Wybrane zagadnienia projektowania i budowy sieci wodociągowej Cz. 2. Uzbrojenie sieci i eksploatacja

Uzbrojenie sieci wodociągowej

Uzbrojenie sieci można podzielić na:

• czerpalne – służy do czerpania wody z sieci wodociągowej dla obsługi wodociągu, straży pożarnej, służb komunalnych i mieszkańców (hydranty pożarowe, zdroje uliczne, zawory czerpalne),
• regulacyjne – regulujące przepływ wody oraz ciśnienie w sieci wodociągowej (zawory lub zasuwy odcinające, zawory zwrotne, klapy zwrotne, zawory redukcyjne, zawory sterujące),
• zabezpieczające – chroniące sieć wodociągową przed niepożądanym napowietrzeniem, zanieczyszczeniem, wzrostem naprężeń mechanicznych lub termicznych, uderzeniami hydraulicznymi oraz zbyt dużymi siłami rozrywającymi (odpowietrzniki i napowietrzniki, zawory antykontaminacyjne, kosze ssące, zawory bezpieczeństwa, kompensatory),
• pomiarowe – służące do kontroli przepływu wody i ciśnienia w sieci wodociągowej (wodomierze, manometry, elektromagnetyczne przepływomierze i mierniki ciśnienia),
• obiekty specjalne – budowle służące do osłony uzbrojenia sieci wodociągowej i pokonywania przeszkód terenowych (studzienki spustowe, studzienki do zasuw, odpowietrzników, wodomierzy sieciowych i galerie).
•  

Podstawowym uzbrojeniem czerpalnym instalowanym na sieci wodociągowej są hydranty i zdroje uliczne.

Hydranty służą do poboru wody dla celów pożarniczych, ale umieszczone w najwyższych punktach sieci wodociągowej mogą pełnić także funkcję odpowietrzników lub – przy usytuowaniu w najniższych miejscach sieci wodociągowej – być wykorzystywane do odwadniania sieci wodociągowej. Produkowane są jako hydranty nadziemne i podziemne (rys. 1 i rys. 2) o średnicy nominalnej 80 i 100 mm.

O wyborze danego typu hydrantu decydują przede wszystkim warunki lokalnej zabudowy, które powinny umożliwiać łatwy dostęp do urządzenia, nie utrudniając przy tym normalnie występującego ruchu komunikacyjnego.

Przy ustalaniu rozmieszczenia hydrantów należy się kierować następującymi zasadami [2, 8, 11]:

• hydranty należy instalować na odgałęzieniach od rurociągów, na których powinna być również zainstalowana zasuwa odcinająca,
• przy rozmieszczaniu należy uwzględniać podstawowe przeznaczenie hydrantów, czyli dostarczanie wody w przypadku pożaru,
• hydranty należy rozmieszczać przede wszystkim na rurociągach rozdzielczych,
• należy je przede wszystkim instalować na skrzyżowaniach, a następnie wzdłuż jezdni drogi lub ulicy,
• hydranty należy instalować w miejscach łatwo dostępnych,
• odległość między hydrantami, mierząc wzdłuż jezdni, ulicy lub drogi, nie powinna przekraczać 150 m,
• odległość hydrantu od ściany budynku powinna wynosić co najmniej 5 m, a od zewnętrznej krawędzi jezdni, ulicy lub drogi nie powinna przekraczać 15 m,
• odległość hydrantu od obiektu budowlanego nie powinna przekraczać 75 m.
•  

Zdroje uliczne służą do zaopatrzenia w wodę osób mieszkających w domach bez wewnętrznej instalacji wodociągowej lub przebywających w miejscach dużego skupienia ludzi i zwierząt. Obecnie zdroje uliczne rozmieszcza się na targowiskach, deptakach, rynkach, cmentarzach, w parkach itp.

Do regulowania przepływu wody i ciśnienia w sieci wodociągowej stosowane są najczęściej zasuwy (rys. 3, rys. 4 i rys. 5).

Zasuwy kołnierzowe stosuje się dla wszystkich średnic rurociągów, a zasuwy kielichowe w rurociągach o średnicy do 0,50 m.

W przypadku rurociągów o średnicach powyżej 0,50 m wskazane jest stosowanie zasuwy z odciążeniem, natomiast dla średnic powyżej 0,80 m odciążenie jest niezbędne.

Odciążenie, czyli obejście, zbudowane jest z dodatkowej małej zasuwy połączonej dwoma kolanami po obu stronach klina z korpusem zasuwy głównej i służy do wyrównywania ciśnień w częściach rurociągu przedzielonych zamkniętą zasuwą przed jej otwarciem, ponieważ ciśnienie panujące tylko z jednej strony przy dużych średnicach dociska klin z dużą siłą, uniemożliwiając jej otwarcie.

Zasuwy o średnicach powyżej 0,50 m umieszczane są w studzienkach, natomiast te o mniejszych średnicach są instalowane bezpośrednio w gruncie z obudową stałą lub teleskopową. Kaptur obudowy umieszcza się w skrzynce ulicznej z żeliwa.

Przy rozmieszczaniu zasuw w sieci wodociągowej należy kierować się następującymi zasadami [2, 8]:

• należy brać pod uwagę cały układ sieci, z uwzględnieniem sąsiednich odcinków i węzłów,
• najpierw rozmieszczane są zasuwy na węzłach, następnie między węzłami,
• rurociąg o średnicy mniejszej powinien być oddzielony zasuwą od rurociągu o średnicy większej,
• rurociąg rozdzielczy powinien być oddzielony zasuwą od rurociągu głównego,
• ze względów pożarowych zasuwy należy rozmieszczać w taki sposób, żeby do wyłączenia jednego odcinka sieci wodociągowej nie trzeba było zamykać więcej niż pięciu zasuw, z tym że na wyłączonym odcinku nie powinno być więcej hydrantów niż cztery,
• zasuwy na rurociągach rozdzielczych powinny być rozmieszczone w odstępach 200–400 m,
• zasuwy na rurociągach magistralnych powinny być rozmieszczone w odstępach 500–700 m.
•  

Klapy lub zawory zwrotne służą do zapewnienia przepływu wody w jednym ustalonym kierunku. W rurociągach sieci wodociągowej montowane są rzadko, np. przy zabezpieczeniu wodomierzy sieciowych przed odwrotnym przepływem lub pompowni sieciowych przed cofającą się wodą w razie awarii.

Zawory sterujące i regulacyjne służą do automatycznej redukcji i stabilizacji ciśnienia za zaworem zwrotnym na zadanym poziomie, niezależnie od ciśnienia na dopływie i rozbioru wody w sieci (rys. 6). Tego typu zawory stosuje się w celu redukcji ciśnienia do wymaganej wartości w rurociągach rozdzielczych oraz w punktach granicznych między strefą wysokiego i niskiego ciśnienia przy zasilaniu grawitacyjnym, jak również w celu regulacji ciśnienia w sieci wodociągowej na terenach o bardzo zróżnicowanej topografii.

Zawory napowietrzająco-odpowietrzające służą do usuwania powietrza z rurociągu wodociągowego przy napełnianiu go wodą, do usuwania powietrza pochodzącego z wody, a także do wpuszczania powietrza przy opróżnianiu rurociągów. Stosuje się je na rurociągach o średnicy powyżej 0,25 m, na odgałęzieniu pionowym zaopatrzonym w zawór odcinający. Najczęściej umieszcza się je w studzience.

Zawory napowietrzająco-odpowietrzające (odpowietrzniki) umieszcza się na rurociągach według następujących zasad [2, 8]:

• w każdym szczytowym punkcie profilu podłużnego rurociągu, jeżeli w punkcie szczytowym znajduje się zasuwa – należy umieścić odpowietrznik przed i za zasuwą,
• w wyższym punkcie rurociągu – między zasuwami, tuż przed wyżej położoną zasuwą.
•  

Zawory bezpieczeństwa (przeciwuderzeniowe) chronią rurociągi wodociągowe przed powstawaniem w nich nadmiernych i niebezpiecznych ciśnień. Instalowane są w miejscach powstawania uderzeń hydraulicznych. Otwarcie zaworu powinno występować przy ciśnieniu granicznym, dopuszczalnym dla danego rurociągu.

Kompensatory (wydłużki kompensacyjne sprężyste lub dławnicowe) zabezpieczają przed powstawaniem nadmiernych i niebezpiecznych naprężeń osiowych w rurociągach wodociągowych. Powstają zazwyczaj na skutek zmian temperatury gruntu lub samego rurociągu, ruchów gruntu lub zmian ciśnienia w rurociągu.

Obecnie wydłużki sprężyste wykonuje się z gumy lub z odpowiedniego tworzywa sztucznego z kołnierzami podłączeniowymi. Stosowane są w rurociągach podwieszanych pod mostami, przechodzących przez przeszkody, np. ścianę studni, zbiornika wodociągowego itp.

Wydłużki dławnicowe wykonywane są z żeliwa, pierścienie wodzące z brązu, a uszczelnienie z materiału elastycznego dociśniętego dławnicą. Stosowane są w rurociągach w zbiornikach wieżowych.

Uzbrojenie pomiarowe służy do wyznaczania dwóch podstawowych wielkości: ilości i natężenia przepływającej wody, które można wyznaczyć za pomocą wodomierzy sieciowych oraz wartości i zmienności ciśnienia w rurociągach wodociągowych, które można wyznaczyć za pomocą manometrów.

Wodomierze montowane są [2, 8]:

• na rurociągach magistralnych doprowadzających wodę do poszczególnych obszarów zasilania,
• na rurociągach rozdzielczych dostarczających wodę do poszczególnych odbiorców,
• w miejscach charakterystycznych sieci z hydraulicznego i ekonomicznego punktu widzenia (np. na granicy między gminami).
•  

Żeby w sposób ciągły gromadzić dane na temat rozbiorów wody, wykorzystuje się rejestratory wodomierzowe, które rejestrują natężenie przepływu.

Manometry na sieci wodociągowej instaluje się w charakterystycznych punktach sieci do kontroli ciśnienia w rurociągach wodociągowych, aby zapewnić jej właściwą eksploatację.

Do kontroli ciśnienia w sieci rurociągów wodociągowych stosuje się często manometry przenośne, dostosowane do doraźnego zakładania w tych punktach sieci, w których zachodzi potrzeba dokonania pomiaru. Wykorzystuje się do tego celu m.in. hydranty.

Odwodnienia, czyli spusty, umożliwiają opróżnienie rurociągu z wody i jego przepłukanie wypływającą przez spust wodą. Umieszcza się je w najniższych punktach profilu podłużnego rurociągu; jeżeli w tym punkcie wypada zasuwa, to przed i za zasuwą należy umieścić dwa oddzielne odwodnienia. Każdy odcinek rurociągu między zasuwami powinien mieć odwodnienie zlokalizowane w niższym punkcie przed zasuwą.

Odwodnienia stosuje się na rurociągach o średnicy powyżej 0,25 m. Jeżeli woda z rurociągu jest odprowadzana do kanalizacji, rurociąg spustowy powinien być wyposażony w syfon.

Ogólne zasady eksploatacji sieci wodociągowej

Zadania eksploatacyjne sieci wodociągowej można podzielić na trzy grupy:

• utrzymanie w odpowiednim stanie i w odpowiedniej sprawności rurociągów sieci wodociągowej oraz zainstalowanego uzbrojenia – jest to konserwacja sieci wodociągowej,
• usuwanie uszkodzeń i awarii występujących na sieci,
• regulowanie pracy sieci.
•  

Do pierwszej grupy czynności należą przede wszystkim działania kontrolne.

Kontroli podlega głównie zainstalowane uzbrojenie, czyli zasuwy i hydranty. Polega ona na sprawdzaniu, czy do obudowy uzbrojenia nie przedostaje się ziemia lub kamienie.

Zasuwy sprawdza się poprzez ich kilkukrotne zamknięcie i otwarcie. Jeżeli przy zamykaniu lub otwieraniu zasuw nie wystąpi określona liczba obrotów (momentów zamykających), oznacza to, że nie nastąpiło całkowite otwarcie bądź zamknięcie zasuwy.

Również przekraczanie tych wartości prowadzi do przedwczesnego zużycia zasuw.

Kilkakrotne dociśnięcie zasuwy kruszy osad tworzący się w gnieździe pod klinem – powoduje on, że zasuwy nie można szczelnie zamknąć.

Zasuwy należy eksploatować zgodnie z wymaganiami uzbrojenia odcinającego, czyli w pozycji całkowicie otwartej lub całkowicie zamkniętej. W wykonaniu standardowym obrót wrzeciona w prawo powoduje zamykanie zasuwy, a obrót w lewo – otwieranie.

Eksploatowane zasuwy nie mogą być wystawiane na działanie niskich temperatur, ponieważ może to spowodować zamarzanie transportowanej wody.

Po około sześciu miesiącach od uruchomienia, a następnie co roku, należy sprawdzać, czy śruby mocujące są mocno dokręcone, i jeśli zachodzi potrzeba, należy je dokręcić.

Przy sprawdzaniu pracy hydrantów należy sprawdzić szczelność grzybka – czy po zamknięciu hydrantu nie sączy się z niego woda.

Kontrola dotyczy także otoczenia uzbrojenia. W razie potrzeby należy smarować, a także malować uzbrojenie, by zabezpieczyć je przed korozją.

Kontroli muszą podlegać tabliczki i oznaczenia hydrantów, zasuw i studzienek.

Jeżeli w sieci wodociągowej występują małe przepływy, należy systematycznie płukać końcówki sieci poprzez otwieranie i zamykanie hydrantów na końcach rurociągów. Płukanie należy przeprowadzić przynajmniej dwa razy do roku.

Naprawa uszkodzeń powstałych w trakcie eksploatacji sieci może mieć charakter zapobiegawczy lub awaryjny.

Remonty zapobiegawcze należy przeprowadzać przed upływem przewidywanego okresu sprawności bądź wytrzymałości danego elementu. Ze względu na zakres robót można je podzielić na bieżące i kapitalne.

Do remontów bieżących zaliczamy: wymianę skrzynek żeliwnych na uzbrojeniu, wymianę zasuw, hydrantów bądź też ich części składowych wraz z upływem przewidywanego przez producenta okresu sprawności.

Oczywiście jeżeli eksploatator sieci wodociągowej nie stwierdzi konieczności wymiany, ponieważ urządzenie działa prawidłowo, nie jest ona wykonywana, należy jednak przeprowadzać kontrolę takiego urządzenia lub jego części z większą częstotliwością.

Remonty kapitalne dotyczą całkowitej wymiany rur na pewnych odcinkach, co zazwyczaj wymaga sporządzenia nowego projektu technicznego dla wymienianego rurociągu wodociągowego.

Wymianę rurociągu można przeprowadzić metodą tradycyjną lub bezwykopową. Wyboru odpowiedniej metody odnowy rurociągów wodociągowych można dokonać zgodnie z wytycznymi podanymi w artykule [1].

Awarie powinny być usuwane natychmiast po stwierdzeniu ich wystąpienia. Ich przyczyną mogą być wady materiału i konstrukcji, niewłaściwe wykonawstwo, nadmierne nieprzewidziane obciążenie, nieostrożne wykonywanie robót ziemnych w pobliżu rurociągu wodociągowego, korozja, zamarznięcia lub uderzenia hydrauliczne. Usuwanie uszkodzeń i awarii w sieciach wodociągowych jest trudne ze względu na fakt, że rurociągi znajdują się pod powierzchnią gruntu. Do głównych problemów należy wykrywanie miejsc wycieków i nieszczelności.

Istnieje wiele nowoczesnych metod wykrywania nieszczelności w sieci wodociągowej:

• obserwacja powierzchni gruntu wzdłuż trasy rurociągu – czy nie pojawiła się na niej woda,
• obserwacja instalacji i budowli podziemnych znajdujących się w pobliżu tras wodociągu – czy nie pojawiło się zawilgocenie ścian lub woda,
• obserwacja zawilgocenia gruntu wzdłuż wodociągu za pomocą długiej stalowej szpilki, którą wbija się w grunt co jeden metr wzdłuż trasy rurociągu wodociągowego, a następnie wyciąga i sprawdza, czy jej koniec jest wilgotny, czy nie,
• pomiar spadku ciśnienia w rurociągach sieci wodociągowej,
• pomiar gwałtownych wzrostów poboru wody,
• metody akustyczne: za pomocą rejestratorów natężenia szumów lub stetofonu szpilkowego i geofonu.
•  

Do szybkiego wykrywania miejsca i wielkości wycieków mogą być także przydatne zdjęcia wykonywane w zakresie fal podczerwonych. Metoda ta jest wykorzystywana poza obszarami zabudowanymi, również na obszarach wodociągów wiejskich. Można ją zastosować, kiedy temperatura powierzchni gruntu ulega zmianie w wyniku nasycenia jej wodą pochodzącą z wycieku.

Zdjęcia w zakresie fal podczerwonych wykonywane za pomocą kamery termowizyjnej pozwalają na wykrycie różnicy temperatury, gęstości oraz koloru gruntu.

Podczas eksploatacji sieci wodociągowej zaleca się wprowadzenie Aktywnej Kontroli Wycieków [12]. Polega ona na wykryciu wycieków, które nie wyszły na powierzchnię gruntu, ich naprawie oraz osiągnięciu Ekonomicznego Poziomu Wycieków i utrzymaniu tego stanu.

Ekonomiczny Poziom Wycieków definiuje się jako poziom strat wody, przy którym krańcowy koszt Aktywnej Kontroli Wycieków zrównuje się z krańcowym kosztem traconej wody. Zgodnie z regułą w tym przypadku koszt eksploatacji sieci wodociągowej osiąga swoje minimum.

Ogólnie mówiąc, program ten pozwala na porównanie kosztów strat wody, kosztów naprawy lub renowacji sieci oraz kosztów ewentualnej przebudowy ujęcia oraz umożliwia stwierdzenie, czy ograniczenie strat wody i ewentualne zyski z tego tytułu pozwolą na pokrycie kosztów związanych z ograniczeniem strat przez kontrolę wycieków, przebudowę ujęcia lub renowację rurociągów, a także pozwala na podjęcie odpowiedniej decyzji co do dalszego działania oraz utrzymywania strat wody na ekonomicznym poziomie.

Do powyższych rozstrzygnięć potrzebna jest wielkość strat wody określana na podstawie bilansu minimalnego nocnego przepływu rejestrowanego w godzinach od 24 do 4.

Regulacja pracy sieci wodociągowej polega na przesyłaniu określonej ilości wody pod określonym ciśnieniem.

Zmiana przepływu wody w niektórych odcinkach sieci, zmiana ciśnienia, wyłączanie niektórych odcinków z pracy dokonywane jest za pomocą uzbrojenia regulacyjnego, czyli zasuw.

Regulacja zasuwami ma miejsce jedynie w przypadku, kiedy istnieje potrzeba wyłączania niektórych odcinków rurociągów z pracy, gdy wystąpi awaria na danym odcinku rurociągu lub istnieje potrzeba podłączania do danego rurociągu nowego przedłużenia lub odgałęzienia.

Po wyłączeniu odcinka rurociągu należy sprawdzić, czy wszystkie zasuwy zostały szczelnie zamknięte i czy ciśnienie spadło do zera. Dokonuje się tego poprzez otwarcie hydrantu przeciwpożarowego.

Po wyłączeniu rurociągu z użytkowania należy go opróżnić z wody poprzez odwodnienie albo miejsce uszkodzenia rurociągu.

Po usunięciu awarii, jeżeli rurociąg nie był odwodniony, otwiera się zasuwy i następuje wznowienie przepływu.

Pusty rurociąg należy w pierwszej kolejności napełnić wodą i opróżnić z powietrza.

Rurociąg należy napełniać powoli, żeby uniknąć jego uszkodzenia w wyniku wystąpienia uderzenia hydraulicznego.

W trakcie napełniania rurociągów należy otworzyć hydrant w najwyższym punkcie napełnianego odcinka w celu jego odpowietrzenia.

Zasuwy należy otwierać stopniowo, najpierw powoli, a kiedy rurociąg jest prawie napełniony – szybciej. Po usunięciu nieszczelności rurociągu należy go najpierw zdezynfekować.

Oprócz zasuw do uzbrojenia sterującego należą również zawory redukujące ciśnienie, które nie wymagają sterowania – działają, wykorzystując energię przepływającej wody.

Zawory redukcyjne chronią sieć wodociągową przed nadmiernym ciśnieniem w czasie małych rozbiorów wody i przed nagłymi zmianami ciśnień, co zapobiega występowaniu uderzeń hydraulicznych, zabezpieczają także instalacje wewnątrz budynków przed nadmiernie wysokimi ciśnieniami, co zmniejsza niepotrzebne zużycie wody.

Podsumowanie

Prawidłowe rozmieszczenie uzbrojenia na sieci wodociągowej bardzo ułatwia eksploatatorowi jej obsługę i dostawę wody do wszystkich odbiorców w odpowiedniej ilości i pod odpowiednim ciśnieniem. Eksploatator sieci wodociągowej musi pamiętać, żeby przynajmniej raz do roku sprawdzić uzbrojenie sieci wodociągowej pod kontem ewentualnego uszkodzenia. Taką kontrolę należy przeprowadzać każdej wiosny.

Eksploatator musi również pamiętać o płukaniu sieci wodociągowej, szczególnie tych odcinków, na których występuje mała prędkość przepływu, czyli małe rozbiory wody. Wskazane jest przeprowadzanie płukania sieci wodociągowej przynajmniej dwa razy do roku.

Literatura

1. Denczew S., Kompleksowa koncepcja odnowy technicznej przewodów wodociągowych, „Gaz Woda i Technika Sanitarna” nr 4/2000.
2. Gabryszewski T., Wodociągi, Arkady, Warszawa 1983.
3. Kalenik M., Ujęcia wód podziemnych dla wodociągów grupowych i indywidualnych gospodarstw domowych, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2015.
4. Kalenik M., Projektowanie i eksploatacja układów hydroforowo-pompowych, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2014.
5. Kalenik M., Badanie współczynników oporów miejscowych  w kolankach żeliwnych i PVC, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2013.
6. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009.
7. Katalog firmy Generik, 2005.
8. Petrozolin W., Projektowanie sieci wodociągowych, Arkady, Warszawa 1974.
9. PN-EN 805 Zaopatrzenie w wodę. Wymagania dotyczące systemów zewnętrznych i ich części składowych.
10. PN-B-03020 Grunty budowlane. Posadowienie bezpośrednie budowli. Obliczenia statyczne i projektowe.
11. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 24 lipca 2009 r. w sprawie przeciwpożarowego zaopatrzenia w wodę oraz dróg pożarowych (DzU nr 124/2009, poz. 1030).
12. Speruda S., Radecki R., Ekonomiczny Poziom Wycieków – nowe wytyczne eksploatacji sieci wodociągowych, „Instal” nr 7–8/2004.
13. Szpindor A., Zaopatrzenie w wodę i kanalizacja wsi, Arkady, Warszawa 1998.
14. Katalog firmy Gamrat, www. gamrat.pl (19.02.2015).
15. Katalog firmy Jafar, www. jafar.com.pl (19.02.2015).