Systémy vytápění a zásobování vodou se vyznačují dynamikou procesů, které se v nich vyskytují, vysokými parametry pracovní tekutiny (tlak, průtok, rychlost) a v důsledku toho nepředvídatelností. Jsou nedílnou součástí inženýrských komunikací a na jejich správném fungování někdy závisí provoz celého systému jako celku. Jak však ukazuje praxe, i při správném provozu v nich často dochází k nehodám, které s sebou nesou značné ekonomické náklady. Aby se tomu zabránilo, je důležité vědět o možných příčinách havárií v systémech vytápění a zásobování vodou, jakož i o metodách, jak jim předcházet. Jedním z těchto důvodů je vodní ráz. Podle statistik „lví podíl“ na haváriích potrubí, dosahující přibližně 60 %, vzniká v důsledku vodního rázu. Častěji lze negativní důsledky tohoto vlivu pozorovat u opotřebovaných trubek pokrytých korozí. Se zvyšující se poptávkou po vodě a stárnutím stávajících systémů se stává pochopení příčin, důsledků a metod prevence vodních rázů obzvláště důležité. Tento článek zkoumá hlavní mechanismy vodního rázu, jeho dopad na vodovodní systémy a také moderní přístupy k řízení a minimalizaci rizik spojených s tímto jevem.
Co je vodní kladivo?
Vodní kladivo je jeden z nejnebezpečnějších jevů, se kterými se setkávají systémy vytápění, zásobování vodou a sanitace. Jde o náhlou změnu tlaku v potrubí, ke které dochází v důsledku náhlého zastavení nebo změny toku kapaliny.
Obrázek 1 – prasknutí potrubí v důsledku vodního rázu
Tento jev může vést k vážným škodám na infrastruktuře (obr. 1), únikům a dokonce haváriím, což ve svém důsledku vede nejen k významným ekonomickým škodám, ale také ohrožuje spolehlivost a bezpečnost dodávek vody. Kromě toho může vodní ráz způsobit selhání řídicích a měřicích přístrojů a automatizace.
Fyzika jevu je následující:
Obrázek 2 – fáze vodního rázu
- Kapalina s vysokými parametry (rychlost, průtok a tlak) narazí na překážku;
- V zóně kolize se vytvoří zóna vysokého tlaku,
- Kapalina se pohybuje v opačném směru (například do nádrže), trubka se roztahuje nejprve lokálně a poté po celé své délce, to nemusí být vždy patrné, ale rozhodně to ovlivní pevnostní charakteristiky trubky;
- V zóně počáteční kolize se vytvoří oblast nízkého tlaku;
- V důsledku tlakového rozdílu se kapalina pohybuje zpět do zóny nízkého tlaku;
- Dokončení prvního cyklu.
Stojí za zmínku, že tento proces probíhá velmi vysokou rychlostí. Vodní ráz je ze své podstaty procesem opakujících se tlumených kmitů (obr. 2) po celé délce potrubí. I když po prvním vodním rázu nedojde k poškození na povrchu potrubí, neznamená to, že v budoucnu nebudou žádné následky. Takový tlakový ráz minimálně způsobí koncentrátor napětí v potrubí a po nějaké době potrubí stejně praskne. Za prvé, potrubí trpí usazeninami a korozí.
Příčiny vodního rázu
Dnes je známo několik příčin vodního rázu:
- Při náhlém otevření/zavření uzavíracích ventilů;
- Kolize s protijedoucím proudem kapaliny v nepřítomnosti zpětného ventilu;
- „Vzduchový uzávěr“ v systému zásobování vodou/topení je jev, při kterém se vzduch hromadí v potrubí (vzduchový uzávěr);
- Pokles napětí v síti;
- Změna průřezu potrubí z většího na menší;
- Prudká změna směru pohybu tekutiny (koleno potrubí);
- Náhlé zastavení čerpacích agregátů v důsledku havarijních situací v systému napájení, ale i nefunkčnost samotného čerpacího agregátu (zkrat v elektromotoru nebo napájecím kabelu, porucha hydrauliky atd.).
Charakteristickým znakem vodního rázu je cvakání, klepání a další hluk v potrubí.
Specialisté skupiny společností MFMK vyvinuli při projektování čerpacích jednotek ALFA STREAM komplexní přístup k prevenci vzniku vodních rázů ve vodovodních systémech:
Obrázek 3 – Čerpací jednotka ALPHA Stream® pro systémy zásobování vodou
— Použití ventilů s plynulým uzavíráním průtoku v souladu s SP 30.13330.2020 „SNIP 2.04.01-85* Vnitřní vodovod a kanalizace budov“: „. Konstrukce přívodu vody a uzavíracích ventilů musí zajistit plynulé otevírání a zavírání průtoku vody“;
— Regulace frekvence čerpadel pro jejich plynulý start a stop;
— Automatický vstup záložního zdroje (AVR) do rozvaděčů OMEGA Control v případě ztráty jedné z fází, nesymetrie, nesprávného pořadí zapojení fází, zvýšeného nebo sníženého napětí;
— Hladké plnění tlakového potrubí (během dlouhých odstávek čerpací jednotky nebo při uvádění do provozu);
— Instalace expanzních nádrží;
— Výběr potrubí s optimálními rozměry;
— Instalace zpětných ventilů (aby se zabránilo kolizi s přicházejícím proudem kapaliny);
— Minimální vzdálenost mezi výtlačným potrubím čerpadla a uzavíracím ventilem (snížení vzdálenosti, kterou urazí průtok kapaliny, vede ke snížení výkonu vodního rázu);
— Údržba systému. Každá čerpací jednotka prochází přejímacími zkouškami: vizuální a měřicí kontrola, kontrola kvality.
