Als waterleidingen een knal hebben: alles over drukstoten in leidingen

In de vroege ochtend van 2 januari 1998 werden de bewoners aan de Fifth Avenue in New York City door een luide knal ruw uit hun slaap gewekt. Een hoofdwaterleiding van ongeveer 100 jaar oud met een diameter van 48 inch was gesprongen. Het gevolg: honderdduizenden liters water onderspoelden de weg in een mum van tijd en zorgden er zelfs voor dat de weg over een lange afstand volledig instortte. Bovendien sloegen uit een gaslek vlammen van ongeveer twee verdiepingen hoog.

Op 4 juli 2009 vielen na een spanningsdaling in het hele stadsgebied van Hamburg abrupt de pompen van 14 waterleidingbedrijven uit. Toen de pompen weer waren opgestart barstten in totaal 16 beschadigde waterleidingen, met enorme schade als gevolg.

Dit zijn slechts twee voorbeelden van gebeurtenissen die dezelfde oorzaak hadden: ongecontroleerde drukstoten in watervoerende leidingen (water hammer in het Engels). Het fenomeen is al sinds de oudheid bekend. Al honderd jaar voor Christus werd gemeld dat er waterslagen in Romeinse lood- en steenleidingen waren. Maar het was de Russische wiskundige Nikolai Joukowsky die als eerste vanaf 1887 uitgebreide experimenten en berekeningen uitvoerde, waaruit ook het begrip Joukowsky-stoot voor deze fysische gebeurtenis ontstond. Maar hoe ontstaat zo'n drukstoot en hoe kan je eventuele schade al in de planningsfase voorkomen?

Helemaal van slag: waar kunnen drukstoten optreden en hoe ontstaan deze?

In principe kan waterslag optreden in alle leidingen waarin vloeistoffen worden getransporteerd – dus bijvoorbeeld water, chemicaliën, thermische oliën, maar ook vloeibare levensmiddelen zoals melk en dranken.

In het algemeen wordt ervan uitgegaan dat vloeistoffen niet samendrukbaar zijn, dit in tegenstelling tot gassen die wel kunnen worden samengedrukt. Dat is echter niet helemaal juist. Ook vloeistoffen zijn minimaal samendrukbaar, maar veel minder dan gassen waardoor drukstoten ook niet in 'open' leidingen kunnen ontstaan.

Hoe ontstaat zo'n waterslag?

Een drukstoot ontstaat telkens wanneer de doorstroomsnelheid van een vloeistof in een leiding verandert, d.w.z. bij versnelling of vertraging. Een voorbeeld: als iemand in het gastentoilet de waterkraan volledig opendraait, kan er al snel 20 liter per minuut door de leiding stromen, en dat door relatief smalle leidingen zoals die op dergelijke plekken volgens DIN zijn aangebracht. Het gevolg: de stroomsnelheid van het water in de leiding kan oplopen tot meer dan 4 meter per seconde. Als de afsluiter nu snel wordt gesloten, wordt het water vóór de afsluiter opgestuwd. Er ontstaat een drukstijging en het front van de drukgolf verspreidt zich tegen de oorspronkelijke stromingsrichting in, vergelijkbaar met een biljartbal die tegen een band komt en teruggestoten wordt. Tegelijkertijd treedt er aan de uitgangszijde van de snel gesloten klep een drukvermindering op, die zich eveneens verspreidt, echter in de richting van de stroming.

De resulterende drukgolf in de leiding loopt nu tegen de oorspronkelijke stromingsrichting in totdat deze weer op een reflectiepunt stuit, bijvoorbeeld een plotselinge verandering in diameter, een T-stuk of een terugslagklep. Daar wordt de stoot opnieuw gereflecteerd en loopt net zo lang in het systeem heen en weer tot de drukgolf volledig is afgebouwd.

Ook lagere snelheden kunnen leiden tot zware beschadigingen door drukstoten als gevolg van een plotselinge verandering van de snelheid. Drukstoten in het huishouden zijn echter onbeduidend vanwege de geringe diameters en lengten.

Welke snelheden bereiken deze drukgolven?

Dit alles verloopt met zeer hoge snelheden en is afhankelijk van verschillende factoren. De temperatuur is er één, maar het materiaal van de leiding is van groter belang. Zo kunnen afhankelijk van het materiaal golfvoortplantingssnelheden tot 1200 m/s worden bereikt. (Ter vergelijking: de geluidssnelheid in droge lucht van 20 °C bedraagt 'slechts' 343,2 m/s.). De golfvoortplantingssnelheid kan met behulp van een formule nauwkeurig worden berekend:

Welke factoren spelen hierbij een rol?

Een vergelijking ontwikkeld door Joukowsky kan een eerste benadering zijn voor het berekenen van de stoot:

∆pJou = ρ · a · ∆v

∆pJou = Joukowsky-stoot = drukverandering in een vloeistof [N/m2]

∆v = snelheidsverandering

ρ = dichtheid van de vloeistof [kg/m3]

a = golfvoortplantingssnelheid in met vloeistof gevulde leiding  [m/s]

Wanneer men vereenvoudigde aannamen over de valversnelling en de golfvoortplantingssnelheid doet, ontstaat:

∆hJou = (a / g) · ∆v ≈ 100 ∙ ∆v

 ∆hJou = drukhoogteverandering [m]

g = valversnelling  [m/s2]

De sluittijden van een afsluiter spelen een essentiële rol

Abrupte verandering van de snelheid leidt tot maximale drukveranderingen, terwijl langzame verandering aanzienlijk lagere drukamplitudes tot gevolg heeft – en daarom als optie kan worden gebruikt voor de bescherming tegen niet-toegestane drukken.

Simpel gezegd: wanneer de vloeistof wordt afgeremd of versneld, wordt de kinetische energie in het systeem omgezet in drukenergie. Omdat zowel de vloeistof als de leiding gering samendrukbaar of rekbaar zijn, kunnen ze een fractie van de energie absorberen. De tijd tot de drukstoot wegebt hangt af van de aard van de leiding: materiaal, dikte en ruwheid van de binnenwanden, aangezien met name de energieomzetting in wrijvingswarmte voor 'wegebben' zorgt. Als vuistregel kan worden gezegd:

• Hoe sneller de doorstroom van een leiding wordt gestopt of versneld, hoe krachtiger de drukstijging of drukdaling is.
• En: hoe sneller de vloeistof zich vóór het afremmen heeft bewogen, hoe krachtiger de drukstijging of drukdaling is.

Medebepalend voor mogelijke beschadigingen door drukstoten is onder andere het leidingmateriaal

Gietijzer bijvoorbeeld is een nogal broos materiaal en daardoor bijzonder gevoelig voor storingen. Andere, meer rekbare materialen, zoals kunststof, absorberen de drukstoten beter zonder te springen (zie invloed van de elasticiteitsmodulus in de vergelijking hierboven). Maar ook zij kunnen beschadigd raken, net zoals kleppen, sprinklerkoppen en leidingverbindingen. Waterslagen kunnen ook een negatief effect hebben op leidingsteunen en pompfundamenten.

Zeer krachtig: wat zijn de gevolgen van een drukstoot?

Uit de voorbeelden die in het begin zijn beschreven, blijkt dat een drukstoot enorme gevolgen kan hebben. De kortstondige dynamische belasting in een koperen leiding van 12 mm kan bijvoorbeeld aanzienlijk hoger zijn dan 60 bar. Dit is zo hoog dat geen enkele vakman een dergelijke druk van een watervoerende huistechnische installatie in het kader van een lektest zou verlangen.* Drukdalingen tot stoomdruk zijn ook mogelijk – met mogelijke schade:

• Leidingen kunnen springen en afsluiters kunnen beschadigd raken
• Leidingbevestigingen kunnen losraken
• Pompen en hun fundamenten kunnen beschadigd raken
• Kunststof leidingen en dunwandige stalen leidingen kunnen zich vervormen
• Bij drukverlaging kan lucht of vuilwater via flens- en mofaansluitingen, stopbussen of lekkagepunten worden aangezogen
• Binnencoatings (cementmortelbekleding, kunststof) in leidingen kunnen afbarsten
• Afbreken van de waterkolom en macrocavitatie (samenslaan van gescheiden waterkolommen resp. slaan van een afgebroken waterkolom tegen een gesloten afsluiter)

Daarentegen lijken de 'normale' bijwerkingen van drukstoten haast onbeduidend: trillingen, slaande, rammelende of hamerende geluiden uit de waterleiding. Maar ook dat kan de nachtrust ernstig verstoren.

Hoe kunnen drukstoten worden voorkomen?

De drukstoot een demper geven: hoe kunnen waterslagen worden voorkomen?

Slecht nieuws: puur fysisch kunnen drukstoten niet worden voorkomen. Ze kunnen echter wel binnen de toegestane grenzen worden gehouden. En dat begint al in de planningsfase. De adviseur zou hier enige kennis over stromingsmechanica en over de ontwerpproblemen bij water- en verwarmingsinstallaties moeten inbrengen. Om waterslagen te voorkomen zijn de volgende parameters van cruciaal belang:

• het profiel van de leiding
• de lengte van de leiding
• het traagheidsmoment van de pomp (plus motor, koppeling, riemschijf, enz.)
• het leidingmateriaal en de afmetingen
• en de maximale capaciteit, het te verpompen medium en waterpeilen.

Uiteindelijk kan een installatie alleen tegen waterslagen worden beschermd door iemand die in staat is de ontstane druk in een leidingsysteem nauwkeurig te berekenen, de juiste conclusies uit deze berekeningen te trekken en de zojuist genoemde parameters dienovereenkomstig te plannen.

Bovendien zijn er enkele actieve veiligheidsmaatregelen die kunnen worden genomen om het systeem tegen drukstoten te beschermen:

• Met behulp van een frequentieregelaar kan het toerental van een pomp nauwkeurig worden geregeld – dat beschermt bijvoorbeeld tegen te snel uitschakelen van een pomp.
• Een zogenoemde 'softstarter' voorkomt te zware drukpieken door een toerengeregelde pomp voorzichtig te starten en uit te schakelen.
• Ook het correct openen en sluiten van kleppen is van cruciaal belang: hoe langzamer een klep wordt gesloten, hoe lager de drukstoot is. Dit kan bijvoorbeeld door hydraulisch ondersteunde kleppen worden bereikt.
• Overdrukafsluiters voorkomen mogelijke overdruk in de leiding. Vacuümveiligheidskleppen die aan de afvoerzijde van de afsluiter worden aangebracht, maken het mogelijk dat er, indien nodig, lucht in het systeem kan binnendringen om een vacuüm te voorkomen.
• Een grotere diameter vermindert de stroomsnelheden en daarmee ook de maximaal mogelijke snelheidsverandering als gevolg van een abrupte vertraging.
• Het leidingmateriaal is van zeer grote invloed op de hoogte van de golfvoortplantingssnelheid
• Een membraandrukreservoir is een reservoir met een 'luchtkussen' dat kan worden gecomprimeerd. Net als bij een luchtballon neemt het luchtkussen bij een drukstijging de ontstane energie op.

Los daarvan moeten aanvullend enkele factoren in acht worden genomen, zoals het aantal pompen, de omstandigheden bij normale stops en bij een mogelijke stroomuitval, het risico van vervorming, materiaalmoeheid en verstopping.

De druk uit de leiding verwijderen: samenvatting en conclusie

Drukstoten in leidingen ontstaan telkens wanneer de doorstroomsnelheid van een vloeistof min of meer abrupt verandert, bijvoorbeeld door een stop van de pomp of het sluiten van een klep. Omdat de leidingwanden weinig elastisch zijn, kan de verhoogde druk als gevolg van de opstuwing slechts in één richting worden verspreid: axiaal in de tegengestelde stromingsrichting. Radiale verspreiding wordt beperkt door de leidingwand of slechts marginaal toegestaan. De drukgolf wordt in het systeem verspreid, wat dramatische gevolgen kan hebben: schokken in de leiding, schade aan afsluiters, lekkages en zelfs grote leidingbreuken. 

Om dergelijke drukstoten tegen te gaan, zijn er een aantal maatregelen die kunnen worden genomen: van de juiste planning resp. ontwerp van de gehele installatie en het inbouwen van langzaam sluitende kleppen en mechanische waterslagdempers tot elektronische besturingsmodules voor pompen voor adequaat in- en uitschakelen. Er moet echter op worden gewezen dat er geen algemene oplossing bestaat: elk systeem heeft zijn individueel afgestemde beschermingsmaatregel nodig. Om een verwarmingsinstallatie drukstootbestendig te plannen, is dus veel kennis nodig. KSB helpt u graag bij het ontwerp, bijvoorbeeld met KSB EasySelect, onze ontwerpsoftware voor alle toepassingen.

* https://www.ikz.de/detail/news/detail/druckstoesse-im-trinkwassernetz/