Nauwkeurige berekeningen van drukstoten kunnen enorme schade voorkomen

Als waterleidingen een schok krijgen: Wat is een drukstoot?

Drukstoten zijn al sinds de oudheid bekend: De Romeinen berichtten al over waterslagen in hun leidingen van lood en steen. Maar het was de Russische wiskundige Nikolai Joukowsky die als eerste vanaf 1887 uitgebreide experimenten en berekeningen uitvoerde, waaruit ook het begrip Joukowsky-stoot voor deze fysische gebeurtenis ontstond.

Vandaag de dag kent iedereen die zich bezighoudt met vloeistofleidingen deze term en weet waar het om gaat. In het bijzonder moeten planners van leidingsystemen en hydraulische systemen zich dagelijks de vraag stellen of een drukstoottest nodig is of niet. In principe vormen drukstoten nauwelijks een probleem in de huiselijke omgeving, dat wil zeggen in verwarmings-, water- en afvalwaterleidingen met kleine lengtes en diameters. Maar zelfs een leidinglengte van ongeveer 100 meter en een debiet van een paar liter per seconde zijn voldoende om in het ongunstige geval enorme schade aan de leiding te veroorzaken! En het risico dat schade veroorzaakt door drukstoten de kosten van preventieve berekenings- en veiligheidsmaatregelen overtreft, is groot!

Hoe kunnen drukstoten ontstaan?

In principe kan er een waterschok optreden in alle leidingen die met vloeistof zijn gevuld. In tegenstelling tot gassen zijn vloeistoffen slechts minimaal samendrukbaar, zodat ze nauwelijks kunnen worden gecomprimeerd. Een drukstoot ontstaat telkens wanneer de doorstroomsnelheid van een vloeistof in een leiding verandert, d.w.z. bij versnelling of vertraging. In het algemeen genereren alle soorten bedrijfsveranderingen en storingen druk- en volumefluctuaties, d.w.z. in de tijd veranderende stromingsomstandigheden.

Als de afsluiter nu snel wordt gesloten, wordt het water vóór de afsluiter opgestuwd. Er ontstaat een drukstijging en het front van de drukgolf verspreidt zich tegen de oorspronkelijke stromingsrichting in – in een stalen leiding met een snelheid van ongeveer 1,100 m/s! Tegelijkertijd treedt er aan de uitgangszijde van het snel gesloten ventiel een drukdaling op, die zich eveneens verspreidt, echter in de richting van de stroming. De resulterende drukgolf in de leiding loopt nu tegen de oorspronkelijke stromingsrichting in totdat deze weer op een reflectiepunt stuit, bijvoorbeeld een plotselinge verandering in diameter, een T-stuk of een terugslagklep. Daar wordt de stoot opnieuw gereflecteerd en loopt net zo lang in het systeem heen en weer tot de drukgolf volledig is afgebouwd.
 

De belangrijkste oorzaken van dergelijke onstabiele stromingsomstandigheden kunnen zijn:

• Plotselinge pompuitval als gevolg van afschakeling of onderbreking van de voeding
• In- en uitschakeling van pompen die al in bedrijf zijn
• Snel sluiten of openen van afsluiters in de leiding
• Veranderingen in de afstelling van het inlaatwaterniveau
• Verstelling van het toerental van de pompen
• Klepperende terugslagkleppen

Een numeriek voorbeeld illustreert de immense krachten die kunnen worden uitgeoefend bij een drukstoot in leidingen:

We kijken naar een DN200-leiding (binnendiameter ca. 190 mm) met een lengte van 900 meter en een debiet van 3 m/s (komt overeen met 11 km/h). De watermassa in de leiding is dan mWater = ((0,192 × π) / 4) × 900 × 1000 = 25.500 kg. Dit is ongeveer hetzelfde als de massa van een grote vrachtwagen. Als de stroming plotseling wordt onderbroken ramt – om binnen het beeld te blijven – een met 11 km/h rollende vrachtwagen een muur (het gesloten ventiel). Het is gemakkelijk je de enorme druk voor te stellen die hier wordt opgebouwd!

Wat u mag verwachten: Een korte inleiding tot het berekenen van drukstoten

In principe moet de planner voor elk bedreigd hydraulisch leidingsysteem een druktest uitvoeren, afhankelijk van de actuele stand van zaken. Er moeten veel waarden worden meegenomen. Dit kunnen – in het kort – zijn:

• Hoogteprofiel van de leiding
• lengtes en diameters
• wanddikte
• materiaal
• bekleding
• pijpverbindingen,
• ruwheidscoëfficiënt,
• ventilatie van hoge punten,
• vertakkingen,
• Zeta- of KV-bochten, evenals stelmechanismes van de afsluiters
• karakteristieken resp. verzamelgrafieken en specificaties van de hydraulische machines
• traagheidsmomenten van de machinesets
• regelaarinstellingen
• waterniveauhoogten van de reservoirs
• stromen in alle leidingsecties
• mate van opening van afsluiters en smoorkleppen en
• werkdrukken

Dit zijn heel veel verschillende maten, die allemaal min of meer belangrijk zijn bij de berekening van drukstoten. Er zijn vandaag de dag speciale computerprogramma's beschikbaar voor nauwkeurige berekeningen, die door de betreffende deskundigen worden toegepast. Niemand zal een nauwkeurige berekening van drukstoten handmatig uitvoeren. Toch moet het duidelijk zijn dat reeds het veranderen van een maat een drastische invloed kan hebben op de hele berekening.

De kracht van de leiding halen: Hoe kunnen drukstoten worden voorkomen?

Er kunnen een aantal maatregelen worden genomen om leidingen te beschermen tegen de kracht van een drukstoot. Hoe langzamer de druk in de leiding verandert, hoe lager de drukstoot. Frequentieregelaars en soft-start-voorzieningen voor pompen en hydraulisch bekrachtigde vlinderkleppen voorkomen plotselinge veranderingen in de doorstroomsnelheid tijdens normaal bedrijf. Daarnaast kunnen zogenaamde "windketels" en afsluiters de leiding beschermen.

• Windketels of drukstootdempers zijn reservoirs die "luchtkussens" bevatten die kunnen worden gecomprimeerd. Net als bij een luchtballon neemt het luchtkussen bij een drukstijging de ontstane energie op. Het overtollige water comprimeert eenvoudigweg de lucht in de windketel.
• Be- en ontluchtingskleppen, zoals de KSB KSB BOAVENT-AVF, beschermen tegen luchtinsluitingen, vacuüm en drukstoten in het systeem. De bijzonderheid ligt in de be- en ontluchting van grote hoeveelheden lucht en de ontluchting van kleine hoeveelheden lucht tijdens bedrijf. Vacuümveiligheidsventielen, vacuümbrekerventielen, die bijvoorbeeld aan de drukzijde van pompen worden aangebracht, maken het mogelijk dat er, indien nodig, lucht in het systeem kan binnendringen om een vacuüm te voorkomen.

Casestudy 1: 

De volgende vuistregel wordt vaak gebruikt als algemeen criterium of een berekening van drukstoten nodig is:

K = (l × v) / √H

Hierbij zijn:

l = leidinglengte tussen de pomp of afsluiter en het dichtstbijzijnde reflectiepunt in meters

v = stroomsnelheid in m/s

H = opvoerhoogte in meters

Voor een bepaalde K-waarde groter dan 70 wordt een drukstootberekening aanbevolen. (Bron: Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik 3, 3.Aufl. Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn

Het voorbeeld: Er moet een KSB-opvoerinstallatie Compacta worden geïnstalleerd. De belangrijkste gegevens:

Q = 47 m³/h 

Hges = 19.6 m (inclusief hgeo 13.3 m)

Persleiding:

DN 100 / d i = 102.2 mm

Lengte: 127.3 m

Stroomsnelheid: 1.6 m/s

PE leiding

Als u de waarden in de bovenstaande formule invoert, is het resultaat een K-waarde van ongeveer 46. Met een limiet van K = 70 lijkt alles niet kritiek. Of? Het dynamische gedrag van de terugslagklep heeft een dramatische invloed op het probleem van drukstoten: Als je rekent met een ideale klep, is alles in orde. Met een werkelijk geïnstalleerde standaardklep worden echter "dramatisch slechte" resultaten berekend, zie afbeelding 1 hieronder. Ergo: Er moet een speciale snelsluitende klep worden gemonteerd

Conclusie: Gebruikelijke vuistregels voor het inschatten van de noodzaak van een drukstootberekening zijn niet altijd betrouwbaar. In de bovenstaande formule wordt bijvoorbeeld geen rekening gehouden met het effect van het secundaire drukstooteffect veroorzaakt door klepstoten.

Casestudy 2: Hoe KSB het drukstootgedrag van een stalen leidingbrug onder de knie kreeg

Een klant plande een nieuwe afvalwaterleiding met een lengte van ongeveer vijf kilometer. De structuur was als volgt: Een 170 meter lange leidingbrug was gepland op ongeveer 180 meter achter het pompstation. De afvalwaterleiding bestaat uit ondergrondse PE-leidingen. De brug werd daarentegen boven de grond gelegd op palen en is gemaakt van stalen leidingen – een vrij gebruikelijke constructie en dus zeer relevant voor planners. Voor de eerste inschatting van de vereiste luchtklepposities werd de leiding beschouwd als een PE-leiding uit één stuk.

De rode lijn geeft grafisch de minimumdruk aan die tijdens de simulatie optreedt (minimale omhullende). U ziet: Met de twee weergegeven BEV A en B blijft de druk binnen het toegestane bereik; aanvankelijk leken extra veiligheidsmaatregelen niet nodig.

De projectmanagers hebben KSB geraadpleegd om de omstandigheden van de drukstoten van het project nauwkeurig te onderzoeken en passende maatregelen aan te bevelen om de leiding te beveiligen. Uiteraard werd het leidingsysteem op de brug gemodelleerd met het juiste stalen leidingmateriaal voor de uiteindelijke controleberekeningen. De KSB-experts merkten al snel op dat het leidingsysteem door zijn ontwerp zeer opvallend op veranderingen in het bedrijfspunt, zoals een pompstoring, reageerde.
 

Afbeelding 3 toont de omhullende voor de minimumdruk tijdens de simulatie van een stroomstoring. Zonder aanvullende veiligheidsmaatregelen kan worden vastgesteld dat de druk in het onderzochte leidinggedeelte tijdelijk daalt tot de verdampingsdruk van het water (cavitatie) (groene lijn). Zelfs met alleen al één BEV op het koppelpunt van beide leidingen (BEV C) toont de corresponderende omhullende (roze) nog steeds ontoelaatbare drukdalingen. Alleen met een andere BEV (BEV D) in de buurt van het koppelpunt kan de druk binnen het toegestane bereik worden gehouden (bruine lijn)

Maar waarom is dat zo?

De golfvoortplantingsnelheid A is 270 m/s in de PE-leiding en 1100 m/s in de stalen leiding van de brug Als gevolg van de plotselinge verandering van A wordt een gedeeltelijk reflectiepunt voor de drukgolven gevormd op het koppelpunt van beide leidingen. Dit resulteert in een complex verloop van de drukgolven. De ruimtelijke en tijdelijke verdeling van de leidingdruk vereist uiteindelijk een andere BEV D in de onmiddellijke nabijheid (37 m) van de BEV C op het koppelpunt.

Wilt u meer weten over drukstoten, hun berekeningen en beschermende maatregelen? Download onze uitgebreide knowhow-brochure know-how brochure.

Conclusie: In welke gevallen is een nauwkeurige drukstootberekening vooral de moeite waard?

De Duitse vereniging van de gas- en waterindustrie (DVGW) is de erkende regelgevende instantie voor de gas- en waterindustrie in Duitsland en heeft hier een duidelijke mening: In het DVGW-gegevensblad W 303 "Dynamische drukveranderingen in watervoorzieningsinstallaties" staat duidelijk dat dynamische drukveranderingen in acht moeten worden genomen bij het plannen en gebruiken van installaties, omdat deze de oorzaak kunnen zijn van aanzienlijke schade!

En het bovenstaande voorbeeld laat op indrukwekkende wijze zien hoe de overgang van het ene leidingmateriaal naar het andere bij een stalen leidingbrug kan leiden tot merkbare systeemreacties. En dergelijke scenario's zijn niet ongewoon: Vooral in het geval van wegrenovaties, het herontwikkelen van land, de aanleg van metro's, tramlijnen en dergelijke, het verleggen van communicatiekabels, etc., gebeurt het vaak dat drukleidingen tijdelijk of permanent moeten worden verlegd of aangepast. Stalen leidingdelen in kunststof leidingen zijn hier niets ongewoons. Leidingdiameters vertegenwoordigen ook gedeeltelijke reflectiepunten in het leidingensysteem en kunnen tot soortgelijke problemen leiden. Vooral in dergelijke gevallen moeten planners hun drukstootberekeningen nauwkeurig uitvoeren en, indien nodig, de juiste maatregelen nemen – om verreikende en dure schade van tevoren te voorkomen! De specialisten van KSB ondersteunen u graag bij uw berekeningen en adviseren u over uw project. Neem gerust contact met ons op!