ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
S e r ia : INŻYNIERIA SANITARNA z . 16 Nr kol. 278 ________1970
Zbigniew Bruliński, Lesław Preidl, Zbigniew Stefanko Katedra Wodociągów i Kanalizacji
BADANIA NAD ZABEZPIECZENIEM WŁAŚCIWEJ EKSPLOATACJI GRAWITACYJNYCH RUROCIĄGÓW WODOCIĄGOWYCH
Wieloletnie obserwacje pracy jednego z magistralnych ruro
ciągów na terenie Śląska w trakcie jego eksploatacji pozwoli
ły stwierdzić, że działanie tego rurociągu przebiega w sposób odbiegający od założonego i przewidzianego w projekcie.
Szczególnie uciążliwe w eksploatacji są powtarzające się na całej trasie awarie w postaci przecieków, wymagające sta
łej kontroli i napraw, a co najważniejsze powodujące częste przerwy w dostawie wody. Mając na uwadze poprawę warunków e- ksploatacji całego omawianego wodociągu autorzy przeprowadzi
li badanie uzupełniające, oraz w oparciu o analizę materiałów poawaryjnych starali się ustalić przyczyny tego stanu celem należytego zabezpieczenia rurociągu przed dalszymi awariami o- raz ustalenia wskazówek dla projektowania tego typu urządzeń.
Badany rurociąg grawitacyjny łączy stację wodociągową w której skład wchodzą obiekty:
a) zbiorniki wody surowej,
b) urządzenie do koagulacji wody, c) osadniki o przepływie poziomym, d) filtry pospieszne otwarte,
e) cblorownię z przepompownią wody, z której tłoczona jest ona do zbiorników terenowych.
224 Z. B r u l i ń s k ł , Ł. P r e i d l , Z. S t e f a n k o
Rurociąg ten o długości ok 15.5 km wykonany został z rur żelbetowych o długości 3.75 m o średnicy 1480 mm (o dopusz-
2
czalnym ciśnieniu roboczym 25000 kG/m ), wirowanych ze złą
czem kielichowym, usczelnionych pierścieniem gumowym..
Dla zabezpieczenia rurociągu przed uderzeniem hydraulicz
nym zgodnie z projektem wykonano na końcu rurociągu grawita
cyjnego żelbetowego wieżę ulgi o wysokości 20 m, której zada
niem byłaby likwidacja uderzenia hydraulicznego,oraz wstrzyma
nie przepływu przez osadniki i filtry w wypadku spiętrzenia wody w osadnikach do poziomu dopuszczalnego.
Badany rurociąg żelbetowy bierze swój początek w studzien
ce przelewowej na stacji wodociągowej. Obiekt ten eksploato
wany jest od 12 lat.
W miejscach przekroczenia cieków naturalnych zastosowano rury stalowe.
Rurociąg w punktach najniższych wyposażono w odgałęzienia spustowe 0 500 mm, natomiast w najwyższych punktach załomów pionowych założono odpowietrzniki. Rurociąg grawitacyjny za
kończony jest rurą rozdzielczą
<p
1500 mm, z którą bezpośrednio połączone są pompy tłoczące wodę z przepompowni do zbior
ników terenowych. Rurociąg na całej swej trasie ułożony jest w gruncie o różnej strukturze, wytrzymałości.oraz różnym stop niu nawodnienia. Długość odcinków wykonanych z rur ielbeto- wych wynosi 13.065 m, zaś stalowych 300 m.
Światło rur żelbetowych 14?4 mm, stalowych zaś 1490-1484 mm w zależności od grubości ścianki.Całkowita pojemność rurocią
gu wynosi 26500 m^. Przy założonej wydajności 1,8 m^/s śred
nia prędkość przepływu wynosi 1,05 W b. Zmienne są również spadki przewodu wahające się w granicach 0,83 do 327 °/oo,przy czym na niektórych odcinkach rurociąg posiada spadki odwrotne Odpowietrzniki w miejscach najwyższych są trzykulowe kołnie
B adania nad z a b e z p i e c z e n i e m w ł a ś c i w e j e k s p l o a t a c j i » . . 225
rzowe o średnicy 0 100 mm i służą do odpowietrzania przewodu, oraz jego napowietrzania w czasie opróżniania i napełniania.
Wykonane badanie, analiza pracy rurociągu żelbetowego oraz materiałów poawaryjnych pozwalają na przeprowadzenie wstępnej klasyfikacji oraz ustalenia czynników mających bezpośredni wpływ na występowanie awarii, a mianowicie:
i 1. Wady projektowe
2. Wady wykonawstwa 3. Wady materiałowe
4. Wynikłe ze struktury i jakości gruntu 5. Wynikłe z niewłaściwej eksploatacji
6. Wynikłe ze zmęczenia materiałowego, będącego skutkiem dłu
gotrwałej pracy rurociągu.
Czynniki te można sklasyfikować w dwu grupach:
grupa a) trudne do przewidzenia i usunięcie drogą zabezpieczeń (ujęte w punktach 2 i 3).
grupa b) możliwe do przewidzenia i zabezpieczenia (pkty 1.4.5.
6 . ) .
Problem należytego zabezpieczenia oraz zagwarantowania po
prawnej pracy rurociągu żelbetowego jest problemem znacznie po
ważniejszym, aniżeli w przypadku rurociągów z rur stalowych.Za
gadnienie zapewnienia ciągłości ruchu na rurociągu żelbetowym poprzez wyeliminowanie głównych przyczyn wywołujących awarie z uwagi na zadanie jakie on spełnia jest zagadnieniem nader waż
nym.
W 12-letnim okresie eksploatacji rurociągu żelbetowego stwierdzono około 50 awarii i uszkodzeń.
Drogą badań i sprawdzających obliczeń stwierdzono, że nad
mierny wzrost ciśnienia w rurociągu nie mógł być bezpośrednią przyczyną uszkodzenia przewodu.
226 Z. B r u l i ń s k i , L. P r e i d l , Z. S t e f a n k o
Wydatek rozpatrywanego rurociągu żelbetowego uzależniony bo
wiem jest od pracy pompowni, która w zasadzie nie ulega znacz
nym wahaniom.
Przeprowadzone badanie oporów przepływu w rurociągu pozwoli
ły stwierdzić zmienne na niektórych odcinkach prędkości prze
pływu, o bardzo nieznacznych granicach wahań spowodowane nie
kontrolowanym odpływem na trasie. W pracy 3 agregatów pompo
wych średnia prędkość przepływu wynosiła - 0 ,9 7 1 m/s, wydatek zaś - 1,654- m^/s, zaś w przypadku czynnych 4 pomp prędkość wy
nosiła 1,25 m/s wydatek 2 . 1 5 1 m^/s.
Według obliczeń dla tego typu obiektu maksymalny przyrost ciśnienia w przypadku gwałtownego ustania pracy wszystkich pomp wynieść winien 4-5,0 m sł.w., zaś przy wyłączeniu jednej z pomp 21,2 m sł. wody. Wyłączenie z ruchu 2 względnie 3 pomp- nie ma w omawianym przypadku miejsca. Biorąc pod uwagę istnie
nie na końcu rurociągu żelbetowego wieży ulgi nie można przewi
dywać powstawania przy uderzeniu hydraulicznym ciśnienia powy
żej ciśnienia nominalnego. Charakter jednak uszkodzeń przewodu skłania do przypuszczeń że permanentne zmiany ciśnienia choć w niedużym zakresie były jedną z przyczyn awarii.
W analizie przyczyn powstawania awarii wzięto również pod uwagę spadki profilu podłużnego rurociągu. W przeważającej wię
kszości wypadków bowiem awarie te wystąpiły na odcinkach o ma
łym spadku 0,0-3,5 °/oo oraz przy przejściu ze spadku dużego w mały^względnie przy przejściu z małego w duży spadek przeciwny 8-16 ° /o o . Znamienny jest również fakt, że prawie wszystkie a- warie miały miejsce w pobliżu zainstalowanych spustów (z dala od odpowietrzników), który można wyjaśnić zwiększonym ciśnie
niem w tych punktach wynikłym ze znacznej różnicy rzędnych po
sadowienia rurociągu. Na szczególną uwagę zasługuje zagadnie
B a da n i a nad z a b e z p i e c z e n i e m w ł a ś c i w e j e k s p l o a t a c j i . . .
nie opróżniania względnie napełniania rurociągu,« którym wpływ spadku z jakim ułożono poszczególne odcinki ma istotne znacze
nie.
Opierając się na obliczeniu przepustowości opartym na wyni
kach badań bezpośrednich - z porównania wielkości przepustowoś
ci poszczególnych odcinków wynika, że rurociąg powinien być na
pełniony przy wydatku nie przekraczającym pewnej wielkości kry
tycznej (który w przypadku badanego rurociągu) wyniósł 1,65 m ^ / s ).
Zasada ta winna obowiązywać przy napełnianiu rurociągu do momentu całkowitego wypełnienia przewodu tj. do chwili usunię
cia z niego powietrza. Od tego bowiem momentu rurociąg pracuje pod ciśnieniem, a jego wydatek zależeć będzie już jedynie od ciśnienia początkowego i wylotowego.
Powolne napełnianie rurociągu umożliwia przy stosunkowo nie
wielkim wzroście ciśnienia łagodny wpływ powietrza.
Brak należytej ilości odpowietrzników, względnie odpowietrz
ników o wystarczającej wydajności powoduje powstawanie podu
szek powietrznych wywołujących wahanie ciśnienia, a te z kolei powodują zmiany przepływu.
Dalszym czynnikiem, który niekorzystnie wpływa na pracę ru
rociągu jest zmienna wydajność pomp. Może ona bowiem zmieniać się w znacznych granicach, gdyż jak wynika z krzywej charakte
rystyki pomp wirowych zależy ona od wzajemnego układu geome
trycznych wysokości podnoszenie powstałych z różnicy rzędnych napełnienie zbiorników terenowych oraz rzędnych (względnie pod ciśnienia) po stronie ssawnej pomp.
Możliwość występowania tych zmian wydajności pomp w porówna
niu do zmian przepustowości rurociągu żelbetowego, występują
cych w zależności od aktualnie panującego ciśnienia na począt
ku i końcu rurociągu, powoduje pobór wody większy aniżeli wyno-
si przepustowość rurociągu żelbetowego. Istnienie takich sta
nów wobec stwierdzonej dużej przepustowości odcinka końcowego wywołuje przepływ o swobodnym zwierciadle i napowietrzenie ru
rociągu.
Wahanie c i ś n i e n i a (a w pewnych o k r e s a c h w y t w o r z e n i e p o d c i ś n i e n i a ) u j e m n i e wpływa na p ra c ę ru r ż e l b e t o w y c h .
ciągła bowiem zmiana ciśnienia w połączeniu z niezbyt ko
rzystnymi warunkami gruntowymi powoduje stałe ruchy w kieli
chach poszczególnych rur i niszczy stopniowo uszczelniający pierścień, powodując jego przesunięcie, a niekiedy nawet wyp
chanie na zewnątrz.
Wnioski te potwierdza zarówno ilość jak i charakter awarii powstałych w pobliżu spustów, gdzie ciśnienia są największe.
Uogólniając wyniki przeprowadzonej analizy można stwier
dzić, że awarie na tego typu rurociągach wynikają głównie (na
wet przy uwzględnieniu poprawnego wykonawstwa) na skutek wa
hań ciśnienia wywołujących naprężenie w złączach, które po pewnym okresie eksploatacji stają się mało szczelne,na skutek
1) zmiany wydajności pompowni przy zmiennej geometrycznej wysokości podnoszenia,
2) zmiany ciśnienia spowodowane włączaniem i wyłączanie»
agregatów pompowych,
3 ) na s k u t e k g w a ł t o w n eg o u n i e r u c h a m i a n i a pomp, 4 ) n i e o d p o w i e d n i m o d p o w i e t r z e n i e m r u r o c i ą g u ,
5) wadliwym wyborem t r a s y r u r o c i ą g u ( du ż e zmiany s padk ów) , 6 ) n i e w ł a ś c i w y m proce s em n a p e ł n i a n i a r u r o c i ą g u po j e g o o- p r ó ż n i e n i u .
P r z e c i w d z i a ł a ć tym n i e k o r z y s t n y m procesom można p r z e z : a ) budowę z b i o r n i k a wody p r z y pompowni o wy mi a r ac h , przy k t ó
r y c h zmi any wydatku n i e b ęd ą wpł ywał y na wa ha ni e poziomu.
228___________________________Z. B r u l i ń s l c i . Ł. P r e i d l . Z. S t e f a n k o
Badania nad z a b e z p i e c z e n i e m w ł a ś c i w e j e k s p l o a t a c j i . 229
b) budowę urządzeń za b e zp i e c z a j ą c y c h przed uderzeniem hydrau
licznym (pkt 3 ) ,
c) odpowiedni dobór i l o k a l i z a c j ę urządzeń odpowietrz ają cyc h (p. 4 ) ,
d) unikanie t r a s o dużej zmienności spadków ( 5 ) ,
e) ś c i s ł e sprecyzowanie warunków n ap e łn i a n i a i o p r ó ż n i a n i a r u ro c ią gu i podanie i c h w formie i n s t r u k c j i ruchowej.
S t r e s z c z e n i e
Wadliwa eksploatacja magistralnych przewodów wodociągowych może być przyczyną częstych awarii niekorzystnie wpływających na proces zaopatrzenia w wodę.
W o pa r ci u o przeprowadzone badania na r u r o c i ą g u g r a w i t a c y j nym, żelbetowym 0 1480 mm na t e r e n i e GOPu oraz a n a l i z ę p r a
cy całego układu wodociągowego j a k również m a t e r i a ł u poawaryj- ne przedstawiono w opracowaniu wnioski odnośnie pr zy cz yn pow
stawania uszkodzeń rur o ci ąg u oraz odpowiednie z a l e c e n i a d la e k s p l o a t a c j i .
230 Z. B r u l i n B k i , L. P r e i d l . Z. S t e f a n k o
KCCJIEflOBAHWH flO OBECHEHEHMfl HAflJIEMUEïï 3KCnJIOATAIJKK rPABKTAUUOHIIüIX BOflOTPOBOflOB
P e 3 d m e
HenpaBHJibHaa 3 K cnjiyaTai;H a MarncTpajiBHbix B O sonp oBoaoB MoæeT
Ô M T f c n p n u M H O M x i a c T b i x a B a p v i H , o T p H u a T e a b H O b j i h h e i h h x H a n p o u e c c B c a o c H a < 5 a c e h h h .
O n a p a a c b H a n p o B e ^ ë H H b i e H C C x e s c B H H H a r p a s H T a y H O H u o r o x e a e s o 6 e t o h h or o T p y 6 o n p o B O . u a <p 4 8 0 m m H a T e p p H T o p H H n p o M u m j i e H H o r o O x p y r a B e p x H e ü C H J i e 3 H H V F O IIJ , H a a H a j i H 3 p a ô o T b i B e e n c h c t s m h B O A O c H a ô x e H i i a , a T U K x e h ü M a T e p w a n u n o c a e a s a p n « , b p a a p a ô o x K e
B o n p o c a n p e s c T a B J i e H H n p e s J X O s c e H H H o th oc h T e a bh o n p n u H H b o3 Hh k h o- B eh h h n c B p e s a e H H H Tpy6onpOBO.ua, a T a x a s c o o T B e T C T B y i o 4 H e y i c a s a - h h h s j i h 3 K C n a y a T a u H H .
INVESTIGATIONS CONCERNING THE SECUFING OF A PROPER EXPLOITATION OF GRAVITATION WATER MAINS
S u m m a r y
The wrong use of main water pipes may be the cause of often demages which have an influence on the bad supply of water on the ground of carrid out investigations by means of a gravita»
tivy iron - concrete water-pipe 0 14-80 mm in the area of GOP and on the ground of work analyses of the whole water-pipe sys
tem as well as the pest - damage materials in the paper some conclusions concentry the causes of water-pipes damages and the proper instructions of their use have been presented.
