رأسي، سعته (636 متر مكعب).
• خزانان أفقيان، سعة كل واحد (40 متر مكعب). 
• أربعة خزانات أفقية، سعة كل واحد (60 متر مكعب). 

• قُطْر المواسير المستخدمة: 

• مواسير من المضخة إلى عساكر الحريق، قطرها (8 بوصات) بلاستيكية HDPE تحت الأرض.
• مواسير سحب من الخزان قُطْرها (12 بوصة حديد Steel ).
• مواسير توصيل لعساكر الحريق (8 بوصات). 

• أنظمة السلامة الموجودة:

 (تتمثَّل في عساكر الحريق [17 عسكري حريق]). 

• خط الطرد من المضخة إلى نظام الإطفاء:

عبارة عن خَطَّيْ طردٍ، كل خط طرد (8 بوصات).

• طول المواسير، وطريقة توصيلها: 

يبلغ طول المواسير المستخدمة (1200 متر)، وتمَّ توصيلها في شكل Looped System؛ لتجنُّب حدوث المطرقة المائية، وتوصيل عساكر الحريق باتِّجاهي المياه حتى إذا حدث عطلٌ في اتجاهٍ من الاتجاهين، يظل مصدر المياه موجودًا في الاتجاه الآخر لعسكري الحريق.

• المحابس المستخدمة مع المواسير: 

محابس تحكم بوابة Gate Valve في المواسير، ومحبس لكل عسكري حريق. 

1. سرعة المياه في المواسير: 

سرعة المياه (3  أمتار) على الثانية.

• البرنامج المستخدم لعمل حسابات هيدروليكية: 

برنامج Elite Software 

• ناتج الحسابات الميكانيكية الهيدروليكية للنظام:

الضغط المطلوب لعساكر الحريق 20 PSI 

معدل التدفق المطلوب 500 GPM 

إذًا، المضخَّة متوافقة مع النظام؛ طبقًا للحسابات الهيدروليكية، وتغطي الضغط ومعدل التدفق المطلوب.

ملاحظة مهمة:

لاحظ أن اشتراطات أرامكو السعودية تشترط أن يكون قُطْر المواسير (8 بوصات) حتى تقلَّ الضغوطات الواقعة على المواسير، ووجود محبس بوابة على كل خطٍّ، وتوصيل المواسير يكون Looped System ، أي: ذو اتجاهين، وكل تلك الاشتراطات بالتأكيد تُقلِّل من حدوث المطرقة المائية.

المطلوب دراسة حساب أقصى ضغطٍ يحدث عنده طرق مائي Water Hammer Analysis ؟

مرفق ملف المشروع:  

1. حساب سرعة المياه داخل أنابيب الحريق (v)؛ حيث يتم حسابها من خلال القانون التالي:

نقوم بإدخال البيانات؛ حيث إن: 

H : ضغط المضخة، وهي 101.9 متر .

H0 : أقصى ضغطٍ للمضخة، وهو 107 متر .

L : طول الأنابيب نظام إطفاء الحريق هي 1200 متر .

Qp : معدل التدفق للمضخة (340 متر مكعب على الساعة)، أي: ما يعادل 1500 GPM 

 : t (pipe wall thickness)  سُمْك الجدار المتصل بالماسورة من الحسابات نجد أنها 0.3 مللي متر.

نجد أن سرعة المياه تساوي (3.006 متر على الثانية)، وهي سرعة طبقًا للمواصفات والاشتراطات مقبولة.

•  حساب سرعة الموجات (الاتجاه العكسي للمياه، الضغط السالب للمياه، توقف المضخة عن العمل أو حدوث عطل فيها، ويرمز لها بـ (a):

من القانون نجد أن سرعة الموجات المنعكسة المتجهة إلى المضخة سرعتها (522.54 متر) على الثانية، وهي سرعة كبيرة، وتُحْدِث ضغطًا على المواسير.

• حساب فترة الاهتزاز (الموجة)، ويرمز لها بـ   T

م

ن القانون نجد أنها تساوي (4.59 ثانية). 

• حساب زمن إغلاق محبس اللَّارجعي  time of closure

نجد أن زمن غلق محبس اللَّارجعي  Check Valve بعد تعرُّضه للموجات والضغط العكسي. الراجع للمضخة هو (4.56 ثانية)، بعدها يغلق المحبس، ولا تمرُّ المياه إلى المضخة.

•  حساب أقصى ضغطٍ تتحمَّله الماسورة  maximum pressure variation 

D h hammer = (a × v) / g 

الطرق المائي في الماسورة = (سرعة الموجات العكسية × سرعة المياه) ÷ عجلة الجاذبية الأرضية 

ونستنتج منها أقصى ضغطٍ تتحمله الماسورة، ونطلق عليه delta h hammer ضغط الطرق المائي.

ونستنتج أن أقصى ضغطٍ تتحمله الماسورة في نظام الإطفاء هو (160 مترًا)، أي: ما يعادل (16 بار)، وعنده يحدث طرق مائي، وضغط سالب على مواسير الإطفاء.

• حساب الفقدان في الضغط خلال مرحلة الثبات في حالة عدم وجود طرق مائي، أو مشكلة في منظومة الإطفاء steady state head fraction loss

ونجد أنها (60.81 متر)، أي: ما يعادل (6 بار). 

•  الضغط الكلي Hmax هو الضغط الذي يحدث عنده انفجار للماسورة بنسبة مئة بالمئة، ويمكن حسابه من خلال العلاقة التالية. 

• Hmax = Hstatic + D hhammer +D hfraction 

ونجد أنه يساوي (327.9 متر)، أي: (32 بار). 

هذا الضغط إذا حدث يؤدي إلى تدمير مواسير المياه بدلًا من تدمير منظومة الإطفاء كليًّا. 

نستنتج من هذا المشروع بعض النقاط:

• الطرق المائي يحدث عند (160 مترًا)، أي: (16 بار)، وهو صعب الوصول إليه.

• نظام التصميم Looped System؛ حيث إنَّ عودة المياه إلى المضخة من اتجاهين أدَّى إلى أن سرعة الموجة (522 مترًا على الثانية)، تنقسم إلى اتجاهين، فتقل في كل اتجاهٍ. 

• تصميم قُطْر المواسير (8 بوصات)؛ ممَّا يتحمَّل الضغوطات العالية اختيار مناسب وسليم.

• احتمال حدوث الطرق المائي احتمال ضعيف؛ حيث يوجد (12 محبس بوابة) يمتصُّ الصدمات.

• وجود Two Header من المضخَّة إلى المواسير يحمي المضخة من أي تعرُّض للضغط السالب، ولو تعرضت فسيكون الضغط السالب ضعيفًا جدًّا، ولا يتلف المضخة.

• ابتكار Programmable Software Excel Sheet لحسابات سرعة المياه أثناء التدفق، وحساب الموجات المرتدة، والضغوطات الزائدة في نظام الإطفاء، وضغط الطرق المائي، وأقصى ضغطٍ يتحمله النظام، وبعده من المحتمل الكبير أن يحدث انفجار في النظام (أي: طرق مائي), فما عليك إلا أن تُدْخل القِيَم الخاصة بالمضخة؛ مثل: الضغط، ومعدل التدفق، وطول المواسير وأقطارها، والبرنامج سوف يحسب سرعة المياه في المواسير، والضغط الناتج من الارتداد، وسرعة الموجات، والطرق المائي الذي يمكن أن يحدث، والضغط الكلي الذي إذا حدث، فسوف تنفجر الوصلات والمواسير.

• أنواع النماذج: 

يمكن أن تكون الحلول عن طريق نماذج فيزيائية، لكن قد تؤدِّي خصائص شبكات المياه الهيدروليكية المُعقَّدة إلى استخدام برامج حاسوبية أو (سوفت وير) متطور ومتقدم؛ لذلك تمَّ تقسيم النماذج إلى ما يلي: 

• نماذج فيزيائية.
• نماذج رياضية.
• نماذج حاسوبية.

1. أثناء الانفجار:

عندما يحدث انفجار في مكان مغلق، يمكن أن تتسبَّب مطرقة الماء في تشوُّه جدران الحاوية، ومع ذلك يمكن أن يُضْفي الزَّخْم على العُلْبة إذا كانت حرة في التحرك، وقد تسبَّب انفجار تحت الماء في وعاء المفاعل النووي SL-1 في تسارع الماء لأعلى من خلال (2.5 قدم) = (0.76م) من الهواء قبل أن يضرب رأس الوعاء بسرعة (160 قدمًا في الثانية) = (49م/ث) بضغط (10000 رطل في الثانية/بوصة مربعة) = (69000 كيلو باسكال)، وتسبَّبت موجة الضغط هذه في قفز الوعاء الفولاذي الذي يبلغ (26000 رطل) = (12000 كجم) (9 أقدام وبوصة واحدة) = (2.77م) في الهواء قبل أن يسقط في موقعه السابق. 

أيضا من الضروري إجراء صيانة وقائية مستمرَّة لتجنُّب المطرقة المائية، حيث أدَّت نتائج هذه الانفجارات القوية إلى وفياتٍ. 

1. المطرقة المائية والمشاريع العملاقة:

 كل ما سبق يُمكن من خلاله القضاء على ظاهرة المطرقة المائية، لكن هناك مشاريع عملاقة تمتلك مواسير ومضخات كبيرة الحجم، وثقيلة الوزن، وهذه المواسير لا تُجْدي معها الحلول التقليدية، وإنما يتمُّ عمل ما يُشْبه الأبراج المائية عند بداية مكان الضخ حيث تكون كفيلةً بامتصاص الضغط الناتج عن المطرقة المائية، وتمرير الأمر بسلامٍ دون شروخٍ أو كسورٍ، وهذا الحل -كما ذكرنا- يُجْدي فقط مع المشاريع العملاقة ذات البنية التحتية الضخمة.

• ختامًا، مدن حلَّت مشكلة المطرقة المائية:

هناك بعض الدول التي لا تعرف المطرقة المائية، أو بمعنى أدق لم تتعرَّض لها مُسْبقًا، وهي بالتأكيد الدول التي لا تلجأ إلى المواسير القابلة للطرق من الأساس، فقد تمكَّنت العملاقتان (الولايات المتحدة الأمريكية، واليابان)، من اختراع وتطوير نوعٍ جديدٍ من المواسير والمحابس لا يؤدي فيه الانقطاع المفاجئ عن ضخِّ المياه إلى حدوث المطرقة المائية، بل إنَّ المواسير التي تُسْتخدم هناك تحتوي على مواد مُسَاعدة في تسهيل حركة المياه، وعدم تعريض الماسورة المحبوسة داخلها إلى الطرق أو التوقف المفاجئ. وقد توصلت الولايات المتحدة الأمريكية تحديدًا إلى هذا النوع من المواسير عام 1997، وذلك بعد حدوث طرق مائي مُفاجئ بمدينة (لوس أنجلوس)، أدَّى إلى إتلاف الماسورة الأم بالمدينة، وتعطيل المياه قرابة الأسبوع، فتمَّ احتواء المشكلة بالمواسير الجديدة، ثم تمَّ تعميمها خلال العشر سنوات التالية في جميع الولايات حتى أصبحت الولايات المتحدة الأمريكية آمنةً من المطرقة المائية.