Трубопроводная арматура систем водоснабжения

  Для обеспечения нормальной эксплуатации водопроводная сеть должна быть оборудована арматурой. Трубопроводная арматура представляет собой комплект устройств для регулирования, обслуживания, ремонта и обеспечения надежной работы систем водоснабжения. По назначению трубопроводная арматура бывает следующих видов: аэрационная, водоразборная, запорная, запорно-предохранительная, предохранительная, peгулирующая. Она должна отвечать ряду требований: соответствовать внешним и внутренним нагрузкам на трубопровод  обеспечивать герметичность, иметь необходимые гидравлические, кавитационные и противокоррозионные свойства, отвечать требованиям надежности.
  Основные параметры арматуры характеризуются диаметром условного прохода Dy, значения которого установлены ГОСТом, и условным давлением Ру – наибольшим избыточным рабочим давлением при температуре среды 20 ос. В каталогах трубопроводной арматуры в дополнение обычно указывают ее рабочее и пробное давление.
  Аэрационная арматура служит для впуска в водопровод и выпуска из него воздуха. Она необходима для удаления воздуха, скапливающегося в повышенных точках трубопровода в процессе эксплуатации и из участков водоводов при их заполнении водой, а также для впуска в места разрывов сплошности потока, возникающих при переходных режимах, и в трубопровод при плановом или аварийном опорожнении его. К аэрационной арматуре  относятся вантузы и клапаны для выпуска и замещения воздуха.
  Вантузы подразделяются на шаровые, рычажные и мембранные. В шаровых вантузах при отсутствии воздуха трубопроводе вода поднимается и прижимает полиэтиленовый шар к отверстию втулки. При скоплении воздуха в верхней части вантуза шар опускается вместе с водой, отверстие втулки открывается и воздух выходит наружу. Принцип действия рычажного вантуза аналогичен принципу действия шарового. Мембранные вантузы предназначены как для удаления, так для впуска воздуха в трубопровод при образовании в нем вакуума. Вантузы выпускаются с диаметром присоединительного патрубка 50 мм и диаметром выпускного отверстия 3-8 мм. Они рассчитаны на небольшую производительность и способны выпускать воздух при давлении ниже, чем в системах водоснабжения. Это сужает область их применения.
  Для впуска и выпуска больших объемов воздуха используют автоматические клапаны для впуска и выпуска воздуха (КВВВ), разработанные ВОДГЕО. ЭТИ клапаны выпускаются D = 400-500 мм.
  Клапан для впуска и защемления воздуха (КВЗВ) предназначен для автоматического впуска воздуха в водовод при образовании в нем вакуума. Он применяется для предотвращения гидравлических ударов, начинающихся с волны понижения давления  для защиты тонкостенных труб от деформации в момент возникновения вакуума при переходных режимах, для впуска воздуха при опорожнении водоводов. КВЗВ выпускаются Dy = 50 150 мм на максимальную подачу воздуха 0,04-0,045 м3/с. КВВ и КВЗВ рассчитаны на давление 1,6 МПа. Материал клапанов сталь, чугун. Места их установки определяют расчетами переходных процессов в трубопроводах.
  С целью опорожнения трубопроводов в пониженных, то каждого ремонтного участка, а также в местах, принятых промывки трубопроводов перед сдачей в эксплуатацию по окончании строительства или после ремонта, устанавливают выпуски.  Выпуск представляет собой короткую трубу с задвижкой, примыкающую в нижней части сечения  водовода. На чугунных водоводах применяют стандартные выпуски, на стальных - выпуск приваривают к трубе. 

{mospagebreak}
  Через выпуск вода удаляется в водосток, овраг или канаву, а если это невозможно, то в месте расположения выпусков предусматривают колодцы, из которых воду откачивают насосом. Диаметр выпусков назначают из условия опорожнения обслуживаемых ими участков водоводов или сетей в течение не более двух часов.
  Арматура водоразборная предназначена для отбора воды из системы водоснабжения. К ней относятся краны, поплавковые клапаны, уличные колонки, пожарные гидранты. Арматура первых двух видов используется в системах санитарно-технического оборудования жилых и общественных зданий при отборе воды на хозяйственно-питьевые нужды и для заполнения раз-личных емкостей. По принципу работы запорных органов она бывает вентильного, золотникового, шайбового и клапанного типов. Ее конструкции отличаются большим разнообразием.
Отбор воды на хозяйственно-бытовые нужды  может осуществляться из уличных водозаборных колонок, устанавливаемых на наружной водопроводной сети. Они обеспечивают полную герметизацию трубопроводов, транспортирующих воду, от попаданий загрязнений извне. Для целей питьевого водоснабжения также служат колонки - фонтанчики, устанавливаемые в парках, садах и других местах отдыха.
  Пожарные гидранты используются для целей отбора воды на пожаротушение. Их устанавливают в смотровых колодцах через 150 м. Также пожарные гидранты применяют для заполнения  автоцистерн при поливе зеленых насаждений и мытье площадей и улиц. Пожарные гидранты бывают наземными и подземными. Наземные гидранты бесколодезного типа применяются в сельской местности и пригородной зоне, где отпадает надобность в подземных гидрантах.
  Существуют конструкции гидрантов, совмещенных с водоразборной колонкой. Пожарные подземные гидранты устанавливают в водопроводных колодцах, что удорожает строительство.
  Запорная арматура предназначается для перекрытия потока в трубопроводе. К ней относятся задвижки, дисковые поворотные затворы, вентили, краны. Задвижки по конструкции запорного органа подразделяются на параллельные и клиновые. В параллельных задвижках проход корпуса перекрывается двумя параллельными, подвижно соединенными между собой дисками, которые раздвигаются одним или двумя расположенными между ними клиньями;  в клиновых - одним клинообразным круглым диском, помещенным в гнезда между наклонными уплотняющими кольцами корпуса. Преимущество параллельных задвижек перед клиновыми Состоит  в меньшей трудоемкости обработки уплотняющих колец и их изнашиваемости, а также в меньших усилиях при открывании после длительного нахождения в положении «закрыто». Задвижки изго-тавливают с выдвижными и невыдвижными шпинделями. Выдвижной шпиндель при вращении совершает поступательное движение, а невыдвижной - только вращательное. Первые имеют большую высоту в положении «открыто» на величину хода шпинделя. Задвижки бывают плоскими, овальными, круглыми соответственно на низкое, среднее и высокое давление. Они выпускаются на давление 0,25-6,4 МПа в диапазоне диаметров 50-800 мм. Корпус задвижек изготавливают из чугуна при Ру до 1 МПа или стали при больших давлениях. Зарубежными фирмами для изготовления общепромышленной арматуры широко используется ковкий чугун, который выдерживает большие нагрузки и эластичен, как сталь.
  Задвижки выпускаются с ручным, электрическим и гидравлическим приводами. Первые используются при отсутствии необходимости частых перекрытий трубопроводов; вторые - при наличии потребности в систематических открываниях и закрываниях, а также автоматизации работы задвижек. При опасности последствий отключения электропитания водопроводных сооружений автоматическое отключение задвижек осуществляется гидравлическим приводом.

{mospagebreak}
  Задвижки больших диаметров оборудуют обводными линиями, на которых устанавливают задвижки меньших диаметров для  выравнивания давления до и после запорного органа с целью облегчения открывания. Соединение задвижек с трубопроводом - фланцевое. Достоинство задвижек - хорошая герметичность; недостатки - значительная масса, габаритные размеры, стоимость и неравномерное возрастание гидравлического сопротивления в процессе закрывания. Задвижки нецелесообразно использовать для регулирования подачи, так как они не рассчитаны на работу частично открытыми. В современной практике отдается предпочтение задвижкам с уплотнением из эластомеров - материалов высокомолекулярных структур. Их применение в значительной мере решает проблемы обеспечения в течение всего срока эксплуатации и герметичности, коррозионной стойкости, незасоряемости, малого гидравлического сопротивления, санитарной при годности. Современное направление совершенствования задвижек связано с созданием бесфланцевых задвижек, исключающих трудности эксплуатации фланцевых соединений на болтах. Монтаж задвижек на трубопроводах в зависимости от конструкции может осуществляться по камерному и бесколодезному типу.
  К многоцелевому типу относятся кольцевые задвижки. В зависимости от варианта исполнения управляющего органа кольцевая задвижка может работать в качестве запорного устройства, обратного клапана, дросселирующего устройства, регулятора  давления, сбросного устройства, регулятора уровня. Они хорошо себя зарекомендовали при создании средств защиты насосных станций и водоводов от гидравлического удара. Открывание и закрывание кольцевой задвижки осуществляются водой, транспортируемой по трубопроводу, на котором эта задвижка установлена. Если давление трубопровода передать в пространство А, а пространство Б соединить с атмосферой, то задвижка откроется. Задвижка закроется, если давление из трубопровода передать в пространство  Б, а пространство А сообщить с атмосферой. Недостатками этих задвижек являются сложность изготовления и высокая стоимость.
  Дисковые поворотные затворы (ДПЗ) имеют ряд преимуществ перед задвижками: меньшая масса, габариты и стоимость, высокие показатели надежности, более плавное изменение гидравлического сопротивления при закрывании, возможность работы затворов некоторых конструкций в промежуточном положении.  Их недостатки - более высокое гидравлическое сопротивление и неудобства, которые могут  возникнуть при прочистке бопровода. В мировой практике существует множество различных  конструкций ДПЗ, выпускаемых в диапазоне 60-2800 мм t.
Общим для всех конструкций ДПЗ является широкое использование синтетических материалов и никеля с целью создания герметичности затвора и обеспечения хороших гидравлических, кавитационных и противокоррозионных свойств.
  В качестве материала корпуса применяются стали различных марок и чугун. Для защиты от коррозии, вызываемой действием воды и земли, корпус покрывают смолой или осуществляют эмалирование, электростатическое нанесение пластмассы.

{mospagebreak}
  ДПЗ оборудуются механическим, электрическим или гидравлическим приводом. Приводом может обеспечиваться либо постоянный крутящий момент, либо программированный соответствующий требуемому гидравлическому режиму. Наиболее благоприятным режимом закрытия является программированный - быстрый в начальной стадии и замедленный в конце. Это обеспечивает равномерное изменение гидравлического сопротивления ДПЗ, а следовательно, уменьшает опасность повышения давления сверх допустимого. 
  В качестве запорной арматуры на трубопроводах небольших диаметров могут использоваться краны вертикального и золотникового типов, применяемые в санитарно-технических системах. Однако они имеют большое гидравлическое сопротивление и при быстром закрывании могут вызывать гидравлический удар.
  Арматура запорно-предохранительная предназначена для отключения трубопроводов при возникновении обратного тока воды. К ней относятся клапаны обратные, выпускаемые различных конструкций на условное давление Ру = 0,25-4,0 МПа, с регулируемым и нерегулируемым закрыванием.  Первые выпускаются в диапазоне диаметров 200-1000 мм. Они предназначены для безударного отключения трубопроводов и для установки на автоматизированных насосных станциях, предусматривающих пуск  и остановку агрегатов на открытую запорную арматуру. Под действием потока воды диск с рычагом поворачивается вокруг вала на 85 град и клапан открывается. При выключении насосного агрегата закрытие клапана на первых поворотах на 57-63 град происходит быстро, а при последующих поворотах на 22-28 град - замедленно. Торможение диска осуществляется демпфером, в котором масло под давлением от поршня протекает через дроссельные отверстия из одной полости в другую. Эти клапаны широко используются в устройствах защиты от гидравлических ударов. Клапаны обратные с односторонней подвеской, закрытие которых нерегулируемо, выпускаются в диапазоне диаметр 50-150 мм. Их местоположение зависит от компоновки оборудования насосных станций.
  При установке обратных клапанов по длине водовода в качестве противоударной защиты их местоположение определяю расчетами переходных процессов.
  Арматура предохранительная - устройство для автоматического ограничения параметров давления и расхода потока. Наибольшее распространение находит арматура, ограничивающая давление в трубопроводах при переходных процессах в системах водоподачи. К ней относятся воздушно-гидравлические колпаки, водонапорные колонны и сбросные устройства.
  Воздушно-гидравлические колпаки - стальные сосуды, установленные на трубопроводе и заполненные в верхней части воздухом примерно на 2/з объема при статическом давлении. При гидравлическом ударе, сопровождающемся повышением давления, часть воды из трубопровода вытекает в колпак и сжимает находящийся там воздух, давление снижается вследствие амортизирующих свойств воздуха.
  При понижении давления в процессе удара воздух в колпаке расширяется и часть воды из колпака вытекает в трубопровод, заполняет разрывы сплошности потока, не допуская в трубах образования вакуума и последующего повышения давления. К достоинствам воздушно-гидравлических колпаков относятся простота устройства, отсутствие сброса воды из трубопровода, высокая степень гашения гидравлических ударов; к недостаткам - быстрое уменьшение в них запаса воздуха в результате растворения его в воде, громоздкость. Они обычно устанавливаются стандартных объемов.
  Вместо колпаков для гашения гидравлических ударов в ряде случаев могут использоваться водонапорные колонны, имеющие открытую поверхность. Их высота превышает рабочий напор в трубопроводе в месте установки. При возрастании давления уровень воды в колонне повышается и гидравлический удар затухает. Они применяются в системах промышленного водоснабжения и орошения.

{mospagebreak}
  К сбросной арматуре относятся специальные клапаны и устройства различных конструкций. Они делятся на две группы: срабатывающие при гидравлических ударах; начинающихся с волны повышения давления; срабатывающие при ударах, начинающихся с волны понижения давления. К первой группе относятся предохранительные разрывные мембраны, предохранительные пружинные клапаны и устройства, ко второй - гасители, гидравлических ударов, разработанные УкрВОДГЕО.
  Предохранительные разрывные мембраны - это диски, изготовленные из стали, чугуна, титана и других материалов, разрушающиеся при давлении воды, превышающем расчетное; при этом часть жидкости сбрасывается и давление в трубопроводе падает. Их устанавливают на отводном трубопроводе за постоянно открытой задвижкой. После разрушения мембраны задвижку закрывают только на время замены мембраны.
  Клапаны пружинные предохранительные устанавливаются в местах, где существует опасность повышения давления.   При давлении в водоводе, превышающем допустимое, клапан срабатывает. Поскольку они инерционны, т. е. открытие происходит с некоторым запаздыванием, то целесообразно при менять в сочетании с другими средств ми защиты (например, клапанами для впуска и защемления  воздуха). Промышленность выпускает клапаны диаметром 25-200 мм. Они устанавливаются на трубопроводах диаметром до 800 мм.
  Клапан защитный гидравлический КЗГ - специально предназначен для защиты трубопроводов оросительных систем от гидравлического удара и не допустимого статического повышения давления. Избыточное давление снижается вследствие выброса части воды при гидравлическом ударе из трубопровода и разбрызгивания ее радиусом 12-15 м вокруг клапана в виде дождя. Поэтому устанавливать его в здании насосной станции недопустимо. Он устанавливается на стояке поливочного трубопровода после задвижки Dy = 100 мм у неподвижной опоры при рабочем давлении не выше 1,2 МПа и расходе воды в трубопроводе до 120 л/с. Существуют клапаны иных типов для данных условий работы системы.
  Ко второй группе сбросных устройств относится гаситель гидравлических ударов конструкции УкрВОДГЕО. Его устанавливают в здании насосной станции на патрубке после обратного клапана. Гасители этой конструкции рекомендуются для трубопроводов больших диаметров. Они не реагируют на гидравлический удар, возникающий при пуске насоса, т. е. удар, начинающийся с волны повышения давления. Недостатки этого устройства заключаются в сложности конструкции и эксплуатации. Их не устанавливают в промежуточных точках водовода.
  Регулирующая арматура применяется при необходимости поддержания в напорных системах водоснабжения на требуемом уровне расхода или давления. Необходимость дросселирования возникает при ограничении подачи воды насосами, пере распределении нагрузки между совместно работающими насосами, после  установлении требуемого режима водовода и др. Регулировании  давления необходимо в тех случаях, когда в распределительных и магистральных трубопроводах оно значительно отличается требуемого. Давление воды можно регулировать с помощью специальных клапанов, а также регуляторов давления на базе дисковых поворотных затворов и кольцевых задвижек. Они в зависимости от конструкции могут автоматически поддерживать давление «после себя» или «до себя».
  Клапаны изготавливают рычажными или пружинными фланцевыми чугунными на давление Ру = 1,6 МПа, диаметром 60-300 мм. Возможность использования указанных клапанов ограничена из-за их инерционности в моменты резкого изменения давления. Это может приводить к значительному повышению давления в трубопроводе.
  Регуляторы давления на базе дисковых поворотных затворов с уплотнением в корпусе с программированным закрытием, как правило, вызывают повышение давления не более чем на 0,2 МПа сверх рабочего.
  Дисковый поворотный затвор оборудуется гидроприводом, управляющим устройством с электрическим реле и регулирующим клапаном, который настраивается на поддержание тре-буемого давления за или перед затвором. Повышение или понижение давления в контролируемой точке трубопровода по сравнению с требуемым передается в регулирующий орган, который заставляет работать гидропривод в направлении открывания или закрывания затвора, чтобы поддержать давление в заданном диапазоне. Регулятор давления Dy = 150-300 мм рассчитан на поддержание требуемого давления за затвором в диапазоне 0,3-1,2 МПа. Вместо дискового поворотного затвора может использоваться кольцевая задвижка.

Напоры в системах водоснабжения

  Результаты расчета водопроводных сетей для различных режимов водопотребления используют для параметров водонапорной башни и насосных агрегатов, обеспечивающих работоспособность системы, а также свободных напоров во всех узлах сети.
  Для определения напора в точках питания (у водонапорной башни, на насосной станции) необходимо знать требуемые напоры потребителей воды. Минимальный свободный напор в сети водопровода населенного пункта при максимальном хозяйственно-питьевом водоразборе на вводе в здание над поверхностью земли при одноэтажной застройке должен быть не менее 10 м, при большей этажности на каждый этаж необходимо добавлять 4 м.  В часы наименьшего водопотребления напор для  каждого этажа, начиная со второго, допускается принимать 3 м. Для отдельных многоэтажных зданий, а также групп зданий  расположенных в повышенных местах, предусматривают местные установки подкачки. Свободный напор у водоразборных колонок должен быть не менее 10 м.
  В наружной сети производственных водопроводов свободный напор принимают по техническим характеристикам оборудования. Свободный напор в сети хозяйственно-питьевого водопровода у потребителя не должен превышать 60 м, в противном случае для отдельных районов или зданий предусматривают установку регуляторов давления или зонирование системы водоснабжения.
  При работе водопровода во всех точках сети должен быть обеспечен свободный напор не менее нормативного.
Свободные напоры в любой точке сети определяют как разность отметок пьезометрических линий и поверхности земли. Пьезометрические отметки для всех расчетных случаев (при хозяйственно-питьевом водопотреблении, при пожаре и др.) вычисляют исходя из обеспечения нормативного свободного напора в диктующей точке.
При определении пьезометрических отметок задаются положением диктующей точки, т. е. точки, имеющей минимальный свободный напор. Обычно диктующая точка расположена в наиболее неблагоприятных условиях как в отношении геодезических отметок (высокие геодезические отметки), так и в отношении удаленности от источника питания (т. е. сумма потерь напора от источника питания до диктующей точки будет наибольшая). В диктующей точке задаются напором, равным нормативному. Если в какой-либо точке сети напор окажется меньше норма-тивного, то положение диктующей точки задано неверно. В этом случае находят точку, имеющую наименьший свободный напор,  ее принимают за диктующую, а расчет напоров в сети повторяют.
  Расчет системы водоснабжения на работу во время пожара производят в предположении его возникновения в наиболее высоких и удаленных от источников питания точках территории, обслуживаемой водопроводом. По способу тушения пожара водопроводы бывают высокого и низкого давления.
  Как правило, при проектировании систем водоснабжения следует принимать противопожарный водопровод низкого давления, за исключением небольших, населенных пунктов (менее 5 тыс. человек). Устройство противопожарного водопровода высокого давления должно быть экономически обосновано.
  В водопроводах низкого давления повышение напора производится лишь на время тушения пожара. Необходимое повышение напора создается передвижными пожарными насосами, которые подвозятся к месту пожара и забирают воду из водопроводной сети через уличные гидранты. Согласно СНиП 2.04.02-84* напор любой точке сети противопожарного водопровода низкого давления на уровне поверхности земли при пожаротушении должен быть не менее 10 м. Такой напор необходим для предотвращения возможности образования в сети при отборе воды пожарными наосами вакуума, что, в свою очередь, может вызывать проникновение в сеть через неплотности стыков почвенной воды. Кроме того, некоторый запас давления в сети требуется для работы пожарных автонасосов с целью преодоления значительных сопротивлений во всасывающих линиях насосов.
  Система пожаротушения высокого давления (обычно принимается на промышленных объектах) предусматривает подачу  к месту пожара установленного нормами пожарного расхода воды и повышение давления в водопроводной сети до величины, достаточной для создания пожарных струй непосредственно от гидрантов. Свободный напор в этом случае должен обеспечивать высоту компактной струи не менее 10 м при полном пожарном расходе воды и расположении ствола брандспойта на уровне наивысшей точки самого высокого здания и подаче воды по пожарным рукавам длиной 120 м.
  В водопроводе высокого давления стационарные пожарные насосы оборудуют автоматикой, обеспечивающей пуск насосов не позднее чем через 5 мин после подачи сигнала о возникно-вении пожара. Трубы сети должны быть выбраны с учетом повышения давления при пожаре.
    Максимальный свободный напор в сети объединенного водопровода не должен превышать 60 м.