Czynniki wpływające na przebieg i wyniki hydraulicznej próby szczelności sieci hydrantowych

Hydrauliczna próba szczelności jest ostatecznym sprawdzianem sieci hydrantowej przed jej oddaniem do eksploatacji. Przeprowadzenie próby jest wymagane prawem i przebiega według ustalonych procedur opisanych w normach [1, 2] i przepisach [3, 4, 5].

Każdorazowo próba szczelności składa się z trzech podstawowych etapów:

• przygotowania rurociągu do próby,
• właściwej próby szczelności
• i oceny wyniku próby na podstawie interpretacji danych pomiarowych [6].

Podstawą oceny wyniku próby jest analiza i interpretacja danych pomiarowych zarejestrowanych podczas przygotowań i wykonywania próby szczelności. Zgodnie z wymaganiami rejestrowane są zmienność ciśnienia oraz ilość wody wtłaczanej do badanego rurociągu lub odcinka rurociągu.

Właściwa interpretacja danych pomiarowych jest czynnikiem krytycznym w ocenie wyniku próby. Wymaga to dużej uwagi i doświadczenia.

Pobieżna ocena danych zazwyczaj kończy się negatywną oceną próby, ponieważ ciśnienie w rurociągu w czasie próby spada. Jednak spadek ciśnienia w rurociągu podczas próby szczelności nie zawsze jest skutkiem wad badanej sieci hydrantowej, zważywszy zarówno na wymagania prawa [6], jak i na warunki wykonywania próby.

Podczas przygotowań i w czasie trwania próby szczelności w rurociągu zachodzą naturalne procesy mogące wpływać na rejestrowane dane pomiarowe i których uwzględnienie jest konieczne podczas interpretacji danych z próby. Procesy te kształtowane są przez czynniki, które można podzielić na trzy podstawowe grupy:

1. związane z niedoskonałościami projektu sieci hydrantowej,
2. związane z błędami montażowymi rurociągu i armatury,
3. związane z niewłaściwym przygotowaniem rurociągu do próby szczelności.

W celu zilustrowania zjawiska oprócz opisu wybranych czynników dokonano również analizy ich wpływu na przebieg i dane pomiarowe z próby szczelności.

Analizy przeprowadzano dla hipotetycznej sieci hydrantowej o ciśnieniu roboczym 10 barów, łącznej długości 700 m, wykonanej z przewodów z żeliwa sferoidalnego o średnicy nominalnej 200 mm, o pojemności wodnej 21 991 dm³, w której obrębie znajduje się 200 złączy i 4 hydranty zewnętrzne bez odwodnienia.

Niedoskonałości w projekcie

W zdecydowanej większości sieci hydrantowe projektowane są jako pierścieniowe. Taki układ geometryczny utrudnia odpowietrzenie rurociągu podczas pierwszego napełniania wodą w ramach przygotowań do próby szczelności.

Projektant może ułatwić lub utrudnić to zadanie, projektując układ wysokościowy i rozkład armatury na sieci hydrantowej. W czarnym scenariuszu w projekcie mogą się pojawić rozwiązania uniemożliwiające proste odpowietrzenie sieci, np. miejscowe wypłycenie sieci pierścieniowej bez armatury odpowietrzającej.

Niezależnie od projektu podczas budowy sieci hydrantowej może pojawiać się konieczność skorygowania przebiegu rurociągu, np. ze względu na nieuwzględnione w projekcie kolizje. Zmiany te mogą w konsekwencji utrudnić odpowietrzenie sieci w sposób przewidziany w projekcie. Pozostawienie w rurociągu poduszki powietrznej znacząco wpływa na przebieg próby szczelności.

Projektant sieci hydrantowych powinien stosować w projektach rozwiązania wspomagające samoistne odpowietrzenie rurociągu oraz uwzględniające jego zachowanie podczas próby szczelności i pracę pod ciśnieniem.

Według aktualnego prawa projektant sieci hydrantowej powinien w projekcie podać również parametry i wymagania odnośnie do próby szczelności, uwzględniające technologię wykonania, rodzaj połączeń, geometrię rurociągu itd. Ich brak, co jest oczywistą wadą projektu, prowadzi do dowolności mogącej skutkować pozornie negatywnym wynikiem próby.

Błędy montażowe

Z punktu widzenia próby szczelności najistotniejsze błędy montażowe sieci hydrantowych to nieprawidłowe ułożenie uszczelki i zbyt płytkie połączenie kielichowe, niecentryczne ułożenie uszczelki i zbyt mała siła docisku w połączeniach kołnierzowych oraz zanieczyszczenie wykonywanego połączenia, np. piaskiem. Skutkują one różnego stopnia nieszczelnościami rurociągu, często jednocześnie w licznych lokalizacjach.

W skrajnym przypadku błędy montażowe uniemożliwiają nawet przygotowanie rurociągu do próby szczelności – nie można wytworzyć ciśnienia próbnego w sieci ze względu na ogromne ubytki wody spowodowane nieszczelnościami.

Podniesienie ciśnienia w napełnionym rurociągu wymaga wtłoczenia relatywnie małej objętości wody w stosunku do jego pojemności, a już bardzo mały ubytek wywołuje znaczący spadek ciśnienia.

Dla analizowanej sieci o pojemności 22 m³ podniesienie ciśnienia w napełnionym rurociągu od 0 do 14 barów wymaga wtłoczenia jedynie 15 litrów wody. Natomiast nieszczelność rurociągu o średnicy zaledwie 0,09 mm (ludzki włos ma 0,08 mm) powoduje spadek ciśnienia z 14 barów do 0 w 20 minut przy wypływie 15 litrów wody. W przypadku trzykrotnie większego otworu (0,27 mm) spadek ten nastąpi już w 7 minut.

Charakterystyka spadku ciśnienia w rurociągu jest wyraźną podpowiedzią co do przyczyny, w tym wypadku, nieszczelności. Zmienność ciśnienia w nieszczelnej sieci hydrantowej podczas jej pierwszego napełniania w ramach przygotowywania do próby szczelności przedstawia rys. 1. W napełnionej sieci wytworzono ciśnienie próbne 14 ba­rów, które przy danej nieszczelności spada w określonym tempie.

Kolejne próby wytworzenia ciśnienia próbnego przez dopełnianie sieci kończą się identycznym spadkiem ciśnienia w tym samym odcinku czasu. Jest to wyraźny sygnał świadczący o fizycznej nieszczelności badanego rurociągu. Przy małej średnicy i niekorzystnym położeniu nieszczelność ta może być bardzo trudna do zlokalizowania.

Przygotowanie do próby szczelności

Niezależnie od wybranej metody próby szczelności wymagane jest właściwe przygotowanie rurociągu sieci hydrantowej. Obejmuje ono stabilizację rurociągu w gruncie, napełnienie i odpowietrzenie rurociągu oraz wytworzenie w rurociągu ciśnienia próbnego [6].

Podniesienie i stabilizacja ciśnienia w napełnionym rurociągu wymaga wtłoczenia relatywnie małej objętości wody w stosunku do jego pojemności. Czas i sposób stabilizacji ciśnienia jest związany bezpośrednio z materiałem, rodzajem połączeń i geometrią sieci hydrantowej oraz ze źródłem i temperaturą wody, którą sieć jest napełniana.

Rozejście się połączeń kielichowych

Podczas pierwszego napełniania sieci hydrantowej wodą i podnoszenia ciśnienia następuje tzw. układanie się rurociągu. W wypadku połączeń kielichowych występuje osiowe rozejście się odcinków, co powoduje wzrost objętości rurociągu (pojemności wodnej).

Dla analizowanej sieci hydrantowej rozejście się 200 złączy o 0,5 mm każde zwiększa objętość rurociągu o 3,1 litra, co wywoła spadek ciśnienia w rurociągu o 2,9 bara. W praktyce tempo rozchodzenia się rurociągu jest zazwyczaj na tyle duże, że pełne rozejście połączeń następuje już w trakcie napełniania sieci hydrantowej.

Zmiana temperatury wody w rurociągu

W warunkach budowy woda do napełnienia rurociągu na potrzeby próby szczelności może pochodzić z różnych źródeł: ze studni, z wodociągu, z beczkowozu itd.

W zależności od źródła wody, pory roku i warunków meteorologicznych odmienne są różnice temperatury między wodą, napełnianym rurociągiem i otaczającym go gruntem. Wyrównywaniu tych temperatur towarzyszy zmiana ciśnienia w rurociągu spowodowana zmianą gęstości wody w ogrzewanym lub schładzanym zładzie oraz temperaturowym rozszerzaniem lub kurczeniem się elementów rurociągu.

W szczelnym rurociągu wywołuje to „niewytłumaczalny” wzrost lub spadek ciśnienia (mylnie interpretowany jako wyciek).

Dla analizowanej sieci hydrantowej wyznaczono zmienność ciśnienia w szczelnym rurociągu wywołaną wyrównywaniem się temperatury wody, rurociągu i gruntu.

Obliczenia wykonano dla rurociągu ułożonego na głębokości 1,5 m, napełnianego wodą o temperaturze początkowej T_PW = 5°C, 10°C oraz 15°C do ciśnienia próbnego 14 barów (rys. 2).

Na wykresie w uproszczony sposób zaznaczono temperaturę gruntu na głębokości montażu sieci hydrantowej w poszczególnych miesiącach roku. Zakładając wyrównanie temperatury do temperatury gruntu otaczającego rurociąg, zależnie od początkowej temperatury wody T_PW i pory roku, możliwe jest określenie ciśnienia końcowego w rurociągu wytworzonego w wyniku wyrównania się temperatury.

Przykładowo napełniając w lipcu (VII) szczelny rurociąg 22 m³ wody o temperaturze 5°C do ciśnienia próbnego 14 barów, wyrównaniu temperatury towarzyszyć będzie wzrost ciśnienia do 25 barów.

W zimnych miesiącach (I, II, III) również nastąpi wzrost ciśnienia, tym razem do 17 barów. Wywołane jest to „kurczeniem” się termicznym rurociągu i własnościami fizycznymi wody, która ma największą gęstość przy 4°C.

Przy napełnianiu rurociągu wodą o temperaturze 10°C nastąpi wzrost lub spadek ciśnienia, zależnie od pory roku wykonywania próby.

W VII ciśnienie wzrośnie do 24 barów, w II wzrośnie do 15 barów, a na przełomie IV i V oraz X i XI spadnie do 13 barów.

Dla temperatury początkowej wody napełniającej rurociąg 15°C ciśnienie w szczelnym, napełnionym rurociągu wzrośnie do 17 barów w VII i spadnie do 4 barów na przełomie IV i V oraz X i XI.

Nieznajomość i nieuwzględnienie tego zjawiska, szczególnie w długookresowych metodach badawczych, może prowadzić do radykalnie błędnych wniosków z przebiegu próby szczelności.

Niepełne odpowietrzenie rurociągu

Tempo i skuteczność odpowietrzania sieci hydrantowej uzależnione jest głównie od geometrii sieci, wydajności źródła wody napełniającej oraz rozmieszczenia armatury. Niepełne odpowietrzenie zakłóca wyniki próby szczelności.

Pozostawiona w rurociągu i sprężona podczas napełniania poduszka powietrzna będzie maskować drobne wycieki, a w szczelnym rurociągu spowoduje spadek ciśnienia wywołany absorpcją powietrza przez wodę. Brak świadomości obecności i wpływu poduszki powietrznej na przebieg próby ciśnieniowej skutkuje błędną interpretacją wyników próby.

W nie w pełni odpowietrzonej sieci hydrantowej znajduje się przestrzeń wodna oraz powietrzna pod ciśnieniem próbnym. Woda, absorbując powietrze, wywołuje spadek ciśnienia w rurociągu, często mylnie interpretowany jako nieszczelność rurociągu.

Zdolność absorpcji, a tym samym spadek ciśnienia, zależy od początkowej zawartości powietrza w wodzie, od ciśnienia w rurociągu, temperatury wody oraz pola powierzchni styku powietrza i wody.

Zgodnie z prawem Henry’ego rozpuszczalność gazów w wodzie rośnie wraz z obniżaniem się temperatury oraz wzrostem ciśnienia. Na rys. 3 zaprezentowano rozpuszczalność powietrza w zależności od temperatury oraz ciśnienia w rurociągu.

Zakładając, że rurociąg został napełniony wodą o temperaturze 10°C i ciśnieniu 4 bary (punkt A na rys. 3), przy podnoszeniu ciśnienia do 14 barów (punkt B na rys. 3) zdolność absorpcji powietrza rośnie prawie trzykrotnie, ze 115 do 350 dm³ na każdy metr sześcienny wody.

W hipotetycznej sieci hydrantowej wypełnionej 22 m³ wody teoretycznie może się więc rozpuścić do 7,7 m³ powietrza. Oznacza to, że w szczelnym, lecz niecałkowicie odpowietrzonym rurociągu po wytworzeniu ciśnienia próbnego 14 barów będzie ono cyklicznie spadać mimo cyklicznego uzupełniania zładu (rys. 4).

Każdy kolejny spadek ciśnienia będzie mniejszy od poprzedniego, co powinno jednoznacznie wskazać przyczynę osobom wykonującym próbę szczelności. Te spadki ciśnienia w rurociągu nie są związane z nieszczelnościami czy ubytkami wody, a doświadczony inżynier, obserwując rurociąg i wykonując stosowne obliczenia, jest w stanie określić przyczynę tego spadku.

Na rys. 4 przedstawiono rzeczywiste spadki ciśnienia w szczelnej, lecz niecałkowicie odpowietrzonej podczas przygotowań do próby szczelności sieci hydrantowej, spowodowane absorpcją powietrza przez wodę.

Sieć ta miała parametry hipotetycznej sieci analizowanej w tym artykule.

W rurociągu „wypełnionym” wodą o ciśnieniu 6,32 bara wytworzono ciśnienie próbne 14,5 bara, wtłaczając 66 dm³ wody. Po 24 godzinach ciśnienie spadło do 12,75 bara. Do ponownego wytworzenia ciśnienia próbnego potrzebne było wtłoczenie już tylko 5,2 dm³ wody.

Po kolejnych 24 godzinach ciśnienie spadło do 13 barów i wymagane było wtłoczenie tylko 2,65 dm³ itd.

Wyraźnie widać, że z każdym kolejnym dopełnianiem ciśnienie w rurociągu spada coraz słabiej, maleje również wymagana ilość wody dopełniającej. Na wykresie zaznaczono również ciśnienie w rurociągu po 2 godzinach od wytworzenia ciśnienia próbnego.

Kolejną wskazówką, czy przyczyną spadku ciśnienia jest pozostawiona poduszka powietrzna, jest porównanie rzeczywistych i obliczeniowych ilości wody dopełniającej, koniecznej do ponownego wytworzenia ciśnienia próbnego 14 barów.

Przyjmując współczynnik ściśliwości wody równy 5 · 10–10 1/Pa [7], można obliczyć teoretyczną ilość wody niezbędną do podniesienia ciśnienia w szczelnym i odpowietrzonym rurociągu.

Dla hipotetycznej sieci hydrantowej wyznaczono wymaganą ilość wody potrzebną do podniesienia ciśnienia po jego spadku do wartości z rys. 4. Wyniki zestawiono w tab. 1.

Rozbieżność między teoretyczną ilością wody niezbędną do zwiększenia ciśnienia a faktyczną ilością wody, którą wpompowano do sieci, wynika z obecności powietrza w rurociągu.

Korzystając z równania stanu gazu doskonałego Clapeyrona, można określić ilość powietrza, która pozostała w rurociągu po jego pierwszym wypełnieniu wodą bez ciśnienia (p0 = 0 bar) oraz na poszczególnych etapach próby. Wyniki obliczeń zestawiono w tab. 2.

Spadek ciśnienia wody w rurociągu jest tu związany ze wchłanianiem powietrza przez wodę. Na podstawie zarejestrowanego spadku ciśnienia obliczono, że w rurociągu pod ciśnieniem atmosferycznym pozostała poduszka powietrzna o objętości 877 dm³. Ilość ta jest znacząco mniejsza od zdolności absorpcji powietrza przez wodę w rurociągu (7,7 m³). Tempo wchłaniania powietrza jest więc jednostajne, a przy odpowiednio długim czasie podnoszenia ciśnienia cała objętość powietrza zostałaby wchłonięta, a ciśnienie ustabilizowane.

Po pierwszych 24 godzinach próby pozorny ubytek wody wyniósł 5,2 dm³. Zakładając jednostajny spadek ciśnienia, w pierwszej godzinie próby z rurociągu ubywa 0,22, a w ciągu dwóch pierwszych godzin próby 0,44 dm³. Odnosząc te ubytki do wartości granicznych odpowiednich metod 1- i 2-godzinnych prób szczelności podanych w [6], należy stwierdzić, że analizowana sieć referencyjna powinna zostać odebrana jako szczelna.

Błędy przy interpretacji prób ciśnieniowych

Poprawna interpretacja wyników hydraulicznej próby szczelności musi uwzględniać charakterystykę badanej sieci, warunki wykonywania próby oraz specyfikę wybranej metody próby szczelności. Należy określić czynniki mogące i faktycznie wpływające na przebieg przygotowań do próby i samej próby szczelności rurociągu. Wpływy te nie zawsze są wyraźnie widoczne w zarejestrowanych danych pomiarowych, przenikają się i nakładają wzajemnie. Znajomość prawa oraz właściwe określenie i uwzględnienie zjawisk zachodzących w badanym rurociągu jest podstawą solidnej oceny wyniku próby szczelności.

Najczęściej próby szczelności są postrzegane przez pryzmat nazwy – jeśli w czasie próby następuje spadek ciśnienia w rurociągu, to wynik próby jest uznawany za negatywny. Stoi to w sprzeczności z wymaganiami wynikającymi z odpowiednich norm i przepisów [1, 2, 3, 4, 5] oraz naturalnymi procesami zachodzącymi w rurociągu. Każdy z przepisów dopuszcza ubytek wody, a warunki wykonywania rurociągu, jego przygotowania do próby i jej przeprowadzania istotnie wpływają na parametry rejestrowane w czasie próby.

Literatura

1. PN-B-10725 Wodociągi. Przewody zewnętrzne. Wymagania i badania.
2. PN-EN 805 Zaopatrzenie w wodę. Wymagania dotyczące systemów zewnętrznych i ich części składowych.
3. NFPA 14 Standard for the installation of standpipe and hose systems, NFPA an international codes and standards organization, Quincy 2013.
4. NFPA 24 Standard for installation of private fire services mains and their appurtenances, NFPA an international codes and standards organization, Quincy 2013.
5. FM Global Property loss prevention data sheets. Installation and maintenance of private fire service mains and their appurtenances, Factory Mutual Insurance Company, 2000.
6. Jadwiszczak P., Sidorczyk M., Próby ciśnieniowe sieci hydrantowych w świetle krajowych i zagranicznych przepisów, „Rynek Instalacyjny” nr 7-8/2016.
7. Jeżowiecka-Kabsch K., Szewczyk H., Mechanika płynów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001.