شيت حسابات المطرقة المائية وخزانات التهدئة لخطوط ضخ المياه إكسيل

إعداد ومراجعة: المكتب الفني الهندسي — بنيان دوكس متوافق مع Excel 2016–365 & Google Sheets دليل الجمعية الأمريكية لأعمال المياه لتصميم محابس الهواء وتحليل المطرقة المائية (AWWA M51)
حمل شيت حسابات المطرقة المائية ومعادلة جوكوفسكي وسرعة الموجة وأبعاد خزانات التهدئة لخطوط ضخ المياه وفق AWWA M51 ومعهد الهيدروليكا الأمريكي إكسيل مفتوح.
جاري تحميل المعاينة التفاعلية الحية لشيت الإكسيل وكافة الصفحات والمعادلات...

تحميل مجاني مباشر

بدون تسجيل بريد • ملف قابل للتعديل

xlsx
شيت_حسابات_المطرقة_المائية_وحماية_خطوط_الضخ_AWWA_Hydraulics.xlsx
الحجم: 18 KB • متوافق مع الأوفيس
fx

المعادلات الهندسية ومنطق الحساب المضمن في الشيت

الدوال والمعادلات المبرمجة داخل هذا النموذج (جاهزة للنسخ بنقرة واحدة):

معادلة جوكوفسكي لأقصى ضغط صدمة لحظي (Joukowsky Surge Equation)
ΔH_max = (c × Δv) / g

حيث c سرعة انتشار الموجة الإنشائية بالمتر/ثانية، Δv التغير في سرعة جريان الماء (م/ث)، و g عجلة الجاذبية الأرضية (9.81 م/ث²).

سرعة انتشار الموجة المرونية في الأنابيب (Wave Velocity)
c = √(K / ρ) / √(1 + (K / E) × (D / e) × c1)

حيث K معامل المرونة الحجمي للماء (2.19 GPa)، ρ كثافة الماء، E معامل مرونة مادة الأنبوب، D القطر الداخلي، e سماكة الجدار، و c1 معامل طريقة التثبيت.

الزمن الحرج لانعكاس موجة الضغط (Critical Closure Time)
t_c = (2 × L) / c

حيث L طول خط الضخ بالمتر؛ إذا كان زمن إغلاق المحبس tv ≤ tc يعتبر الإغلاق لحظياً وتطبق كامل قيمة صدمة جوكوفسكي.

سعة خزان التهدئة ذي الغشاء (Surge Tank Sizing)
V_0 = (2 × L × A × v0² × ρ) / [2 × (P_max - P_min)]

حجم الهواء المضغوط المطلوب لامتصاص الطاقة الحركية للماء المتدفق وحصر تذبذب الضغط بين الحدين الآمنين Pmax و Pmin.

مقاس الطباعة القياسي A4
معاينة شيت حسابات المطرقة المائية وخزانات التهدئة لخطوط ضخ المياه إكسيل - أعمال الخرسانات والتسليح بصيغة XLSX جاهز للتحميل والتعديل
File: شيت_حسابات_المطرقة_المائية_وحماية_خطوط_الضخ_AWWA_Hydraulics.xlsx تحميل الملف الكامل (.XLSX) ←

شيت حسابات المطرقة المائية وخزانات التهدئة لخطوط ضخ المياه (Water Hammer & Surge Analysis Calculator) هو أداة هندسية هيدروليكية متقدمة لتطبيق المعيار الدولي AWWA M51 وإرشادات معهد الهيدروليكا الأمريكي (HI) وكود البناء السعودي SBC 501. يختص الشيت بالتحليل الرياضي لموجات الضغط العابرة (Hydraulic Transients) الناجمة عن التغير الفجائي في سرعة تدفق السائل داخل خطوط الطرد الطويلة، مثل حالات الانقطاع المفاجئ للتيار الكهربائي عن محطات الضخ، أو القفل السريع لمحابس عدم الرجوع (Check Valves) ومحابس العزل. يعتمد الشيت معادلة جوكوفسكي (Joukowsky Equation) لحساب أقصى ارتفاع في عمود الضغط، مع تدقيق سرعة انتشار الموجة المرونية (c) بناءً على القطر وسماكة الجدار ومعامل المرونة لمادة الأنبوب ومقاومة الانضغاط للماء، فضلاً عن حساب الحجم المطلوب لخزانات التهدئة ذات الغشاء (Bladder Surge Vessels) لمنع انفجار الأنابيب وتفادي الضغوط السالبة المسببة لانخساف الخط (Pipe Collapse).

المخاطر الهيدروليكية للمطرقة المائية في خطوط الضخ

  1. الضغط الزائد الحرج (Overpressure): قد يصل ضغط الصدمة إلى 3-4 أضعاف ضغط التشغيل، مما يؤدي لتمزق جدران الأنابيب وكسر المحابس وفك الوصلات المرنة.
  2. الضغط السالب وانفصال عمود السائل (Column Separation): هبوط الضغط لأقل من الضغط الجوي وتبخر الماء موضعياً مشكلاً تجاويف بخارية؛ وعند ارتداد الموجة تنهار هذه التجاويف مسببة صدمات تدميرية هائلة.
  3. انهيار الأنابيب اللدنة بالانخساف (Buckling): تعرض أنابيب الصلب و GRP و HDPE الكبيرة للانطباق والانخساف بفعل الضغط الجوي الخارجي في حال حدوث فراغ داخلي تام.

آلية الحساب والتصميم في الشيت

  • حساب سرعة الموجة c = √(K/ρ) / √(1 + (K/E) · (D/e) · c1).
  • حساب الزمن الحرج للقفل tc = 2L / c.
  • حساب أقصى ارتفاع لضغط الصدمة ΔH = c · v0 / g للإغلاق السريع، أو ΔH = 2 · L · v0 / (g · tv) للإغلاق التدريجي.
  • فحص أدنى ضغط متوقع Hmin = H0 - ΔH والتأكد من عدم وصوله لضغط التبخر (-10.3 متر).
  • تحديد الحجم الاسمي لخزان التهدئة الهيدروليكي وضغط الغشاء لحصر التذبذب في النطاق الآمن.

طريقة الاستخدام وخطوات التطبيق العملي

1

معاينة الشيت وتجربة الأرقام أولاً:

استخدم جدول المعاينة التفاعلية الحية أعلاه (أو وضع ملء الشاشة 100%) لتجربة إدخال أرقام مشروعك واختبار المعادلات مباشرة.

2

تحميل الشيت وفتحه على جهازك:

قم بتنزيل الملف عبر زر التحميل المباشر وفتحه بواسطة Microsoft Excel أو Google Sheets.

3

إدخال البيانات الأساسية للمشروع:

قم بتعديل اسم المشروع، التاريخ، وفئات الأسعار في الخلايا المخصصة للإدخال؛ بينما تُحسب كافة الإجماليات تلقائياً.

4

الطباعة المباشرة بمقاس A4:

تم ضبط هوامش الصفحات وحدود الطباعة مسبقاً على مقاس A4، فقط اضغط Ctrl+P للطباعة أو التصدير بصيغة PDF.

الأسئلة الشائعة حول النموذج

ما هو الفرق بين الإغلاق السريع والإغلاق التدريجي للمحابس؟

يحدد الزمن الحرج tc = 2L/c نوع الإغلاق؛ فإذا تم إغلاق المحبس في زمن أقل من tc يسمى إغلاقاً سريعاً وتصل موجة الضغط لقيمتها القصوى الكاملة المشتقة بمعادلة جوكوفسكي؛ أما إذا استغرق الإغلاق زمناً أطول بكثير من tc فتتداخل الموجات المرتدة وتتشتت طاقة الصدمة فينخفض الضغط الزائد بنسبة كبيرة.

كيف يؤثر نوع مادة الأنبوب على شدة المطرقة المائية؟

تتناسب شدة المطرقة المائية طردياً مع سرعة الموجة المرونية؛ فالمواد الصلبة كالحديد الدكتايل والصلب تكون سرعة الموجة فيها عالية (1000-1200 م/ث) وتولد ضغوط صدمة عنيفة؛ بينما تتميز أنابيب البلاستيك (HDPE و GRP) بمرونة عالية تخفض سرعة الموجة إلى (250-500 م/ث)، مما يقلل الضغط الزائد إلى أقل من النصف بنفس سرعة التدفق.

كيف يعمل خزان التهدئة ذو الغشاء (Bladder Vessel) على حماية محطة الضخ؟

يحتوي الخزان على وسادة هواء أو نيتروجين مضغوط مفصولة بغشاء مطاطي عن ماء الخط؛ وعند توقف المضخات وهبوط الضغط يتمدد الغشاء ليحقن الماء فورياً في الخط مانعاً حدوث الضغط السالب وتجويف البخار، وعند ارتداد موجة الضغط العالي ينضغط الغشاء ليمتص صدمة الضغط كزنبرك هيدروليكي فائق الكفاءة.

ما هي محابس التنفيس وكسر التخلخل (Air/Vacuum Valves) ودورها في الحماية؟

هي محابس هيدروليكية تركب عند النقاط المرتفعة من مسار الخط وفق AWWA M51؛ وظيفتها فتح مسار دخول كميات هائلة من الهواء الجوي فور حدوث ضغط سالب لكسر الفراغ ومنع انخساف الأنبوب، ثم طرد الهواء ببطء وتدريجياً عند عودة الماء لمنع حدوث مطرقة هوائية ثانوية.