Połączenia blokowane przewodów żeliwnych

Ze względu na trudności w umiejscowieniu bloków oporowych w gęstej infrastrukturze podziemnej miast kielichowe połączenia blokowane stosowane są nie tylko w przewodach żeliwnych. Jednak to w przypadku rur z żeliwa sferoidalnego występują najczęściej. Stosowane są nawet przy budowie linii przesyłowych wody pod przeszkodami metodą wiercenia sterowanego, a z krótkich odcinków możliwe jest budowanie rur ochronnych, które w razie potrzeby mogą być wyciągane w odcinkach od kielicha do kielicha i rozłączane. Z uwagi na szerokie zastosowanie połączenia te zasługują na osobne omówienie.

Rys historyczny

Infrastruktura podziemna, zwłaszcza w miastach, to zbiór instalacji z różnych lat i okresów. Od XVI wieku przewody z żeliwa szarego stosowane były do budowy systemów zaopatrzenia w wodę zamków niemieckich, a następnie francuskich. Początkowo przewody żeliwne odlewane były wyłącznie w pionowych formach, co wymagało zachowania znacznej grubości ścian. W 1920 roku po raz pierwszy zastosowano odśrodkową technologię odlewania w formach poziomych – jest ona z pewnymi modyfikacjami stosowana do dziś.

Kolejnym rewolucyjnym krokiem w produkcji rur żeliwnych było wynalezienie żeliwa sferoidalnego, w którym grafit wytrąca się w postaci kulek, a nie nieregularnych form o ostrych brzegach. Sam wynalazek żeliwa sferoidalnego datuje się na rok 1945. Jednak dopiero w latach 70. zostało ono upowszechnione i obecnie całkowicie wyparło żeliwo szare z produkcji przewodów wodociągowych. Powodem jest dwukrotnie większa wytrzymałość żeliwa sferoidalnego na rozciąganie przy tej samej wytrzymałości na ściskanie.

Przewody z żeliwa szarego o tej samej średnicy i przy tym samym ciśnieniu nominalnym wymagały dla dużych średnic dwukrotnie grubszych ścianek niż wykonane ze stali przewodowej. Natomiast obecnie rury z żeliwa sferoidalnego mają grubość ścian identyczną jak stalowe i dlatego już w 2005 roku udział żeliwa szarego w budowie nowych sieci wodociągowych był w Polsce niewielki [5], a od 1992 roku zmalał dziesięciokrotnie, podczas gdy udział żeliwa sferoidalnego w nowych budowach w tym samym czasie tylokrotnie wzrósł.

Strukturę materiałową nowo budowanych przewodów podano w tab. 1 na podstawie danych zawartych w [6].

Przewody żeliwne są studzone zewnętrznie wodą w obracającej się formie odlewniczej i dlatego w pobliżu krawędzi zewnętrznej świeży odlew zawiera dużo drobnych wytrąceń grafitu i poprawienie jego struktury wymaga zastosowania kilkugodzinnego procesu wyżarzania. W tym czasie rozżarzona powierzchnia przewodu jest w kontakcie z powietrzem, które zawiera wilgoć, co powoduje pokrycie się powierzchni rur cienką warstwą produktów korozji.

Obserwacje pod skaningowym mikroskopem elektronowym z zastosowaniem przystawki EDS do badania składu powierzchni obserwowanych prób materiału wykazały, że w rzeczywistości produkty te składają się z dwóch cienkich warstw o nieco różnym składzie chemicznym i, co istotne, są one zazwyczaj oddzielone pęknięciem [9].

Fakt ten spowodował wyraźny podział metod ochrony zewnętrznej powierzchni przewodów żeliwnych między producentów europejskich i amerykańskich:

• pierwsi stosują normę ISO [7] i rozpoczynają nakładanie zewnętrznych warstw ochronnych od ogniowego cynkowania w ilości nie mniejszej niż 200 g/m² cynkiem o czystości co najmniej 99,99%, a w gruntach silnie korozyjnych stopem Zn/Al, wagowo odpowiednio 85 i 15%;

• w drugim przypadku nakłada się nie mniej niż 400 g/m² przewodu.

Przy ogniowym cynkowaniu z dodatkiem aluminium (glinu) istotne jest umieszczenie w łuku elektrycznym tylko jednego drutu ze stopu cynku i aluminium. Umożliwia to bardziej równomierny skład warstwy ochronnej, niż gdyby zastosowano dwa odrębne druty: jeden cynkowy, a drugi aluminiowy.

Według wyników pomiarów przeprowadzonych przez producentów przewodów żeliwnych szybkość korozji przewodu chronionego powłoką cynkowo-aluminiową jest początkowo większa, a następnie mniejsza niż w przypadku zastosowania wyłącznie pokrywy cynkowej.

W ostatnich latach dodaje się również nieduże ilości miedzi, żeby przeciwdziałać korozji mikrobiologicznej. Muszą to być ilości niewielkie, gdyż w elektrolitach wodnych cynk jest anodą w połączeniu z żelazem, przez co korozja jest w miarę równomiernie rozłożona na powierzchni przewodów, a miedź stanowiłaby katodę, co groziłoby powstaniem korozji wżerowej.

To, czy pęknięcia w warstwie produktów korozji powstałych w wyniku wyżarzania nie utrudniają biernej ochrony katodowej, którą zapewnia połączenie w środowisku wodnym żelaza i cynku, jest fascynującym zagadnieniem badawczym.

Czytaj też: Jakość przewodów z żeliwa sferoidalnego i ich warstw ochronnych >>>

Oddział badawczy amerykańskich producentów rur z żeliwa sferoidalnego DIPRA (Ductile Iron Producers Research Association) prezentuje inny pogląd, zgodnie z którym powstałe po wyżarzeniu produkty korozji stanowią co prawda naturalną powłokę ochronną przewodów żeliwnych, ale jako podkład nie gwarantują odpowiedniej stabilności dla ściśle przylegających warstw ochronnych, dlatego w USA stosowane są często worki polietylenowe o długości większej od długości rur. Worki te są połączone szczelnymi zamknięciami w postaci taśmy przylepnej. Jednakże na eksport producenci amerykańscy wytwarzają przewody żeliwne z zewnętrzną powłoką cynkową i oczywiście dodatkowymi warstwami zabezpieczającymi.

Wewnątrz przewody są standardowo chronione wyprawą cementową, a dla małych średnic w zastosowaniu do wód o niskiej zasadowości ogólnej natryskiem z poliuretanów lub żywicy epoksydowej.

W kielichu nie ma miejsca na wyprawę cementową, zatem są one cynkowane. Wewnątrz kielichów odlane są wszystkie informacje wymagane przez normę PN-EN 545:2010 [7], a na rurze – na zewnątrz – jedynie w celach promocyjnych umieszczana jest nazwa producenta i średnica przewodu [4].

Wraz z rozwojem technologii tworzenia właściwej struktury żeliwa sferoidalnego oraz warstw ochronnych, a także udoskonalaniem ochrony katodowej połączenia rur kielichowych przeszły rewolucyjne zmiany.

Kiedyś przewody te łączone były z zastosowaniem sznura konopnego i ołowiu. W kielichu znajdowało się trójkątne zagłębienie na całym obwodzie, które musiało zostać wypełnione ołowiem, aby uszczelnienie nie zostało wypchnięte na zewnątrz przez parcie od transportowanej wody. Połączenie takie stawało się nieszczelne po zmianie położenia względem siebie kąta pomiędzy osiami kolejnych przewodów, a takie zmiany położenia mogły spowodować ruchy ziemi w czasie jej zamarzania pomimo ułożenia przewodów poniżej strefy zamarzania. Świadczy o tym najwyższa awaryjność przewodów zbudowanych z rur żeliwnych, która występuje w czasie zamarzania i odmarzania gruntu. Jedynie w czasie najmroźniejszych i bezśnieżnych zim jest ona największa w czasie największych spadków temperatury.

W czasie gdy stosowano rury z żeliwa szarego łączone sznurem i ołowiem na odcinkach tranzytowych, dopuszczalny był jedynie montaż przewodów z zachowaniem kierunku przepływu od kielicha do końca bosego.

Obecnie warunek taki nie tylko jest zbędny, byłby w dodatku niemożliwy do spełnienia, gdyż zmiany kierunku odbywają się z zastosowaniem kolan dwukielichowych.

Aktualnie połączenia kielichowe z uszczelkami elastomerowymi w zależności od średnicy i producenta zachowują szczelność przy zmianie o kilka stopni kąta zawartego pomiędzy osiami kolejnych przewodów rurowych.

Na fot. 1 (zdjęcie tytułowe) pokazano przykładowe stanowisko do badania szczelności tych połączeń w próbie powietrznej.

Należy pamiętać, że z uwagi na szczelność rur żeliwnych nie przecina się ich w odległości mniejszej niż 1,5 m od kielicha i dla dużych średnic należy dla połączenia przecinać wyłącznie rury wyselekcjonowane przez producentów do tego celu. Są to przewody, w przypadku których sprawdzono, że skurcz odlewniczy pozwala na wykonanie szczelnego połączenia na całej ich długości [5].

Bloki oporowe

Bloki oporowe instaluje się przy zasuwach, zmianie kierunków ułożenia przewodów wodociągowych, na ich rozgałęzieniach, na końcówkach przewodów do wykonania próby ciśnienia, a także przy znacznej zmianie średnicy przewodów. Nie dla każdej średnicy i każdego kąta zmiany kierunku przepływu bloki oporowe albo połączenia blokowane są niezbędne przy połączeniach kielichowych.

Wycofana norma BN-81/9192-05 [2] w następujący sposób regulowała te wymagania na terenach wiejskich:

• przy kącie zmiany kierunku o 22º30’brak konieczności zastosowania bloku do średnicy nominalnej 300 mm,

• przy kącie 30º – do 250 mm,

• przy kącie 45º – do 150 mm,

• przy kącie 90º – do 80 mm, podobnie jak w przypadku trójników.

Wymiary bloków prefabrykowanych precyzowała dawniej norma BN-81/9192-04 [1]. Pomimo wycofania tych norm są one w dalszym ciągu wykorzystywane przez projektantów.

Powierzchnię styku gruntu z blokiem oporowym w przypadku zasuwy oblicza się z zastosowaniem współczynnika bezpieczeństwa, tak aby grunt był w stanie przenieść największe możliwe parcie na serce.

Obliczenia parcia na bloki założone przy zmianie kierunku o kąt α prowadzi się z pominięciem sił hydrodynamicznych występujących w czasie przepływu, co niezmiernie upraszcza wymiarowanie powierzchni bloku do zapewnienia odparcia przez grunt siły wypadkowej równej:

gdzie:
d_w – wewnętrzna średnica przewodu,
α – kąt, o który zmieniono kierunek przebiegu przewodu,
p – najwyższe możliwe ciśnienie.

Dla przewodów żeliwnych średnica wewnętrzna jest nominalną. Podobnie przy zmianie średnicy przewodu pomija się siłę hydrodynamiczną wynikającą z różnicy pędów przed i po zmianie średnicy wewnętrznej przewodu, a więc blokiem oporowym równoważy się z naddatkiem jedynie różnicę parć hydrostatycznych równą:

gdzie:
d_w1 i d_w2 – średnice wewnętrzne przewodów.

Przestrzeń pomiędzy blokiem a przewodem zalewana jest betonem dla rur żeliwnych, a oddzielona od betonu grubą folią przy zastosowaniu rur z PVC. Zamiast bloków oporowych w rurociągach kielichowych z tworzyw sztucznych w uzasadnionych przypadkach można stosować: opaski i dwupierścieniowe jarzma obejmujące kielichy rur i kształtek lub ściągi złożone z dwóch opasek, połączone między sobą kotwami.

Dla przewodów GRP opracowano również połączenia blokowane Biaxial FLOWTITE, które wymagają zastosowania połączeń blokowanych z każdej strony łuku zmiany kierunku na przewodach o długości zależnej od kąta zmiany kierunku, ciśnienia i średnicy, ale nie mniejszej niż 12 m.

Na kolejnej stronie omówione zostaną wyłącznie połączenia blokowane (nierozłączne) przewodów żeliwnych.

Połączenia blokowane

Połączenia blokowane przewodów żeliwnych dla niedużych ciśnień mogą wykorzystywać zatopione w uszczelce elastomerowej zęby ze stali nierdzewnej, co pokazano na fot. 2.

Na zdjęciu widać przykładowe połączenie STANDARD Vi, ale podobnie skonstruowane są połączenia TYTON-Sit, BRS, TYTON Sit-Plus i inne.

Umieszczone w uszczelce pierścienie ze stali nierdzewnej mogą być założone również w zewnętrznej komorze kielicha, tak jak to pokazano na fot. 3 na przykładzie połączenia UNIVERSAL Vi.

Podobną konstrukcję mają połączenia TYTON Novo-Slit. Połączenia te stosowane są w zakresie średnic od 60 do 600 mm i ciśnień PFA poniżej 60 barów (dla średnicy nominalnej 80 mm), do 16 barów dla średnicy nominalnej 600 mm.

Tabela 2 przestawia dopuszczalne ciśnienia dla poszczególnych średnic nominalnych.

W konstrukcjach niektórych producentów zewnętrzna komora na uszczelkę z pazurami ze stali nierdzewnej jest przymocowywana kotwami lub śrubami do jednokomorowego kielicha przewodu rurowego.

W połączeniu EXPRESS New Vi (fot. 4) pojedyncza komora na uszczelkę z pazurami ze stali nierdzewnej jest dociśnięta za pomocą pierścienia z kotwą śrubową. Połączenie to można zatem sklasyfikować jako dławicowe blokowane.

Rozwiązanie to stosowane jest w zakresie małych średnic, od 60 do 300 mm, i ciśnień PFA od 16 do 25 barów.

Czytaj też: Badania rozbiorów wody w kontekście poprawności doboru wodomierza głównego na przykładzie wybranych budynków wielorodzinnych >>>

Garby napawane

Drugą rodziną rozwiązań połączeń blokowanych są konstrukcje oparte na zastosowaniu żeliwnych lub stalowych pierścieni blokujących oraz napawanego garbu na końcu bosym przewodu rurowego.

Rozwiązanie takie pokazano na fot. 5 na przykładzie połączenia UNIVERSAL Ve stosowanego dla średnic od 100 do 1200 mm i ciśnień PFA 64–24 bary, w zależności od średnicy.

We wszystkich połączeniach blokowanych największe dopuszczalne ciśnienia PFA odpowiadają najmniejszym średnicom, a najmniejsze największym. W tym przypadku w kielichu przewodu zlokalizowano dwie komory – jedną na uszczelkę elastomerową i drugą na blokady oparte na garbie napawanym.

Żeby taką blokadę założyć, potrzebny jest dostęp z zewnątrz do tej komory oraz takie zabezpieczenie pozycji blokad, aby nie wysunęły się one na zewnątrz zewnętrznej komory kielicha, do której zostały włożone.

Elementy konstrukcji, które zapewniają, pozostanie pierścieni blokujących w komorze, noszą nazwę zatrzasków. Podobną konstrukcję ma np. połączenie BLS.

Druga komora, na pierścień blokujący, jest w niektórych konstrukcjach doczepiana do pierwszej za pomocą kotew śrubowych, co pokazano na fot. 6. Połączenie STANDARD Ve jest stosowane w zakresie średnic od 80 do 1200 mm i ciśnień od 16 do 64 barów, zależnie od średnicy.

Podsumowanie

Połączenia blokowane stosowane są powszechnie przez producentów przewodów rurowych z różnych materiałów.

W artykule dokonano przeglądu różnych konstrukcji tych połączeń w przypadku ich zastosowania do przewodów żeliwnych. Skupiono się na wzorach europejskich.

Nieco odmienne konstrukcje, oparte jednak na tych samych rozwiązaniach podstawowych, stosują producenci amerykańscy (normy ANSI/AWWA C151/A21.61 – ANSI/AWWA C110/A21.10 i C153/A21.53). Konstrukcje te pozwalają na odchylenie osi sąsiadujących przewodów o 8–2°.

Część z tych połączeń blokowanych pracuje na zasadzie dławika, podobnie jak połączenia produkowane w Japonii.

Na przykład firma Kubota jest również znana z produkcji żeliwnych rur i połączeń do pracy w terenach sejsmicznych i pomimo dwukrotnie wyższej ich ceny w porównaniu z wyrobami amerykańskimi to właśnie te rury i połączenia postanowiono zainstalować w Los Angeles.

Pomimo silnych trzęsień ziemi w Japonii w 1995 oraz 2011 roku połączenia te utrzymują szczelność i obecnie rzeczywiste straty wody w japońskich sieciach wodociągowych szacuje się na zaledwie 1,7%.

Połączenia blokowane pozwalają wyeliminować konieczność stosowania bloków oporowych i prowadzić budowę rurociągów metodami bezwykopowymi. Niemniej najważniejszą innowacją współczesnych połączeń kielichowych rur żeliwnych jest możliwość niewielkich zmian kąta ich połączenia bez utraty szczelności. Pozwala to znacznie zmniejszyć straty wody.

Przedstawione w artykule zdjęcia autor wykonał w ośrodku badawczo-dydaktycznym PAM Saint Gobain. Autor dziękuje za możliwość zwiedzenia tej placówki.

Pokazanie modeli połączeń z tego ośrodka nie ma nic wspólnego z ich oceną w odniesieniu do analogicznych połączeń innych producentów przewodów z żeliwa sferoidalnego.

Literatura

1. BN-81/9192-04 Wodociągi wiejskie. Bloki oporowe prefabrykowane. Warunki techniczne wykonania i wbudowania, „Dziennik Normalizacji i Miar” nr 15/1981, poz. 64.

2. BN-81/9192-05 Wodociągi wiejskie. Bloki oporowe. Wymiary i warunki stosowania, „Dziennik Normalizacji i Miar” nr 15/1981, poz. 64.

3. Dąbrowski W., Kwietniewski M., Miłaszewski R. i in., Zasady doboru rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych do budowy przewodów wodociągowych, praca pod redakcją M. Kwietniewskiego, M. Tłoczek, L. Wysockiego, Izba Gospodarcza Wodociągi Polskie, Bydgoszcz 2011.

4. Dąbrowski W., Żuchowski D., Powłoki cementowe jako wewnętrzne zabezpieczenie rurociągów przed korozją, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 9/2013, s. 371–375.

5. Kuliczkowski A. (red.), Technologie bezwykopowe w inżynierii środowiska, Wyd. Seidel-Przywecki, 2010.

6. Kwietniewski M., Sieci wodociągowe i kanalizacyjne w Polsce oraz problem doboru rozwiązań materiałowych do ich budowy, materiały IV Konferencji „Sieci kanalizacyjne i wodociągowe z tworzyw sztucznych. Tanio i na lata”, Bydgoszcz, 10–12 maja 2016, s. 9–17.

7. PN-EN 545:2010 Rury, kształtki i wyposażenie z żeliwa sferoidalnego oraz ich złącza do rurociągów wodnych. Wymagania i metody badań.

8. Walczak R., Műller M., Systemy przenoszące siły osiowe, „Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne” nr 1–2/2006, s. 24–26.

9. Wassilkowska A., Dąbrowski W., Zastosowanie mikroskopii elektronowej do badania rur żeliwnych. Część I: Struktura wykładziny z zaprawy cementowej, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 4/2012, s. 154–159.

Czytaj też: Projektowanie sieci wodociągowych >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!