Regulacja dławieniowa w rurociągach

Zasuwy

Zgodnie z przeznaczeniem i zaleceniami producentów zasuwy służą wyłącznie do odcinania przepływu w rurociągach, co oznacza, że mogą pracować w pozycji całkowicie otwartej lub całkowicie zamkniętej. Jednak podczas eksploatacji w stacjach uzdatniania wody, pompowniach i sieciach wodociągowych zasuwy używane są często również do regulacji (dławienia) przepływu. Konsekwencjami takich działań są istotne trudności w uzyskaniu pożądanych parametrów przepływu, pojawienie się kawitacji i związane z nią zniszczenia uszczelnień i metalowych elementów zasuw.

Dostępne jest obecnie wiele rozwiązań konstrukcyjnych zaworów zasuwowych. Można je podzielić według konstrukcji elementu zamykającego, tzw. klina. Wyróżnia się zasuwy z twardym uszczelnieniem klina oraz z uszczelnieniem miękkim. Pierwszy rodzaj zasuw (fot. 1) spotykany jest głównie w instalacjach przemysłowych, gdzie wysoka temperatura lub agresywność chemiczna mogłaby w szybkim tempie uszkodzić klin elastyczny. Wykonywane są najczęściej ze stali wysokogatunkowej (np. 316 wg AISI). Jednak zasuw z twardym uszczelnieniem klina nie stosuje się już obecnie w technice wodociągowej – ich miejsce zajęły zasuwy z klinem gumowanym wprowadzone do produkcji w latach sześćdziesiątych XX w. (fot. 2).

Charakterystyki hydrauliczne i kawitacyjne zasuw wodociągowych

W literaturze przedmiotu niewiele jest informacji o charakterystykach hydraulicznych i kawitacyjnych współczesnych zasuw wodociągowych. Producenci nie widzą potrzeby ich wyznaczania i ograniczają się do badań jakościowych podanych  w normie [9] lub innych badań wymaganych przez niezależne instytucje, takie jak np. GSK [12].

Zakładają oni bowiem, że zasuwy przeznaczone są do pracy w pozycji całkowicie otwartej lub całkowicie zamkniętej i nie służą do regulacji przepływu [2, 5]. Informacji na temat charakterystyk hydraulicznych szukać można w piśmiennictwie sprzed kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu lat [1, 6, 7, 13] i są to przede wszystkim prace wykonane w ośrodkach radzieckich i amerykańskich. Natomiast wyników badań kawitacyjnych szukać można m.in. w pracach Balla i Tullisa [3, 8].

Istnieje jednak wiele różnic konstrukcyjnych pomiędzy zasuwami z twardym uszczelnieniem klina, dla których dostępne są wyniki badań, a stosowanymi obecnie urządzeniami z klinem gumowym. Różnice te mogą mieć zasadniczy wpływ na właściwości hydrauliczne i kawitacyjne zasuw. Do najważniejszych należą [4]:

• konstrukcja klina zasuwy, w szczególności jego grubość i geometria (1 na rys. 1),
• konstrukcja przelotu zasuwy, w szczególności dolna część – zasuwa starego typu ma gniazdo, natomiast w nowym typie dno przelotu jest gładkie (2 na rys. 1),
• konstrukcja górnej części przelotu zasuwy: urządzenia starego typu przy pełnym otwarciu posiadają szczelinę pomiędzy korpusem zasuwy a dolną częścią klina, a w nowoczesnych zasuwach podniesiony klin ciasno przylega do korpusu zasuwy (3 na rys. 1);
• zasuwy starego typu mają przelot o jednakowej średnicy, natomiast w nowych zasuwach zmniejszono średnicę przelotu w okolicy płaszczyzny, w której porusza się klin.

Dążenie do poznania pełnych charakterystyk hydraulicznych oraz warunków pojawienia się i rozwoju kawitacji we współczesnych zasuwach wodociągowych wydaje się zatem w pełni uzasadnione. Na rys. 2 i 3 przedstawiono wybrane zależności uzyskane na podstawie wyników badań hydraulicznych i kawitacyjnych zasuw wodociągowych typu E produkcji Hawle z tzw. miękkim uszczelnieniem klina (w zakresie średnic od DN 40 do DN 100, o długości zabudowy F5 wg normy PN-EN 558-1:2008 [11], wykonanych z żeliwa klasy 400 wg normy PN-EN 1563:2000 [10], pokrytych wewnątrz i na zewnątrz powłoką EWS wg zaleceń GSK [12]).

Interpretacja wyników i wnioski

Na rys. 3 przedstawiono zmianę strumienia objętości dla różnych nastaw zaworu. Linia ciągła dotyczy przymykania zasuwy, linia przerywana – otwierania. Linia czerwona oznacza nastawę, przy której pojawia się zjawisko kawitacji. Wyniki badań dowodzą, że pojawienie się kawitacji zaczątkowej w zasuwach występuje przy przymknięciu ok. 60%, a kawitacja rozwinięta występuje przy przymknięciu ok. 80%.

Charakterystyki regulacyjne zasuw odbiegają znacznie od charakterystyki zaworu idealnie regulacyjnego, w związku z czym zasuwy nie mają właściwości przydatnych przy regulacji układu hydraulicznego. Efektywna regulacja zasuwą [4] rozpoczyna się od stopnia przymknięcia wynoszącego ok. 60%. Można zatem wnioskować, że ustawienie wymaganych parametrów dławienia jest nieprecyzyjne – przy stosunkowo niewielkim obrocie pokrętła zasuwy (niewielkiej zmianie położenia klina) uzyskać można dużą zmianę stopnia dławienia.

Ponadto efektywny zakres regulacji mieści się prawie całkowicie w obszarze, w którym występuje zjawisko kawitacji. Oczywiste jest więc, że efektywnej regulacji dławieniowej towarzyszyć mogą drgania, a określonej intensywności zjawiska kawitacji – erozja kawitacyjna, która może doprowadzić do uszkodzenia zasuwy. Zgodzić się należy zatem z opinią producentów dotyczącą braku możliwości stosowania zasuw do regulacji dławieniowej.

Przepustnice

Obecnie na rynku dostępne są przepustnice różnego typu. Wyróżniamy zawory przeznaczone do układów wodociągowych (fot. 3), a także wykonania specjalne do zastosowań przemysłowych, gdzie wymagana jest duża odporność chemiczna lub na wysoką temperaturę (fot. 4). W systemach wodociągowych przepustnice stosuje się m.in. w stacjach uzdatniania wody, pompowniach, a także na odcinkach sieci wodociągowych.

Charakterystyki hydrauliczne i kawitacyjne przepustnic

Producenci przepustnic dopuszczają stosowanie zaworów tego rodzaju do regulacji. W kartach katalogowych oraz literaturze przedmiotu znaleźć można liczne charakterystyki. Podaje się zależności współczynnika oporu oraz krytycznej liczby kawitacji od względnego otwarcia przepustnic (rys. 4 i 5). Analiza przedstawionych zależności pokazuje znaczące różnice między charakterystykami zasuw i przepustnic. Zależności współczynnika oporu od stopnia przymknięcia przepustnicy mają przebieg zbliżony do zaworu idealnie regulacyjnego. Przepustnice całkowicie otwarte mają mniejszą wartość współczynnika oporu niż całkowicie otwarte zasuwy. Z krzywej przedstawiającej zależność krytycznej liczby kawitacji od stopnia przymknięcia zaworu wynika, że najwyższa podatność przepustnicy na kawitację występuje przy przymknięciach między 0 a 30o. Podkreślić należy, że w tym zakresie uzyskuje się duży stopień dławienia, dlatego nastawy takie stosowane są sporadycznie. Przedstawione charakterystyki potwierdzają zatem słuszność stosowania przepustnic do regulacji przepływu.

Podsumowanie

Porównanie charakterystyk hydraulicznych zasuw i przepustnic pozwala sformułować wniosek, że możliwości regulacyjne zasuw są znacząco ograniczone. Charakterystyki hydrauliczne zasuw mają przebieg zbliżony do wykresu funkcji wykładniczej. Najbardziej efektywny zakres dławienia występuje przy przymknięciu zasuw większym niż 60%, natomiast charakterystyki kawitacyjne pokazują, że od tego stopnia przymknięcia może pojawiać się kawitacja rozwinięta. Uzasadnione jest więc informowanie projektantów i użytkowników układów wodociągowych, że w miejscach, gdzie może wystąpić konieczność regulacji dławieniowej, należy zamiast zasuw zastosować przepustnice lub inne zawory o korzystnej charakterystyce regulacyjnej i kawitacyjnej.

Oba wymienione typy zaworów to niezbędne wyposażenie układów wodociągowych, ważne jest więc, aby były one stosowane tylko zgodnie z przeznaczeniem. Przyczyni się to do długotrwałej i bezawaryjnej pracy całego układu.

Literatura

1. Altsul A.D., Gidravliceskie soprotivlenija, Nedra, Moskwa 1982.
2. Bagieński J., Kawitacja w urządzeniach wodociągowych i ciepłowniczych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1998.
3. Ball J.W., Tullis J.P., Predicting Cavitation in Sudden Enlargements, „Journal of the hydraulic division”, Jul. 1975.
4. Dudziak A., Warunki pojawienia się i rozwoju kawitacji w zasuwach wodociągowych, rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań 2010.
5. Gosztowtt L., Rurociągi i armatura, PWT, Warszawa 1956.
6. Idelcik I.E., Spravocnik po gidravliceskim soprotivlenijam, Masinostroenie, Moskwa 1975.
7. Jansin B. I., Gidrodinamiceskie charakteristiki zatvorov i elementov truboprovodov, Masinostroenie, Moskwa 1965.
8. Tullis J.P., Cavitation scale effects for valves, „Journal of the hydraulic division”, Jul. 1973.
9. PN-EN 1074 -2:2002/A1:2005 Armatura wodociągowa. Wymagania użytkowe i badania sprawdzające. Część 2: Armatura zaporowa.
10. PN-EN 1563:2000 Odlewnictwo. Żeliwo sferoidalne.
11. PN-EN 558-1:2008 Armatura przemysłowa. Długości zabudowy armatury metalowej prostej i kątowej do rurociągów kołnierzowych.
12. Międzynarodowe Stowarzyszenie Ochrony Antykorozyjnej, www.gsk-online.de.
13. Thorley A.R.D., Fluid transients in pipeline systems, D&L George Ltd., 1989.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!