Tính toán kích thước ống gang cầu cấp nước để chịu được áp lực nước va

Kích thước ống gang dẻo cấp nước cần được xác định bằng cách thiết lập đường kính trong cần thiết, tính toán bao áp suất quá độ và chọn cấp ống có các giới hạn được công bố bao quát những điều kiện đó. Chỉ dựa vào áp suất vận hành bình thường là chưa đủ. Việc bơm dừng đột ngột, van chuyển động nhanh và van một chiều đóng có thể gây ra các đỉnh áp suất vượt mức ổn định, cũng như các đợt giảm áp đe dọa mối nối hoặc gây ra hiện tượng tách cột nước.

Việc lựa chọn cũng phải đáp ứng các yêu cầu về tải trọng bên ngoài và lắp đặt. Thành ống dày hơn đáp ứng được một số yêu cầu kết cấu, nhưng không loại bỏ hiện tượng tăng áp đột biến, ngăn mối nối bị tách rời hay khắc phục tình trạng van hoạt động không phù hợp. Cần đánh giá đồng thời đường kính, độ dày thành ống, khả năng chống tuột của mối nối và biện pháp bảo vệ chống tăng áp đột biến.

Thiết lập bao áp suất dọc theo đường ống

Bắt đầu với trắc dọc đường ống và các chế độ vận hành. Ghi lại cao độ, mực nước hồ chứa, đặc tính máy bơm, vị trí van, các nhánh nối và lưu lượng dự kiến. Áp suất thay đổi dọc theo tuyến: điểm thấp có thể chi phối áp suất trong tối đa, trong khi điểm cao có thể chi phối áp suất tối thiểu khi máy bơm dừng.

Sử dụng áp suất ổn định tại chỗ làm điều kiện ban đầu cho từng kịch bản quá độ. Cộng một mức tăng áp đột biến ước tính vào áp suất vận hành cao nhất ở bất kỳ vị trí nào trong mạng có thể che khuất vị trí thực sự chi phối điều kiện thiết kế. Mô hình quá độ cần xác định áp suất tối đa và tối thiểu tại từng vị trí liên quan.

Các sự kiện cần phân tích là những sự kiện làm thay đổi nhanh vận tốc hoặc thay đổi điều kiện biên thủy lực:

• Mất điện khiến máy bơm dừng trong khi nước vẫn tiếp tục chuyển động trong ống đẩy.
• Van một chiều đóng sau khi dòng chảy đảo chiều; cần mô phỏng phản ứng đóng van thay vì giả định van đóng tức thời.
• Van điều khiển chuyển động, bao gồm cả đoạn cuối hành trình, khi một chuyển động nhỏ có thể làm giảm mạnh lưu lượng.
• Quy trình khởi động lại và nạp đầy có không khí bị giữ lại, các đoạn ống chưa đầy hoặc thay đổi chế độ vận hành của máy bơm.

Sử dụng thống nhất các mốc áp suất. Áp suất dư thuận tiện khi đối chiếu với định mức của thiết bị, trong khi cần dùng áp suất tuyệt đối để đánh giá áp suất có tiến gần đến áp suất hơi của nước hay không. Chỉ số áp suất dư âm không đồng nghĩa với việc chắc chắn hình thành khoang hơi, nhưng cần xem xét độ kín của mối nối, khả năng không khí lọt vào và khả năng chịu áp suất bên ngoài.

Sử dụng vận tốc để sàng lọc phương án đường kính

Với cùng một lưu lượng, tăng đường kính trong thực tế sẽ làm giảm vận tốc. Tính vận tốc bằngV = Q/A, trong đó Q là lưu lượng thể tích và A là diện tích dòng chảy trong hữu dụng. Đường kính danh nghĩa chỉ là ký hiệu; độ dày thành ống và lớp lót bên trong ảnh hưởng đến đường kính lòng ống dùng trong tính toán thủy lực.

Công thức gần đúng hữu ích ban đầu về tăng áp đột biến làΔp = ρaΔV, trong đó ρ là khối lượng riêng của nước, a là vận tốc truyền sóng áp suất và ΔV là độ biến thiên vận tốc. Công thức này giải thích vì sao việc dòng chảy vận tốc cao bị ngắt nhanh sẽ tạo ra mức tăng áp lớn hơn. Đây là phép tính sàng lọc cho một sự kiện xảy ra nhanh trong những giả định phù hợp, không phải dự đoán đầy đủ cho mạng lưới có nhánh hoặc đường ống có khoang hơi.

Vận tốc truyền sóng phụ thuộc vào độ nén của nước, độ cứng của ống, hình học thành ống và điều kiện liên kết giữ ống. Tăng độ dày thành ống giúp tăng khả năng chịu áp suất nhưng cũng làm thay đổi vận tốc truyền sóng. Vì vậy, nếu vẫn giữ nguyên mức tăng áp đột biến giả định sau khi thay đổi cấp ống, có thể bỏ sót sự tương tác giữa thiết kế kết cấu và thiết kế thủy lực.

So sánh thời gian đóng van hiệu dụng với thời gian sóng áp suất truyền đi-về, được biểu thị bằng2L/a đối với đường ống đơn giản có chiều dài L. Trong phân tích cơ bản, thời gian đóng ngắn hơn khoảng thời gian này được xem là đóng nhanh. Thời gian đóng dài hơn không đảm bảo kết quả đạt yêu cầu: đặc tính lưu lượng của van và thời điểm sóng phản xạ trở lại vẫn rất quan trọng.

Đánh giá các đường kính dự kiến dựa trên cả tổn thất cột áp ở trạng thái ổn định lẫn phản ứng quá độ. Đường kính lòng ống lớn hơn có thể giảm ma sát và phần tăng áp đột biến liên quan đến vận tốc, nhưng việc lựa chọn máy bơm hoặc cài đặt điều khiển có thể làm thay đổi lưu lượng đầu ra. Hãy tính toán lại điểm vận hành, thay vì giả định lưu lượng vẫn không đổi sau khi thay đổi kích thước ống.

Diễn giải chính xác cấp áp suất và cấp độ dày

Ký hiệu cấp áp suất và ký hiệu cấp độ dày mô tả các khía cạnh khác nhau trong việc lựa chọn ống. Không nên xem K9 là tương đương trực tiếp với C25, C30 hoặc C40. Tiêu chuẩn áp dụng, đường kính danh nghĩa, độ dày thành ống tối thiểu và giới hạn áp suất do nhà sản xuất công bố sẽ quyết định một loại ống cụ thể có phù hợp hay không.

Phân biệt áp suất vận hành liên tục cho phép, áp suất tối đa cho phép bao gồm cả quá độ và áp suất thử cho phép. Định mức thử thủy tĩnh không đồng nghĩa với việc được phép xảy ra các đợt tăng áp đột biến lặp lại trong quá trình sử dụng ở mức áp suất đó. Khi tài liệu áp dụng quy định các loại giới hạn này, hãy đối chiếu từng tải trọng tính toán với giới hạn tương ứng.

Độ bền kéo và độ bền chảy được công bố mô tả các đặc tính vật liệu. Bản thân các giá trị này không xác lập áp suất cho phép của đường ống. Tính toán thiết kế phải xét đến các quy định an toàn áp dụng, dung sai độ dày và tải trọng bên ngoài. Cũng cần xem xét cụ thể việc áp suất thay đổi thường xuyên; sự kiện khẩn cấp thỉnh thoảng xảy ra và đợt tăng áp lặp lại trong quá trình vận hành tạo ra các yêu cầu khác nhau.

Ví dụ, các lựa chọn được liệt kê choỐng gang dẻo sơn ngoài bằng epoxy bao gồm K9, C40, C30 và C25 trong phạm vi DN 80–2,600 mm được nêu. Các thông tin này xác định những lựa chọn cần đánh giá, nhưng không xác nhận rằng mọi đường kính đều có sẵn ở mọi cấp. Hãy yêu cầu thông tin về kích thước thành ống, cấu hình mối nối và giới hạn áp suất theo từng đường kính trước khi chỉ định lựa chọn cho một đoạn đường ống. Lớp epoxy bên ngoài dùng để bảo vệ chống ăn mòn; không thể dùng lớp này để xác định khả năng chịu tăng áp đột biến.

Tính đến mối nối, phụ kiện và tải trọng lên đường ống chôn ngầm

Thân ống có thể đáp ứng tính toán áp suất nhưng mối nối hoặc phụ kiện vẫn có thể không phù hợp. Đánh giá co, tê, côn thu, van, mặt bích và đầu chuyển theo cùng một bao áp suất. Lực đẩy áp suất tác dụng tại các vị trí đổi hướng và thay đổi tiết diện; các đỉnh áp suất quá độ làm tăng lực truyền đến các bộ phận giữ ống hoặc khối neo.

Khả năng làm kín chịu áp suất của mối nối lắp đẩy không đồng nghĩa với khả năng chống tách rời theo phương dọc trục. Mối nối có cơ cấu giữ ống phải có thông số về khả năng chịu áp suất, độ lệch góc cho phép và tính toán chiều dài giữ ống phù hợp. Tính toán này cần phản ánh sức kháng của đất, độ sâu chôn ống, nước ngầm và tải trọng quá độ chi phối.

Việc lựa chọn gioăng cũng rất quan trọng. NBR, SBR và EPDM là các họ vật liệu, không phải những bảo đảm có thể thay thế cho nhau về tính phù hợp. Cần xác nhận khả năng tương thích với nước được vận chuyển, nhiệt độ, hóa chất xử lý và các yêu cầu áp dụng đối với nước uống. Đối với các sự kiện áp suất dưới khí quyển, hãy xác định liệu mối nối được chọn có duy trì độ kín trong các điều kiện dự kiến hay không.

Thiết kế đường ống chôn ngầm phải tính đến tải trọng đất và giao thông, sự đỡ của lớp đệm, điều kiện rãnh đào và nước ngầm. Cấp áp suất trong cao không tự động giải quyết được vấn đề độ võng quá mức hoặc điều kiện áp suất ngoài bất lợi khi máy bơm dừng.

Khắc phục nguyên nhân tăng áp đột biến trước khi chốt cấp ống

So sánh các thay đổi kết cấu với những biện pháp tác động trực tiếp đến hiện tượng quá độ. Vận hành van chậm hơn chỉ có hiệu quả khi quy luật đóng thực tế tránh làm giảm lưu lượng đột ngột ở đoạn cuối hành trình. Biến tần có thể điều khiển việc dừng máy bơm theo kế hoạch, nhưng cần đánh giá riêng biện pháp bảo vệ khi mất điện.

Bình chống va, thiết bị xả áp và van khí được lựa chọn phù hợp sẽ xử lý các cơ chế thủy lực khác nhau. Việc cho không khí vào có thể hạn chế điều kiện chân không, trong khi không khí bị đẩy ra sau đó có thể gây ra một sự kiện áp suất khác nếu quá trình xả không được kiểm soát tốt. Hãy mô hình hóa hoạt động của thiết bị, tổn thất tại điểm kết nối và công suất sẵn có, thay vì mô phỏng biện pháp bảo vệ bằng một mức giảm áp suất cố định.

Khi xảy ra hiện tượng tách cột nước, sự sụp đổ của khoang hơi có thể tạo ra các đỉnh áp suất nghiêm trọng. Chỉ tăng cấp ống không loại bỏ được cơ chế này. Hãy điều chỉnh phương án bảo vệ và chạy lại phân tích quá độ trước khi chấp nhận đường kính và cấp ống cuối cùng.

Đưa kết quả tính toán vào quy cách lắp đặt

Quy cách cuối cùng cần nêu rõ đường kính và cấp ống theo từng đoạn tuyến, áp suất vận hành và áp suất quá độ chi phối, yêu cầu về cơ cấu giữ mối nối, định mức của phụ kiện, yêu cầu đối với gioăng và cài đặt thiết bị chống tăng áp đột biến. Phân biệt thử nghiệm tại nhà máy với thử thủy tĩnh tại hiện trường, bao gồm ảnh hưởng của cao độ và các bộ phận giữ đầu ống tạm thời.

Trong quá trình chạy thử đưa vào vận hành, các phép đo áp suất gần máy bơm, van quan trọng và các điểm cao dễ bị ảnh hưởng có thể cho thấy liệu hoạt động đóng van và dừng máy bơm thực tế có khớp với các giả định thiết kế hay không. Những dao động không rõ nguyên nhân, các đợt giảm áp sâu hơn hoặc thời điểm đóng van thay đổi cần được điều tra trước khi chấp thuận trình tự vận hành.