Systemy wodociągowe z żeliwa sferoidalnego

W niniejszym artykule przedstawiono system wodociągowy, który służy do zaopatrywania mieszkańców w jednostkach osadniczych i zakłady produkcyjne w wodę. Opisano także zalety i wady materiałów dotychczas stosowanych do budowy sieci wodociągowych. Przedstawiono również innowacyjny system rur BLUTOP z żeliwa sferoidalnego dedykowany dla systemów wodociągowych o małym zakresie średnic, który został opracowany przez Saint-Gobain PAM.

Wstęp

Siecią wodociągową określa się zespół urządzeń i obiektów, których celem jest zaopatrywanie jednostek osadniczych w wodę na cele bytowe jak i przemysłowe. Jednym z jej podstawowych zadań jest dostarczanie odpowiedniej ilości wody o parametrach spełniających wszelkie wymagania co do spożycia przez odbiorcę [1;3-4]. W skład każdego systemu zaopatrującego jednostki osadnicze w wodę zalicza się ujęcie wody, stacje uzdatniania wody, zbiorniki wodociągowe, pompownie wodociągowe, sieci wodociągowe i instalacje wodociągowe [9-13].

Systemy wodociągowe ze względu na zasięg terenowy, można podzielić na [5-7]:

• zagrodowe – jej zasięg obejmuję wyłącznie jedno gospodarstwo;
• lokalne – w jej zasięgu znajduję się wyłącznie jedna miejscowość (może to być wieś lub miasto) lub zakład przemysłowy;
• centralne – jej zasięg obejmuje jedna miejscowość, w której znajduje się stacja uzdatniania wody oraz okoliczne miejscowości;
• grupowe – w skład, której wchodzi kilka miejscowości oraz kilka stacji uzdatniania wody mogące ze sobą współpracować za sprawą wspólnej sieci wodociągowej.

Sieć wodociągowa ze względu na sposób użytkowania zasobów wodnych można podzielić na [1-3]:

• ogólne przeznaczenie – woda wykorzystywana zarówno na cele komunalne jak i przemysłowe dostarczana jest do odbiorców w jednostkach osadniczych wspólnym rurociągiem wodociągowym;
• półrozdzielcze przeznaczenie – woda wykorzystywana na cele komunalne jak i przemysłowe dostarczana jest do odbiorców dwoma niezależnymi rurociągami wodociągowymi;
• rozdzielcze przeznaczenie – woda wykorzystywana do picia, do utrzymania higieny osobistej i na cele przemysłowe dostarczana jest do odbiorców trzema niezależnymi rurociągami wodociągami (rzadko stosowany system).

Systemy wodociągowe ze względu na układ rozmieszczenia sieci w jednostce osadniczej można również podzielić na [1-3]:

• pierścieniowe – sieć zamknięta, obwodowa, obiegowa;
• rozgałęzieniowe – sieć otwarta, promienista;
• mieszane – sieć pierścieniowo-rozgałęzieniowa.

W niniejszym artykule zostanie szczegółowo przedstawiony wyłącznie podział sieci wodociągowej ze względu na rozmieszczenie rurociągów w jednostkach osadniczych wraz z przedstawieniem materiałów stosowanych dotychczas w budowie sieci z uwzględnieniem ich zalet jak i wad. Przedstawiony zostanie także innowacyjny system rur BLUTOP wykonany z żeliwa sferoidalnego oferowany przez firmę Saint-Gobain PAM, skierowany dla sieci wodociągowej w zakresie małych średnic.

Systemy wodociągowe

Sieć pierścieniowa jest układem, w którym główne przewody wodociągowe łączą się i tworzą pierścieniowy układ [3;13].

Wśród zalet sieci pierścieniowej można wymienić:

• duża niezawodność w dostawie wody;
• dopływ wody do miejsc rozbioru trasą okrężną (w przypadku wystąpienia awarii);
• dobre warunki przepływu wody i wyrównania ciśnień (korzystne rozwiązanie pod względem hydraulicznym).

Niestety jak w przypadku sieci rozgałęzieniowej, sieć pierścieniowa również posiada wady, do których można zaliczyć:

• wysokie koszty budowy;
• wysokie koszty eksploatacji.

Kolejną siecią jest sieć rozgałęzieniowa, w której główny rurociąg wodociągowy rozchodzi się na mniejsze odcinki o coraz mniejszych średnicach [3;13].

Głównymi zaletami stosowania sieci rozgałęzieniowej są:

• niskie koszty budowy;
• niskie koszty eksploatacji.

Niestety omawiany system nie jest idealny i posiada kilka wad, takich jak:

• brak dostaw wody dla dużej części miasta (w przypadku awarii przewodu magistralnego);
•  konieczność systematycznego płukania końcówek przewodów wodociągowych (w celu zapobiegania zagniwania wody);
• występowanie dużych różnic ciśnienia w różnych rejonach zasilania (w przypadku dużych strat hydraulicznych na długościach niepołączonych ze sobą przewodów).

Ostatnią możliwością budowy sieci wodociągowej jest stosowanie sieci mieszanej, zwanej również siecią pierścieniowo-rozgałęzieniową, która jest najbardziej rozpowszechniona w naszym kraju. Sieć ta cechuje się tym, że stara się objąć swymi pierścieniami możliwie jak największy obszar jednostki osadniczej. Natomiast najdalej oddalone odcinki sieci zasilane są pojedynczymi odcinkami przewodów wodociągowych [3;13].

W chwili obecnej najpopularniejszymi materiałami stosowanymi w Polsce do budowy systemów wodociągowych zaopatrujących ludność lub zakłady produkcyjne w wodę, są tworzywa sztuczne (PE-HD, PVC-U), kompozyty (GRP), a także żeliwo sferoidalne. Na Rys. 4 zostały przedstawione materiały stosowane w systemach wodociągowych w Polsce.

Wśród wymienionych materiałów można wymienić ich zalety jak i wady. W przypadku rur wykonanych z tworzyw sztucznych do zalet można zaliczyć:

• całkowita odporność na korozję i prądy błądzące;
• bardzo elastyczne (tłumienie uderzeń hydraulicznych);
• mała chropowatość ścianki wewnętrznej (strata ciśnienia przy przepływie wody jest niewielka);
• lekki materiał;
• możliwość łączenia z innymi materiałami (na styku tych dwóch połączonych materiałów nie powstają mikroogniwa elektryczne).

Natomiast do wad zaliczane są:

• niska wytrzymałość na rozciąganie;
• termiczna rozszerzalność liniowa.

Następną grupą materiałów, które zasługują na uwagę są systemy wodociągowe wykonane z GRP. Tak jak w przypadku rur z tworzyw sztucznych, rury kompozytowe posiadają zalety i wady.

Zalety to:

• kompatybilność z innymi materiałami;
• wysoka odporność na korozję;
• całkowita szczelność systemu;
• mała chropowatość ścianki wewnętrznej (strata ciśnienia przy przepływie wody jest niewielka);
• brak przewodności elektrycznej materiału (montaż np. w pobliżu linii kolejowych).

Wadami natomiast są:

• nieciągłość materiału;
• szczeliny wzdłużne lub poprzeczne (w warstwie zewnętrznej jak i wewnętrznej).

W związku z coraz to większym oczekiwaniem inwestorów pod względem wytrzymałości, trwałości oraz szybkiego i taniego montażu rur bez wymiany gruntu oraz niskich kosztów eksploatacji sieci wodociągowej, konieczne było opracowanie innowacyjnego systemu spełniającego takie oczekiwania. Taki innowacyjny system został opracowany przez firmę Saint-Gobain PAM. Opracowany system BLUTOP z żeliwa sferoidalnego jest bezpieczny i przyjazny dla środowiska [8]. Ochronna powłoka zewnętrzna rur BLUTOP z żeliwa sferoidalnego, wykonana jest na bazie stopu Zn/Al, który został wzbogacony o Cu,
a następnie pokryty warstwą powleczonej jednofazowej farby wodnej Aquacoat. Wewnętrzna powłoka rur wyłożona jest ciemnoniebieską termoplastyczną powłoką Ductan. Na Rys. 5 została przedstawiona rura w systemie BLUTOP.

System rur BLUTOP posiada wiele korzyści, do których zaliczyć można:

• ciśnienie robocze PFA 25 bar;
• wysoka wytrzymałość na rozciąganie (ok. 420 MPa);
• bardzo wysoka sztywność obwodowa rur (w zakresie 13 600 ÷ 37 300 N/m²);
• system gwarantuje szczelność na połączeniach;
• odporne na uderzenia hydrauliczne – nagłe wzrosty ciśnienia;
• zwiększona średnica wewnętrzna redukuje straty na długości (zmniejsza koszty pompowania wody);
• elastyczne połączenia kielichowe z możliwością odchylenia kątowego do 6^º (zmniejszenie ilości kształtek – redukcja kosztów inwestycji);
• rury odporne na korozję;
• współczynnik chropowatości k = 0,01 mm (niskie straty ciśnienia hydraulicznego);
• rury lekkie, łatwe w montażu;
• system przyjazny środowisku;
• oszczędność kosztów budowy;
• 100% recykling rury z żeliwa sferoidalnego;
• kompatybilny z rurami tworzywowymi i ich akcesoriami;
• ochrona jakości wody;
• przeznaczone do transportu wody pitnej w małych średnicach (DN/DZ 75÷160);
• zasypanie rurociągów gruntem rodzimym.

Rury BLUTOP z żeliwa sferoidalnego w stosunku do materiałów pozostałych stosowanych do przesyłu wody, posiadają większy przekrój hydrauliczny, czyli tak zwaną średnicę wewnętrzną. W przypadku sieci wodociągowej jest to korzystne, bowiem przekłada się to na korzyści eksploatacyjne i na wysokie ciśnienie robocze. Większy przekrój hydrauliczny rur BLUTOP w stosunku do pozostałych materiałów z tworzyw redukuje straty hydrauliczne na długich odcinkach sieci. Dla danego przepływu, każde dodatkowe powiększenie średnicy wewnętrznej o 1% oznacza o 5% mniejszy spadek ciśnienia, a to oznacza zmniejszenie zużycia energii pompowania, a tym samym emisji szkodliwego CO₂, o czym do tej pory nie wiele się wspominało. Dzięki skutecznej szczelności kielichowych złączy rur w systemie BLUTOP wyeliminowano ryzyko wycieków wody do gruntu, a co za tym idzie wyeliminowano ryzyko awaryjności systemu do minimum. W systemie analizowanych rur z żeliwa sferoidalnego straty ciśnienia ograniczono za sprawą większej średnicy wewnętrznej oraz gładkiej powierzchni wewnętrznej wykładziny Ductan. Na Rys. 6 zostały porównane przekroje rur wykorzystywanych do przesyłania wody w wodociągach z rurą BLUTOP.

Podsumowanie

Systemy rur BLUTOP posadowione w wykopie mogą być zasypywane po oddzieleniu kamieni gruntem rodzimym. Eliminuje to dodatkowe koszty związane z transportem i przywozem dodatkowego materiału do zasypania rurociągu. Redukuje to również wydzielanie się szkodliwego CO₂, a także rury systemu BLUTOP mogą być układane w wykopie bez obaw na ich uszkodzenia za sprawą trwałej struktury i wytrzymałości, których nie posiadają tworzywa i kompozyty, które należy w sposób jak najbezpieczniejszy posadowić w wykopie zapobiegając przed ich uszkodzeniem.

Dodatkowo grubość ścianek rur BLUTOP jest mniejsza w stosunku do grubości ścianek tworzyw sztucznych i kompozytów. Daje to przewagę żeliwa pod względem wytrzymałości na uderzenia mechaniczne. Należy również mieć na uwadze, iż żeliwo sferoidalne jako materiał o nieograniczonej możliwości wykorzystania w recyklingu, jest przyjazny dla środowiska. Istotnym czynnikiem jest to, iż żywotność systemu BLUTOP określana jest na ponad 100 lat za sprawą stosowania trwałych powłok i mocnego materiału z żeliwa sferoidalnego, a w przypadku rurociągów wykonanych z tworzyw sztucznych żywotność określana jest tylko na około 50 lat, która może być jeszcze krótsza w zależności od sposobu montażu rurociągów w wykopie i z uwagi na starzenie się materiału.

Rury z tworzyw sztucznych podlegają również recyklingowi jak w przypadku systemu BLUTOP, ale powstaje z niego produkt o pogorszonych właściwościach mechanicznych, aniżeli z żeliwa. Poza tym do wytworzenia nowego produktu (rury) można użyć tylko 10% materiału z recyklingu.

Wybór odpowiedniego systemu dostarczającego wodę pitną do odbiorcy powinien zostać poprzedzony szczegółową analizą techniczno-ekonomiczną zmierzającą do sprawdzenia opłacalności inwestycji.

Decyzja zmierzająca do wyłonienia odpowiedniego systemu do dystrybucji wody w jednostkach osadniczych powinna nie tylko uwzględniać sam koszt materiału, ale również inne ważne czynniki takie jak trwałość, odporność mechaniczną. Istotnym elementem we współczesnym świecie jest wpływ stosowanych materiałów na środowisko naturalne, które powinny podlegać recyklingowi. W chwili obecnej należy zmierzać do projektowania i budowania systemów do dystrybucji wody stosując materiały, które będą niezawodne i trwałe dla przyszłych pokoleń. Przez ostatnie lata myślenie na temat, im cena niższa tym produkt jest lepszy, jest błędny.

Stosowanie materiałów nie spełniających wysokiej jakości przyczyniają się do występowania wielu awarii, której cenę płacą zarówno przedsiębiorstwa wodociągowo-kanalizacyjne jak i zwykli mieszkańcy. Dlatego też stosowanie rurociągów wysokiej jakości do budowy sieci wodociągowej to inwestycja na lata.

Literatura

[1] Denczew S., Królikowski A., Podstawy nowoczesnej eksploatacji układów wodociągowych i kanalizacyjnych. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2003.
[2] Denczew S., Kompleksowa koncepcja odnowy technicznej przewodów wodociągowych, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 4, Warszawa 2000.
[3] Gabryszewski T., Wodociągi. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1983.
[4] Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzenie ścieków, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2009.
[5] Kalenik M., Badanie współczynników oporów miejscowych ζ w kolankach żeliwnych i PVC, „Rynek Instalacyjny” nr 11, Warszawa 2013.
[6] Kalenik M., Projektowanie i eksploatacja układów hydroforowo-pompowych, „Rynek Instalacyjny” nr 5, Warszawa 2014.
[7] Kalenik M., Ujęcia wód podziemnych dla wodociągów grupowych i indywidualnych gospodarstw domowych, „Rynek Instalacyjny” nr 1-2, Warszawa 2015.
[8] Katalog firmy Saint-Gobain, Sieci rozdzielcze wody pitnej z żeliwa sferoidalnego blutop, 2016.
[9] Mielcarzewicz E. W., Obliczenia systemów zaopatrzenia w wodę. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2000.
[10] Petrozolin W., Projektowanie sieci wodociągowych. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1974.
[11] Praca zbiorowa pod red. K. Kusia, Podstawy projektowania układów i obiektów wodociągowych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej nr 2127, Gliwice 1998.
[12] Roman M., Wodociągi i Kanalizacja. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1991.
[13] Szpindor A., Zaopatrzenie w wodę i kanalizacja wsi. Wydawnictwo Arkady, Warszawa 1998.

mgr inż. Szymon Piekar – Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska

źródło: Technologia Wody 1/2019