Capitolul 4 - Calculul fenomenului - Normativ din 2012 privind calculul loviturii de berbec la conductele pentru transportul apei - Indicativ NP 128:2011

M.Of. 129 bis

În vigoare
Versiune de la: 23 Martie 2012
CAPITOLUL 4:Calculul fenomenului
SUBCAPITOLUL 1:Metode de calcul şi condiţii generale de aplicare
(1)Din punctul de vedere al calculului, nu se face nici o diferenţă între "lovitura de berbec" şi "oscilaţia în masă". Calculele se vor face folosind doar metode exacte, având la bază modelul fluidului compresibil, sub forma unor programe de calcul electronic, construite pe principiul diferenţelor finite.
a)Prin excepţie, doar în faze de proiectare: studiu de pre-fezabilitate şi respectiv studiu de fezabilitate şi în mod justificat, se pot folosi metode aproximative, dacă condiţiile de aplicare a acestora se apropie de situaţia analizată în proiect.
b)Tot prin excepţie, se poate folosi modelul simplificat al fluidului incompresibil la aducţiunile centralelor hidroelectrice prevăzute cu castele de echilibru, atunci când se evaluează stabilitatea mişcărilor de oscilaţie în masă, produse de manevrele de la turbine.
(2)Se recomandă ca programele de calcul electronic utilizate să fie în prealabil supuse unei proceduri de "validare" în condiţiile stabile prin metodologie aprobată de autoritatea centrală de reglementare în domeniul construcţii, potrivit legii.
SUBCAPITOLUL 2:Scheme şi ipoteze de calcul
SECŢIUNEA 1:Scheme de calcul
(3)În schema de calcul cu diferenţe finite din programele electronice de calcul, la împărţirea conductei într-un număr de tronsoane despărţite prin noduri de calcul vor fi respectate următoarele reguli:
a)timpul de propagare a undelor loviturii de berbec va fi aproximativ acelaşi pentru toate tronsoanele de calcul şi, totodată, aproximativ egal cu pasul de calcul în timp; regula timpilor egali de propagare pentru unde se va respecta cu atât mai strict cu cât fenomenele sunt mai rapide;
b)la fixarea numărului de tronsoane şi plasarea nodurilor de calcul se va urmări ca punctele caracteristice ale profilului în lung al conductei (schimbări mari de pantă, puncte înalte, puncte joase, puncte de branşament, etcetera) să coincidă cu nodurile de calcul sau să fie aşezate în apropierea lor;
c)la reţele de conducte, fiecare nod al reţelei va fi un nod de calcul şi pentru a respecta regula timpilor egali de propagare, se vor plasa noduri de calcul intermediare pe artere;
(4)Pasul de calcul în timp nu va putea fi mai mare decât o optime din timpul de manevră. Având în vedere că, în schemele cu diferenţe finite din programele electronice de calcul, de regulă pasul de calcul în timp se alege ca valoare minimă a timpilor de propagare pe tronsoanele de calcul (condiţia Courant), la nevoie se va mări în mod corespunzător numărul acestor tronsoane şi respectiv al nodurilor de calcul.
(5)Va fi exploatată la maximum oportunitatea pe care o oferă schemele de calcul cu diferenţe finite astfel încât modelul de calcul să se apropie cât mai mult de instalaţia reală, astfel:
a)pentru fiecare tronson de calcul se vor introduce valorile reale pentru diametrul interior, rugozitate sau coeficient de rugozitate şi celeritate, preluate din fişele tehnice de prezentare ale furnizorilor; în mod excepţional, în lipsa unor informaţii certe, acestea vor fi evaluate cunoscând grosimea peretelui conductei împreună cu natura şi modulul de elasticitate al materialului, folosind formulele clasice din literatura de specialitate; la interpretarea rezultatelor calculelor, se va avea în vedere, de asemenea, că fiecare tronson de calcul poate avea valori diferite pentru presiunile extreme (maxime sau minime) admisibile;
b)pentru fiecare nod de calcul se vor introduce valorile reale ale cotelor geodezice (de regulă, cotă ax conductă), în conformitate cu profilul longitudinal real al conductei precum şi valorile acelor parametri care caracterizează funcţionarea unor dispozitive plasate în nodurile respective (vane, ventile, pompe, turbine, etcetera);
(6)Dacă în nodul de calcul se află o vană sau un alt tip de armatură, în mod obligatoriu se va indica coeficientul pierderii de sarcină; dacă vana are şi rol de organ perturbator, se va indica legea de manevră.
(7)Dacă în nodul de calcul se află un branşament, în mod obligatoriu se va indica consumul din nod sau, după caz, coeficientul pierderii de sarcina al vanei de pe branşament; dacă branşamentul are şi rol de organ perturbator, se va indica legea de manevră.
(8)Dacă în nodul de calcul se află o maşină hidraulică (turbopompă sau turbină), în mod obligatoriu se va furniza caracteristica generalizată de funcţionare H - Q - n (înălţime - debit - turaţie), în toate cadranele reprezentării H - Q. În mod excepţional, dacă nu se dispune de caracteristica generalizată de funcţionare a maşinii hidraulice reale, se pot folosi caracteristici generalizate adimensionale, preluate din literatura de specialitate. Dacă maşina hidraulică are şi rol de organ perturbator se va indica, în mod obligatoriu, valoarea reală a momentului de inerţie al tuturor părţilor rotative aflate în cuplaj (rotorul pompei/turbinei + apa din interiorul pompei/turbinei + rotorul motorului/generatorului electric + cuplaje mecanice).
(9)Dacă în nodul de calcul se află un mijloc (dispozitiv) de protecţie, în mod obligatoriu se vor indica valorile reale ale acelor parametri care au un rol determinant în efectul protectiv al acestuia, astfel (pentru mijloacele de protecţie cele mai folosite):
a)la castele de echilibru şi hidrofoare de protecţie, variaţia pe verticală a secţiunii orizontale;
b)la hidrofoarele de protecţie, volumul geometric şi volumul iniţial al pernei de aer;
c)în cazul tuturor tipurilor de dispozitive de protecţie, rezistenta hidraulică a branşamentului la conducta protejată;
d)în cazul ventilelor de aer, modulul rezistenţei hidraulice în poziţia "deschis" sau diagrama "pierdere de sarcină funcţie de debitul de aer";
e)în cazul supapelor de suprapresiune, presiunea (calibrată) de deschidere a supapei şi modulul rezistenţei hidraulice în poziţia "deschis" sau diagrama "pierdere de sarcină funcţie de debitul de apă";
(10)Pentru calcule "de verificare", toţi parametrii menţionaţi pentru tronsoane şi noduri sunt cei reali, din situaţia existentă care face obiectul verificării. Pentru calcule "de dimensionare", o parte dintre parametrii menţionaţi, în special cei care se referă la mijloacele de protecţie, fac obiectul "cercetării", adică primesc valori, în variante succesive, până când, din aproape în aproape, se ajunge la o soluţie de protecţie care este optimă atât din punct de vedere tehnic cât şi economic (presiunile se încadrează în limitele admise iar costul este minim).
SECŢIUNEA 2:Ipoteze de calcul
(11)În ce priveşte manevrele perturbatoare care declanşează fenomenul de lovitură de berbec, în mod obligatoriu calculul le va lua în considerare pe acelea care au caracter accidental sau imprevizibil, neputând fi controlate şi prevenite de personalul de exploatare, astfel:
a)la aducţiunile gravitaţionale având ca destinaţie alimentarea cu apă a unor obiective civile sau industriale, în mod obligatoriu se va lua în considerare închiderea vanei de la capătul aval (de la beneficiar); pentru aducţiunile foarte lungi, se va lua în considerare şi închiderea vanelor de linie de pe traseul aducţiunii; de regulă, în aceste cazuri, în urma calculului se va recomanda un timp minim de închidere al acestor vane astfel încât presiunile să se înscrie în limitele admise, aceasta fiind, în fapt, şi singura măsură de protecţie recomandată; întrucât, în aceste cazuri, în fapt nu există personal calificat de exploatare şi intervenţia la vane poate fi făcută de persoane neavizate, proiectantul va lua măsurile specifice prin care încălcarea condiţiei de timp minim de închidere să nu fie posibilă;
b)la aducţiunile gravitaţionale având ca destinaţie alimentarea cu apă a turbinelor din centralele hidroelectrice, în mod obligatoriu se va lua în considerare închiderea rapidă (şi automată) a vanei de la capătul aval (de la intrarea în turbine), menită să prevină ambalarea turbinelor;
c)la aducţiunile cu pompare, în mod obligatoriu se va lua în considerare anularea bruscă a momentului motor primit de la motoarele electrice de antrenare a pompelor, ca urmare a întreruperii accidentale a alimentării cu energie electrică; se va lua în considerare ipoteza cea mai dezavantajoasă, în care toate pompele din staţia de pompare erau în funcţiune la momentul căderii alimentarii cu energie electrică;
d)la aducţiunile cu pompare la care s-au prevăzut ca mijloace de protecţie ventilele de aer şi/sau hidrofoarele de protecţie şi la care pernele de aer introdus de către acestea în conducte devin, la rândul lor, mijloace de protecţie (acţionând ca nişte hidrofoare suplimentare), calculul se va face şi în ipoteza opririi parţiale a staţiei de pompare, inclusiv oprirea unei singure pompe, pentru a evalua astfel situaţia când tamponul de aer introdus în conductă are un volum mai mic;
e)la aducţiunile cu pompare prevăzute cu clapete de sens sau cu vane cu închidere automată la căderea alimentarii cu energie electrică, în mod obligatoriu se va lua în considerare prezenţa acestora cu caracteristicile lor tehnice reale deoarece închiderea lor reprezintă surse suplimentare de perturbaţii, generatoare a unor fenomene suplimentare de lovitură de berbec;
f)la toate tipurile de aducţiuni, în funcţie de sensibilitatea mai mare a acestora la suprapresiuni sau la subpresiuni, se va alege combinaţia cea mai dezavantajoasă între nivelele piezometrice de la capetele aducţiunii (de exemplu, nivelele de aspiraţie şi de refulare, în cazul aducţiunilor cu pompare);
g)opţional, la aducţiunile cu pompare la care pompele sunt prevăzute fiecare, pe refulare, cu clapete de sens sau cu vane cu închidere automată şi la care există riscul neînchiderii acestora, pentru a vedea care este efectul curgerii inverse, mai ales în cazul pompelor care nu rezistă timp îndelungat la turaţie inversă, se va examina şi cazul când o pompă se opreşte accidental, cu organul de închidere în poziţie deschisă, iar restul pompelor rămân în stare de funcţionare;
h)opţional, la aducţiunile cu pompare prevăzute cu clapete de sens la care nu este sigură închiderea odată cu inversarea debitului, se va examina situaţia care rezultă pentru ansamblul instalaţiei din închiderea bruscă a acestora, cu un decalaj de 0,5...1 secunde faţă de momentul inversării debitului;
(12)Manevrele perturbatoare executate în mod curent de personalul calificat de exploatare (pornire/oprire pompe/turbine, manevre de vane pentru reglajul debitului etc.) nu vor fi luate în considerare la calculul loviturii de berbec şi alegerea măsurilor şi mijloacelor de protecţie. În schimb, pentru efectuarea acestor manevre vor fi concepute proceduri prin care să nu se afecteze negativ sistemul hidraulic; aceste proceduri vor fi înscrise în regulamentele de exploatare şi vor fi respectate în mod obligatoriu de către personalul de exploatare.
SUBCAPITOLUL 3:Date de bază
(13)Pentru stabilirea coeficienţilor rezistenţelor hidraulice se vor folosi informaţiile din fişele tehnice de prezentare ale furnizorilor (pentru conducte şi armături); doar în cazul în care asemenea informaţii nu pot fi obţinute, se vor folosi indicaţiile conţinute în manuale şi îndreptare de calcule hidraulice. Pentru instalaţii importante, în care se folosesc dispozitive noi sau care nu pot fi asimilate cu cele existente în literatură, se vor face determinări experimentale.
(14)Presiunea de cavitaţie (la care se produce ruperea coloanei de apă) se va lua 0,8 bari pentru apa rece şi altitudini joase (zona de câmpie şi de deal). În zona de munte, aceasta se va calcula, ţinând seama de variaţia presiunii cu altitudinea, cu formula:
în care z este altitudinea în metri.
(15)Presiunile admisibile, maximă şi minimă (vacuumul maxim admis), se preiau din fişele tehnice de prezentare ale furnizorilor (pentru conducte şi armături). Ca regulă generală, solicitările suplimentare date de lovitura de berbec vor fi considerate ca sarcini accidentale de scurtă durată.
(16)Dacă nu se cunoaşte presiunea maximă admisă şi doar pentru conducte confecţionate din material omogen, în special pentru cele cu pereţi subţiri cum sunt cele din metal, presiunea maximă admisă poate fi calculată cu aproximaţie folosind formula cazanelor:
unde
- D este diametrul interior al conductei;
- e este grosimea peretelui conductei;
- ad este efortul admisibil la rupere, la solicitarea de întindere, al materialului din care este confecţionată conducta.
(17)La conductele din oţel şi din materiale plastice lipite sau sudate, la stabilirea presiunii maxime admisibile printr-un calcul de specialitate (de rezistenţa materialelor), avându-se în vedere natura accidentală şi de scurtă durată a solicitării din lovitura de berbec, se admite o scădere a coeficientului de siguranţă cu 5% până 15%, faţă de cel admis pentru sarcinile fundamentale, în raport de importanţa lucrării.
(18)La evaluarea vacuumului maxim admis în conducte şi dacă aducţiunea este confecţionată din tuburi prefabricate îmbinate pe şantier, se va ţine seama de sistemul de etanşare folosit şi de posibilitatea ca vacuumul să afecteze etanşeitatea aducţiunii.
(19)Considerând faptul că, la construcţia aducţiunilor, în practică, există riscul unor imperfecţiuni, mai ales atunci când acestea sunt pozate subteran, pentru a se evita deteriorarea calităţii apei prin aspirarea unor substanţe din exterior, se recomandă să nu se admită un vacuum mai mare de 2...3 metri coloană de apă (m.c.a.).
SUBCAPITOLUL 4:Etape de calcul. Corelarea cu fazele de proiectare. Conţinutul calculelor
(20)Calculul şi proiectarea dispozitivelor de protecţie contra loviturii de berbec vor fi corelate cu proiectarea întregii instalaţii. La stabilirea dispoziţiei generale a instalaţiei se va avea în vedere şi comportarea ei în regim nepermanent: se va opta pentru acea dispoziţie generală pentru care costul protecţiei la lovitura de berbec este cel mai redus (un exemplu curent în acest sens îl reprezintă forma profilului în lung al conductei, deosebit de importantă pentru valoarea presiunilor extreme şi care depinde de traseul ales).
(21)Culegerea şi stabilirea datelor de bază este esenţială şi determinantă pentru corectitudinea calculelor şi viabilitatea practică a soluţiei de protecţie; de aceea, trebuie făcută cu maximă rigurozitate. De regulă, datele de bază se vor obţine direct de la furnizori (conducte, armături, ventile, maşini hidraulice etcetera) care răspund pentru corectitudinea lor. Dacă datele de bază nu pot fi obţinute din sursă directă sigură, acestea se pot aprecia din proiecte similare sau din literatura de specialitate dar, în acest caz, se vor alege valorile care conduc la situaţiile cele mai dezavantajoase.
(22)_
1._
În prima fază, se execută calculul iniţial care se efectuează pentru instalaţia neprotejată. Scopul acestui calcul este să decidă dacă este necesară protecţia împotriva loviturii de berbec şi, în caz afirmativ, care sunt efectele negative periculoase (suprapresiunile sau subpresiunile sau ambele sau depăşirea turaţiei maşinilor hidraulice, şi altele) şi care sunt secţiunile cele mai afectate.
a)Tot în această fază se va studia posibilitatea luării unor măsuri de protecţie care, de principiu, nu presupun investiţii suplimentare ca în cazul dispozitivelor de protecţie. De exemplu, în cazul când pe conductă sunt instalate vane cu închidere automată a căror lege de închidere poate fi programată (vane cu viteza de închidere variabilă de-a lungul timpului de închidere), tot în această fază se va face un calcul de optimizare a legilor de închidere în sensul găsirii acelor legi care produc efectele negative cele mai reduse.
2._
(22)În a doua fază, se execută calculul de dimensionare care se efectuează în scopul alegerii şi dimensionării soluţiei de protecţie contra loviturii de berbec, constând în instalarea unor dispozitive de protecţie care presupun investiţii suplimentare. Schemele de protecţie se stabilesc pe baza experienţei acumulate şi pot fi luate cu titlu informativ din literatura de specialitate. Câteva recomandări se dau şi în normativul de faţă, la cap. 5. Mai multe detalii, recomandări şi indicaţii se găsesc în partea a II-a a prezentului normativ denumit îndrumător.
a)În cursul acestei etape, se vor examina una sau mai multe variante de scheme de protecţie şi se va face, prin încercări succesive, optimizarea lor constând în găsirea acelor parametri care caracterizează dispozitivele de protecţie pentru care acestea asigură protecţia conductei la un cost minim. După ce s-a stabilit soluţia de protecţie, dacă este cazul, se vor reconsidera legea şi timpul de închidere al vanelor astfel ca să corespundă noilor condiţii. Tot de la caz la caz, se vor stabili eventualele restricţii în exploatare.
(23)Calculele de verificare constă în refacerea calculelor atunci când intervin schimbări în datele de bază, fie în decursul procesului de proiectare fie la execuţia lucrărilor, urmare a modificării unor parametri de bază ai instalaţiei (ai conductei şi echipamentelor sau ai dispozitivelor de protecţie) faţă de situaţia iniţială sau de cea recomandată. Se vor face calcule de verificare şi atunci când rezultatele unor măsurători experimentale indică necesitatea stabilirii mai precise a unor date de bază. Calculele de verificare se vor face înainte de darea în funcţiune şi apoi, pe timpul exploatării, ori de câte ori se fac modificări în instalaţie, dacă acestea sunt de natură să influenţeze fenomenul de lovitură de berbec.
SUBCAPITOLUL 5:Interpretarea şi prezentarea rezultatelor calculelor
(24)Interpretarea rezultatelor calculelor constă, în principal, în compararea presiunilor obţinute prin calcul cu cele admisibile, astfel:
a)dacă, în toate nodurile de calcul, presiunile obţinute prin calcul sunt mai mici decât cele maxime admisibile atunci, la calculul iniţial se va trage concluzia că nu sunt necesare măsuri şi mijloace suplimentare de protecţie iar în calculul de dimensionare şi în cel de verificare se va trage concluzia că măsurile şi mijloacele de protecţie propuse sau existente sunt satisfăcătoare din punctul de vedere al protecţiei la suprapresiuni; în caz contrar, se va analiza o altă soluţie de protecţie sau, după caz, se vor modifica parametrii determinanţi la soluţia propusă sau existentă;
b)dacă, în toate nodurile de calcul, presiunile obţinute prin calcul sunt mai mari decât cele minime admisibile atunci, la calculul iniţial se va trage concluzia că nu sunt necesare măsuri şi mijloace suplimentare de protecţie iar în calculul de dimensionare şi în cel de verificare se va trage concluzia că măsurile şi mijloacele de protecţie propuse sau existente sunt satisfăcătoare din punctul de vedere al protecţiei la subpresiuni; în caz contrar, se va analiza o altă soluţie de protecţie sau, după caz, se vor modifica parametrii determinanţi la soluţia propusă sau existentă.
(25)Dacă pe sistemul hidraulic sunt instalate maşini hidraulice, interpretarea rezultatelor va cuprinde şi compararea turaţiilor maxime obţinute prin calcul cu cele admisibile.
(26)Prezentarea rezultatelor calculelor se va face sub forma unui studiu unitar, destinat acestei probleme şi care va cuprinde toate elementele avute în vedere la calculul fenomenului, cu detaliile numerice aferente, astfel:
a)metoda de calcul, respectiv programul de calcul folosit cu condiţiile generale şi specifice de aplicare;
b)schema de calcul; în primul rând, discretizarea conductei în tronsoane de calcul delimitate de noduri de calcul şi, apoi, precizările necesare privind "dispozitivele" plasate în nodurile de calcul;
c)datele de bază, atât cele ale tronsoanelor cât şi cele ale "dispozitivelor" plasate în nodurile de calcul;
d)ipotezele de calcul, în primul rând cele referitoare la manevrele perturbatoare, generatoare ale fenomenului de lovitură de berbec;
e)conţinutul calculelor pe etape (în calculul iniţial şi în cel de dimensionare); în mod obligatoriu se vor prezenta numeric (tabelar) presiunile maxime şi minime în toate nodurile de calcul, în fiecare dintre ipotezele analizate; opţional se pot face şi reprezentări grafice sub forma unor linii piezometrice maxime şi minime, pe profilul longitudinal al conductei;
f)interpretarea rezultatelor şi prezentarea concluziilor, care va conţine în mod explicit şi detaliat soluţia de protecţie recomandată, constând în măsuri şi/sau mijloace de protecţie; după caz, odată cu prezentarea soluţiei de protecţie recomandate, se vor face şi precizările necesare în ce priveşte alcătuirea constructivă a mijloacelor de protecţie, pentru a obţine o funcţionare corectă şi o eficacitate maximă a acestora; totodată, se vor face precizările necesare şi în ce priveşte anumite prevederi ce trebuie introduse în regulamentul de exploatare pentru a avea, de asemenea, o funcţionare corectă şi o eficacitate maximă a protecţiei împotriva loviturii de berbec.