Водопроводные системы и сооружения

Раздел: Инженерные сооружения

Для возможности регулирования, обслуживания, ремонта и обеспечения надежной работы водопроводная сеть оборудуется арматурой. По назначению трубопроводная арматура подразделяется на следующие виды: запорная арматура для включения и отключения насосов и трубопроводов; запорно-предохранительная арматура для автоматического перекрытия потока воды; регулирующая арматура для поддержания заданного давления на выходе из насосной станции и в диктующих точках сети; аэрационная арматура для впуска и удаления воздуха из трубопроводов; предохранительная арматура для предотвращения повышения давления в сети сверх определенного предела; водоразборная арматура некоторых видов может выполнять одновременно несколько функций, например функции запорной и регулирующей арматуры.

Выбор типа и параметров трубопроводной арматуры зависит от схемы системы водоснабжения, насосного оборудования и потребителей воды.

В качестве запорной арматуры для выключения ремонтных участков водоводов, сети и насосных установок применяют задвижки и поворотные затворы. Задвижки по конструкции запорного органа подразделяются на параллельные и клиновые

В параллельных задвижках проход корпуса перекрывается двумя подвижно соединенными между собой дисками, которые раздвигаются одним или двумя расположенными между ними клиньями. Уплотняющие кольца корпусов и дисков расположены параллельно друг другу и перпендикулярно оси задвижки ( 1V.7,а).

В клиновых задвижках ( IV.7 б) проход корпуса перекрывается круглым диском, который перемещается в гнезде между наклонными уплотняющими кольцами корпуса. Задвижки обоих видов изготовляют как с выдвижным, так и с невыдвижным шпинделем. Первые имеют большую высоту. При устройстве хозяйственно- питьевых водопроводов выдвигающийся шпиндель нежелателен по санитарным соображениям.

Задвижки выпускают на давление 0,25—6,4 МПа в диапазоне диаметров 50—2000 мм. Задвижки больших диаметров оборудуют обводными линиями, на которых устанавливают задвижки меньших диаметров для выравнивания давления до и после задвижки с целью облегчения их открытия. Они могут быть с ручным, гидравлическим и электрическим приводами. Вид привода определяется условиями эксплуатации: наличием электроэнергии, степенью автоматизации и др.

В качестве запорной арматуры все более широкое применение находят поворотные затворы. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с задвижками: меньшая масса, меньшие габариты, высокие показатели надежности, легкость управления, полное опорожнение корпуса от воды при выпуске из трубопровода воды, что исключает опасность его размораживания зимой. Их недостаток в том, что они имеют более высокое гидравлическое сопротивление, однако при скоростях движения воды в трубопроводах систем водоснабжения (1—2 м/с) потери напора незначительны. К недостаткам дисковых затворов следует также отнести неудобства, создаваемые ими при прочистке трубопроводов.

Основными частями дискового поворотного затвора, который изображен на  IV.8 в закрытом положении, является диск 1, вращающийся на валу 3, жестко связанном с рычагом 4. Поворот системы диск — ось — рычаг производится шпинделем 11, который связан с рычагом шарнирно. Вращательное движение вала электропривода 8 или ручного штурвала 7 с помощью бугельного узла 10 преобразуется в поступательное движение шпинделя. Уплотнение осуществляется с помощью резинового кольца 6, заложенного в канавку по окружности диска. Резиновое кольцо прикреплено к диску прижимным кольцом 5. В закрытом положении уплот- нительное кольцо прижато к седлу 2 корпуса затвора.

Рабочее положение затвора — полностью открыт (в это время плоскость диска параллельна потоку жидкости) или полностью закрыт. Электропривод при достижении диском крайних положений выключается концевыми выключателями, расположенными в коробке 9.

Поворотные дисковые затворы изготовляют в диапазоне диаметров 50—2400 мм с ручным, электрическим и гидравлическим приводом на давление 0,25—1 МПа.

Устройство кольцевой задвижки с внешним приводом показано на  IV.9. При поступлении воды в поршневую часть гидроцилиндра шток-рейка через шестерню поворачивает приводной вал с эксцентриком. Запорный поршень перекрывает отверстие выходного патрубка. Открытие происходит в обратном порядке при поступлении воды в штоковую полость гидроцилиндра. Управление такой задвижкой значительно легче, чем задвижками, описанными выше,

В зависимости от варианта исполнения управляющего органа кольцевая задвижка может работать в качестве защитного (от гидравлического удара) и запорного устройства; защитного, запорного и регулирующего устройства; обратного клапана; дросселирующего устройства; регулятора давления; сбросного устройства; регулятора уровня. Серийно эти задвижки в настоящее время не выпускают.

Выбор диаметров запорной арматуры следует проводить с учетом экономических скоростей движения воды в ней. Эти скорости, как правило, выше экономических скоростей движения воды в трубопроводе.

В качестве запорно-предохранительной арматуры применяют обратные клапаны, которые выпускают различных конструкций диаметром 50—1000 мм на давление 0,25—4,0 МПа.

В настоящее время изготовляют обратные поворотные клапаны с регулируемым закрытием ( IV. 10) в диапазоне диаметров 200—1000 мм. Они предназначены для безударного отключения трубопроводов при возникновении обратного потока воды и для установки на автоматизированных насосных станциях, предусматривающих пуск и остановку агрегатов на открытый запорный орган. Под действием потока воды диск с рычагом поворачивается вокруг вала на 85° и клапан открывается. При включении насосного агрегата закрытие клапана при первых поворотах на 57—63° происходит

быстро, а при последних поворотах на 22—28°—замедленно. Торможение диска осуществляется демпфером, в котором масло под давлением от поршня перетекает через дроссельные отверстия из одной плоскости в другую. Корпус клапанов выполняют из чугуна, а детали — из стали. Эти клапаны широко используют в устройствах, предназначенных для предотвращения гидравлических ударов.

На трубопроводах могут также устанавливаться обратные клапаны с односторонней подвеской ( IV.11), закрытие которых нерегулируемо. Они выпускаются диаметром 50—150 мм.

Место расположения задвижек, затворов и обратных клапанов зависит от схемы водопроводной сети, ее протяженности и деталировки, компоновки оборудования и коммуникаций насосной станции, условий эксплуатации и др. На наружных трубопроводах арматуру устанавливают в колодцах, размеры которых зависят от ее габаритов и компоновки водопроводных узлов.

Для снижения стоимости системы в определенных условиях возможна бесколодезная установка задв'ижек. При установке обратных клапанов по длине водовода в качестве устройств, предназначенных для предотвращения гидравлических ударов, их место расположения определяют соответствующими расчетами.

Давление воды с целью обеспечения заданного режима работы системы водоснабжения может регулироваться с помощью клапанов, а также регуляторов давления на базе поворотных затворов и кольцевых задвижек. Регуляторы в зависимости от конструкции могут автоматически поддерживать давление «после себя» или «до себя». Регуляторы давления обоих видов изготовляют рычажными фланцевыми чугунными на давление ру= = 1,6 МПа ( IV. 12). По устройству регуляторы обоих типов почти одинаковы, разница между ними заключается лишь в том, что в регуляторе давления «до себя» двухсекционный клапан закрывается снизу вверх (при подъеме клапана), а в регуляторе давления «после себя»— сверху вниз (при опускании клапана).

Давление регулируется с помощью импульсной трубки, соединяющей трубопровод с диафрагмовой камерой (головкой) и противодействующей силе рычажного механизма с грузом. Регулируемое давление воды, которое действует на диафрагму, соединенную со шпинделем клапана, уравновешивается силой рычага с грузом.

В регуляторе давления «до себя» импульсная трубка одним концом присоединена к трубопроводу до регулятора, а другим — к диафрагмовой головке. Под действием рычага с грузом двухседельный клапан находится в закрытом положении. Как только начальное давление в трубопроводе превысит установленный предел, регулируемая среда через импульсную трубку действует на резиновую диафрагму. Последняя, преодолевая силу рычага с грузом, открывает клапан, пропуская среду до тех пор, пока в трубопроводе до регулятора не установится заданное давление.

В регуляторе давления «после себя» импульсная трубка одним концом присоединена к трубопроводу за регулятором, а другим — к диафрагмовой головке (см.  IV. 12, е). В настоящее время подобная арматура выпускается промышленностью диаметром до 300 мм.

Поворотный затвор при использовании его в качестве регулятора оборудуется гидроприводом, управляющим устройством с электрическим реле и регулирующим клапаном, который настраивается на поддержание требуемого 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 открытия или закрытия затвора с целью поддержания давления в заданном диапазоне.

В системе водоснабжения вместо поворотного затвора в качестве регулятора давления может использоваться кольцевая задвижка.

Для создания нормальных условий работы системы подачи и распределения воды трубопроводы оборудуют аэрационными устройствами. Они необходимы для выпуска воздуха, скапливающегося в повышенных точках водовода, для выпуска воздуха при плановом или аварийном опорожнении трубопровода, а также для выпуска воздуха при заполнении всего водовода или отдельных его участков.

Для автоматического удаления воздуха из трубопровода в небольших объемах применяются эксплуатационные вантузы. Эксплуатационный шаровой вантуз ( IV. 13) состоит из чугунного корпуса 1 цилиндрической формы с верхним 2 и нижним 7 фланцами. К верхнему фланцу прикрепляется чугунная крышка с центральным отверстием 3 для выпуска воздуха и зонт-крышка 4. В отверстие вставляется резиновая втулка 5 с отверстием диаметром 5 мм. Внутри корпуса помещен полиэтиленовый шар 6. При отсутствии воздуха в трубопроводе шар прижат к отверстию втулки. При скоплении воздуха в верхней части вантуза уровень воды падает, шар опускается, отверстие втулки открывается и воздух выходит наружу. Эксплуатационные вантузы устанавливают в повышенных точках (перелома профиля) водоводов.

Для удаления или выпуска больших объемов воздуха применяется автоматический клапан впуска и выпуска воздуха ( IV. 14). Он состоит из вертикального стального корпуса 7, к которому с помощью фланцевого соединения 1 прикреплен выпускной патрубок 3, перекрываемый тарелью 8, жестко соединенной с двумя (с обеих сторон патрубка 3) шаровыми поплавками 2. Поплавки устанавливаются на рычагах симметрично относительно выпускного патрубка и имеют возможность совместно с тарелью вращаться относительно оси 6. Для выпуска воздуха после закрытия выпускного патрубка тарелью

8,         а также для удаления воздуха, скопившегося в корпусе клапана в процессе эксплуатации водовода, на выпускном патрубке установлен рычажный вантуз 4. Крышка 5 предназначена для эксплуатационного обслуживания клапана. Для ограничения крайнего положения поплавков при открытии клапана предусмотрены упоры

9.         Решетчатый рассекатель потока 10 предохраняет устройство от воздействия направленного потока воздуха и воды в момент завершения выпуска воздуха. Клапан устанавливается на водоводе вертикально с помощью патрубка 11. Эти клапаны устанавливают в повышенных точках перелома профиля и на каждом ремонтном участке водовода, имеющем выпуск.

Клапан для впуска и защемления воздуха (противо- вакуумный клапан) 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 и его отдельных частей.

Конструкция противовакуумного клапана ВНИИ ВОДГЕО показана на  IV.15, а. При возникновении вакуума тарель клапана под действием разности давлений открывается, обеспечивая впуск воздуха. Для безопасности находящегося в колодце обслуживающего персонала на установочном фланце крепится предохранительная сетка.

Схема установки этого клапана на водоводе показана на  IV. 15, б. После срыва вакуума и выравнивания давления внутри и снаружи трубопровода тарель клапана под действием собственного веса закрывается, не допуская выхода впущенного воздуха. Последующее сжатие этого воздуха смягчает гидравлический удар.

Для гарантии эффективной работы этих клапанов необходимо правильно установить место их расположения. Для этого проводят расчет гидравлического удара при аварийном отключении насосной станции.

Существует много способов борьбы с гидравлическими ударами в водоводах, возникающих вследствие аварийного отключения насосного оборудования на насосных станциях, неконтролируемого закрытия и открытия затворов (задвижек) и других причин. Защита водоводов от гидравлических ударов может осуществляться различными способами, эффективность применения которых определяется расчетом.

В дополнение к рассмотренной выше арматуре, используемой в устройствах, предназначенных для предотвращения гидравлических ударов, существуют специально предназначенные для этих случаев предохранительные клапаны и устройства. Они делятся на две группы: пружинные предохранительные клапаны, применяемые при гидравлических ударах, начинающихся с волны повышения давления;

гасители гидравлического удара, применяемые при ударах, начинающихся с волны понижения давления.

Пружинные предохранительные клапаны ( IV.16) устанавливают 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 их целесообразно применять в сочетании с другими средствами защиты.

В отличие от предохранительных клапанов гасители гидравлических ударов открываются при понижении давления. Гасители конструкции УкрВОДГЕО ( IV.17) выпускают серийно. Их устанавливают в зданиях насосных станций на патрубке после обратного клапана 8. Он состоит из цилиндра 2 с клапаном 1 и поршнем Зг гидрораспределителя 4, масляного тормоза 5, а также соединительных импульсных трубок 6 и 7. При нормальной работе поршни распределителя занимают верхнее положение, при котором цилиндр гасителя соединен с водоводом до обратного клапана с помощью трубки 6. Давление на поршень и клапан гасителя одинаково, при этом водосбросное отверстие плотно закрыто тарелью клапана, поскольку ее площадь меньше площади поршня.

При гидравлическом ударе, вызванном выключением насоса, давление у насоса сначала резко снижается и поэтому обратный клапан закрывается. В цилиндре прибора, соединенном трубкой 6 с трубопроводом у насоса, давление также понижается. При подходе отраженной волны гидравлического удара давление перед обратным клапаном начинает возрастать. Оно действует на клапан, вследствие чего при отсутствии достаточного противодействия со стороны поршня этот клапан приподнимается, часть воды сбрасывается из водовода по отводной трубе 9, и давление в трубопроводе снижается.

Гасители УкрВОДГЕО рекомендуется устанавливать на водоводах больших диаметров. Недостатки этих гасителей состоят в сложности конструкции и эксплуатации, а также громоздкости. Кроме того, они не реагируют на гидравлические удары, возникающие при пуске насоса, т.е. удары, начинающиеся с повышения давления. Их нельзя устанавливать в промежуточных точках водовода.

В качестве гасителей могут применяться предохранительные мембраны. Предохранительные разрывные мембраны — это диски, изготовленные из стали, чугуна, алюминия, меди и других материалов. Они разрушаются при давлении воды, превышающем расчетное. Их можно устанавливать вблизи насосной станции и в других опасных местах на отводном трубопроводе между специальными держателями и двумя фланцами сразу за постоянно открытой задвижкой. После разрушения мембраны эту задвижку закрывают на время замены мембраны.

Воздушно-гидравлические колпаки успешно гасят гидравлические удары, возникающие при включении насосов и при пуске насосов на открытую задвижку. Они представляют собой стальные сосуды, установленные на трубопроводе и заполненные в верхней части воздухом примерно на 2/з объема при статическом давлении. Колпаки устанавливают, как правило, вертикально и с помощью патрубка подсоединяют к трубопроводу. При гидравлическом ударе, сопровождающемся повышением давления, часть воды из трубопровода через патрубок втекает 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 возможные разрывы сплошности потока, не допуская в трубах образования вакуума и последующего существенного повышения давления. К достоинствам воздушно-гидравлических колпаков следует отнести простоту устройства, отсутствие сброса воды из трубопровода, высокую степень гашения гидравлических ударов; к их недостаткам — быстрое уменьшение в них запаса воздуха в результате растворения его в воде.

Для отбора воды из системы водоснабжения на ней устанавливается водоразборная арматура, к которой относятся уличные колонки, пожарные гидранты и краны. Отбор воды на хозяйственно-питьевые нужды в жилых и общественных зданиях производится через краны. В некоторых случаях отбор воды на эти цели может осуществляться из уличных водоразборных колонок ( IV. 18), которые устанавливаются на наружной сети. При нажатии на рукоятку связанную штангой 2 с клапаном 5, расположенным в нижней части, вода поступает в колонку через патрубок 3. Затем поднимается по трубе 7 и изливается из водоразборного отростка. После прекращения отбора вода стекает из подъемной трубы в сборный стакан 4. При следующем действии колонки вода всасывается эжектором 6. Колонка обеспечивает полную герметизацию сборника воды, расположенного в нижней части колонки, что отвечает санитарным требованиям.

 К водоразборной арматуре для питьевого водоснабжения следует отнести питьевые колонки-фонтанчики,

устанавливаемые в парках, садах и других местах отдыха.

Заполнение автоцистерн для поливки площадей и улиц, как правило, производится через пожарные гидранты. Пожарные гидранты, используемые для целей отбора воды на пожаротушение, бывают подземными и наземными. Схема пожарного подземного гидранта приведена на  IV. 19. Для предотвращения гидравлических ударов, возникающих при открытии и закрытии гидранта, клапан имеет обтекаемую форму, которая исключает возможность появления срывной кавитации. На водопроводных линиях диаметром более 500 мм гидранты устанавливаются на сопроводительных линиях меньшего диаметра.

Для отбора воды при пожаротушении из подземных гидрантов применяют пожарную колонку ( IV.20). Она состоит из корпуса /, в нижней части которого имеется резьбовое соединение, предназначенное для подключения к гидранту, и корпуса с двумя патрубками, снабженными соединительными головками 4 для подключения пожарных рукавов. Внутри колонки расположен трубчатый шток с муфтой, которая предназначена для соединения со штангой 5 гидранта. Пожарная колонка имеет блокирующее устройство для предотвращения открывания и закрывания затвора гидранта при открытых вентилях 2. Поэтому прежде, чем привести в действие затвор гидранта, необходимо закрыть вентиль 3 пожарной колонки.

Наземный пожарный гидрант бесколодезного типа применяется в сельской местности и пригородных зонах, где отпадает надобность в подземных гидрантах. Существуют конструкции гидрантов, совмещенных с водоразборной колонкой.

Пожарные подземные гидранты устанавливают в водопроводных колодцах, необходимость сооружения которых существенно удорожает строительство водопроводных сетей. Новая конструкция устройства для отбора воды из коммунальных и промышленных водопроводов, разработанная ВНИИПО, показана на  IV.21. В основу конструкции положена конструкция бесколодезного гидранта. Это устройство может быть применено в качестве наземного пожарного гидранта, предназначенного для подачи воды из водопровода в передвижную пожарную технику, а также в качестве контрольно-пускового узла (КПУ) для автоматического включения стационарных установок пожаротушения.