lovitura de berbec

Upload: aproka

Post on 06-Jul-2015

2.312 views

Category:

Documents


8 download

TRANSCRIPT

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 1 of 79

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I STABILIREA MSURILOR PENTRU PREVENIREA EFECTELOR NEGATIVE ALE ACESTORA LA INSTALAIILE HIDRAULICE SUB PRESIUNEIndicativ: I. 30-75 nlocuiesc: I.D. 14-64 Cuprins 1. GENERALITIObiect 1.1. Prezentele instruciuni tehnice se refer la calculul loviturii de berbec n vederea stabilirii i dimensionrii dispozitivelor de protecie necesare limitrii efectelor negative ale loviturii de berbec, cnd acestea introduc solicitri care depesc pe cele admise n regimurile normale de exploatare. 1.2. Instruciunile tehnice cuprind datele de baz, ipotezele de calcul, etapele de calcul n legtur cu fazele de proiectare, reguli pentru alegerea dispozitivelor de protecie, reguli privind exploatarea instalaiilor n scopul reducerii solicitrilor produse n timpul regimurilor nepermanente. Domeniul de aplicare 1.3. Instruciunile tehnice se aplic la proiectarea, executarea i exploatarea instalaiilor hidraulice sub presiune pentru alimentri cu ap potabil sau industrial, canalizri, irigaii i desecri, care pot fi supuse loviturii de berbec. 1.4. Instalaiile la care fenomenul de micare nepermanent are caracter de "oscilaie n mas" intr n domeniul de aplicare al acestor instruciuni tehnice. Definiii 1.5. Prin "lovitur de berbec" se nelege fenomenul de micare nepermanent care ia natere ntr-o instalaie hidraulic sub presiune, ca urmare a modificrii brute sau relativ rapide a regimului de funcionare, fiind caracterizat printr-o variaie important a presiunilor ntr-un scurt interval de timp. 1.6. Prin "oscilaie n mas" se nelege fenomenul de micare nepermanent ntr-o instalaie hidraulic, caracterizat printr-o variaie lent a presiunilor i vitezelor. [top]

2. CALCULUL LOVITURII DE BERBECMetode de calcul 2.1. Metodele de calcul se clasific n urmtoarele categorii, expuse n ordinea descrescnd a complexitii: a) Metode exacte a.1. Metode exacte bazate pe integrarea direct a ecuaiilor difereniale ale loviturii de berbec, cu urmtoarele diviziuni: - metode care folosesc diferene finite prin procedee grafice; - metode prin diferene finite, care folosesc calculul numeric manual sau calculul numeric automat

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 2 of 79

efectuat cu ajutorul calculatorului electronic; - metode prin diferene finite hibride, grafice i numerice. a.2. Metode exacte bazate pe soluii obinute prin rezolvarea analitic a ecuaiilor loviturii de berbec. b) Metode aproximative b.1. Metode expeditive bazate pe folosirea unor grafice sau tabele de calcul care se obin prin prelucrarea i sinteza unor rezultate obinute prin metode exacte sau pe cale experimental. b.2. Formule de calcul aproximative. Condiii generale privind folosirea metodelor de calcul 2.2. Complexitatea metodelor de calcul i a schemelor de calcul adoptate va fi n concordan cu importana lucrrii i gradul de periculozitate al loviturii de berbec. 2.3. Folosirea metodelor aproximative ca i a soluiilor analitice exacte existente sub forma de grafice sau formule se va face numai n cadrul domeniului lor de valabilitate (schem de calcul, legea de manevr, condiii la limit etc.). 2.4. Se vor aplica nti metode simple i expeditive, cu caracter acoperitor, care s pun n eviden dac lovitura de berbec este periculoas sau nu. Se va trece la folosirea unor metode mai complicate i mai costisitoare, dac rezultatele obinute prin metodele simple nu conduc la sigurana c nu se depesc valorile admisibile ale solicitrilor. n acest scop, este obligatoriu s se verifice valoarea presiunilor minime n punctele nalte ale conductei i presiunile maxime n zonele de cot joas i n vecintatea organului perturbator. Ipoteze de calcul 2.5. n cadrul verificrii comportrii instalaiilor hidraulice la regimuri nepermanente i la proiectarea dispozitivelor de protecie contra loviturii de berbec se vor examina acele cazuri care produc solicitri suplimentare care depesc pe cele din starea de regim, sau care, avnd un caracter periodic, pot duce la uzura prematur a instalaiei. 2.6. Se vor examina cazurile de micare nepermanent care apar n exploatarea normal (manevrri de armturi, pornirea i oprirea instalaiei, impulsuri periodice din funcionarea asimetric sau defectoas a unor dispozitive) i cele care rezult din manevre accidentale sau avarii (ntrerupere brusc a alimentrii cu energie electric, spargeri de conducte, defectri de dispozitive). La examinarea cazurilor de micare nepermanent, care apar n exploatarea normal, se poate renuna la calcule, fcnd apel la experiena curen. 2.7. La conductele de refulare ale staiilor de pompare se va examina obligatoriu situaia care rezult din ntreruperea curentului electric pentru cazul cnd toate pompele sunt n funciune. Se va alege combinaia cea mai dezavantajoas ntre nivelul de aspiraie i nivelul de refulare. 2.8. Pentru instalaiile echipate cu hidrofoare de protecie, cu ventile de aer sau cu ambele tipuri de dispozitive, se va verifica i situaia care rezult din nteruparea alimentrii cu energie, n cazul cnd se afl n funciune un numr redus de pompe, inclusiv oprirea unei singure pompe, pentru a prinde situaia cnd tamponul de aer introdus n conduct are un volum mai mic. 2.9. La instalaiile prevzute cu vane cu acionare pneumatic sau hidraulic i cu contragreutate, se va examina prin metode aproximative ipoteza nchiderii brute a vanei, ca urmare a defectrii sau lipsei dispozitivului de frnare, indicnd care sunt valorile presiunilor extreme pentru aceast situaie. 2.10. La instalaiile cu clapete de reinere, la care nu este sigur nchiderea odat cu inversarea debitului, se va examina situaia care rezult pentru ansamblul instalaiei din nchiderea brusc a clapetei, cu un decalaj de 0,5 ... 1 secunde fa de momentul inversrii debitului.

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 3 of 79

Dac instalaia are mai multe clapete montate n paralel pe conducte care se ramific din conducta principal, se vor calcula separat presiunile care apar pe aceste conducte, dac au fost introduse n schema de calcul printr-o conduct echivalent. Pentru acest calcul, timpul de nchidere complet a clapetei se va lua de 0,03...0,05 secunde. 2.11. n cazul staiilor de pompare echipate cu pompe care nu rezist timp ndelungat la turaie invers i care nu sunt prevzute cu clapete care opresc curgerea invers, se va examina i cazul cnd o pomp se oprete accidental, iar restul rmn n stare de funcionare. Scheme de calcul 2.12. Schema de calcul cuprinde alegerea modelului de fluid i elaborarea unui model matematic, n concordan cu metoda de calcul adoptat i care s reproduc ct mai fidel caracteristicile geometrice i hidraulice ale instalaiei. Pentru fenomenele de lovitur de berbec se va folosi modelul fluidului compresibil. Pentru fenomenele de oscilaie n mas se poate folosi att modelul fluidului compresibil ct i modelul de fluid incompresibil. 2.13. Modelul de fluid incompresibil va fi folosit n condiiile i pe sectoarele de instalaie n care miscarea este preponderent lent variabil. n aceast categorie intr: - micrile generate printr-o manevr relativ uniform a organelor de reglaj, cu un timp de manevr Tm de cca 10 ori mai lung dect timpul de reflexie al undelor: (1) n care c este celeritatea undelor i L este distana de la organul perturbator pn la un rezervor de dimensiuni mari, care poate fi i un castel de echilibru sau un hidrofor de protecie, dac rezistena branamentului su este redus; - micrile de pe o poriune de conduct protejat de un castel de echilibru, dac rezistena de branament este suficient de mic, pentru a asigura o reflexie aproape total a undelor generate de organul perturbator; - micrile de pe o poriune de conduct protejat printr-un hidrofor, dac rezistena de branament este mic i asigur o reflexie aproape total a undelor generate de organul perturbator i dac - concomitent - volumul de aer este suficient de mare pentru atenuarea oscilaiilor de presiune; - micrile de pe o poriune de conduct protejat prin rezervor de ap sau ventil pentru introducerea aerului, cu excepia intervalului de timp cuprins ntre momentul declanrii manevrei i momentul intrrii n funciune a dispozitivului, dac nu este ndeplinit condiia (1). 2.14. Reprezentarea elementelor geometrice i mecanice ale schemei de calcul se va face n concordan cu modelul de fluid adoptat i cu metoda de calcul folosit. n cazul aplicrii metodelor de calcul cu diferene finite, pasul de calcul pentru timp se va alege astfel, ca o faz caracteristic s aib minimum patru intervale. Prin faz caracteristic se nelege: - pentru fenomenele de lovitur de berbec, timpul de parcurs L/c sau timpul de manevr, alegndu-se cel mai mic dintre ele; - pentru fenomenele de oscilaie n mas, un sfert din perioada oscilaiilor. n plus, pentru modelul de fluid compresibil vor fi respectate urmtoarele reguli: - conducta se va mpri ntr-un numr de tronsoane, desprite prin noduri de calcul, al cror timp de

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 4 of 79

propagare a undelor loviturii de berbec va fi aproximativ egal cu pasul de calcul pentru timp; regula timpilor egali de propagare pentru unde se va respecta cu att mai strict cu ct fenomenele sunt mai rapide; - la fixarea numrului de tronsoane i plasarea nodurilor de calcul se va urmri ca punctele caracteristice ale profilului n lung al conductei (schimbri mari de pant, puncte nalte) s coincid cu nodurile de calcul sau s fie aezate n apropierea lor. 2.15. n schema de calcul se vor introduce elementele care s o apropie ct mai mult de instalaia real i anume: - pierderile de sarcin pe conducte i armturi; - pierderile de sarcin pe branamente; - legea de manevr a organelor de reglaj; - ineria prilor rotative. 2.16. La elaborarea schemelor de calcul pentru reele de conducte, n plus, se va ine seama c fiecare nod al reelei va fi un nod de calcul i, pentru a respecta regula timpilor de parcurs egali, se vor putea plasa noduri intermediare pe artere. 2.17. innd seama c un calcul de lovitur de berbec pentru o reea este complicat i nu se poate efectua exact dect pe un calculator electronic, se vor putea folosi i scheme pariale sau simplificate. Dou conducte n paralel, cu seciunile A1 i A2, vor putea fi asimilate cu o conduct unifilar cu o rezisten de und z calculat cu formula: (2)

O conduct care alimenteaz o reea va putea fi asimilat, pentru calcule aproximative, cu o conduct unifilar mai lung cu o lungime suplimentar L1. Lungimea suplimentar va fi egal cu raza cercului, avnd centrul n prima ramificaie i care intersecteaz un numr de artere avnd suma ariilor seciunilor egal cu de cca zece ori aria conductei de transport. Aceast schem va putea fi aplicat numai pe conducta de transport pentru studiul perioadei de nceput a fenomenului i n condiiile n care conducta principal are o lungime L > 5L1. Date de baz 2.18. Pentru stabilirea coeficienilor rezistenelor hidraulice se vor folosi indicaiile coninute n manuale i ndreptare de calcule hidraulice. Pentru instalaii importante, n care se folosesc dispozitive noi sau care nu pot fi asimilate cu cele existente n literatur, se vor face determinri experimentale. 2.19. Pentru calculul opririi pompelor se vor folosi caracteristicile complete indicate de furnizor sau, n lipsa acestora, caracteristicile adimensionale, n funcie de turaia specific, existente n literatura de specialitate. 2.20. Presiunea minim admisibil la solicitrile temporare din lovitura de berbec, pentru conductele cu mbinri fr elemente mobile, se stabilete printr-un calcul de rezisten i stabilitate, ns n general nu va fi mai mic dect presiunea la care se produce ruperea coloanei de ap (presiunea de cavitaie). Presiunea de cavitaie se va lua 0,8 atm pentru apa rece i altitudini joase (zona de cmpie i de deal). n zona de munte, se va calcula, innd seama de variaia presiunii cu altitudinea i de variaiile meteorologice locale cu formula: (m.c.a.)

n care Z este altitudinea n metri.

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 5 of 79

Pentru conductele la care, prin concepie sau condiii de execuie, la presiuni manometrice negative, este de ateptat deplasarea elementelor de mbinare (inele de etanare), nsoit de uzura acestora i pierderea etaneitii, limita presiunii minime se va lua mai ridicat, mergnd pn la valoarea care nu permite deplasarea elementelor de etanare. 2.21. Presiunea maxim admisibil la solicitrile din lovitura de berbec se stabilete n raport cu tipul conductelor i n conformitate cu prescripiile de ncercare a conductelor montate (STAS 6819-68). Ca regul general, solicitrile suplimentare date de lovitura de berbec vor fi considerate ca sarcini accidentale de scurt durat. 2.22. La conductele din oel i din materiale plastice lipite sau sudate, la stabillirea presiunii maxime admisibile se admite o scdere a coeficientului de siguran cu 5% pn la 5%, fa de cel admis prin sarcinile fundamentale, n raport cu importana lucrrii. 2.23. Pentru conductele din font i azbociment mbinate cu mufe, presiunea maxim admisibil la lovitura de berbec se va lua egal cu presiunea de ncercare sau presiunea nominal i anume cu cea mai mic dintre ele. 2.24. Pentru conductele de beton armat, beton armat centrifugat, i beton precomprimat presiunea maxim admisibil la lovitura de berbec se va lua egal cu presiunea nominal a conductei. Etape de calcul 2.25. Etapele de calcul i proiectare ale dispozitivelor de protecie contra loviturii de berbec vor fi corelate cu fazele de proiectare ale ntregii instalaii. La stabilirea dispoziiei generale a instalaiei se va avea n vedere i comportarea ei n regim nepermanent. 2.26. Un calcul complet al loviturii de berbec va cuprinde urmtoarele etape: - culegerea i stabilirea datelor de baz; - studiul preliminar; - calculul iniial; - calcule de dimensionare; - calcule de verificare. 2.27. Culegerea i stabilirea datelor de baz se refer la procurarea elementelor care caracterizeaz instalaia din punctul de vedere al loviturii de berbec i sunt urmtoarele: - schema tehnologic i ipotezele de funcionare care pot conduce la lovituri de berbec; - profilul n lung al conductei cu caracteristicile necesare calculului loviturii de berbec (material, diametre, grosimi de perei, lungimi de tronsoane etc.); - caracteristicile hidraulice ale vanelor, pompelor precum i ale altor elemente ce pot conduce la modificarea regimului permanent; - diagramele Q-H ale instalaiei n toate regimurile de funcionare, n cazul instalaiilor cu pompare. Diagrama general pentru cele 4 cadrane i GD2 pomp cu ap i electromotor se pot suplini prin datele existente n literatura de specialitate. 2.28. Studiul preliminar se face pe scheme de calcul simplificate, utiliznd metode aproximative i expeditive.

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 6 of 79

Schema de calcul i ipotezele de calcul vor lua n considerare elementele care majoreaz efectele negative ale loviturii de berbec. n aceast etap se stabilete dac este necesar protecia contra loviturii de berbec i implicit dac este nevoie de un calcul mai exact. 2.29. Calculul iniial este un calcul mai exact i are drept scop s precizeze mai detaliat modul particular de desfurare a fenomenului n cazul instalaiei proiectate i s arate dac este necesar protecia mpotriva loviturii de berbec. El se efectueaz pentru instalaia neprotejat, utiliznd scheme de calcul care reproduc mai fidel instalaia i metode de calcul mai precise, de preferat metode numerice aplicate pe calculator electronic. Schema de calcul va cuprinde un numr suficient de noduri de calcul, pentru a putea studia parametrii micrii n toate punctele caracteristice i va fi elaborat conform regulilor indicate la pct. 2.12...2.15. La aceast etap i la urmtoarele, se va lua n considerare efectul pozitiv al ineriei prilor rotative prin continuarea pomprii, precum i lucrul pompelor n micarea nepermanent. De asemenea, se va determina cu aproximaie o lege favorabil pentru nchiderea vanelor i n funcie de ea se va face aprecierea necesitii msurilor speciale de protecie i se va stabili gradul de periculozitate al loviturii de berbec. 2.30. Calculele de dimensionare se efectueaz n scopul alegerii i dimensionrii soluiei de protecie contra loviturii de berbec. Schemele de protecie se stabilesc pe baza experienei i caracteristicilor generale i ntr-o prim faz se dimensioneaz prin metode aproximative i expeditive. n funcie de importana instalaiei se aprofundeaz dimensionarea schemei de protecie folosind metode de calcul mai exacte. Ca regul general, pentru instalaii cu conducte sub 400 mm diametru i cu viteze de regim mai mici de 1,5 m/s se pot folosi numai metode aproximative. n cursul acestei etape se vor examina una sau mai multe variante de scheme de protecie, se va face optimizarea lor pn la gradul cerut de faza de proiectare i de gradul de precizie i stabilitate al datelor de baz. Se va stabili legea de manevr a organelor de reglaj i se vor stabili eventualele restricii n exploatare. 2.31. Calculele de verificare constau n refacerea calculelor de dimensionare n vederea stabilirii soluiei cu noi date de baz. Ele se vor efectua ori de cte ori se schimb parametrii de baz ai instalaiei n cursul fazelor de proiectare sau la execuie. Se vor face calcule de verificare i atunci cnd rezultatele experimentale indic necesitatea stabilirii mai precise a modelului matematic. Corelarea cu fazele de proiectare. Coninutul calculelor 2.32. Calculele de lovitur de berbec se vor face la faza de proiect de execuie. 2.33. Studiul preliminar este obligatoriu pentru toate instalaiile supuse loviturii de berbec. La aceast etap datele de baz vor fi mai reduse, n concordan cu metodele de calcul folosite. 2.34. Calcule iniiale se vor face numai pentru obiective importante, n cazul cnd prin studiul preliminar nu se poate stabili cu certitudine c nu sunt necesare dispozitive de protecie contra loviturii de berbec. 2.35. Calcule de dimensionare se fac n cazul cnd sunt necesare dispozitive de protecie. Metodele de calcul vor fi alese n raport cu complexitatea i importana lucrrii. Pentru instalaii mici se pot folosi metode expeditive sau formule aproximative. Pentru instalaii importante se va recurge la calcule detaliate, bazate pe scheme de calcul care s reproduc ct mai bine fenomenul. 2.36. Calculele de verificare se vor face nainte de darea n funciune, n condiiile artate la pct. 2.31. [top]

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 7 of 79

3. ALEGEREA SCHEMELOR I A DISPOZITIVELOR DE PROTECIE3.1. Pentru alegerea schemelor de protecie i a dispozitivelor aferente nu se dau norme cu caracter general. Soluia de protecie trebuie s rezulte din parcurgerea etapelor indicate la capitolul 2, innd seama c ea depinde de muli parametri i ca atare este caracteristic fiecrei instalaii concrete. Soluia de protecie se va stabili pornind de la rezultatele calculului iniial, care indic modul de comportare al instalaiei neprotejate i intensitatea loviturii de berbec. Schema de protecie va fi corelat cu dispoziia de ansamblu a instalaiei hidraulice, folosind n mod judicios avantajele oferite de dispoziia general sau modificnd-o n sens convenabil, mai ales n ceea ce privete profilul n lung sau caracteristicile echipamentelor ale cror caracteristici au influen asupra apariiei i desfurrii loviturii de berbec. La instalaii importante se va da o justificare tehnic economic a soluiei. 3.2. n schemele de protecie vor fi folosite dispozitive cunoscute, innd seama de caracteristicile lor, precum i dispozitive noi, dup o prealabil verificare experimental sau numai prin calcul, dac exist sigurana unui model matematic corect sau acoperitor. 3.3. Folosirea dispozitivelor care introduc aer n conducta protejat este interzis n urmtoarele dou situaii: - dac exist posibilitatea ca aerul s fie evacuat prin pomp; - dac nu este asigurat circulaia liber ctre bazinul de refulare sau rezervor, respectiv dac pe traseu exist derivaii care s permit evacuarea aerului n atmosfer, comandate de vane sau nu, cu rezistene hidraulice suficient de mari pentru a creea ocuri hidraulice dup evacuarea aerului. Aceasta se aplic i castelelor de echilibru cu branamente cu rezistene mari sau ventilelor de aer la care exist posibilitatea de blocare n poziia deschis. [top]

4. PROBELE TEHNOLOGICE ALE INSTALAIILOR DE PROTECIE CONTRA LOVITURII DE BERBEC4.1. Probele tehnologice ale instalaiilor de protecie contra loviturii de berbec au drept scop s verifice buna funcionare a schemelor de protecie, nainte de intrarea n exploatare a instalaiei hidraulice. Operaia const n efectuarea unor manevre care genereaz lovitura de berbec i n msurarea valorilor presiunilor n diferite puncte ale conductelor protejate i compararea lor cu valorile admisibile. Acestea se efectueaz pe instalaia executat, n cursul probelor de punere n funciune a instalaiei. 4.2. Operaia se va efectua pentru toate instalaiile supuse loviturii de berbec, iar rezultatele vor fi consemnate n documentele de ncheiere a probelor de punere n funciune i a recepiei lucrrilor. Msurtorile vor fi efectuate cu manovacuumetre industriale. 4.3. Pentru instalaii importante i instalaii la care lovitura de berbec ridic probleme speciale (reglaje, dispozitive noi sau modificate), probele tehnologice se vor desfura dup un program special descris la pct. 4.4. 4.4. Instalaiile hidraulice pentru care probele tehnologice se efectueaz dup program special vor fi stabilite de proiectant, care va prevedea n proiect msurile necesare. Programul special va cuprinde: - releveul instalaiei de protecie i al profilului n lung al conductei;

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 8 of 79

- comparaia releveului cu proiectul i efectuarea unor calcule de verificare dac exist deosebiri fa de proiect; - verificarea montrii i funcionrii corecte a elementelor dispozitivelor de protecie; - verificarea reglajului dispozitivelor de protecie (vane, supape de suprapresiune etc.); - efectuarea de manevre generatoare ale loviturii de berbec, msurarea caracteristicilor i compararea lor cu valorile admisibile i cu prevederile proiectului. 4.5. Manevrele generatoare de lovitur de berbec se vor efectua dup ce n prealabil s-a constatat c instalaia este executat n bune condiiuni, cu respectarea prevederilor proiectului i c dispozitivele sunt reglate corect. Se va ncepe cu manevre care dau solicitri mici i, dup verificarea lor i constatarea c sunt n concordan cu calculele, se va trece treptat la manevre mai dure. 4.6. Msurtorile se vor face n diferite puncte ale conductei i anume: - lng pomp sau lng van; - lng branamentul dispozitivului de protecie; - n alte puncte caracteristice ale conductei, care se stabilesc pe baza informaiilor furnizate de calculele de dimensionare. 4.7. Pentru msurtorile care se efectueaz dup program special, conform pct. 4.3 se vor avea n vedere urmtoarele: - msurtorile de presiune se vor efectua cu manometre, manovacuumetre i instalaii electronice; - manometrele i manovacuumetrele vor fi verificate n prealabil cu manometre etalon; ele vor putea fi folosite n zonele unde micarea este lent variabil, cu faze care dureaz mai mult de cca 15 secunde; nregistrrile se fac prin citiri directe efectuate la un interval de cca 3 secunde i cel puin 5 citiri la o faz; - timpul se va msura cu cronometre obinuite care indic secunda, iar momentul de declanare al manevrei se va semnaliza cu o abatere de maximum 1 secund; - instalaiile electronice cu nregistrare la oscilograf vor fi folosite n zonele supuse loviturii de berbec, cu fenomene de variaie rapid, ale cror faze sunt mai mici de 15 secunde. Se pot folosi combinaii ale celor dou tipuri de echipamente, cu respectarea condiiilor de durat a fazei indicate mai sus. n cursul manevrelor i msurtorilor se va urmri vizual i se va nota funcionarea dispozitivelor de protecie (ventile de suprapresiune, hidrofoare, ventile de aer, castele de echilibru etc.) i a organelor de reglaj sau nchidere (vane, clapete etc.). 4.8. Constatrile i concluziile stabilite pe baza programului special de msurtori vor fi consemnate ntr-un referat care va cuprinde: - descrierea sumar a instalaiei hidraulice i a schemei de protecie contra loviturii de berbec; - descrierea probelor efectuate, cu indicarea rezultatelor msurtorilor; - descrierea funcionrii instalaiei, aprecieri asupra comportrii ei, recomandri pentru perfecionare (dac e cazul) i indicaii pentru exploatare, care se vor nscrie n instruciunile de exploatare; - concluzii asupra recepiei, care vor fi afirmative dac presiunile extreme se ncadreaz n limitele prevzute de proiect i dac n cursul manevrelor nu au aprut defeciuni. n cazul concluziilor negative, se vor arta cauzele i modalitatea de remediere. Un exemplar din actul menionat se va pstra la organul de exploatare.

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I S... Page 9 of 79

[top]

5. REGULI DE EXPLOATARE5.1. La instalaiile hidraulice sub presiune la care exist dispozitive de protecie contra loviturii de berbec, n instruciunile de exploatare se va introduce un capitol privind protecia contra loviturii de berbec. Acest capitol va cuprinde: - schia instalaiei hidraulice i profilul n lung cu schema de protecie contra loviturii de berbec cu cotele i datele principale ale instalaiei; - descrierea schemei de protecie contra loviturii de berbec; - descrierea funcionrii schemei de protecie n diferite ipoteze care au fost avute n vedere la proiectare i artarea defeciunilor posibile care ar deranja funcionarea corect a instalaiei de proteciei; aici se vor arta i parametrii la care trebuie s se afle sau s fie reglate diferitele dispozitive componente ale schemei de protecie contra loviturii de berbec; - instruciuni privind controlul periodic, revizia i ntreinerea instalaiei; se va prevedea probarea periodic a dispozitivelor a cror funcionare incorect poate produce i amplifica efectele negative ale loviturii de berbec. 5.2. Organele de exploatare au obligaia de a face controalele i reviziile periodice indicate n instruciuni precum i lucrrile de ntreinere prevzute. Ele sunt obligate s remedieze n cel mai scurt timp eventualele defeciuni constatate n cursul probelor de control i reviziilor. NOT: Institutul de Construcii Bucureti - Facultatea de hidrotehnic a elaborat un ndrumtor cuprinznd exemple de calcul i soluii de protecie, care se public, ca material ajuttor, mpreun cu instruciunile tehnice. [top] ANEXA la instructiunile tehnice: I. 30 75

NDRUMATOR PRIVIND CALCULUL LOVITURII DE BERBEC SI ALEGEREA MASURILOR DE PROTECTIE CONTRA ACESTEIAINTRODUCERE Prezentul ndrumator a fost elaborat de catre Institutul de constructii din Bucuresti Facultatea de hidrotehnica, prin Catedra de hidraulica, alimentari cu apa si canalizari, cu ocazia elaborarii "Instructiunilor tehnice pentru calculul loviturii de berbec si stabilirea masurilor pentru prevenirea efectelor negative ale acesteia la instalatii hidraulice sub presiune" si are ca scop principal sa serveasca drept material ajutator pentru personalul tehnic din poiectare, executie sau exploatare care este confruntat cu problemele loviturii de berbec si care aplica instructiunile de mai sus. Continutul lucrarii este ordonat n trei capitole: Capitolul I cuprinde generalitati privind miscarea nepermanenta n conducte sub presiune si metode de calcul folosite. n acest capitol se dau de asemenea o serie de formule pentru calculul celeritatii precum si tabele care contin n forma adimensionala caracteristica generala a turbopompelor. O serie de exemple de calcul arata modul de aplicare practicata a metodelor de calcul descrise. Capitolul II cuprinde instructiuni pentru folosirea practica a unui program de calcul (LOVBEST) scris n limbaj FORTRAN si catalogat la Centrul de organizare si cibernetica n constructii (Bucuresti, Calea Grivitei nr. 610).

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 10 of 79

Programul permite calculul majoritatii schemelor care apar n practica fiind din acest punct de vedere un important instrument de cercetare si de proiectare. Pentru ntelegerea modului de pregatire a datelor si a semnificatiei rezultatelor, n acest capitol s-a introdus un numar mare de exemplificari sub forma de tabele sistematice si extrase din imprimantele emise de calculatorul electronic, toate comentate pna n cele mai mici detalii. Capitolul III cuprinde aspecte caracteristice ale desfasurarii fenomenului de lovitura de berbec, solutii de protectie contra efectelor negative ale acesteia precum si metode si indicatii de calcul. Capitolul trateaza problemele de mai sus n mod separat pentru cazul instalatiilor unifilare gravitationale, al instalatiilor unifilare cu pompare al retelelor de conducte. Se indica att metode de calcul exacte ct si aproximative acordndu-se o importanta deosebita domeniului de valabilitate al acestora. ntruct att metodele de calcul ct si mijloacele de protectie pot fi comune tuturor tipurilor de instalatii, acestea s-au descris pe larg n legatura cu acele tipuri de instalatii la care metodele sau solutiile respective se aplica cu precadere iar n cazul celorlalte tipuri de instalatii s-au facut trimiteri precum si o serie de precizari cu caracter particular. ndrumatorul este completat cu o lista de notatii recomandabile pentru principalele marimi care intervin n studiul problemelor de lovitura de berbec, o lista bibliografica cu titluri selectate ce poate fi consultata de catre cei ce doresc sa-si aprofundeze cunostintele n acest domeniu, precum si un cuprins detaliat ce permite accesul rapid la paragraful care intereseaza la un moment dat. [top]

CAPITOLUL I GENERALITATI PRIVIND MISCAREA NEPERMANENTA N CONDUCTE SUB PRESIUNE SI METODE FOLOSITE PENTRU CALCULUL EI I.1. ECUATII GENERALE SI MODELE DE STUDIURegimul nepermanent de miscare a fluidelor constituie un caz frecvent n functionarea instalatiilor hidraulice. El apare ori de cte ori se schimba regimul de miscare, adica ori de cte ori au loc modificari ale conditiilor la limita ale curgerii, cum ar fi deschiderea sau nchiderea unor vane, oprirea sau pornirea pompelor, eliminarea aerului, spargerea unei conducte etc. Regimul nepermanent poate introduce solicitari importante ale sistemului. La miscarea lichidelor n conducte pot aparea suprapresiuni care sa ntreaca de cteva ori sau zeci de ori presiunea de regim si de asemenea, depresiuni importante, care pot duce la distrugerea instalatiei. Schema de calcul a regimului nepermanent n conducte sub presiune este schema unidimensionala. Una din proprietatile lichidelor, care intervin n desfasurarea fenomenelor de miscare permanenta, este compresibilitatea. Ca urmare, ecuatiile care descriu cel mai exact miscarea nepermanenta a lichidelor sunt acelea care tin seama si de compresibilitatea lor. Daca se neglijeaza disiparea energiei, adoptnd modelul de fluid perfect, aceste ecuatii, identice cu ecuatiile coardei vibrante, sunt urmatoarele: (I.1)

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 11 of 79

(I.2)

n cele mai multe cazuri este nevoie sa se tina seama de pierderile de sarcina si atunci ecuatiile capata forma: (I.3)

(I.4)

unde J este panta hidraulica. n cazul miscarilor lent variabile, compresibilitatea joaca un rol mai putin important dect n cazul miscarilor rapid variabile. n asemenea cazuri se pot folosi ecuatii n care se neglijeaza compresibilitatea lichidului si anume:

(I.5) (I.6)

Faptul ca miscarea nepermanenta este o miscare lent sau rapid variabila depinde n primul rnd de viteza relativa cu care are loc modificarea conditiilor la limita sau de evolutia miscarii n functie de dispozitivele existente pe conducta. Se apreciaza ca, n cazul situatiilor care ar produce socuri hidraulice importante, daca schimbarea conditiilor la limita se face ntr-un timp ce depaseste de cca 20 de ori timpul n care unda sonica parcurge conducta n cauza, atunci miscarea va fi lent variabila si se poate neglija compresibilitatea lichidului. n caz contrar trebuie sa se tina seama de compresibilitatea lichidului. n cazul cnd pe conducta sub presiune exista unele dispozitive, cum ar fi castelele de echilibru, hidrofoarele sau chiar ventilele de introducere a aerului, aprecierea rapiditatii regimului nepermanent este mai dificil de facut datorita faptului ca aceste dispozitive pot transforma o miscare rapida variabila, provocata de o modificare brusca a conditiilor la limita, ntr-o miscare lent variabila. Gradul de transformare depinde de dimensiunile dispozitivelor respective si de rezistenta bransamentului lor la conducta principala. Cu ct dimensiunile dispozitivului sunt mai mari si rezistenta bransamentului este mai mica, cu att efectul de transformare al miscarii din rapid variabila n lent variabila este mai intens. Daca dimensiunile dispozitivului sunt foarte mari si rezistenta bransamentului este foarte mica, atunci dispozitivul mparte conducta n doua parti distincte: o parte, cuprinsa ntre dispozitiv si locul unde s-a produs modificarea conditiilor la limita, pe care miscarea este rapid variabila si alta parte, pe care, prin actiunea dispozitivului, miscarea este lent variabila. Daca modulul de rezistenta al bransamentului dispozitivului (MD) ndeplineste conditia (reflexie cca 90%): (1.7)

unde V0 este viteza iar Q0 este debitul initial, n regim permanent atunci se poate considera ca se realizeaza o transformare aproape totala a miscarii rapid variabile, ntr-o miscare lent variabila. n aceste conditii, portiunea de conducta aflata dupa dispozitiv (n sensul de la locul de producere al perturbatiilor, catre dispozitiv), se calculeaza cu modelul de fluid incompresibil. Pe portiunea de conducta cuprinsa ntre locul de producere a perturbatiilor si dispozitivul respectiv, calculul se va face folosind modelul de fluid compresibil daca manevra dureaza mai putin dect de 20 de ori timpul de parcurs. n continuare se dau metode de calcul ale regimului nepermanent, cu sau fara dispozitive, att n cazul

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 12 of 79

miscarilor rapid variabile ct si al celor lent variabile. Fenomenele de miscare nepermanenta rapid variabile vor fi denumite n continuare "fenomene de lovitura de berbec" iar cele lent variabile vor fi denumite "miscari de oscilatie n masa". Piesele, instalatiile sau constructiile care se prevad special cu scopul de a controla lovitura de berbec vor fi numite "dispozitive de protectie". [top]

I.2. CALCULUL LOVITURII DE BERBECI.2.1. RELATII SI NOTIUNI GENERALE Fenomenele de lovitura de berbec au un caracter ondulatoriu. O modificare a conditiilor la limita provoaca schimbari locale ale debitului si presiunii, schimbari care se transmit din aproape n aproape, pe seama elasticitatii lichidului si a materialului conductei formnd unde plane de debit si respectiv de presiune. Prin unda, ca purtatoare de perturbatii se va ntelege diferenta (cresterea sau descresterea) de debit sau de presiune care se propaga. O caracteristica principala a undelor de debit si de presiune este aceea ca sunt unde asociate adica, se formeaza si se propaga mpreuna iar ntre ele exista o relatie determinata. I.2.1.1. Celeritatea. Viteza cu care se propaga undele asociate n raport cu fluidul n repaos se numeste celeritate si este egala cu viteza sunetului (viteza de propagare a micilor perturbatii). a) Conducta confectionata din material omogen (dupa Mostkov si Streeter). Celeritatea se calculeaza cu formula:

(1.8)

Formula tine seama de elasticitatea fluidului si a peretelui conductei precum si de conditiile de rezemare ale acesteia. n aceasta relatie s-au facut urmatoarele notatii:

este modulul de elasticitate al lichidului.Pentru apa = 2,1 . 104 kgf/cm2 = 2,1 . 9,81 . 108 Pa este densitatea lichidului.Pentru apa = 101,9 kgf.s2/m4 = 1000 kg/m3E este modulul de elasticitate al materialului din care este confectionata conducta. Pentru otel E = 2,1 . 106 kgf/cm2 = 2,1 . 9,81 . 1010 Pa Pentru fonta E = 1 . 106 kgf/cm2 = 1 . 9,81 . 1010 Pa Pentru beton E 2 . 105 kgf/cm2 = 2 . 9,81 . 109 Pa Pentru azbociment E = 2 . 105 kgf/cm2 = 2 . 9,81 . 109 Pa Pentru cauciuc E = 20 ... 60 kgf/cm2 = (20 ... 60) . 9,81 . 104 Pa

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 13 of 79

D este diametrul interior al conductei

este grosimea peretelui conducteiC1 este un coeficient care tine seama de grosimea peretelui conductei si de conditiile de rezemare ale acesteia. Daca conducta are peretele subtire (D/>25). si daca sunt permise deplasarile longitudinale, atunci: C = 1 1 Daca conducta are peretele subtire (D/>25) dar deplasarile longitudinale sunt mpiedicate atunci se ia: - fie C1 = 1 - 2 - fie C1 = 1 si grosimea peretelui egala cu /

o

Daca conducta are peretele gros (D/ 2 L/c, n faza secundar sau indirect presiunea rezult din nsumarea undelor primare i a celor secundare reflectate la rezervor i apoi reflectate din nou la vana E; n funcie de legea de nchidere i de caracteristicile conductei valoarea presiunii poate s fie mai mic sau mai mare dect cea atins la sfritul fazei primare (momentul t = 2 L/c). Graficul variaiei presiunii i valoarea maxim se gsesc prin calcul. nchiderea lent a vanelor micoreaz lovitura de berbec, cu att mai mult cu ct timpul de nchidere este mai lung. III. 2.1.4. Influena pierderilor de sarcin Influena pierderilor de sarcin se manifest n dou feluri: a) la o vitez iniial dat i caracteristici determinate ale conductei prezena pierderilor de sarcin atenueaz

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 36 of 79

lovitura de berbec n cazul cnd vana se nchide lent; dac vana se nchide brusc suprapresiunea n dreptul vanei nu este influenat; b) n afar de atenuare, pierderile de sarcin determin capacitatea de transport a conductei i respectiv parametrii iniiali ai loviturii de berbec: presiunea iniial la van i viteza iniial prin conduct. Ipoteza a. n acest caz este vorba de valoarea presiunilor maxime calculate cu modelul de fluid perfect cu neglijarea pierderilor de sarcin fa de cele calculate innd seama de pierderile de sarcin, datele de plecare Q, H0 fiind aceleai. Figura III.4 ilustreaz diferenele. n figura III. 4.b, 01, 01, 02, 03, 04 sunt curbele pierderilor de sarcin pe conduct. Curba 01 reprezint cazul 1 din figura III. 1 linia piezometric 1.p.1 n care pierderea de sarcin pe conduct este mic i neglijabil n raport cu cderea iar vana parial nchis regleaz debitul la valoarea Q1. n figura III. 4 b, pentru a evidenia mai pregnant care este influena pierderii de sarcin, calculul grafic al loviturii de berbec este efectuat pentru debitul dar cu o pierdere de sarcin mrit fictiv pn la valoarea maxim posibil (hr = H0, ceea ce evident ar corespunde unui debit mai mare dect Q1). Rezistena conductei este nlocuit prin diafragma BB plasat la mijlocul conductei (fig. III.4.a) Schema undelor de calcul care rezolv problema este artat tot n figura III.4.a. Pentru modelul de fluid perfect liniile caracteristice sunt trasate cu linie ntrerupt i calculul conduce la presiunea maxim reprezentat de punctul C0+. Pentru fluidul real, cu pierdere de sarcin, construcia grafic este efectuat cu linii pline, pornind de la punctul B0. Se obine presiunea maxim reprezentat prin punctul C1. Se constat c presiunea maxim, care se realizeaz nc din primele faze ale loviturii de berbec, este influenat puin de pierderile de sarcin. n schimb, influena favorabil a pierderilor de sarcin se resimte n fazele urmtoare prin faptul c presiunile minime rezult mai ridicate dect la modelul de fluid perfect iar oscilaiile se amortizeaz treptat. Valoarea presiunii maxime este determinat n principal de valoarea vitezei de regim i de rezistena de und a conductei. Ipoteza b. Aceast ipotez corespunde cazului 2 din figura III. 1 n care ntreaga sarcin a sistemului, H0, se disipeaz pe conduct, vana din E fiind deschis aproape complet. Este situaia n care se afl n general conductele de transport pentru alimentare cu ap. La caracteristici date ale conductei (D, L) i la o sarcin dat H0, deschiderea mai mare a vanei E conduce la o vitez de regim mai mare, ceea ce la nchiderea brusc i complet a vanei va genera o lovitur mai puternic dect n cazul 1. Rezult c, n ipoteza c vana final este complet deschis i se nchide apoi brusc sau relativ repede, lovitura va fi cu att mai puternic cu ct lungimea conductei este mai mic, sarcina mai mare i diametrul mai mare. Influena pierderii de sarcin poate fi privit i sub aspectul urmtor: la o sarcin dat H0, un diametru D i n ipoteza c vana final este complet deschis, lungimea conductei determin viteza de regim i implicit valoarea suprapresiunii la nchidere brusc sau relativ rapid. Presiunea maxim relativ generat n aceste condiii poate fi calculat cu formula: (III.2)

n care: Hmax este presiunea maxim la van (n coloan de lichid) (III.3) m = c/(gA) , rezistena de und

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 37 of 79

, modulul de rezisten al conductei Fenomenul depinde de complexul adimensional x care poate fi scris i sub forma:

(III.4)

n care c este celeritatea i coeficientul lui Darcy pentru conduct. n tabelul care urmeaz se dau valorile lui Hmax/H0 n funcie de x: x 0,01 0,03 0,1 0,28 0,2 0,53 0,3 0,75 0,4 0,94 0,5 1,12 0,6 1,28

3x

x

0,7 1,43

0,8 1,57

0,9 1,70

1,0 1,82

2,0 2,94

5 5,99

10 11

x+1Rezult c suprapresiunea relativ rmne mic, nefiind necesare mijloace speciale de protecie sau restricii n manevrarea vanelor, numai dac , ceea ce pentru o conduct cu D = 1 m, = 0,02 i c = 1000 m/s conduce la: LHo > 4.107m2 deci, conducte foarte lungi, de ordinul a 100 km. Rezult c toate conductele gravitaionale vor fi afectate de lovitura de berbec la deschiderea rapid a vanelor. Ca regul general, la conductele gravitaionale trebuie s se prevad msuri pentru atenuarea loviturii de berbec, prima dintre ele fiind mrirea timpului de nchidere a vanelor. III. 2.2. LOVITURA DE BERBEC PROVOCAT DE EVACUAREA AERULUI n cazul cnd apa din conduct se afl, un timp mai ndelungat, n repaus sau circul cu viteze mai mici de aproximativ 0,5 m/s la conducte cu diametrul nu prea mare i debite de aer reduse, aerul, care eventual se degaj din ap, se acumuleaz n punctele nalte i, dac nu este evacuat continuu prin ventile de aer, se acumuleaz sub form de pungi de aer. Dac ventilul defect, care a permis formarea pungii, se deschide, i permite evacuarea pungii de aer cu un debit de aer mare. La epuizarea pungii de aer, un debit de ap egal cu cel de aer este frnat brusc i apare un oc hidraulic. Dac punga de aer este evacuat prin deschiderea unui branament apropiat efectul este asemntor, dar mai puternic din cauza debitelor mai mari care pot fi evacuate. De aceea, pot apare ocuri hidraulice i atunci cnd, dup o perioad de stagnare, o conduct cu pungi de aer se pune n funciune cu viteze mai mari de 0,5 m/s deoarece pungile de aer sunt antrenate ctre vana deschis. n acest caz ocurile sunt cu att mai

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 38 of 79

reduse cu ct vana se afl mai departe de locul de formare al pungii de aer deoarece aceasta se fracioneaz pe parcursul conductei. Pungile de aer se formeaz ntotdeauna n cazul cnd o conduct cu puncte nalte (punctele B i D din Figura III.1) este iniial goal i se umple cu ap. Pentru evacuarea acestor pungi se prevd ventile de dezaerisire, iar pentru a evita ocurile produse la epuizarea pungii de aer este necesar ca umplerea conductei s se fac foarte ncet. III.2.3. MSURI PENTRU REDUCEREA INTENSITII LOVITURII DE BERBEC Una din metodele de protejare a instalaiilor hidraulice contra loviturii de berbec const n luarea de msuri care s mpiedice apariia acestui fenomen sau s-i reduc intensitatea n limite admisibile. Aceast metod este foarte potrivit instalaiilor gravitaionale, la care principalele organe perturbatoare sunt vanele de linie; n acest caz este suficient ca timpul de nchidere i legea de nchidere a vanelor s fie convenabil alese pentru ca intensitatea loviturii de berbec s nu fie periculoas. n cazul vanelor acionate manual, timpii de nchidere sunt mari astfel c n general nu apar fenomene periculoase de lovitur de berbec. innd ns seama c, la nchiderea manual, viteza de nchidere este aproape uniform, nchiderea efectiv se produce pe ultima parte a manevrei. De aceea, n regulile de exploatare se va prevedea ca nchiderea vanelor s se fac mai lent spre sfritul cursei, chiar dac pe un timp mai lung se aude zgomotul caracteristic i suprtor al laminrii curentului de ap. Situaii mai periculoase mai pot aprea cnd se folosesc vanele acionate de servomotoare hidraulice care realizeaz, n general, manevre mult mai rapide sau cnd, din considerente tehnologice, se impune nchiderea mai rapid. n aceste cazuri se va alege timpul de nchidere mai mare dect cca 20 L/c. Dac timpul maxim realizabil este totui prea scurt, se poate aciona asupra legii de manevr; viteza de manevr va fi mare la nceput, cnd rezistena hidraulic a vanei este mic, dar trebuie s fie mic spre sfrit cnd rezistena hidraulic a vanei crete. Ca urmare, sunt preferabile vanele care pot realiza legi de nchidere cu mai multe viteze. Aprecierea mrimii timpului de manevr se face prin comparare cu timpul n care undele de lovitur de berbec parcurg conducta. n anexa I s-a artat c dac atunci lovitura de berbec practic nu se produce. n legtur cu

aceasta trebuie fcut ns urmtoarea precizare: coeficientul de pierdere de sarcin al vanei are valori foarte mari pentru poziii apropiate de poziia "nchis" iar n rest are valori relativ mici; de aceea nchiderea vanei se produce practic pe (1/5 1/4) Tm i ca urmare condiia de mai sus devine:

Pentru prevenirea apariiei loviturii de berbec este necesar s se in seama i de indicaiile de la III. 2.2. privind efectul aerului din conduct. n special trebuie dat atenie funcionrii corecte a ventilelor de dezaerisire precum i proiectrii corecte a profilului longitudinal al conductei n sensul eliminrii punctelor n care s-a produce acumulri masive de aer. n exploatare trebuie avut n vedere c umplerea cu ap a conductelor care prezint puncte nalte s se fac lent, astfel nct debitele de aer eliminate prin ventile s fie reduse. III. 2.4. PROTECIA CONDUCTELOR UNIFILARE GRAVITAIONALE Atunci cnd apariia loviturii de berbec nu poate fi mpiedicat i nici nu se poate diminua suficient intensitatea ei, trebuie luate msuri care s protejeze conducta de efectele negative ale loviturii de berbec. Situaii de acest fel apar atunci cnd timpul i legea de manevr a vanelor nu reuesc s reduc suficient de mult intensitatea loviturii de berbec, fiind impuse de considerente tehnologice i de siguran (cazul nchiderii rapide a vanelor n cazul unei avarii la instalaia care primete apa) sau dac este de ateptat o dereglarea a organului de nchidere (de exemplu nchidere cu comand pneumatic i frn hidraulic). Pentru protecia conductei trebuie acionat n primul rnd asupra efectului care apare n prima faz (suprapresiune la nchiderea vanei i depresiune la deschiderea ei) cci efectele din fazele ulterioare sunt

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 39 of 79

proporionate cu acesta. Protejarea conductei se bazeaz pe principiul intercalrii ntre conduct i organul perturbator a unor dispozitive capabile s reflecte cu semn schimbat, total sau parial, undele de lovitur de berbec; n felul acesta undele generate de organul perturbator sunt anihilate de undele reflectate de dispozitivul reflector. Astfel acioneaz castelele de echilibru, hidrofoarele, descrcrile comandate de vane sincron sau flane oarbe calibrate, supapele de suprapresiune, ventile de aer etc. n acelai mod acioneaz branamentele scurte deschise permanent n atmosfer sau debund n rezervoare cu presiune mic care au o influen favorabil (punctele C i D din figura III.1). Ele reflect parial undele de presiune n puncte intermediare situate mai aproape de van. Efectul este cu att mai pronunat cu ct rezistena hidraulic a branamentului este mai mic, caz n care, n practic, este destul de rar ntlnit. Efectul branamentelor poate fi apreciat mai bine pe schema de reea de conducte (III.4). Aa cum s-a mai artat, caracteristice pentru conductele gravitaionale sunt metodele de prevenire ale apariiei loviturii de berbec i de aceea, despre dispozitivele enumerate mai sus se va vorbi mai pe larg la instalaiile cu pompare (III.3). O meniune special trebuie fcut pentru cazul cnd se folosesc descrcrile comandate n scopul exclusiv al protejrii conductei contra loviturii de berbec. n acest caz, n situaia de funcionare normal (regim permanent), aceste descrcri trebuie s fie nchise iar deschiderea lor trebuie s se fac numai la apariia loviturii de berbec. Pentru aceasta descrcrile sunt prevzute cu vane speciale (vane sincron) care se deschid odat cu manevra generatoare a loviturii de berbec. Timpul de deschidere a vanelor sincron trebuie s fie mai redus (de cteva ori) dect timpul de manevr al organului perturbator pentru ca descrcrile s poat juca rolul de puncte de reflexie la momentul oportun. Pentru a evita pierderea inutil a apei prin descrcri, vanele sincron au n general i programe de nchidere automat. Timpul i legea de nchidere trebuie s fie convenabil alese (vezi III. 2.3) pentru ca vana sincron s nu devin ea nsi un generator al loviturii de berbec. n cazul cnd se poate admite evacuarea apei din conducta protejat (conducte scurte) i fenomenul de lovitur de berbec are o probabilitate foarte mic, se poate nchide conducta de ocolire (descrcare) printr-o flan oarb calculat s cedeze la o presiune care nu produce efecte negative asupra conductei. La conducte mici se pot folosi cu succes supape de suprapresiune, care, pentru a fi efective, trebuie s descarce 60-90% din debitul conductei timp de aproximativ 2 L/c. III.2.5. INDICAII I METODE EXPEDITIVE DE CALCUL III. 2.5.1. Indicaii generale de calcul n general conductele gravitaionale sunt prevzute, aa cum s-a vzut, cu dispozitive simple (vane, ventile, branamente) iar pentru protecie nu necesit dispozitive speciale. Ca umare ele pot fi calculate cu uurin folosind metodele grafice prezentate n anexa I. Fcnd ncercri cu diverse legi i timpi de nchidere se pot gsi valorile care respect att condiiile tehnologice ct i pe cele de limitare a efectelor negative ale loviturii de berbec. Un exemplu util pentru aceasta l constituie cel din figura I.10. Pentru situaii mai simple i n condiiile specificate se pot folosi metodele expeditive date n continuare. III.2.5.2. Formula Jukovski d valoarea exact a undei de presiune generat la nchiderea sau deschiderea unui obturator (van, clapet). Timpul de manevr Tm trebuie s fie mai mic dect timpul de reflexie: (III.5)

n care L este distana de la obturator la prima seciune n care se produce o reflexie important (rezervor, ramificaie, flan oarb etc.) iar c este celeritatea.

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 40 of 79

Valoarea undei de presiune (cretere sau descretere) este:

p = cV (III.6)unde

este densitatea lichidului, V este variaia de vitez pe care o produce obturatorul.Dac obturatorul produce o nchidere sau o deschidere total atunci Formula este util numai n acest ultim caz. Dac are loc o nchidere parial a vanei atunci nu se mai cunoate odat cu V, prin procedeul indicat n figura I. 10.

V = V0 (viteza de regim permanent). V n mod direct ci trebuie calculat,

Aceast formul se poate aplica la conductele alimentate prin pompare numai dac anularea debitului se produce prin nchiderea total a unei vane sau a unei clapete n condiiile menionate mai nainte. Nu este aplicabil situaiilor n care anularea debitului se produce prin oprirea pompelor. Cu formula Jukovski se pot calcula att depresiuni ct i suprapresiuni, dup locul unde este plasat obturatorul i n funcie de secia de curgere. III.2.5. Formula lui Michaud este foarte simpl; avnd expresia: (III.7)

unde , L, V au aceleai semnificaii ca la formula Jukovski iar T este timpul de nchidere; p este valoarea 0 i suprapresiunii la van la nchiderea total a vanei cnd timpul de nchidere este mai mare dect timpul de reflexie, Ti > 2 L/c i n ipoteza c viteza variaz dup o lege liniar n raport cu timpul. Legea de variaie este n general necunoscut, deoarece ea depinde att de legea de nchidere a obturatorului ct i de caracteristicile acestuia i ale conductei i n majoritatea cazurilor este neliniar; practic nu se pot da reguli pentru a stabili cazurile n care formula poate fi aplicat i de aceea se recomand folosirea ei cu circumspecie. III.2.5.4. Diagrama lui Allievi (figura III. 5) servete la calculul suprapresiunilor produse la nchiderea total a vanei, dup o lege n care seciunile variaz liniar conform relaiei: (III. 8)

n care t este timpul curent Ti este timpul de nchidere iar A0 este seciunea iniial a vanei. Diagrama permite calculul suprapresiunii la van "suprapresiune relativ".

h, sub forma parametrului adimensional, denumit

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 41 of 79

n funcie de ali doi parametri adimensionali i anume: - constanta conductei:

- constanta de timp:

[top]

III. 3. CONDUCTE UNIFILARE CU POMPARE.n acest caz exist o surs permanent i necontrolat de provocare a loviturii de berbec i anume ntreruperea alimentrii cu energie electric a motoarelor ce antreneaz pompele, ntrerupere ce se produce ca urmare a funcionrii dispozitivelor de protecie a liniilor electrice. Fenomene de lovitur de berbec se produc de asemenea i la manevrele normale de pornire i oprire a pompelor. n acest caz perturbaiile cele mai intense i respectiv variaiile de presiune cele mai mari, se produc la pornirea primei pompe i la oprirea ultimei. Efectundu-se controlat i cu o singur pomp, aceste manevre produc variaii de presiune mai mici dect oprirea n caz de avarie. Numai n cazuri excepionale e necesar o verificare a presiunilor i pentru acest tip de manevre. III. 3.1. PARTICULARITI ALE DESFURRII FENOMENULUI DE LOVITUR DE BERBEC LA INSTALAII CU POMPARE LA OPRIREA POMPELOR PRIN NTRERUPEREA ALIMENTRII CU ENERGIE Mersul loviturii de berbec este funcie de toi parametrii conductei, pompelor i dispozitivelor. Mai mult, exist o strns interdependen ntre aceti parametri, astfel nct ei nu pot fi studiai separat (nu numai presiunile pe conduct sunt influenate de pompe i dispozitive ci i funcionarea pompelor turaie, timp de inversare este influenat de conduct i de dispozitivele de protecie). Pentru exemplificare se va considera o turbopomp care refuleaz printr-o conduct la un bazin de nivel constant (la care undele de lovitur de berbec se reflect aa cum se arat n anexa I i anume undele de presiune se reflect total i cu semn schimbat). Pompa, care datorit ineriei continu s dea debite i presiuni din ce n ce mai mici, poate fi considerat ca un generator de mici unde succesive de scdere a cotei piezometrice, unde care se propag pe conduct astfel c linia piezometric are formele succesive artate n figura III.6. Peste undele de scdere a presiunii pe care le genereaz pompa, ncep s se suprapun unde reflectate de cretere a presiunii din momentul n care prima und plecat de la pomp a atins rezervorul, s-a reflectat i a ajuns din nou la pomp. Perioada n care seciunea organului perturbator se afl numai sub aciunea undelor primare generate de el se numete "faza primar" a loviturii de berbec sau "faza direct". Durata acestei faze este egal cu timpul de reflexie al undelor adic Tr = 2 L/c. n aceast faz nu intervine influena undelor secundare reflectate. Dac s-ar cunoate legea de variaie a debitului, atunci variaia de presiune ar putea fi calculat cu formula lui Jukovski ( p = z . q). n realitate fenomenul de variaie a debitului i presiunii rezult din interaciunea caracteristicilor curgerii, ale conductei i ale organului perturbator, i nu poate fi determinat dect printr-un calcul exact care s in seama de toi aceti parametri. Dup faza primar a loviturii de berbec, urmeaz "faza secundar" sau "faza indirect" n care seciunea

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 42 of 79

sufer aciunea undelor secundare generate prin reflexia undelor primare. n cazul conductelor care debueaz ntr-un rezervor, undele secundare de presiune reflectate au semn schimbat, deci sunt unde pozitive care au un efect contrar cu undele primare. Ca urmare a suprapunerii efectelor i n funcie de legea de formare a undelor primare i caracteristicilor conductei cota piezometric la pomp se poate caracteristicilor conductei cota piezometric la pomp se poate stabliza, poate scdea mai lent sau poate chiar s creasc. n acest timp debitul continu s scad pn ce ajunge la valoarea zero i are apoi tendina s se inverseze. Dac nu exist dispozitive care s mpiedice scurgerea apei ctre pompe (clapete de reinere, vane) atunci inversarea debitului se produce efectiv i dup un timp se produce i inversarea turaiei care tinde s devin egal cu turaia de ambalare a turbinei (a turbopompei, lucrnd n regim de turbin i n absena cuplului rezistent). Pn la stabilirea turaiei i debitului de ambalare fenomenul poate avea un caracter oscilant putndu-se depi, pentru o perioad de timp redus, valorile de ambalare ale turaiei, debitului i presiunii. n figura III. 6 linia presiunilor maxime este prezentat pentru cazul curgerii inverse prin pomp. Dac scurgere invers prin pomp este mpiedicat prin dispozitive de tipul clapetelor, vanelor automatizate etc. atunci la pomp are loc o reflexie cu acelai semn a presiunilor (conduct nchis, vezi anexa I), ceea ce face ca linia presiunilor maxime s fie aproximativ reflectat liniei presiunilor minime n raport cu linia static. Pentru a ilustra unele caracteristici ale desfurrii loviturii de berbec n instalaii de pompare se va considera o staie de pompare echipat cu clapet de reinere sau van cu un timp de nchidere aproximativ egal cu timpul de inversare al debitului i n ipoteza fr cavitaie. n figura III.6 s-au trasat linii piezometrice succesive cu forma pe care o au ele n realitate, adic linii curbe cu concavitatea n sus (depresiunile) i cu concavitatea n jos (suprapresiunile). Aceast precizare este necesar ntruct, pornind de la fluidul incompresibil, exist tendina de a trasa aceste curbe ca linii drepte ceea ce nu e real. Forma liniei piezometrice minime indic forma pe care ar trebui s o aib profilul longitudinal al conductei pentru ca n nici un punct al su, n conduct s nu apar vacuum. Dac axul conductei taie linia piezometric minim atunci pe conduct presiunile devin mai mici dect presiunea atmosferic, putnd ajunge la cavitaie. Este eronat ideea conform creia apariia cavitaiei e posibil numai atunci cnd profilul n lung prezint convexiti pronunate; din cele de mai sus rezult c, chiar la un profil liniar foarte regulat sau chiar la un profil concav se poate ntmpla acelai lucru. n cazul apariiei cavitaiei, consideraiunile de mai sus i pierd valabilitatea. Mersul fenomenului de lovitur de berbec n prezena cavitaiei este o problem mai puin studiat. Totui, unele cercetri experimentale sau prin simulare la calculatoare electronice au artat c intensitatea loviturii de berbec n prezena cavitaiei depinde n mod hotrtor de forma profilului longitudinal al conductei. Dac profilul n lung prezint puncte caracteristice (convexiti accentuate, puncte nalte) atunci se produce n mod efectiv ruperea i separarea coloanelor iar ciocnirea lor ulterioar poate provoca ocuri hidraulice deosebit de periculoase. n schimb, dac profilul n lung al conductei este uniform, fr puncte caracteristice, atunci practic nu are loc o separare a coloanelor iar punga de vapori se ntinde de-a lungul conductei pe o lungime care depinde de volumul pungii de vapori. Ca urmare i ocul ce apare la stingerea cavitaiei este mai redus fr ca s existe metode sigure de apreciere a valorii lui. Pn la apariia unor metode de calcul certe, e mai prudent s nu se admit cavitaia n conducte sau s se admit numai o cavitaie incipient la conducte cu profil regulat. Atunci cnd pe conduct se afl dispozitive de protecie contra loviturii de berbec, n funcie de numrul i poziia acestor dispozitive, desfurarea fenomenului este mai complicat dar n mare se respect cele dou sau trei faze. n special desfurarea ulterioar a fenomenului se poate caracteriza prin existena mai multor "sisteme oscilante" care n anumite condiii i pot suprapune dezavantajos efectele. Acest lucru se poate ntmpla atunci cnd pe conduct se afl mai multe castele, hidrofoare, pungi de aer. Este deci necesar ca amplasarea i caracteristicile acestor dispozitive s nu conduc la asemenea efecte nedorite ceea ce se poate verifica prin calcule. III.3.2. CRITERII DE ALEGERE A SOLUIEI DE PROTECIE CONTRA LOVITURII DE BERBEC LA INSTALAII CU POMPARE O instalaie cu pompare se compune din staia de pompare, care cuprinde grupurile motor+pomp, vane,

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 43 of 79

clapei, debitmetre, diverse alte instalaii auxiliare i conducta de refulare, ce poate avea, pe diferite sectoare, diferite caracteristici geometrice (diametre, grosimi), elastice (module de elasticitate) sau hidraulice (rugoziti). n ceea ce privete conducta de refulare, n urma calculelor statice i de rezisten a materialelor, inclusiv calcule la valoare (n cazul depresiunilor), rezult presiunea maxim precum i presiunea minim admisibil (pmax i pmin) (vezi articolele 2.21...2.26 din Partea I-a). Notnd cu p(x, t) sau pe scurt p, presiunea (variabil n timp i n spaiu) pe parcursul loviturii de berbec: a) dac pmin < p < pmax atunci nu este necesar protejarea conductei de refulare; b) dac p < pmin atunci trebuie luate msuri pentru limitarea subpresiunilor; c) daca p > pmax atunci trebuie luate msuri pentru limitarea suprapresiunilor. Pot exista cazuri cnd condiiile b) i c) se realizeaz simultan i atunci este necesar s se ia msuri att pentru limitarea subpresiunilor ct i a suprapresiunilor. Este posibil ca adoptarea unor msuri de limitare a subpresiunilor (hidrofoare, castele de ap i n special ventile de aer) s produc presiuni maxime cu mult mai mari dect n absena lor i ca urmare s fie necesare i msuri de limitare a suprapresiunilor care iniial nu erau necesare. Referitor la staia de pompare propriu-zis, n afara condiiei ca att conductele ct i echipamentele din staie (vane, clapete, debitmetre etc.) s reziste la presiunile ce se realizeaz pe timpul loviturii de berbec, se mai pune o condiie legat de inversarea turaiei pompelor i anume se pot ntlni n general urmtoarele dou situaii: a) cazul cnd este interzis cu desvrire rotirea pompelor n sens invers (condiie pus de obicei de sistemul de ungere al lagrelor); b) cazul cnd este admis o anumit turaie limit n sens invers (turaie impus de obicei de caracteristicile motorului electric de antrenare a pompei); n acest caz, trebuie, fie ca turaia maxim a rotorului pompei s nu depeasc valoarea admis de furnizorul motorului (de obicei cca 125% din turaia nominal), fie s se ia msuri de protejare a pompelor, cum ar fi clapetele inverse sau vanele cu nchidere automat, mijloace ce pot fi utilizate i n cazul cnd nu se admite deloc rotirea n sens invers. Se atrage de asemenea atenia asupra armturilor: atunci cnd sunt executate din font (material casant i nerezistent la ocuri), trebuie s fie supuse i la probe cu caracter dinamic (nu numai la presiune static, aa cum se obinuiete). Pentru calculul loviturii de berbec fr protecie (pentru a stabili dac este necesar sau nu protecia), fie c se apeleaz la metode expeditive mai mult sau mai puin exacte, fie c se recurge la calculul grafic sau automat, este necesar s se cunoasc urmtorii parametri (cunoaterea acestor parametri este util inginerului care avnd de proiectat o staie de pompare este pus n situaia de a lansa tema de cercetare pentru efectuarea calculelor de lovitur de berbec); a) conducta de refulare: - profilul n lung cu presiunile maxime i minime admise pe diferitele tronsoane ale acestuia; - lungimea; - diametrul (sau diametrele);

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 44 of 79

- grosimea (sau grosimile) peretelui; - materialul i modulul de elasticitate al materialului din care este confecionat; - nivelul (sau nivelele) n bazinul de aspiraie i n bazinul de refulare. b) Grupul motor+pomp: - turaia nominal; - randamentul maxim al pompei; - debitul i nlimea de pompare la randament maxim; - momentul de inerie al grupului motor+pomp. O meniune special este necesar pentru profilul longitudinal prin axul conductei de refulare, care are o importan deosebit: la aceleai caracteristici ale pompelor i conductei de refulare, n funcie de forma profilului, poate fi necesar o protecie foarte costisitoare, sau poate s nu fie necesar nici un fel de protecie. Din acest punct de vedere, profilul optim este profilul concav la care fie c nu este necesar protecia conductei de refulare, fie c este necesar o protecie foarte ieftin, mijlocul de protecie fiind plasat n apropierea staiei de pompare. n legtur cu acest aspect, n alegerea traseului conductei de refulare se poate alege varianta optim innd seama i de costul proteciei contra loviturii de berbec. Prezena (n special la staii de pompare pentru irigaii sau alimentare cu ap din ruri) a albiilor minore, a albiilor majore i a teraselor face ca profilele de tip concav s fie destul de rare. Mai des apar profilele convexe cu un punct caracteristic i, ceva mai rar, cu dou sau trei puncte caracteristice, aa cum se vede n figura III.7 unde se indic i poziiile posibile ale mijloacelor de protecie. III.3.3. MSURI DE DIMINUARE A INTENSITII LOVITURII DE BERBEC LA INSTALAII UNIFILARE CU POMPARE Ca i n cazul conductelor gravitaionale, aceast categorie de msuri i propune s acioneze asupra dispozitivelor care genereaz lovitura de berbec n sensul diminurii intensitii acesteia, cu scopul final de a ieftini sau chiar elimina complet dispozitivele de protecie suplimentare. Principala surs a loviturii de berbec o constituie, aa cum s-a mai artat, grupurile de pompare, la care momentul motor se poate anula brusc, ca urmare a ntreruperii alimentrii cu energie electric. n acest caz un rol favorabil l joac ineria prilor rotative att ale pompelor ct i ale motoarelor de antrenare. Mrirea ineriei prilor rotative, prin adugarea de volani suplimentari poate deci diminua intensitatea loviturii de berbec. Acest procedeu necesit ns intensiti foarte mari ale curenilor electrici de pornire ceea ce face ca, practic, s nu fie posibil pornirea direct a pompelor, de aici decurgnd o scumpire exagerat a echipamentului electric. La caracteristici egale, agregatele care au constanta mai mic sunt mai avantajoase.

O surs secundar a loviturii de berbec o constituie unele dispozitive ce se monteaz n scopuri diverse, fie n staia de pompare (de ex. clapetele de reinere i vanele cu nchidere automat) fie pe conducta refulare (de ex. ventilele de dezaerisire). Aceste dispozitive pot deveni generatoare ale loviturii de berbec n special atunci cnd funcionarea lor este nesatisfctoare. Pentru ventilele de dezaerisire rmn valabile consideraiile la III. 2.2. Clapetele de reinere se instaleaz la acele staii de pompare la care vanele de pe conductele de refulare au nchidere manual i cnd nu se permite scurgerea apei ctre bazinul de aspiraie (fie pentru a nu se antrena pompele n sens invers, fie pentru a nu se pierde apa de pe conducta de refulare). Clapeta de reinere devine o surs a loviturii de berbec atunci cnd, datorit blocrilor sau ineriei mari, nchiderea ei se face cu ntrziere n raport cu momentul inversrii debitului; acest decalaj permite antrenarea apei spre pomp cu

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 45 of 79

viteze din ce n ce mai mari; cnd fora de antrenare a apei este suficient de mare clapeta este nchis iar nchiderea se produce n cteva sutimi de secund. Apare o nchidere brusc aproape perfect, pe o vitez cu att mai mare cu ct decalajul de nchidere este mai mare. n aceast situaie, pentru fiecare 1 m/s vitez, corespunde o suprapresiune de cca 10 at, i este evident c o clapet de reinere nepotrivit sau defect poate deveni o surs periculoas a loviturii de berbec. Clapetele cele mai potrivite sunt cele care se nchid odat cu inversarea debitului sau cu un decalaj foarte mic, de ordinul a cteva zecimi de secund dup inversarea debitului. Aceast condiie este mai sever la conductele scurte sau nlimi mari de pompare. n plus funcionarea lor trebuie s fie sigur. Dac funcionarea corect nu e sigur se pot lua msuri de protecie de tipul celor expuse la paragraful urmtor. Se precizeaz ns c tronsonul de conduct cuprins ntre clapet i mijlocul de protecie precum i clapeta nsi nu pot fi protejate n nici un fel i c singura soluie este dimensionarea lor astfel nct s reziste la aceste solicitri. Clapetele inverse se pot monta i n alte situaii, de exemplu, de-a lungul conductei de refulare sau pe branamentele hidrofoarelor sau castelelor. n ultimul caz ocul produs este amortizat n parte de ctre hidroforul sau castelul aflat n imediata apropiere. Ca regul general, atunci cnd funcionarea clapetelor este nesigur, este preferabil s se renune la instalarea lor i s se nlocuiasc cu alte dispozitive mai sigure (de exemplu vane cu nchidere automatizat). Clapetele pot fi folosite la instalaii mici cu conducte care au rezerv de rezisten pentru a prelua ocul clapetei. Un dispozitiv mai sigur n funcionare i care poate nlocui cu succes clapetele de reinere de la pompe precum i vanele cu manevrare manual este vana cu nchidere automat la care mecanismul de acionare al vanei poate fi reglat astfel nct nchiderea sau deschiderea vanei s se produc n timpul i dup legea dorit. Cnd vana automatizat se gsete pe conducta de refulare a pompei, atunci, n mod automat, odat cu ntreruperea alimentrii cu energie electric, se declaneaz nchiderea vanei. Acesta este cazul cel mai general i de care se ocup acest paragraf. Exist i situaii, mai rare (de exemplu, atunci cnd vana automatizat se gsete pe o descrcare, by-pass etc., cu rolul de mijloc de protecie), cnd ntreruperea alimentrii cu energie electric declaneaz, dimpotriv, deschiderea vanei i apoi nchiderea ei. Vana automatizat este un dispozitiv modern i eficace, cu condiia ca legea i timpul de manevr s fie judicios alese. n caz contrar vana poate deveni ea nsi o surs suplimentar uneori foarte periculoas de perturbaii generatoare ale loviturii de berbec. Paragraful de fa se refer n continuare la vane instalate pe conductele de refulare ale pompelor supuse la manevre de nchidere. innd seama de variaia coeficientului de pierdere local de sarcin al vanei (fig. III. 8) n funcie de gradul de nchidere = f() din care se vede c pe ultima parte a nchiderii acesta crete foarte rapid, rezult c, n ceea ce privete legea de nchidere, = f(t), cea mai raional este o lege n care prima i cea mai mare parte din nchidere se realizeaz ntr-un timp scurt (cu vitez mare) iar ultima parte, ntr-un timp mai ndelungat (cu vitez mai mic). Astfel, atta timp ct coeficientul de rezisten al vanei e mic vana se nchide cu o vitez mai mare i invers ceea ce poate avea ca urmare reducerea substanial a suprapresiunilor. n caz contrar (viteza mare pe zona n care i nchidere brusc, i d ocuri puternice.

e mare), nchiderea vanei se apropie foarte mult de o

n ce privete timpul de nchidere (Ti), acesta comport o valoare optim care trebuie cutat prin ncercri. O valoare mic a lui Ti poate face ca vana "s taie" prea brusc curentul de ap ceea ce mrete depresiunile. La valori mari ale lui Ti se creeaz posibilitatea rotirii pompelor n sens invers, lucru care poate fi permis sau nu. n cazul cnd e permis, turaia este n orice caz limitat la valori cunoscute. Mai trebuie inut seama c, n funcie de tipul vanelor, valoarea maxim a timpului de nchidere este limitat i poate fi uneori destul de mic existnd de asemenea i limitri ale valorii minime aa nct soluia trebuie gsit n acest interval impus.

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 46 of 79

Dac timpul i legea de nchidere sunt judicios alese (de exemplu, pentru o lege de nchidere cu dou viteze, reducerea seciunii cu 85% se va face ntr-un timp ceva mai mic dect timpul de inversare al debitului, restul de 15% obinndu-se ntr-un timp de 2...5 ori mai mare) se pot reduce sau chiar anula suprapresiunile care apar de obicei la frnarea curentului ctre pomp. n ce privete legea de nchidere cu o singur vitez, timpul de nchidere se va lua aproximativ egal cu timpul de inversare al debitului dar n general nu se poate obine dect o diminuare mai redus a loviturii de berbec. De aceea legile de nchidere cu o singur vitez nu sunt recomandabile. Aceast recomandare este n special valabil atunci cnd nu exist dispozitive de protecie suplimentare caz n care legea de nchidere trebuie determinat cu o precizie deosebit i trebuie realizat n practic fr abateri. Dac pe conduct exist dispozitive de protecie, atunci se pot obine soluii acceptabile i cu vane cu o singur vitez de nchidere. Se precizeaz de asemenea c legea optim i timpul optim de nchidere pot s se schimbe, la aceeai instalaie, n funcie de tipul i caracteristicile dispozitivelor instalate, inclusiv dispozitivele de protecie. De aceea, alegerea dispozitivelor de protecie i a legii i timpului de nchidere ale vanelor se face concomitent. III.3.4. MSURI DE PROTECIE ALE INSTALAIILOR UNIFILARE CU POMPARE Dispozitivele de protecie se bazeaz pe principiul reflexiei cu semn schimbat a undelor de presiune. Dac e necesar ca pe o poriune a conductei, protecia s elimine complet efectele loviturii de berbec atunci dispozitivul se amplaseaz ntre conducta protejat i organul perturbator i trebuie s reflecte n totalitate undele de lovitur de berbec (cazul uzinelor hidroelectrice la care galeriile de aduciune au o rezisten redus la solicitri dinamice). Dac nu e necesar s se elimine complet efectele loviturii de berbec ci trebuie numai ca presiunile s se ncadreze ntre anumite limite (cazul celor mai multe din instalaiile pentru alimentri cu ap), dispozitivele nu trebuie s reflecte total undele de lovitur de berbec i ele se pot amplasa ntr-un numr mai mare sau mai mic de-a lungul conductei astfel nct pe ansamblu costul proteciei s fie minim. Clasificarea dispozitivelor de protecie contra loviturii de berbec se poate face n mai multe feluri. n literatur se ntlnete foarte des o clasificare n trei categorii: a) Dispozitive pentru controlul presiunilor minime. b) Dispozitive pentru controlul presiunilor maxime. c) Dispozitive pentru controlul presiunilor minime i al presiunilor maxime. O asemenea clasificare d, de multe ori o imagine fals despre soluia de protecie. Trebuie mai curnd conceput "o strategie a proteciei contra loviturii de berbec" pornind de la ideea c, ceea ce, de regul, impune dispozitive suplimentare de protecie este necesitatea de a efectua controlul presiunilor minime i c presiunile maxime pot fi controlate eficient i ntr-o larg msur printr-o lege convenabil de nchidere a vanelor. n acest "strategie", o atenie deosebit trebuie dat msurilor de diminuare a intensitii loviturii de berbec despre care s-a vorbit anterior. De aceea trebuie s se ncerce, n primul rnd, ca prin concepia general privind echipamentul, viteza de regim, profilul n lung etc. s se gseasc o soluie care s conduc la presiuni minime mai ridicate i, pe ct posibil, s evite ruperea coloanei de ap. Dac pe aceast cale presiunile minime nu pot fi controlate, se vor examina msuri suplimentare: a/ castele de ap de nlime mic 5...10...20 m;

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 47 of 79

- cu rezistene de branament reduse, aezate ctre captul superior, la conducte scurte; - cu rezistene de branament mai mari, aezate ctre captul inferior al conductei pentru nlimi mici de pompare; b/ hidrofoare de protecie cu rezistene de branament adecvate cu att mai mari cu ct hidroforul este aezat la o cot mai joas i cu ct presiunea de regim este mai mare), cu sau fr introducerea de aer; c/ ventile de aer; d/ camere de ap, inclusiv soluia de alimentare din bazinul de aspiraie. La toate acestea se adaug o lege convenabil de manevr a vanelor. Se menioneaz c soluiile pentru controlul presiunilor minime, hidrofor de protecie sau ventile de aer sunt generatoare de suprapresiuni n faza a 2-a i creeaz probleme speciale n legtur cu ele, deoarece, din cauza fazelor de oscilaie prea lungi, controlul cu ajutorul vanelor i pierde din eficien. Suprapresiunile generate prin prezena hidrofoarelor sau castelelor pot fi controlate tot de acestea, ns necesit volume suplimentare, care sunt aproximativ de 2...5 ori mai mari dect cele necesare pentru controlul presiunilor minime. Att la hidrofoare sau ventile de aer ct i la castalele de echilibru suprapresiunile i respectiv saltul din faza a 2-a pot fi controlate mrind rezistena de branament la curgerea dinspre conduct. Controlul presiunilor maxime, exclusiv cu ajutorul vanei de reglaj nu poate fi realizat la agregatele care nu suport turaie invers. n asemenea cazuri pot s fie indicate descrcrile comandate de vane sincron. III.3.4.1. Castelele de ap i hidrofoarele Ambele dispozitive fac parte din categoria mijloacelor de protecie care pot limita att subpresiunile ct i suprapresiunile prin furnizarea unei cantiti de ap (sau aer, aa cum se ntmpl la hidrofoarele prevzute cu ventile de aer sau la castele cu pern mic de ap) atunci cnd coloana de ap se destinde (i presiunile scad) i respectiv prin acumularea unei cantiti de ap atunci cnd coloana de ap din conducta de refulare se comprim (i presiunile cresc). Ele se prezint sub forma unor recipieni, primul cu nivel liber iar al doilea sub presiunea unei perne de gaz, legai la conducta principal printr-o conduct de branament. n timp ce castelul are o desfurare pe nlime i volume mai mare, hidroforul necesit volume mai mici i poate fi extins pe orizontal realiznd un sistem constructiv mai convenabil. Aceste dispozitive intr n aciune imediat ce prima und de lovitur de berbec a ajuns la dispozitiv, avnd o funcionare continu. Msura n care undele sunt reflectate depinde n primul rnd de dimensiunile branamentului i tot de dimensiunile branamentului mai depinde ce cot parte din energia curentului e disipat prin frecri. Pe de alt parte, de dimensiunile (volumul) dispozitivului depinde cantitatea de energie pe care dispozitivul de ap este capabil s o nmagazineze i deci s o preia de la curentul de ap din conduct. Rezult deci c volumul i rezistena branamentului sunt factori determinani ai comportrii acestor dispozitive. Din punct de vedere fizic, cele dou dispozitive funcioneaz astfel: n fazele de scdere a presiunilor dispozitivele furnizeaz o cantitate de ap sau de aer, "innd" ridicate presiunile minime iar n fazele de cretere a presiunilor, ele nmagazineaz o cantitate de ap "innd" coborte presiunile maxime. Caracteristicile acestor dispozitive se aleg astfel nct s satisfac att condiiile de presiuni minime ct i pe cele de presiuni maxime. Castelele de echilibru. n practic la staii de pompare s-au realizat frecvent castele de 15...25 nlime. Exemplele de castele cu nlimi mai mari de 25 m sunt mai rare iar recordul de nlime pare a fi de 50...60 m. Castelele s-au utilizat cu precdere la uzine hidroelectrice, unde prezena pungilor de aer n conduct, n prezena curentului de ap ctre turbine este periculoas pentru funcionarea turbinelor i de aceea caracteristicile castelului i ale branamentului su se aleg astfel nct s nu ptrund aer n conduct. n

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 48 of 79

cazul conductelor cu pompare situaia e diferit. n general nu se pune problema scurgerii aerului prin pompe cci pe refulrile acestora exist fie clapete, fie vane cu nchidere automat care mpiedic scurgerea spre pompe (i deci i antrenarea aerului ctre pompe). n cazul (excepional) cnd prin pompe se evacueaz debite n sens invers timp ndelungat, se va interzice introducerea aerului n conduct. n schimb, prezena aerului n conduct, n vecintatea castelului (n ipoteza introducerii de aer ctre acesta) poate avea urmtorul negativ: n faza de cretere a presiunilor aerul poate fi evacuat prin castel; datorit rezistenei sale reduse la scurgere, aerul poate atinge viteze foarte mari iar n momentul cnd punga de aer sa epuizat, cu aceeai vitez mare se va evacua ap i nu aer ceea ce face s apar un oc egal cu pierderea de sarcin corespunztoare apei la aceste viteze mari. De aceea, n special la rezistene mari ale branamentului dintre castel i conducta de refulare nu se recomand introducerea de aer n conduct. Pentru a evita pericolul descris mai sus i a admite introducerea de aer n conduct se poate adopta soluia constructiv din figura III. 9 n care conducta de branament se gsete mult sub generatoarea superioar a conductei de refulare, loc pe unde circul aerul aflat n conduct. Hidroforul poate fi conceput, ca i castelul, cu sau fr introducere de aer n conduct. n cazul n care se introduce i aer n conducta de refulare e necesar ca hidroforul s fie prevzut cu ventile de admisie a aerului. Hidroforul fr ventile de aer rezult de dimensiuni comparabile cu cele ale castelului de echilibru care, montat n acelai loc, realizeaz aceleai efecte, avnd totui avantajul unei dispoziii constructive mai convenabile (pe orizontal n loc de vertical). Hidroforul cu ventil de aer rezult de dimensiuni sensibil mai mici, reprezentnd un progres fa de hidroforul clasic, dar trebuiesc avute n vedere unele msuri constructive necesare pentru buna funcionare a acestuia. Aceste msuri sunt legate n special de instalarea ventilelor de aer. Cele mai potrivite pentru debite mari de aer sunt clapetele (ventilele) cu arc sau contragreutate care se deschid sub o mic diferen de presiune i apoi se nchid cnd diferena de presiune dispare. Exist o anumit rezerv fa de montarea acestui tip de ventile, pe motivul c pot intra n vibraie i pot produce rezonan cu conducta de refulare. Motivul este justificat atunci cnd montarea clapetelor se face direct pe conducta; n condi?iile cnd montarea se face pe hidrofor, perna de aer este n msur s mpiedice transmiterea acestor vibraii, dar se pune problema etaneitii perfecte a clapetelor pentru a nu se pierde perna de aer a hidroforului. Pentru a evita acest lucru clapeta se monteaz pe o conduct care merge pn la partea de jos a hidroforului, n aa fel nct prin neetaneiti s se scurg ap i nu aer (fig. III. 10). Aceeai msur (de prelungire cu o conduct) se recomand i n cazul ventilelor de tipul cu bil care se nchid pe baza forei arhimedice, deci numai n prezena apei. Clapetele de aer cu bil las s se evacueze aerul i exist pericolul (la fel ca la castel), ca n faza de cretere a presiunilor (hidroforul fiind gol n urma primei faze, de depresiune), prin evacuarea de aer s se accelereze coloana de ap pn la viteze mari, iar la epuizarea pernei de aer, cnd ncepe evacuarea apei, ventilul s se nchid brusc producnd un oc hidraulic ce poate deteriora ventilul. De aceea, este recomandabil ca, de o parte i de alta a conductei de aer, s se realizeze cu ajutorul unor nervuri, o pern permanent de ap, care la faza de cretere a presiunilor ptrunde imediat pe conducta de aer i nchide ventilul, limitnd evacuarea aerului la un timp foarte scurt (fig. III. 11). La alegerea tipului de clapet sau ventilul de aer trebuie s se in seama de faptul c ventilele cu bil se deschid la o mic diferen de presiune, n timp ce pentru clapetele cu contragreutate sau cu arc se prevede o diferen de presiune de cca 2 m.c.a. care se transmite n conducta protejat sub form de depresiune. ntruct ventilele au piese n micare, i din aceast cauz sunt susceptibile de defeciuni, se recomand s se mpart debitele de aer la n ventile (n 3 2) i s se monteze i un ventil suplimentar ca rezerv. Caracteristicile hidroforului, adic: volumul geometric, volumul pernei de aer i modulul de rezisten al branamentului la conducta de refulare, rezult din calculele efectuate pentru dimensionarea hidroforului. n timpul exploatrii trebuie avut n vedere s se respecte volumul de aer prescris; cu alte cuvinte s se fac un control permanent al nivelului de ap din hidrofor. Urmrirea nivelului se poate face folosindu-se o serie de

mk:@MSITStore:C:\Program%20Files\MatrixRom\Matrix%20Instal\apacanal.chm::/i3... 10/1/2007

INSTRUCIUNI TEHNICE PENTRU CALCULUL LOVITURII DE BERBEC I ... Page 49 of 79

mijloace ca: tuburi (de sticl sau plastic), indicatoare de diverse tipuri (magnetice, electrice etc.). Practic ns, n condiiile din exploatare aceste mijloace se pot defecta (tuburile de sticl se sparg, indicatoarele magnetice se umplu de noroi sau ap, ruginesc i se blocheaz etc.). Se recomand de aceea o metod simpl i eficace pentru a dubla dispozitivele i a vedea dac nivelul de ap din hidrofor se gsete n limitele prescrise: la nivelul limitei superioare i inferioare admise se monteaz cte un robinet. Nivelul este bun dac prin robinetul de sus iese aer, prin cel de jos ap; dac prin ambele robinete curge ap, perna de aer este prea mic iar dac prin ambele robinete curge aer nseamn c perna de aer este prea mare. La toate tipurile de hidrofoare este absolut necesar ca volumul pernei de aer s nu fie mai mic dect cel prescris cci n caz contrar hidroforul nu mai poate juca rolul de tampon elastic. Hidrofoarele pot pierde o parte din aerul nmagazinat, fie prin neetaneiti, fie prin dizolvare n ap; este necesar deci s se asigure refacerea, n caz de nevoie, a pernei de aer, adic s se asigure alimentarea cu aer a hidroforului. Acest lucru poate fi realizat practic pe mai multe ci: a) prin instalaii cu compresor care alimenteaz separat fiecare hidrofor; funcionarea compresoarelor poate fi automatizat, pornirea i oprirea lor putnd s fie comandat de nite traductori de nivel plasai pe hidrofor; b) prin aerul care circul odat cu apa n conducta de refulare; prezena aerului n conducta de refulare se obine n mod automat la pompele nenecate prin aspirarea aerului prin neetaneitile inevitale ale conductei de aspiraie sau prin vortexuri. Aceast cale "natural" i o metod de a introduce intenionat i controlat aer n conducta de refulare, prin montarea unor dispozitive simple pe conductele de aspiraie ale pompelor. Limita pn la care prezena aerului nu duneaz randamentului pompelor este de cca 2% aer. Aerul mai poate fi introdus direct n conducta de refulare cu ajutorul compresoarelor. Utilizarea aerului care circul prin conducta de refulare pentru alimentarea hidrofoarelor se poate face pe mai multe ci. Procedeul cel mai simplu i totodat cel mai sigur const n urmtoarele (fig. III. 12); se amplaseaz conducta de refulare i hidroforul aa fel nct generatoarea superioar a conductei de refulare s fie la aceeai cot cu nivelul pe care trebuie s-l aib apa din hidrofor; se realizeaz pe conducta de refulare, un clopot pentru captarea aerului i se unete acest clopot cu generatoarea superioar a hidroforului printr-o conduct de mic diametru. n acest fel, nivelul apei n hidrofor se va menine n mod automat la nivelul generatoarei superioare a conductei de refulare (atta timp ct prin conducta de refulare circul aer). Acest sistem are avantajul, fa de altele descrise n continuare, c, odat satisfcut necesarul de aer al unui hidrofor, aerul este lsat s treac mai departe, putnd s alimenteze i alte hidrofoare. Alt procedeu de alimentare, folosind aerul din conducta de refulare const n amplasarea branamentului dintre hidrofor i conducta de refulare n aa fel (fig.