W poniższym artykule chcielibyśmy się skupić m.in. na obliczeniach hydraulicznych przewodów kanalizacyjnych i wodociągowych wykonanych z żywic poliestrowych.

Celem analizy hydraulicznej przewodów kanalizacyjnych i wodociągowych jest określenie ich przepustowości.

Parametrem mającym istotny wpływ na przepustowość ww. przewodów jest:

* średnica wewnętrzna rury,

* spadek niwelety dna (dotyczy układów grawitacyjnych),

* wartość współczynnika chropowatości eksploatacyjnej przyjmowana w zależności od rodzaju materiału,

* napełnienie rurociągu (dotyczy układów grawitacyjnych),

* powierzchnia przepływu (dotyczy układów grawitacyjnych),

* współczynniki sprawności przekroju kanału/rurociągu w zakresie objętościowego natężenia przepływu przez dany przekrój i prędkości przepływu (dotyczy układów grawitacyjnych).

Podejście empiryczne

W Polsce do obliczeń natężenia przepływów w przewodach najczęściej stosuje się wzory: Manninga, Colebrooka-White’a, rzadziej Waldena czy Hazena-Williamsa.

Nomogramy bazujące na wzorze Manninga:

* dotyczące przewodów kanalizacyjnych zostały opracowane dla rur:

– betonowych/żelbetowych o współczynniku szorstkości n = 0,013,

– kamionkowych o współczynniku szorstkości n = 0,011,

* przewodów wodociągowych (żeliwnych i stalowych), 0,011 ≤ n ≤ 0,014 w zależności od stopnia ich inkrustacji.

Uwaga! Brak tego współczynnika (dotyczy wzoru Manninga) dla rur wykonanych z tworzyw sztucznych.

Dla rur z tworzyw sztucznych można obliczyć przybliżoną wartość współczynnika szorstkości „n” w oparciu o ich współczynnik chropowatości bezwzględnej „k”, bezpośrednio występujący we wzorze Colebrooka-White’a.

Powszechnie do obliczeń hydraulicznych przyjmuje się wartości chropowatości eksploatacyjnej „k” [mm] zalecane przez ATV-DVWK-A110P, obecnie DWA – Stowarzyszenie Gospodarki Wodnej, Ściekowej i Odpadowej (w Niemczech) – tabela.

wartości chropowatości eksploatacyjnej k [mm]

Jak widać z danych przedstawionych w tabeli, czynnikiem mającym największy wpływ na wartość współczynnika oporów hydraulicznych jest chropowatość bezwzględna – eksploatacyjna „kb” [mm] ścian przewodu kanalizacyjnego. Optymalnie ten warunek spełniają rury/kanały poliestrowe CFW-GRP produkowane w technologii Flowtite.

Współczynniki strat miejscowych dla rur z żywic poliestrowych

Należy jednak wiedzieć, że podane w tabeli wartości współczynnika chropowatości eksploatacyjnej „kb” [mm] nie uwzględniają strat miejscowych, co oznacza, że w dalszej kolejności należy określić współczynniki strat miejscowych/lokalnych, które są spowodowane:

* niedokładnością ułożenia i zmianami wzajemnego położenia rur,

* wpływem złączy rur na wielkość strat miejscowych/lokalnych,

* wpływem kształtek połączeniowych, które znajdują się w miejscach włączenia przyłączy kanalizacyjnych/przykanalików, na wielkość strat miejscowych,

* wpływem studzienek (komór) kanalizacyjnych na wielkość strat miejscowych.

W metodyce obliczeń zawartej w „wytycznych do hydraulicznego wymiarowania i sprawdzania przepustowości kanałów (kolektorów) ściekowych i przewodów ATV-DVWP-A110P” nie uwzględnia się wpływu danego (konkretnego) materiału przewodów kanalizacyjnych na ich przepustowość. Konsekwencją takiego założenia jest przyjmowanie dla wszystkich rur jednakowej wartości chropowatości bezwzględnej k = 0,1 mm. Innymi słowy, dla aktualnie produkowanych rur kanalizacyjnych ustanowiono jednolitą chropowatość k = 0,10 mm, która uwzględniona wpływ warunków eksploatacji kanalizacji w odniesieniu do warunków występujących dla rur nowych.

W obliczeniach zakłada się występowanie stałej prędkości przepływu ścieków na całej długości przewodu. Pomija się więc rzeczywiste zróżnicowanie prędkości, co powoduje, że obliczona wartość jest prędkością średnią.

Charakterystyka porównawcza

W celu dokładnego zrozumienia skutków nieszczelności kanału wynikających z połączeń rur, pęknięć oraz wykruszania konstrukcji – przedstawiono i omówiono dwa zjawiska:

* eksfiltracji ścieków z kanału do o gruntu (wód gruntowych),

* infiltracji wód gruntowych do kanału.

Zjawisko eksfiltracji ścieków z nieszczelnego kanału do gruntu niesie ze sobą wiele zagrożeń związanych z zanieczyszczeniem środowiska wodno-gruntowego w przypadku ścieków bytowych, gospodarczych i przemysłowych, a także ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji kanału oraz budowli i budynków usytuowanych w jego strefie oddziaływania. Występuje ono w przypadku braku wody gruntowej lub gdy nieszczelny kanał ułożony jest powyżej jej ustabilizowanego zwierciadła.

Eksfiltracja ścieków jest jedną z głównych przyczyn powstawania wolnych przestrzeni powietrznych (tzw. kawern), jak również rozluźnienia się wcześniej skonsolidowanego (zagęszczonego – wg skali PROCTORA α ≥ 0,98) gruntu w bezpośrednim otoczeniu kanału.

W gruntach spoistych tworzą się pustki powietrzne w otoczeniu kanału (z boku i pod kanałem), które z upływem czasu doprowadzają do rozszczelnienia rur na złączach lub ich przemieszczenia.

Eksfiltrujące z kanału ścieki są najczęstszą przyczyną występowania skażeń środowiska wodno-gruntowego, znajdującego się w strefie oddziaływania kanału (w otoczeniu jego nieszczelności). Ścieki transportowane kanałem mogą zawierać różnego rodzaju bakterie chorobotwórcze czy też metale ciężkie, węglowodory ropopochodne itp. Eksfiltracja jest zjawiskiem trudnym do wykrycia.

Eksfiltracja ścieków z kanału może mieć również wpływ na uszkodzenie konstrukcji innych sieci znajdujących się w sąsiedztwie oraz na podtopienie obiektów znajdujących się na jej drodze.

Zjawisko infiltracji wód gruntowych do kanału powoduje jego przeciążenie hydrauliczne oraz przeciążenie hydrauliczne obiektów kanalizacyjnych wybudowanych na tej sieci (przepompownie, syfony, przelewy itp.) oraz obiektów technologicznych oczyszczalni ścieków. Obecnie przy wykonywaniu bilansu ilościowego ścieków, na podstawie którego obliczamy średnicę nowego kanału, projektanci nie uwzględniają dopływu wód gruntowych tzw. infiltracji. Zakłada się, że obecnie nowo budowane kanały są szczelne.

Przekrój kanału dzieli się na trzy strefy:

* Osadową – w znajdujących się w tej strefie osadach zachodzą procesy beztlenowe, tj. następuje fermentacja i redukcja siarki;

* Ściekową (nadosadową) – gdzie występują procesy tlenowe i beztlenowe w zawieszonej transportowanej biomasie;

* Powietrzną – w strefie tej występują gazy: CH4, H2S, CO, CO2.

Przestrzeń ta jest niezbędna, gdyż musi zapewnić skuteczną wentylację kanału celem zapewnienia eliminacji uciążliwości odorowej/zapachowej oraz zagrożeniu zdrowia kanalarzy.

Na obwodzie wewnętrznym/zwilżonym tworzy się błona biologiczna, w której następują procesy tlenowe i beztlenowe w zależności od stopnia reaeracji.

Przeciążenie hydrauliczne kanału (przykanalika – przyłącza kanalizacyjnego) ściekami powoduje, że ww. procesy ulegają zachwianiu. Transportowane ścieki gubią stężenie/ładunek, co z kolei wpływa na proces ich oczyszczania w obiektach technologicznych oczyszczalni ścieków. Przeciążony hydraulicznie kanał (przykanalik – przyłącze kanalizacyjne), może również powodować wypływ ścieków przez przybory sanitarne usytuowane w pomieszczeniach najniżej położonych (piwnice), tj. poniżej poziomu terenu. Skutkiem tego jest skażenie zalanych pomieszczeń bakteriami znajdującymi się w ściekach oraz straty materialne użytkowników (właścicieli) tych pomieszczeń.

Cenne zestawienie

Porównanie właściwości rur CWF-GRP (A) z rurami betonowymi (B):

* Szczelność kanału:

A) rury poliestrowe produkowane w technologii Flowtite zapewniają 100% szczelności systemu; nie występują wycieki ścieków do gruntu ani infiltracja wód gruntowych do wnętrza kanału; kolektory kanalizacyjne mogą być podawane próbie ciśnieniowej za pomocą sprężonego powietrza o ciśnieniu 0,2÷0,3 bara;

B) kanał betonowy z elementów prefabrykowanych wymaga odpowiedniej konstrukcji dylatacji; zapewnienie szczelności w przypadku starych rurociągów jest praktycznie niemożliwe.

* Własności antykorozyjne;

A) całkowita odporność na korozję chemiczną (większość mediów) i od gruntów (nawet bardzo agresywnych); rura jest odporna na korozję w całej swej objętości; niepotrzebna jakakolwiek ochrona antykorozyjna dla związków chemicznych, które będą transportowane kolektorem; wystarczająca jest standardowa żywica i uszczelka w wykonaniu standardowym z EPDM;

B) odporność chemiczna kanałów betonowych jest ograniczona i dlatego wymagane jest pokrywanie wewnętrznej powierzchni kanału specjalnymi powłokami tworzywowymi lub wykładanie klinkierem, co jest żmudne i czasochłonne oraz nie gwarantuje pełnej skuteczności; po uszkodzeniu powłoki ścieki oraz substancje gazowe będą atakować powierzchnię betonu; w kanałach żelbetowych substancje chemiczne mogą dotrzeć aż do zbrojenia i spowodować jego uszkodzenie – powoduje to w krótkim czasie pogorszenie wytrzymałości mechanicznej kanału.

* Ciężar:

A) rury poliestrowe – 12,5% ciężaru rury z betonu;

B) rury betonowe są 8-krotnie cięższe od poliestrowych.

* Trwałość:

A) 75 lat do osiągnięcia rzeczywistych własności mechanicznych zgodnych z nominalnymi; bezobsługowość kanałów/kolektorów; bardzo niewielkie zarastanie i ograniczone osadzanie się substancji na ściankach kanału z uwagi na gładką powierzchnię wewnętrzną;

B) zależna od warunków gruntowo-wodnych i jakości powłok antykorozyjnych; kanały betonowe z uwagi na swoją szorstką powierzchnię wewnętrzną mają tendencję do zarastania i wbudowania osadów w swoją strukturę, co powoduje pogorszenie parametrów hydraulicznych.

* Własności mechaniczne:

A) elastyczność – możliwość odkształcenia rury o 15% średnicy bez uszkodzeń struktury ścianki; trwałość własności mechanicznych w długim okresie czasu, duża odporność na ścieranie 0,2 mm na 50 lat (wg. testu Darmstadt);

B) materiał sztywny; materiał nieodporny na drgania; trwałość własności mechanicznych do chwili uszkodzeń korozyjnych; w przypadku uszkodzenia zabezpieczenia wewnętrznego odporność mechaniczna ulega zmniejszeniu; mała odporność na ścieranie (wg testu Darmstadt); mała odporność na udarność (w przypadku płytkiego posadowienia konieczność wzmocnienia kanału).

* Własności systemu:

A) łatwy i niezawodny montaż bez użycia specjalistycznych narzędzi, energii i wysoko wykwalifikowanego personelu; brak możliwości popełnienia błędu montażowego; możliwość przycinania rur na dowolne odcinki; możliwość montażu w szerokim zakresie temperatur zewnętrznych od -30 do +50oC; dostawa wszelkich studni i kształtek wg potrzeb projektu; prostota naprawy systemu; łatwość łączenia z innymi materiałami (szczególnie dla kanalizacji); możliwość doboru sztywności rury w zależności od obciążenia statycznego, dynamicznego i warunków gruntowych (sztywność SN 10000 N/m2 jest wystarczająca do ułożenia w drogach o obciążeniu 60 T); dobre „wpisywanie” się rurociągu w trasę (dopuszczalne odchylenia osiowe) i odporność na miejscowe osiadanie poprzez np. zastosowanie rur w odcinkach krótszych niż 6,0 m; w gruntach nienośnych z uwagi na lekkość materiału można układać rury np. na terenach torfowych, stosując dodatkowo różnego typu materace, np. faszynowe;

B) z uwagi na duży ciężar rur potrzeba stosowania ciężkiego sprzętu (dźwigi), specjalnej drogi montażowej wzdłuż wykopu; system „sztywny” – konieczność stosowania tylko typowych elementów; kłopotliwe przycinanie na dowolne odcinki; szczególnie w gruntach nienośnych z uwagi na duży ciężar rur konieczne przygotowanie kosztownego nośnego podłoża; zastosowanie w przypadku płytkich kanałów usytuowanych w bezpośrednim sąsiedztwie podbudowy drogi – konieczność wzmocnienia konstrukcji kanału; kłopotliwe naprawianie uszkodzonego kanału (trzeba wymieniać całe elementy rur); brak możliwości wykonania skomplikowanych kształtów studni oraz kształtek.

* Własności hydrauliczne:

A) doskonałe własności hydrauliczne, mały współczynnik oporów przepływu niezmienny w czasie; gorsze własności hydrauliczne;

B) większy współczynnik szorstkości, zmienny w czasie (ulega zwiększeniu).

* Ekologia:

A) rury zbudowane są z naturalnych surowców, takich jak: piasek kwarcowy, włókna szklane oraz czyste ekologicznie żywice poliestrowe; materiał niekorodujący i nieoddziałujący na środowisko naturalne; rury nie zmieniają własności organoleptycznych przepływającego medium;

B) materiał korodujący przy pH < 4.

Zalety i wady rur z żywic poliestrowych i PP

Roman Ćwiertnia

Tomasz Ćwiertnia

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij