Hiện tượng búa nước là gì? Nguyên nhân, hậu quả và cách chống

Búa nước (còn gọi là thủy kích hay va đập thủy lực, tiếng Anh là water hammer) là hiện tượng áp suất trong ống tăng vọt rồi dao động mạnh khi dòng nước bị chặn hoặc đổi hướng đột ngột, thường do đóng nhanh van hoặc dừng bơm. Sóng áp suất đó làm ống rung, phát ra tiếng gõ như búa, và nếu đủ lớn có thể làm bung mối nối, hỏng van hoặc nứt ống.

Bài này giải thích búa nước là gì, nguyên nhân, hậu quả, cách ước tính độ tăng áp bằng công thức Joukowsky, các phương án chống búa nước và việc bảo trì để hạn chế hiện tượng. Bài thuộc chuyên mục tài liệu đường ống và phụ kiện; kiến thức chung về tuyến ống xem bài tổng quan về hệ thống đường ống.

Hiện tượng búa nước là gì

Nước đang chảy trong ống mang theo động năng. Khi van đóng nhanh hoặc bơm dừng, nước phía trước bị chặn lại nhưng nước phía sau vẫn dồn tới, động năng chuyển thành áp suất tăng vọt ngay chỗ bị chặn. Sóng áp suất này truyền dọc ống với vận tốc gần bằng vận tốc âm thanh trong ống chứa nước, dội qua lại giữa van, bơm và các điểm đổi tiết diện cho tới khi tắt dần nhờ ma sát. Tiếng “cạch cạch”, “thịch thịch” nghe được chính là sóng này đập vào thành ống, van và kẹp ống.

Vận tốc sóng phụ thuộc vật liệu và độ dày ống: ở ống thép thường vào khoảng 1.000 m/s trở lên, ở ống nhựa chỉ vài trăm m/s (tham khảo). Giá trị này được dùng trong công thức dưới đây.

Công thức Joukowsky: ước tính độ tăng áp

Khi dòng bị chặn trong thời gian không dài hơn 2L/c (L là chiều dài ống từ nguồn đến van, c là vận tốc sóng), độ tăng áp tối đa tính theo công thức Joukowsky:

ΔP = ρ × c × Δv

• ΔP: độ tăng áp, đơn vị Pa (1 MPa = 10 bar).
• ρ: khối lượng riêng chất lỏng, nước khoảng 1.000 kg/m³.
• c: vận tốc truyền sóng áp suất trong ống, m/s.
• Δv: độ giảm vận tốc dòng, m/s.

Ví dụ: nước chảy 2 m/s trong ống thép, lấy c = 1.000 m/s (giả định để minh họa). Đóng hẳn van trong thời gian rất ngắn thì ΔP = 1.000 × 1.000 × 2 = 2.000.000 Pa, tức 2 MPa hay 20 bar. Áp này cộng thêm vào áp đang có: tuyến chạy 6 bar có thể chạm khoảng 26 bar trong tích tắc, vượt PN16 của nhiều loại ống và van thông dụng.

Với ống nhựa, giả định c = 400 m/s, cùng điều kiện cho ΔP = 1.000 × 400 × 2 = 800.000 Pa, tức 8 bar. Với tuyến dài 500 m và c = 1.000 m/s thì 2L/c = 1 giây: van đóng nhanh hơn 1 giây cho áp tăng gần bằng giá trị trên, đóng chậm hơn thì thấp hơn. ΔP tỉ lệ thuận với Δv, nên giảm vận tốc dòng một nửa thì áp tăng giảm một nửa.

Đây là ước tính cho trường hợp ngắt dòng hoàn toàn. Với tuyến lớn, nhiều nhánh hoặc có bơm, cần tính quá độ thủy lực ngay từ thiết kế, xem bài quy trình thiết kế đường ống. Vật liệu quyết định vận tốc sóng c, nên cũng cần đọc đặc tính của ống thép và ống nhựa.

Thời gian đóng van tới hạn 2L/a: vì sao đóng chậm thì áp giảm

Mức độ búa nước phụ thuộc vào thời gian đóng van so với thời gian sóng áp đi và về. Sóng áp đi từ van về nguồn rồi dội lại mất đúng 2L/a giây (L là chiều dài ống từ van đến nguồn, a là vận tốc sóng, chính là c trong công thức Joukowsky ở trên).

Nếu van đóng xong trong khoảng đó, sóng giảm áp phản xạ chưa về tới van, nên búa nước đạt đỉnh Joukowsky ΔP = ρ × a × Δv. Đóng chậm hơn thì sóng phản xạ cắt bớt đỉnh áp, và búa nước giảm xấp xỉ theo ΔP ≈ 2ρLv / t (công thức Michaud, t là thời gian đóng, ước tính cho van đóng đều; van bi, van cổng chủ yếu tiết lưu ở 10–20 % hành trình cuối nên thời gian đóng hiệu dụng ngắn hơn thời gian vặn).

Vì vậy đóng chậm chỉ làm giảm búa nước khi t lớn hơn 2L/a; tuyến càng dài thì 2L/a càng lớn, nên càng phải kéo dài thời gian đóng để hạ búa nước.

Ví dụ ống thép DN100 SCH 40 (đường kính trong 102,3 mm, dày 6,02 mm), dài 500 m, nước chảy 2 m/s. Vận tốc sóng a = √[K / (ρ × (1 + (K/E) × (D/e)))] với K = 2,2 GPa (nước), E = 200 GPa (thép) cho a ≈ 1.360 m/s, nên 2L/a ≈ 0,74 s. Đóng van trong 0,5 s, búa nước cho ΔP ≈ 1.000 × 1.360 × 2 ≈ 2,7 MPa (27 bar). Đóng trong 5 s còn 4 bar, trong 10 s còn 2 bar: thời gian đóng gấp đôi thì áp giảm một nửa.

Ống PE100 SDR11 DN110 (đường kính trong 90 mm, dày 10 mm), môđun đàn hồi ngắn hạn giả định 0,9 GPa, D/e = 9, cho a ≈ 310 m/s. Cùng 2 m/s, hiện tượng búa nước chỉ tạo ΔP ≈ 0,62 MPa (6,2 bar), thấp hơn ống thép khoảng 4 lần vì thành ống mềm giãn ra hấp thụ xung; 2L/a của tuyến 500 m là 3,2 s. Các giá trị 1.000 m/s và 400 m/s ở trên là số làm tròn minh họa.

Búa nước trong ống nhựa nhẹ hơn, nhưng ống nhựa chịu áp xung kém hơn nên vẫn phải đóng van chậm. Tóm lại, hiện tượng búa nước nhẹ khi van đóng chậm và nặng khi van đóng nhanh hơn 2L/a. Cách chống búa nước đơn giản nhất là kéo dài thời gian đóng gấp nhiều lần 2L/a. Lý thuyết xem thêm trang Water hammer trên Wikipedia.

Nguyên nhân chính gây ra búa nước

Mọi nguyên nhân đều quy về một điều: vận tốc dòng thay đổi quá nhanh.

• Đóng van quá nhanh: nguyên nhân thường gặp nhất. Van bi chỉ xoay 1/4 vòng, van điện từ ngắt dòng gần như tức thời; van đóng càng nhanh thì áp tăng càng lớn.
• Thiết bị dùng nước có van điện từ: máy giặt, máy rửa bát, máy làm đá dùng van điện từ cho nước để ngắt dòng theo tín hiệu điện. Tiếng “thịch” ở cuối giai đoạn cấp nước là dấu hiệu quen thuộc.
• Bơm dừng đột ngột: mất điện hoặc rơ-le áp ngắt khiến dòng giảm tốc rất nhanh, thậm chí đảo chiều trước khi van một chiều kịp đóng, tạo sóng áp lớn ở đầu ra bơm.
• Khí trong ống: túi khí bị nén và giãn khi áp thay đổi gây tiếng gõ, rung. Khí xuất hiện khi sửa chữa, khi ống cạn nước hoặc khi bơm cấp nước lại vào ống rỗng.
• Áp suất và vận tốc dòng lớn: tuyến áp cao, hoặc cỡ ống nhỏ so với lưu lượng nên vận tốc cao, có Δv lớn nên sóng mạnh hơn.

Tiếng gõ trong ống không phải lúc nào cũng là búa nước thật. Ống kẹp lỏng, ống giãn nở nhiệt hoặc có khí cũng gây tiếng tương tự, nên cần kiểm tra áp suất và kẹp ống trước khi kết luận.

Hậu quả của búa nước đối với hệ thống ống nước

Búa nước gây hại nhiều hơn tiếng ồn. Áp đỉnh có thể vượt áp suất danh nghĩa (PN) của ống, van và mối nối, và tác hại tích lũy qua nhiều lần va:

• Ồn và rung: tiếng gõ trong tường, sàn, nhất là ban đêm, gây khó chịu và mất ngủ.
• Lỏng kẹp ống, hỏng mối nối: rung lặp lại làm lỏng kẹp, tạo ứng suất ở mối ren, mối dán keo, mối hàn nhiệt, dần làm yếu kết cấu. Ống rung mạnh còn làm bung đai treo và giá đỡ khi tải vượt thiết kế.
• Hỏng van, vòi, phớt, bơm: lực vượt thiết kế làm chi tiết mòn nhanh, rò rỉ hoặc nứt vỡ.
• Rò rỉ, vỡ ống: nặng nhất với ống cũ và mối nối yếu; rò âm tường, âm sàn gây ngập, hỏng đồ đạc và kết cấu.
• Ảnh hưởng công trình: ẩm mốc, bong sơn, và nếu nước ngấm vào hệ thống điện thì có nguy cơ chập, giật điện.

Các phương án chống búa nước hiệu quả

Có ba hướng: giảm vận tốc dòng, kéo dài thời gian ngắt dòng, hoặc hấp thụ và xả bớt năng lượng sóng. Bảng tóm tắt các giải pháp, phần sau giải thích chi tiết. Ở khâu thiết kế, nên chọn đường kính ống đủ lớn để hạ vận tốc dòng chảy, vì áp tăng tỷ lệ thuận với độ giảm vận tốc: vận tốc thấp thì búa nước nhỏ.

Đóng mở van chậm và chọn van phù hợp

Với van thủ công, đóng từ từ thay vì sập mạnh là cách đơn giản nhất. Khi chọn van cho hệ thống mới, van cổng cần nhiều vòng xoay để đóng nên ít gây va hơn van bi chỉ quay 1/4 vòng. Với van tự động, chọn bộ truyền động cho phép chỉnh thời gian đóng, xem nhóm van đóng mở nước bằng điện. Cách này không áp dụng được cho van điện từ trong thiết bị gia dụng; ở đó cần thiết bị giảm chấn.

Van một chiều đóng êm cho đầu ra bơm

Khi bơm dừng, dòng có thể đảo chiều rồi dội ngược vào van. Van một chiều kiểu lá lật đóng chậm sẽ sập mạnh vào lúc này, còn loại có lò xo đóng nhanh trước khi dòng đảo chiều thì giảm được cú va. Khởi động và dừng bơm êm bằng biến tần hoặc khởi động mềm cũng giảm Δv. Các kiểu và cách chọn xem bài van một chiều.

Bình giảm chấn và bình tích áp

Bình có buồng khí nén ngăn với nước bằng màng hoặc ruột cao su. Khi có sóng áp, nước dư tràn vào bình và nén khí; lớp khí đóng vai trò lò xo hấp thụ năng lượng sóng. Bình tích áp bảo vệ cả nhánh hoặc cả hệ thống có bơm tăng áp, đường ống dài. Áp nạp khí ban đầu phải đặt đúng theo hướng dẫn của hãng, vì bình mất khí thì không còn tác dụng đệm.

Với nhánh nhỏ có van điện từ hoặc vòi, thiết bị giảm chấn lắp gần van gây va là giải pháp gọn. Viva có nhóm bình giảm chấn với thân chữ I, chữ L, nối ren hoặc nối bích.

Van chống va thủy lực cho tuyến bơm

Van chống va, còn gọi là van chống nước va, van chống va đập nước hay van điều khiển dự đoán tăng áp, là van thủy lực gồm thân chính, màng hoặc piston, lò xo và các van điều khiển nhỏ (pilot). Loại dự đoán tăng áp hoạt động như sau: khi bơm dừng, áp đầu ra tụt xuống, van nhận biết sụt áp và mở sẵn. Khi sóng áp cao dội về, van xả bớt nước ra bể hoặc ống xả để hạ đỉnh áp, rồi đóng từ từ để không tạo sóng mới.

Ưu điểm là phản ứng nhanh và thường hoạt động bằng chính áp suất đường ống, bảo vệ cả ống lẫn bơm. Hạn chế là giá cao, cần đường nhánh và đường xả ra bể hoặc ra ngoài, và phải chọn cỡ, cài đặt theo tính toán quá độ; chọn hoặc cài sai có thể giảm hiệu quả. Giải pháp này hợp với hệ thống cột áp cao hoặc ống dài, bơm công suất lớn dễ dừng đột ngột khi mất điện, hoặc tuyến từng gặp búa nước nghiêm trọng.

Một cách đơn giản hơn là đặt van an toàn (van xả áp loại dùng cho chất lỏng) với áp xả cao hơn áp làm việc để cắt đỉnh áp. Van an toàn thông thường mở chậm hơn tốc độ của sóng áp, nên chỉ là lớp bảo vệ bổ sung; cần chọn đúng loại cho chất lỏng và tính công suất xả đủ lớn.

Van giảm áp

Van giảm áp không hấp thụ sóng nhưng hạ áp nền ở đầu nguồn, nên sóng sinh ra yếu hơn. Giải pháp này hữu ích khi áp mạng cao hoặc ở tầng thấp của tòa nhà cao. Tùy nguyên nhân và quy mô, có thể kết hợp nhiều giải pháp ở trên.

Bảo trì hệ thống để ngăn ngừa búa nước

Phòng ngừa tốt hơn xử lý. Bốn việc nên làm định kỳ:

• Kiểm tra van, mối nối, kẹp ống: van mòn, kẹt cặn hay kẹp lỏng làm ống rung nhiều hơn và là điểm yếu khi sóng áp tới. Cần tìm sớm rò rỉ nhỏ, kẹp lỏng, van khó đóng mở. Sau mỗi lần sửa chữa hoặc thay van, nên thử áp lực lại tuyến để phát hiện mối nối yếu trước khi búa nước làm lộ ra.
• Giữ áp ổn định: theo dõi bằng đồng hồ áp suất ở đầu nguồn. Quy chuẩn ống nước nhà ở của Mỹ (như IPC) thường giới hạn áp tĩnh tối đa khoảng 80 psi, tức khoảng 5,5 bar (tham khảo). Nếu áp cao hơn, lắp van giảm áp và kiểm tra áp cài đặt định kỳ.
• Kiểm tra bình giảm chấn, bình tích áp: xem áp nạp khí theo khuyến cáo của hãng.
• Xả khí: mở các vòi ở điểm cao đến khi nước chảy liên tục, không còn bọt khí hay tiếng khò khè; hệ thống lớn nên lắp van xả khí tự động ở điểm cao.

Bảo dưỡng đều đặn giúp kéo dài tuổi thọ ống, van và giảm chi phí sửa chữa. Với hệ thống cấp nước mới, đưa phân tích búa nước vào giai đoạn thiết kế dễ hơn nhiều so với sửa khi đã xảy ra.

Bạn cần chọn van chống va, thiết bị giảm chấn hay van giảm áp cho một tuyến cụ thể? Gửi Viva lưu lượng, áp suất, chiều dài tuyến và loại bơm, bên mình đề xuất cấu hình phù hợp. Địa chỉ tư vấn: Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.

Câu hỏi thường gặp về búa nước