Предохранительная арматура на водоводах и водопроводных сетях

Воздух, скапливающийся в водоводах при эксплуатации, уменьшает их пропускную способность, нарушает работу насосов и является одной из причин гидравлических ударов при аварийном отключении насосной станции или разрыве трубопровода. Вакуум, образующийся в водоводах вследствие аварии или при их опорожнении, также может привести к гидравлическому удару и разрушению водовода (при больших диаметрах и тонкостенных трубах). Воздух, скапливающийся в повышенных точках водовода, может проникать через негерметичные уплотнения насосов или всасывающих трубопроводов, выделяться из воды при снижении давления или нагревании трубопровода солнцем или другим источником тепла. Воздух также может быть не полностью удален из водовода в период его первоначального заполнения или возобновления работы после кратковременного отключения насосной станции.

Для автоматического удаления воздуха из водовода, а также для впуска в водовод небольших объемов воздуха применяются клапаны, называемые эксплуатационными вантузами.
Эксплуатационный шаровой вантуз состоит из цилиндрического чугунного корпуса с верхним и нижним фланцами. К верхнему фланцу прикрепляются чугунная крышка с центральным отверстием для выпуска воздуха и зонт-крышка. В отверстие вставляется резиновая втулка с отверстием диаметром 5 мм. Внутри корпуса помещен полый полиэтиленовый шар.

При отсутствии воздуха в трубопроводе вода поднимает плавающий шар и прижимает его к отверстию втулки. Закрытие отверстия шаром обеспечивается вследствие разности между внутренним давлением в трубопроводе и атмосферным давлением. При скоплении воздуха в верхней части вантуза уровень воды понижается, шар вместе с водой опускается, отверстие втулки открывается и воздух выходит наружу. По мере выхода скопившегося воздуха уровень воды поднимается и шар всплывая перекрывает собой отверстие втулки.

Эксплуатационные вантузы устанавливают в повышенных точках (перелома профиля) водоводов. Как показывают исследования, через обычные патрубки диаметром 50—100 мм воздух только частично попадает в вантуз, значительная же часть воздуха увлекается водой дальше по водоводу. Для обеспечения наиболее полного удаления воздуха из водоводов вантузы необходимо устанавливать на патрубках-воздухосборниках.

Исследованиями установлено, что вантузы, изготовляемые промышленностью, способны выпускать воздух при давлении, не превышающем 0,23 МПа. Из-за последнего обстоятельства существенно сужается область их применения, так как обычно давления в системах водоснабжения выше. Расчетные значения давления, при которых шаровые вантузы работоспособны, подтверждены экспериментально на стенде.

Для впуска воздуха при плановом или аварийном опорожнении водовода и для выпуска воздуха при заполнении всего водовода или отдельных его участков, когда необходимо удалить или впустить большие объемы воздуха, используются автоматические клапаны для впуска и выпуска воздуха (КВВВ). Клапан состоит из вертикального стального корпуса, к которому с помощью фланцевого соединения прикрепляется выпускной патрубок, перекрываемый тарелью, жестко соединенной с двумя шаровыми поплавками. Поплавки устанавливаются на рычагах симметрично относительно выпускного патрубка и имеют возможность совместно с тарелью вращаться относительно оси. Для выпуска воздуха после закрытия выпускного патрубка тарелью, а также для удаления воздуха, скапливающегося в корпусе КВВВ в процессе эксплуатации водовода, на выпускном патрубке установлен рычажный вантуз. Крышка предназначена для эксплуатационного обслуживания клапана без демонтажа его с водовода. Для ограничения крайнего положения поплавков при открытии клапана предусмотрены упоры. Решетчатый рассекатель потока предохраняет устройство от воздействия направленного потока воздуха и воды в момент завершения выпуска воздуха. Клапан устанавливается на водоводе вертикально с помощью установочного патрубка.

В процессе заполнения трубопровода воздух поступает в корпус клапана. Тарель клапана под тяжестью шаровых поплавков находится в открытом положении, и вытесненный водой воздух выходит в атмосферу через выпускной патрубок. По мере заполнения водовода уровень воды в корпусе КВВВ поднимается, поплавки всплывают, поворачивая тарель, которая перекрывает выпускной патрубок. Воздух, поступающий в корпус КВВВ после закрытия тарели, удаляется вантузом.

Клапаны для впуска и выпуска воздуха устанавливают в повышенных точках перелома профиля водоводов, а также на каждом ремонтном участке водовода, имеющем выпуск.

Вакуум, образующийся в водоводах вследствие аварии или при плановом их опорожнении, может привести к гидравлическому удару и разрушению водовода. При этом возникает необходимость впуска воздуха. Для этого служат клапаны для впуска и защемления воздуха (КВЗВ), иначе называемые противовакуумными.

Известные пружинные и рычажные клапаны для впуска и защемления воздуха имеют ряд серьезных недостатков, поэтому во ВНИИ ВОДГЕО была исследована возможность использования обычных однодисковых обратных клапанов для впуска и защемления воздуха с целью смягчения гидравлического удара. Обратные клапаны для указанного устройства должны быть однодисковыми с шарнирной подвеской и мягким уплотнением, не допускающим пропуска воды. Обратные клапаны со смещенной осью диска для указанных устройств непригодны.

Клапан состоит из установочного фланца, на котором размещен впускной патрубок, перекрываемый тарелью, подвешенной на горизонтальной оси. При возникновении вакуума тарель клапана под действием разности давлений открывается, обеспечивая впуск воздуха. Для безопасности находящегося в колодце обслуживающего персонала на установочном фланце крепится предохранительная сетка.

После срыва вакуума и выравнивания давления внутри и снаружи трубопровода тарель клапана под действием собственного веса закрывается, не допуская выхода впущенного воздуха. Последующее сжатие этого воздуха смягчает протекание процесса гидравлического удара. Клапаны конструкции ВНИИ ВОДГЕО по сравнению с клапанами промышленного изготовления с односторонней подвеской диска имеют меньшую массу, обеспечивают более плотное закрытие и открытие при меньшем вакууме.

С целью обеспечения эффективной работы клапанов КВЗВ необходимо правильно разместить их да водоводе, т. е. в местах, где может образоваться вакуум. Для этого производят расчет гидравлического удара при аварийном отключении насосной станции. На основании предварительного анализа выбирают точки наиболее вероятного образования вакуума, где и устанавливают КВЗВ. Методика расчета размещения на водоводах КВЗВ подробно изложена в литературе.

Установка на водоводах предохранительной арматуры способствует предотвращению или уменьшению силы гидравлического удара. Одной из самых серьезных причин возникновения гидравлического удара на водоводах является выключение из работы насосов вследствие аварийного отключения электроэнергии. В этом случае вода по инерции .продолжает двигаться в прежнем направлении, а понижение давления, вызванное остановкой насосов, распространяется по трубопроводам от насосной станции. Под действием разности давления в водоводе и у насосной станции возникает обратный поток воды, который закрывает обратный клапан у насосов. Так как обратный клапан обладает заметной инерционностью, то его закрытие происходит уже при достаточно большой скорости потока. Остановка воды при закрытии обратного клапана вызывает гидравлический удар.

Существует ряд способов уменьшения величины повышения давления при гидравлическом ударе: применение гидроколонн, установка на нососной станции гидропневматических баков, пропуск воды по обводу у обратного клапана и возвращение ее в водоисточник и др. Однако эти способы не всегда целесообразно использовать по технико-экономическим соображениям. В отечественной и зарубежной практике широко применяется так называемый гаситель гидравлического удара. При нормальной его регулировке, систематической (раз в 2—3 мес) проверке и наладке гаситель достаточно эффективно и экономично снижает величину гидравлического удара.

Существует много различных конструкций гасителей гидравлического удара, имеющих один и тот же принцип работы: сброс части воды из водовода, способствующий снижению давления при его возрастании в начальной стадии гидравлического удара. Ниже в качестве примера приводится описание одной из конструкций гасителя гидравлического удара, выпускаемого промышленностью.

Гаситель гидравлических ударов устанавливается на отводах от водовода. Гаситель состоит из корпуса с подводящим и отводящим патрубками, мембранного исполнительного механизма, пружины, водовоздушной емкости, клапана расхода и датчика давления. Запорный клапан с уплотнением жестко присоединен к мембране исполнительного механизма, закрепленной между корпусом и водовоздушной емкостью. Клапан расхода предназначен для ускорения первоначального заполнения емкости и отключения ее от водовода при заданном давлении (обычно несколько ниже рабочего давления в водоводе). Датчик давления служит для обеспечения работы гасителя в режиме ограничителя повышений давления сверх допустимого предела по условиям работы водоводов при небольших скоростях изменения давления в последних. Передача изменений давления от подводящего патрубка к датчику давления осуществляется по импульсной трубке, а в емкость — дополнительно через дроссельную кольцевую щель, образуемую перегородкой и клапаном датчика давления. Пружины клапана расхода и датчика давления на заданное давление настраиваются с помощью регулировочного винта.

Подготовка к работе и работа гасителя гидравлических ударов происходят следующим образом. Перед началом эксплуатации гаситель заполняется водой или путем открытия задвижки, или одновременно с заполнением водовода, если задвижка открыта. В этом случае при медленном повышении давления в патрубке и плавном заполнении гасителя запорный клапан удерживается в закрытом положении пружиной в результате действия собственного веса. Быстрое повышение давления и большая скорость потока воды в патрубке вызывают подъем клапана и частичный сброс воды до тех пор (не более 2 мин), пока вода через клапан расхода не заполнит емкость, сжимая и защемляя находившийся в ней воздух. При выравнивании давления воды в подводящем патрубке и емкости происходит герметичное прикрытие запорного клапана в патрубке, после чего гаситель готов к работе.

В случае возникновения гидравлического удара, начинающегося с волны повышения давления, происходит быстрый подъем запорного клапана и мембранного исполнительного механизма вследствие сжатия защемленного воздуха в емкости и разности давлений, действующих на запорный клапан в патрубке и на мембрану в емкости. Это обусловливается тем, что повышение давления воды в патрубке сразу же воспринимается запорным клапаном, а в емкость оно передается с запаздыванием через импульсную трубку и дроссельную кольцевую щель.

В том случае, когда гидравлический удар начинается с волны понижения давления, происходит постепенное уменьшение давления воды в емкости и при достижении давления, на которое настроена пружина клапана расхода, последний открывается. Это позволяет путем частичного сброса воды из емкости быстро выравнивать давление в ней с давлением в патрубке, вследствие чего при подходе волны повышенного давления запорный клапан уже подготовлен к сбросу воды, так как противодавление в емкости будет минимальным. При возникновении гидравлического удара с разрывом сплошности потока воды, т. е. при образовании вакуума в патрубке, запорный клапан открывается в результате действия на нижнюю часть мембраны исполнительного механизма атмосферного давления со стороны выходного патрубка.

Кроме гасителей гидравлических ударов для ограничения давления в водоводе можно применять разрывные металлические мембраны — предохранительные диафрагмы, которые широко используются на нефтепроводах. В случае гидравлического удара разрушаются диафрагмы как наиболее слабое место, происходит сброс воды и онижение давления в водоводе. Следует отметить невысокую точность срабатывания мембран и необходимость предусматривать установку под ними дополнительной запорной арматуры с ручным или (желательно) с автоматическим управлением.