การกำหนดขนาดท่อเหล็กหล่อเหนียวสำหรับระบบประปาเพื่อให้ทนต่อแรงดันกระชาก

เลือกขนาดท่อเหล็กหล่อเหนียวสำหรับระบบจ่ายน้ำโดยกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในที่ต้องการ คำนวณกรอบแรงดันชั่วขณะ และเลือกชั้นท่อที่มีขีดจำกัดตามเอกสารครอบคลุมสภาวะดังกล่าว แรงดันขณะทำงานปกติเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ การหยุดทำงานของปั๊ม การเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของวาล์ว และการปิดของเช็กวาล์วอาจทำให้เกิดแรงดันสูงสุดที่เกินค่าขณะคงตัว รวมถึงแรงดันลดลงที่อาจกระทบต่อข้อต่อหรือทำให้เกิดการแยกตัวของคอลัมน์น้ำ

การเลือกยังต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านแรงกระทำภายนอกและการติดตั้งด้วย ผนังท่อที่หนาขึ้นช่วยรองรับความต้องการด้านโครงสร้างบางประการ แต่ไม่ได้กำจัดการเกิดแรงดันกระชาก ป้องกันการแยกตัวของข้อต่อ หรือแก้ไขพฤติกรรมของวาล์วที่ไม่เหมาะสม ต้องประเมินเส้นผ่านศูนย์กลาง ความหนาผนัง การยึดรั้งข้อต่อ และการป้องกันแรงดันกระชากร่วมกัน

กำหนดกรอบแรงดันตลอดแนวท่อ

เริ่มจากแนวระดับของท่อและสถานการณ์การทำงาน บันทึกระดับความสูง ระดับน้ำในอ่างเก็บน้ำ คุณลักษณะของปั๊ม ตำแหน่งวาล์ว จุดเชื่อมต่อท่อแยก และอัตราการไหลที่คาดการณ์ แรงดันจะแปรผันไปตามแนวท่อ: จุดต่ำอาจเป็นตัวกำหนดแรงดันภายในสูงสุด ขณะที่จุดสูงอาจเป็นตัวกำหนดแรงดันต่ำสุดเมื่อปั๊มหยุดทำงาน

ใช้แรงดันขณะคงตัวเฉพาะจุดเป็นเงื่อนไขเริ่มต้นสำหรับแต่ละสถานการณ์แรงดันชั่วขณะ การนำค่าการเพิ่มขึ้นของแรงดันกระชากโดยประมาณไปบวกกับแรงดันขณะทำงานสูงสุดจากจุดใดก็ได้ในเครือข่าย อาจทำให้มองไม่เห็นตำแหน่งที่เป็นเงื่อนไขควบคุมจริง แบบจำลองแรงดันชั่วขณะควรระบุแรงดันสูงสุดและต่ำสุด ณ ตำแหน่งสำคัญแต่ละแห่ง

เหตุการณ์ที่ควรวิเคราะห์คือเหตุการณ์ที่ทำให้ความเร็วเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว หรือเปลี่ยนแปลงขอบเขตทางชลศาสตร์:

• ไฟฟ้าขัดข้องจนปั๊มหยุด ขณะที่น้ำยังคงไหลอยู่ในท่อส่งน้ำขึ้นที่สูง
• การปิดของเช็กวาล์วหลังจากทิศทางการไหลกลับด้าน โดยต้องจำลองการตอบสนองขณะปิด ไม่ใช่สมมติว่าปิดทันที
• การเคลื่อนที่ของวาล์วควบคุม รวมถึงช่วงท้ายของการเคลื่อนที่ ซึ่งการขยับเพียงเล็กน้อยอาจทำให้อัตราการไหลลดลงอย่างรวดเร็ว
• ลำดับการเริ่มเดินปั๊มและการเติมน้ำ ซึ่งเกี่ยวข้องกับอากาศที่ค้างอยู่ ส่วนท่อที่มีน้ำไม่เต็ม หรือการเปลี่ยนแปลงการทำงานของปั๊ม

ใช้ค่าอ้างอิงแรงดันให้สอดคล้องกัน แรงดันเกจสะดวกต่อการพิจารณาพิกัดของอุปกรณ์ ขณะที่แรงดันสัมบูรณ์จำเป็นต่อการประเมินว่าแรงดันเข้าใกล้แรงดันไอของน้ำหรือไม่ ค่าแรงดันเกจติดลบไม่ได้หมายความว่าจะเกิดโพรงไอโดยอัตโนมัติ แต่จำเป็นต้องตรวจสอบการซีลของข้อต่อ การรับอากาศเข้า และความต้านทานต่อแรงดันภายนอก

ใช้ความเร็วเพื่อคัดกรองตัวเลือกเส้นผ่านศูนย์กลาง

สำหรับอัตราการไหลที่กำหนด การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางภายในจริงจะช่วยลดความเร็ว คำนวณความเร็วโดยใช้V = Q/A โดย Q คืออัตราการไหลเชิงปริมาตร และ A คือพื้นที่หน้าตัดภายในที่น้ำไหลผ่านได้ เส้นผ่านศูนย์กลางระบุเป็นเพียงชื่อเรียก ความหนาผนังและวัสดุบุภายในมีผลต่อขนาดช่องทางไหลที่ใช้ในการคำนวณทางชลศาสตร์

ความสัมพันธ์เบื้องต้นที่มีประโยชน์สำหรับประเมินแรงดันกระชากคือΔp = ρaΔV โดย ρ คือความหนาแน่นของน้ำ a คือความเร็วคลื่นแรงดัน และ ΔV คือการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ความสัมพันธ์นี้อธิบายว่าเหตุใดการหยุดการไหลที่มีความเร็วสูงอย่างรวดเร็วจึงทำให้แรงดันเพิ่มขึ้นมาก เป็นการคำนวณคัดกรองสำหรับเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วภายใต้สมมติฐานที่เหมาะสม ไม่ใช่การคาดการณ์ที่สมบูรณ์สำหรับเครือข่ายที่มีท่อแยกหรือท่อที่มีโพรงไอ

ความเร็วคลื่นขึ้นอยู่กับความสามารถในการอัดตัวของน้ำ ความแข็งของท่อ รูปทรงของผนังท่อ และสภาวะการยึดรั้ง การเพิ่มความหนาผนังช่วยเพิ่มความต้านทานต่อแรงดัน แต่ยังเปลี่ยนความเร็วคลื่นด้วย ดังนั้น การคงค่าการเพิ่มขึ้นของแรงดันกระชากที่สมมติไว้เดิมหลังจากเปลี่ยนชั้นท่อ อาจทำให้มองข้ามปฏิสัมพันธ์ระหว่างการออกแบบโครงสร้างกับการออกแบบทางชลศาสตร์

เปรียบเทียบเวลาปิดที่มีผลกับเวลาที่คลื่นแรงดันเดินทางไปกลับ ซึ่งสำหรับท่ออย่างง่ายที่มีความยาว L ให้แสดงเป็น2L/a ในการวิเคราะห์พื้นฐาน การปิดที่เร็วกว่าช่วงเวลานี้ถือเป็นการปิดอย่างรวดเร็ว การปิดที่ช้ากว่าไม่ได้รับประกันว่าผลลัพธ์จะอยู่ในเกณฑ์ยอมรับได้ เพราะคุณลักษณะการไหลของวาล์วและจังหวะของคลื่นสะท้อนยังคงมีความสำคัญ

ประเมินเส้นผ่านศูนย์กลางที่เป็นตัวเลือกโดยพิจารณาทั้งการสูญเสียเฮดในสภาวะคงตัวและการตอบสนองต่อแรงดันชั่วขณะ ท่อที่มีช่องเปิดใหญ่ขึ้นอาจลดแรงเสียดทานและส่วนของแรงดันกระชากที่เกี่ยวข้องกับความเร็ว แต่การเลือกปั๊มหรือการตั้งค่าระบบควบคุมอาจเปลี่ยนอัตราการไหลที่ส่งได้ ให้คำนวณจุดทำงานใหม่ แทนการสมมติว่าอัตราการไหลจะคงเดิมหลังจากเปลี่ยนขนาดท่อ

ตีความชั้นแรงดันและชั้นความหนาให้ถูกต้อง

การระบุชั้นแรงดันและชั้นความหนาอธิบายคนละด้านของการเลือกท่อ ไม่ควรถือว่า K9 ใช้แทน C25, C30 หรือ C40 ได้โดยตรง มาตรฐานที่เกี่ยวข้อง เส้นผ่านศูนย์กลางระบุ ความหนาผนังขั้นต่ำ และขีดจำกัดแรงดันที่ผู้ผลิตประกาศ เป็นปัจจัยกำหนดว่าท่อแต่ละชนิดเหมาะสมหรือไม่

แยกแรงดันใช้งานต่อเนื่องที่ยอมให้ แรงดันสูงสุดที่ยอมให้ซึ่งรวมแรงดันชั่วขณะ และแรงดันทดสอบที่ยอมให้ พิกัดการทดสอบด้วยแรงดันน้ำไม่ได้ยืนยันว่าอนุญาตให้เกิดแรงดันกระชากซ้ำ ๆ ในการใช้งานที่แรงดันดังกล่าว หากเอกสารที่เกี่ยวข้องแบ่งประเภทเหล่านี้ไว้ ให้เปรียบเทียบภาระที่คำนวณได้แต่ละรายการกับขีดจำกัดที่ตรงกัน

ค่าความต้านทานแรงดึงและความแข็งแรงครากที่เผยแพร่เป็นคุณสมบัติของวัสดุ แต่ไม่ได้กำหนดแรงดันที่ยอมให้ของท่อส่งน้ำโดยลำพัง การคำนวณการออกแบบต้องคำนึงถึงข้อกำหนดด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้อง ค่าคลาดเคลื่อนของความหนา และแรงกระทำภายนอก ต้องพิจารณาการเปลี่ยนแปลงแรงดันบ่อยครั้งอย่างชัดเจนด้วย เพราะเหตุฉุกเฉินที่เกิดขึ้นเป็นครั้งคราวกับแรงดันกระชากที่เกิดซ้ำระหว่างการทำงานเป็นภาระคนละลักษณะ

ตัวอย่างเช่น ตัวเลือกที่ระบุสำหรับท่อเหล็กหล่อเหนียวเคลือบสีภายนอกด้วยอีพ็อกซี มี K9, C40, C30 และ C25 ครอบคลุมช่วง DN 80–2,600 mm ที่ระบุ รายการเหล่านี้เป็นตัวเลือกสำหรับนำไปประเมิน แต่ไม่ได้ยืนยันว่ามีท่อทุกเส้นผ่านศูนย์กลางในทุกชั้น ขอข้อมูลขนาดผนังตามเส้นผ่านศูนย์กลาง รูปแบบข้อต่อ และขีดจำกัดแรงดันก่อนกำหนดตัวเลือกให้กับแต่ละช่วงของท่อ อีพ็อกซีเคลือบภายนอกใช้เพื่อป้องกันการกัดกร่อน ไม่ได้กำหนดความสามารถในการรองรับแรงดันกระชาก

คำนึงถึงข้อต่อ อุปกรณ์ประกอบ และภาระของท่อฝังดิน

ตัวท่ออาจผ่านการคำนวณแรงดัน แต่ข้อต่อหรืออุปกรณ์ประกอบอาจยังไม่เหมาะสม ประเมินข้องอ สามทาง ข้อลด วาล์ว หน้าแปลน และอะแดปเตอร์โดยใช้กรอบแรงดันเดียวกัน แรงดันจะก่อให้เกิดแรงผลักที่จุดเปลี่ยนทิศทางและหน้าตัด และแรงดันสูงสุดชั่วขณะจะเพิ่มแรงที่ถ่ายไปยังอุปกรณ์ยึดรั้งหรือบล็อกต้านแรงผลัก

ประสิทธิภาพการซีลที่แน่นหนาต่อแรงดันของข้อต่อแบบสวมอัดไม่ได้หมายความว่าข้อต่อจะต้านทานการแยกตัวตามแนวแกนได้ ข้อต่อแบบยึดรั้งต้องมีเอกสารยืนยันความสามารถด้านแรงดัน มุมเบี่ยงเบนที่อนุญาต และการคำนวณความยาวช่วงยึดรั้งที่เหมาะสม การคำนวณดังกล่าวควรสะท้อนแรงต้านของดิน ความลึกดินกลบ น้ำใต้ดิน และภาระแรงดันชั่วขณะที่เป็นตัวกำหนด

การเลือกปะเก็นก็มีความสำคัญเช่นกัน NBR, SBR และ EPDM เป็นกลุ่มวัสดุ ไม่ใช่สิ่งรับประกันว่าใช้แทนกันได้ ยืนยันความเข้ากันได้กับน้ำที่ลำเลียง อุณหภูมิ สารเคมีที่ใช้ในการบำบัด และข้อกำหนดด้านน้ำดื่มที่เกี่ยวข้อง สำหรับเหตุการณ์ที่แรงดันต่ำกว่าบรรยากาศ ให้ตรวจสอบว่าข้อต่อที่เลือกยังคงซีลได้ภายใต้สภาวะที่คาดการณ์หรือไม่

การออกแบบท่อฝังดินต้องรวมภาระจากดินและการจราจร การรองรับของวัสดุรองพื้น สภาพร่องขุด และน้ำใต้ดิน ชั้นแรงดันภายในที่สูงไม่ได้แก้ปัญหาการโก่งตัวมากเกินไปหรือสภาวะแรงดันภายนอกที่ไม่เหมาะสมระหว่างการหยุดทำงานโดยอัตโนมัติ

แก้ไขสาเหตุของแรงดันกระชากก่อนกำหนดชั้นท่อขั้นสุดท้าย

เปรียบเทียบการปรับโครงสร้างกับมาตรการที่เปลี่ยนแปลงแรงดันชั่วขณะโดยตรง การทำงานของวาล์วให้ช้าลงจะได้ผลก็ต่อเมื่อรูปแบบการปิดจริงช่วยหลีกเลี่ยงการลดอัตราการไหลอย่างฉับพลันในช่วงท้าย ชุดขับปรับความเร็วรอบสามารถควบคุมการหยุดปั๊มตามแผนได้ แต่ต้องประเมินการป้องกันกรณีไฟฟ้าขัดข้องแยกต่างหาก

ถังลดแรงดันกระชาก อุปกรณ์ระบายแรงดัน และวาล์วอากาศที่เลือกอย่างเหมาะสม แก้ไขกลไกทางชลศาสตร์คนละประเภท การรับอากาศเข้าอาจช่วยจำกัดสภาวะสุญญากาศ ขณะที่การระบายอากาศออกในภายหลังอาจทำให้เกิดเหตุการณ์แรงดันอีกครั้ง หากควบคุมการระบายไม่ดี ให้จำลองพฤติกรรมของอุปกรณ์ การสูญเสียที่จุดเชื่อมต่อ และความสามารถที่มีอยู่ แทนการจำลองการป้องกันเป็นการลดแรงดันแบบค่าคงที่

เมื่อเกิดการแยกตัวของคอลัมน์น้ำ การยุบตัวของโพรงอาจก่อให้เกิดแรงดันสูงสุดที่รุนแรง การเพิ่มชั้นท่อเพียงอย่างเดียวไม่ทำให้กลไกดังกล่าวหมดไป ให้ปรับปรุงการจัดวางระบบป้องกันและวิเคราะห์แรงดันชั่วขณะซ้ำก่อนยอมรับเส้นผ่านศูนย์กลางและชั้นท่อขั้นสุดท้าย

นำผลคำนวณไปใช้ในข้อกำหนดการติดตั้ง

ข้อกำหนดขั้นสุดท้ายควรระบุเส้นผ่านศูนย์กลางและชั้นท่อตามแต่ละช่วงของท่อ แรงดันใช้งานและแรงดันชั่วขณะที่เป็นเงื่อนไขควบคุม ข้อกำหนดการยึดรั้งข้อต่อ พิกัดของอุปกรณ์ประกอบ ข้อกำหนดปะเก็น และการตั้งค่าอุปกรณ์ลดแรงดันกระชาก แยกการทดสอบจากโรงงานออกจากการทดสอบแรงดันน้ำภาคสนาม โดยคำนึงถึงผลของระดับความสูงและอุปกรณ์ยึดปลายท่อชั่วคราว

ระหว่างการทดสอบเดินระบบ การวัดแรงดันใกล้ปั๊ม วาล์วสำคัญ และจุดสูงที่เปราะบาง อาจช่วยให้ทราบว่าพฤติกรรมจริงขณะปิดวาล์วและหยุดระบบตรงกับสมมติฐานการออกแบบหรือไม่ หากพบการแกว่งของแรงดันที่อธิบายไม่ได้ การลดลงของแรงดันที่ลึกกว่าเดิม หรือจังหวะการทำงานของวาล์วที่เปลี่ยนไป ควรตรวจสอบก่อนยอมรับลำดับการทำงาน