Capitolul 3 - Dispozitive de protecţie - 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 3:Dispozitive de protecţie
SUBCAPITOLUL 0:
(1)Acest capitol descrie succint alcătuirea constructivă a principalelor dispozitive folosite ca mijloace de protecţie împotriva efectelor negative ale lovituri de berbec; se descrie, de asemenea, modul în care acestea realizează protecţia respectivă (modul lor de acţiune) şi se fac o serie de recomandări practice privind instalarea şi exploatarea lor.
SUBCAPITOLUL 1:3.1. Castelul de echilibru
(1)Castelul de echilibru este o construcţie verticală înaltă, deschisă în atmosferă la partea superioară, a cărui secţiune orizontală Fd poate fi constantă sau variabilă (figura 3.1).
Figura 3.1 - Castelul de echilibru
- a - la CHE; b - la SP; c - cu rol de ventil de aer;
(2)Castelul de echilibru acţionează ca un "rezervor tampon" care suplineşte "deficitul" de apă din conducta protejată atunci când presiunea scade şi preia "surplusul" de apă din conducta protejată atunci când presiunea creşte.
(3)Mai precis, atunci când presiunea din conducta protejată scade, apa curge din castel în conductă şi nivelul în castel scade iar atunci când presiunea din conducta protejată creşte, apa curge din conductă în castel şi nivelul în castel creşte. Această curgere, dinspre şi înspre castel, începe imediat ce la castel ajunge prima variaţie de presiune (oricât de mică) şi asta explică faptul că efectul protector al castelului se extinde pe o foarte mare parte din lungimea aducţiunii aflată în "spatele" acestuia (în sensul de propagare al perturbaţiilor primare).
(4)Înălţimea castelului, dată de diferenţa dintre nivelul maxim şi cel minim, depinde de amploarea fenomenului de lovitură de berbec dar şi de valoarea rezistenţei hidraulice a branşamentului dintre castel şi conducta protejată.
(5)Rezistenţa hidraulică a branşamentului, dată de dimensiunea diafragmei (ca în cazul din figura 3.1.a) sau de diametrul conductei de legătură (ca în cazul din figura 3.1.b) influenţează însă şi valoarea variaţiilor de presiune care "trec" de castel şi afectează aducţiunea, astfel: o rezistenţă mare de branşament conduce la o înălţime mică a castelului dar produce variaţii mari de presiune pe conducta protejată (şi invers). Calculul va stabili un optimum care va ţine seama de toţi parametrii implicaţi (inclusiv de capacitatea de rezistenţă mecanică a conductelor) şi care va urmări ca, pe ansamblu, costul lucrărilor să fie minim.
(6)În cazul aducţiunilor centralelor hidroelectrice (CHE - figura 3.1.a), volumele de apă schimbate cu castelul de echilibru sunt, de regulă, foarte mari şi rezultă castele cu înălţimi mari. Execuţia lor este, însă, facilitată de faptul că pot fi realizate sub forma unor "puţuri" săpate în roca munţilor unde se realizează astfel de amenajări.
(7)Pentru reducerea înălţimii castelului, fiind posibil şi din punct de vedere tehnic, în aceste cazuri se obişnuieşte să se realizeze lărgiri ale secţiunii transversale: la partea superioară (camera superioară) pentru limitarea nivelului maxim precum şi la partea inferioară (camera inferioară) pentru limitarea nivelului minim.
(8)Limitarea nivelului minim prin camera inferioară mai are şi rolul de a elimina riscul de pătrundere a aerului în aducţiune care, în cazul CHE, este interzisă întrucât poate afecta grav turbinele.
(9)În cazul conductelor de refulare ale staţiilor de pompare (SP - figura 3.1.b), castelul de echilibru trebuie să fie realizat ca o construcţie foarte înaltă, supraterană, cu toate dezavantajele care decurg de aici. Din acest motiv, pe de o parte, aplicarea acestui tip de soluţie este extrem de limitată iar, pe de altă parte, forma lor constructivă este mult mai simpla (de regulă se adoptă forma cilindrică realizată din metal sau beton armat).
(10)În acest caz, pătrunderea aerului în aducţiune nu prezintă pericol. Aerul nu afectează cu nimic staţia de pompare. Dimpotrivă, accesul aerului în conductă, ca şi pătrunderea apei, poate fi benefică pentru protejarea acesteia la sub-presiuni, permiţând să se reducă volumul (şi costul) castelului de echilibru. De aceea, este posibil şi chiar recomandabil (ca fiind o soluţie economică), să se folosească acest dispozitiv, sub forma unui tub vertical cu diametru redus, în punctele înalte ale profilului longitudinal, cu rolul de ventil de aer (figura 3.1.c).
SUBCAPITOLUL 2:3.2. Hidroforul de protecţie
(1)Hidroforul de protecţie suplineşte (elimină) principalul dezavantaj pe care îl prezintă castelul de echilibru (înălţimea mare), fiind un obiect compact şi mult mai avantajos din punct de vedere constructiv (figura 3.2). Este dispozitivul preferat la protecţia conductelor de refulare ale staţiilor de pompare, unde castelul de echilibru ar avea o înălţime prea mare pentru a putea fi o soluţie economică.
(2)Ca şi castelul de echilibru, hidroforul acţionează ca un "rezervor tampon" care suplineşte "deficitul" de apă din conducta protejată atunci când presiunea scade şi preia "surplusul" de apă din conducta protejată atunci când presiunea creşte. Rolul de "motor" şi respectiv de "acumulator" pentru schimbul de apă dintre hidrofor şi conductă este jucat, în acest caz, din punct de vedere energetic, de către perna de aer sub presiune a acestuia.
Figura 3.2 - Hidroforul de protecţie
- a - Hidrofor orizontal (subteran); b - Hidrofor vertical (suprateran);
(3)Mai precis, atunci când presiunea din conducta protejată scade, apa curge din hidrofor în conductă, fiind împinsă de către presiunea aerului care scade odată cu coborârea nivelului apei din hidrofor; atunci când presiunea din conducta protejată creşte, apa curge din conductă în hidrofor, nivelul apei în hidrofor creşte şi, de asemenea, presiunea din perna de aer. Această curgere, dinspre şi înspre hidrofor, începe imediat ce la hidrofor ajunge prima variaţie de presiune (oricât de mică) şi asta explică faptul că efectul protector al hidroforului se extinde pe o foarte mare parte din lungimea aducţiunii aflată în "spatele" acestuia (în sensul de propagare al perturbaţiilor primare).
(4)Ca urmare, înălţimea hidroforului, dată de diferenţa dintre nivelul maxim şi cel minim, este, în acest caz, foarte mică iar realizarea sa practică este mult mai convenabilă din punct de vedere tehnic şi economic.
(5)Atunci când volumul hidroforului este relativ mic, el poate fi realizat sub forma unui recipient (cazan) vertical, aşezat suprateran pe o fundaţie corespunzătoare (figura 3.2.b). Această dispoziţie are avantajul că dă posibilitatea unei supravegheri şi inspecţii permanente şi complete dar şi mai multe dezavantaje, între care:
a)necesitatea de a corespunde tuturor normelor de securitate pentru recipienţii sub presiune;
b)necesitatea de a fi izolat din punct de vedere termic pentru a preveni îngheţul; dacă funcţionarea instalaţiei este sezoniera (în afara perioadelor reci), această condiţie nu există.
(6)Atunci când volumul hidroforului este mare, hidroforul vertical devine ne-economic şi se recomandă hidroforul orizontal (figura 3.2.a). Acesta poate avea volume oricât de mari fără a deveni o construcţie înaltă şi poate fi îngropat ceea ce îi conferă mai multe avantaje, astfel:
a)nu ocupă teren construibil;
b)nu necesită măsuri pentru a preveni îngheţul;
c)nu se supune reglementărilor pentru recipienţii sub presiune;
(7)Dispoziţia orizontală, îngropată, a hidroforului are însă toate dezavantajele unei lucrări ascunse: nu poate fi supravegheată, nici inspectată (decât parţial) iar în cazul unor defecţiuni/avarii/lucrări de întreţinere, acestea sunt dificil de remediat/realizat.
Figura 3.3 - Dotări speciale pentru hidroforul de protecţie
- a - Hidrofor orizontal (subteran); b - Hidrofor vertical (suprateran);
(8)Rezistenţa hidraulică a branşamentului, dată în principal de diametrul conductei de legătură are, la hidrofoare, un rol covârşitor pentru comportarea acestora ca mijloace de protecţie împotriva loviturii de berbec.
(9)O rezistenţă mare de branşament lasă să "treacă" variaţiile de presiune primare, produse în staţia de pompare. De aceea, pentru prevenirea vacuumului şi cavitaţiei, în prima fază, a scăderii presiunilor, este necesar ca hidroforul să aibă o rezistenţă mică de branşament. Rezistenţa mică de branşament conduce la debite mari care intră din hidrofor în conductă şi, în consecinţă, la volume mari ale recipientului.
(10)Rezistenţa mică de branşament este, însă, dezavantajoasă pentru faza a doua, de creştere a presiunilor, când curgerea se inversează şi când apa intră din conductă în hidrofor. În această fază, rezistenţa mică de branşament favorizează accelerarea curgerii în sens invers, având ca efect comprimarea puternică a pernei de aer din hidrofor şi creşterea, pe măsură, a presiunilor. Este posibil, în această situaţie, ca presiunile maxime care se produc în prezenţa hidroforului să le depăşească pe cele care se produc în absenţa acestuia ceea ce, evident, reprezintă un non-sens din punctul de vedere al protecţiei propriu-zise.
(11)Avem de a face, aparent, cu un paradox şi, în realitate, cu o incompatibilitate între valoarea optimă a rezistenţei de branşament pentru cele două faze ale loviturii de berbec.
(12)Pentru "soluţionarea" acestei incompatibilităţi, recomandarea are în vedere un cost minim al hidroforului, care corespunde rezistenţei maxime de branşament (când volumul hidroforului este minim). Mai precis, se aleg rezistenţa de branşament (mare) şi volumul de hidrofor (mic) care asigură protecţia la presiuni maxime. În aceste condiţii, hidroforul va asigura doar o protecţie parţială la sub-presiuni şi, pentru asigurarea totală a acestei protecţii, se folosesc suplimentar ventilele de aer plasate în număr şi poziţii determinate prin calcul.
(13)Există, desigur, şi soluţii mai sofisticate, cum ar fi branşamentele "asimetrice", cu rezistenţa hidraulică diferită în funcţie de sensul de curgere, dar acestea nu sunt fiabile şi trebuie aplicate cu multă precauţie şi cu condiţia luării unor măsuri suplimentare care să le asigure o funcţionare corectă.
(14)Faţă de castelul de echilibru, care nu necesită, practic, nici un fel de supraveghere, hidroforul are dezavantajul că impune o serie de exigenţe în exploatare şi, ca atare, trebuie să fie dotat cu o serie de instalaţii speciale (vezi figura 3.3).
(15)În primul rând, volumul pernei de aer (care se determină prin calcul, fiind coroborat cu volumul geometric şi cu rezistenţa hidraulică a branşamentului) trebuie să fie respectat cu stricteţe. De regulă, acest volum, destins la presiunea atmosferică, depăşeşte, uneori cu mult, volumul geometric al hidroforului şi ca urmare, la punerea în funcţiune el trebuie creat. De aici rezultă necesitatea ca hidroforul să fie prevăzut cu un ştuţ de racord la un compresor de aer şi, evident, ca acest compresor să existe şi să fie funcţional.
(16)Din diferite motive (prin dizolvare în apă în primul rând dar şi prin unele ne-etanşeităţi) este posibil ca, în timp, volumul pernei de aer să se micşoreze. De aici rezultă şi necesitatea ca hidroforul să fie prevăzut cu un sistem de control al nivelului apei prin care se verifică, de fapt, volumul pernei de aer. Compresorul de aer va fi folosit şi atunci când se constată scăderea volumului pernei de aer sub valoarea prescrisă.
(17)În sfârşit, ca măsură de siguranţă, se recomandă ca pe hidrofor să fie montat un ventil de aer care să introducă aer şi să prevină turtirea cazanului atunci când se produce vacuum. Întrucât, de regulă, ventilele de aer comercializate sunt de tipul "aerisire-dezaerisire", pentru a se preveni evacuarea aerului la faza de creştere a presiunilor precum şi în regim normal de funcţionare, se recomandă ca aceste ventile să fie montate pe conducte verticale care să coboare până la fundul hidroforului.
(18)Se reaminteşte că în cazul staţiilor de pompare, unde se aplică cu precădere soluţia de protecţie cu hidrofor, pătrunderea aerului în aducţiune nu prezintă un pericol. Aerul nu afectează cu nimic staţia de pompare. Dimpotrivă, accesul aerului în conductă, ca şi pătrunderea apei, poate fi benefică pentru protejarea acesteia la sub-presiuni, permiţând să se reducă volumul (şi costul) hidroforului.
(19)Atunci când hidroforul este îngropat, accesul liber la toate aceste instalaţii speciale va fi asigurat prin cămine de vizitare concepute astfel ca funcţionarea şi supravegherea lor să se facă în cele mai bune condiţii.
(20)Tot atunci când hidroforul este îngropat, forma conductei de branşament poate favoriza colmatarea cu material aluvionar deoarece în cea mai mare parte a timpului apa din branşament stagnează. Colmatarea branşamentului este periculoasă întrucât modifică rezistenţa hidraulică a acestuia. În consecinţă, instrucţiunile de exploatare trebuie să prevadă măsuri de inspecţie şi de remediere corespunzătoare.
(21)Stagnarea apei în hidrofor impune în plus, în cazul conductelor pentru apa potabilă, pentru păstrarea calităţii apei, golirea cel puţin săptămânal a recipienţilor iar instrucţiunile de exploatare vor reflecta în mod corespunzător această cerinţă.
SUBCAPITOLUL 3:3.3. Ventilul de aer
(1)Din punctul de vedere al protecţiei la lovitura de berbec, prin ventil de aer se înţelege acel dispozitiv care introduce aer în conductă imediat ce presiunea devine negativă (mai mică decât presiunea atmosferică, respectiv dacă se produce vacuum). De regulă, ventilele de aer comercializate sunt de tipul aerisire-dezaerisire, adică au, pe lângă această funcţie şi pe aceea de a evacua aerul sub presiune care se poate acumula în anumite puncte (aşa-zis "înalte") ale profilului longitudinal al aducţiunii. Pentru protecţia la lovitura de berbec, ventilele (pentru introducerea aerului) pot fi însă plasate şi în alte puncte decât cele "înalte" (unde ele se montează independent de problema loviturii de berbec, pentru funcţia lor de dezaerisire).
(2)Ventilul de aer este un dispozitiv extrem de ieftin în raport cu hidroforul sau castelul. Principalul său dezavantaj îl constituie faptul că protecţia (pentru reducerea vacuumului) este realizată doar pe o lungime redusă de conductă şi anume în vecinătatea imediată a punctului unde se instalează ventilul. Ca urmare, pentru a se proteja o lungime mai mare de conductă este necesar să se instaleze mai multe asemenea dispozitive. Tot un dezavantaj îl constituie, ca şi în cazul hidroforului, faptul că sunt necesare măsuri atente de montaj şi întreţinere care să le confere o funcţionare sigură şi corectă.
(3)Efectul protector limitat al ventilului de aer se datorează faptului că acesta "intră în acţiune" cu mare întârziere faţă de momentul în care în punctul respectiv ajung primele variaţii de presiune. Este necesar ca presiunea să scadă în punctul respectiv sub zero pentru ca ventilul să se deschidă. În acest timp, pe restul aducţiunii, efectul propagării variaţiilor de presiune şi-a produs deja efectul negativ.
(4)În plus, prin deschiderea ventilului de aer, doar în punctul respectiv se asigură o presiune egală cu zero (presiunea atmosferică). În fapt, presiunea asigurată prin deschiderea ventilului este puţin sub zero întrucât intervine şi pierderea de sarcină la curgerea aerului care intră prin ventil în conductă. În aceste condiţii, presiunile din vecinătatea ventilului vor fi, inevitabil, mai mici decât zero şi, chiar prin montarea mai multor ventile relativ apropiate unul de altul, vacuumul nu poate fi eliminat în totalitate. Acesta este motivul pentru care, în Normativ, se acceptă un vacuum limitat, de 2...3 m.c.a., care de regulă poate fi suportat de conductele obişnuite. Dacă acest vacuum limitat nu ar fi acceptat, soluţia protecţiei cu ventile de aer ar fi, practic, imposibil de aplicat.
(5)În ce priveşte instalarea practică a ventilelor pe profilul longitudinal al aducţiunii, numărul, poziţia şi tipo-dimensiunea acestora vor rezulta în urma calculului detaliat al loviturii de berbec care va avea ca rezultat, pe lângă valoarea presiunilor extreme, şi debitul de aer pe care îl introduce în conductă fiecare ventil.
SUBCAPITOLUL 4:3.4. Supapa de suprapresiune
(1)Supapa de suprapresiune este acel dispozitiv care se deschide imediat ce presiunea depăşeşte o anumită valoare (maximă) care, de regulă, poate fi reglată în prealabil. În acest fel, în punctul respectiv, presiunea maximă este limitată la valoarea calibrată de deschidere a supapei. În fapt, presiunea asigurată prin deschiderea supapei este puţin mai mare decât valoarea calibrată de deschidere întrucât intervine şi pierderea de sarcină la curgerea apei prin supapă.
(2)Supapa de suprapresiune este un dispozitiv extrem de ieftin în raport cu hidroforul sau castelul. Principalul său dezavantaj îl constituie faptul că protecţia (pentru reducerea suprapresiunilor) este realizată doar pe o lungime redusă de conductă şi anume în vecinătatea imediată a punctului unde se instalează supapa. Ca urmare, pentru a se proteja o lungime mai mare de conductă este necesar să se instaleze mai multe asemenea dispozitive. Tot un dezavantaj îl constituie, ca şi în cazul hidroforului, faptul că sunt necesare măsuri atente de montaj şi întreţinere care să le confere o funcţionare sigură şi corectă.
(3)Efectul protector limitat al supapei de suprapresiune se datorează faptului că aceasta "intră în acţiune" cu mare întârziere faţă de momentul în care în punctul respectiv ajung primele variaţii de presiune. Este necesar ca presiunea să crească în punctul respectiv până la valoarea de calibrare pentru ca supapa să se deschidă. În acest timp, pe restul aducţiunii, efectul propagării variaţiilor de presiune şi-a produs deja efectul negativ.
(4)În ce priveşte instalarea practică a supapelor pe profilul longitudinal al aducţiunii, numărul, poziţia şi tipo-dimensiunea acestora vor rezulta în urma calculului detaliat al loviturii de berbec care va avea ca rezultat, pe lângă valoarea presiunilor extreme, şi debitul de apă pe care îl evacuează din conductă fiecare supapă.
SUBCAPITOLUL 5:3.5. Volanta adiţională
(1)La staţiile de pompare, principala cauză a loviturii de berbec, obligatoriu a fi luată în considerare în calcul conform Normativului, o constituie întreruperea alimentării cu energie a motoarelor de antrenare ale pompelor. În această situaţie, momentul de inerţie al tuturor părţilor rotative aflate în cuplaj (pompa împreună cu apa, cuplajul mecanic şi motorul) joacă un rol important întrucât de el depinde timpul real de oprire al pompelor şi, astfel, "duritatea" perturbaţiei primare care generează apoi lovitura de berbec pe întreaga aducţiune.
(2)Mărirea momentului de inerţie prin adăugarea unei volante suplimentare poate fi o soluţie pentru reducerea variaţiilor de presiune însă, practic, aplicarea acestui tip de soluţie de protecţie este dificil de aplicat. Totuşi, efectul benefic al inerţiei trebuie avut în vedere şi, atunci când există posibilitatea de a alege între mai multe tipuri de grupuri de pompare (ansambluri motor + pompă), se va alege acela care sa aibă cel mai mare moment de inerţie.
SUBCAPITOLUL 6:3.6. Conducta de ocolire
(1)La staţiile de pompare, de regulă, pe refularea fiecărei pompe se găseşte câte o clapetă de reţinere (clapetă de sens) care permite curgerea doar către bazinul de refulare şi nu permite curgerea inversă. La cap. 2.3 s-a explicat că este optim ca aceste clapete să se închidă în momentul inversării debitului (sau chiar cu puţin înainte) şi că orice decalaj la închidere este generator de noi perturbaţii generatoare de fenomene suplimentare de lovitură de berbec. Tot acolo s-a arătat că dacă s-ar permite curgerea în sens invers, atunci suprapresiunile care s-ar produce ar fi mult diminuate, în schimb ar exista pericolul ambalării pompei în regim de turbină şi s-ar irosi apa care a fost deja pompată.
(2)Pornind de la aceste constatări, o soluţie pentru reducerea suprapresiunilor o constituie montarea unei conducte de ocolire (de by-pass) a clapetei de reţinere, ilustrată în figura 3.4.
(3)Conducta de ocolire are un diametru cu mult mai mic decât conducta de refulare şi pe ea este montată o vană.
(4)În regim normal de funcţionare vana trebuie să fie deschisă şi apa curge către bazinul de refulare, în principal prin conducta de refulare şi prin clapeta de reţinere şi, într-o măsură mult mai mică, prin conducta de ocolire şi prin vana deschisă.
Conductă de ocolire
Figura 3.4 - Conducta de ocolire (by-pass)
(5)La oprirea pompei şi inversarea curgerii, clapeta de reţinere se închide şi apa este lăsată să curgă în sens invers numai prin conducta de ocolire şi prin vana deschisă. Datorită diametrului redus, determinat riguros prin calcul, această curgere în sens invers poate fi controlată astfel încât să aibă un debit mic şi pompa să nu aibă de suferit din cauza ambalării, obţinându-se în schimb o reducere importantă a suprapresiunilor. Personalul din staţia de pompare va închide apoi lent această vană dar, debitul în sens invers fiind foarte mic, volumul de apă pierdut este redus.