Bogdan Lupascu, Grundfos Projects Execution Engineer

Staţii de Pompare Apă Uzată din Plastic Armat cu Fibră de sticlă

Prezentare generală

Iată câteva detalii despre producţia Staţiilor de Pompare Apa Uzată (SPAU) din Plastic Armat cu Fibră de Sticlă (GRP), precum şi avantajele instalării şi utilizării acestora în aplicaţii destinate pompării apelor uzate menajere şi industriale.

Producţia

SPAU-rile din GRP sunt fabricate de către Grundfos Finlanda de mai bine de 30 de ani; prima staţie de pompare prefabricată a intrat în funcţiune în anul 1975 şi încă funcţionează în parametrii normali.

In prezent sunt peste 100.000 de unităţi Grundfos livrate în întreaga lume, staţii ce funcţionează în condiţii variate şi care şi-au dovedit fiabilitatea şi eficienţa în exploatare.

Procesul de fabricare al rezervoarelor utilizează tehnica bobinării şi a pulverizării; toate etapele din producţie sunt automatizate, monitorizate complet; se asigură astfel o calitate superioară, verificată, fiecărui rezervor.

Structură principală SPAU-ri din GRP

Structura principală a staţiilor de pompare este realizată din filamente continue de poliester ranforsat cu fibră de sticlă (GRP) ce oferă o construcţie extrem de robustă şi durabilă; materialul utilizat este rezistent la putregai, rupturi sau alte forţe distructive.

Staţiile GRP sunt foarte rezistente la abraziune şi se pot monta în soluri cu un nivelul ridicat al apelor freatice sau în soluri dure, calcaroase.

Variantele constructive ale SPAU-rilor Grundfos:

• cu cameră umedă
• cu cameră uscată
• structură combinată sau personalizată după cerinţele specifice fiecărei aplicaţii

Sunt soluţii ce pot fi personalizate în functie de cerinţe clientului, pe dimen­siune şi configuraţie. Adâncimea standard maximă este de 12 metri iar diametrele utilizate sunt cuprinse între 1 şi 3 m.

Staţiile de pompare sunt livrate ca unităţi complete, echipate cu pompe, conducte, vane, unităţi de control şi dispozitive de service etc.

Componentele standard ale căminelor:

• placă bază pentru montaj pompe din oţel inoxidabil;
• autocuplaje pompe din fontă;
• ţevi refulare pompă, inclusiv ramificaţie la nivel superior din oţel inoxidabil;
• armături necesare pentru fiecare pompă: clapet cu bilă şi vană sertar din fontă;
• ţevi ghidaj pompe din oţel galvanizat sau inoxidabil;
• lanţuri pentru ridicarea pompelor din oţel galvanizat sau inoxidabil;
• racorduri intrare/ieşire staţie, realizate din fabrică conform cerinţelor beneficiarului;
• capac din aluminiu (zonă pietonală) sau fontă (carosabil);
• ventilaţie naturală (forţată la cerere);
• scară acces din aluminiu;
• piese etanş pentru trecere cabluri electrice

Accesorii opţionale:

• amortizoare cu gaz, proiectate pentru deschiderea uşoară a trapei
• izolaţie termică
• pompă de epuisment
• sistem de închidere capac

Instalarea SPAU-urilor din GRP

Montarea SPAU-urilor din GRP prezintă o serie întreagă de avantaje şi beneficii prin comparaţie cu varianta clasică a chesoanelor din beton.

Evidenţiem timpul scurt de excuţie şi de punere în funcţiune a ansamblului de pompare:

• cămin
• instalaţie de pompare şi ventilare
• instalaţie electrică şi automatizare

Toate acestea sunt componente preasamblate şi testate încă din fabrică, ajungând pe şantier în faza prefabricată, gata de montaj. Timpul de instalare şi montaj este redus astfel cu aproape 80% faţă de o staţie clasică din beton.

Transportul staţiei pe amplasament se realizează cu mijloace clasice, folosind doar un utilaj de ridicare pentru descărcare şi lansare pe poziţie. Constructorul trebuie să asigure doar condiţiile de montare pe poziţie prin pregătirea unei excavaţii corespunzătoare lansării staţiei GRP.

Staţia GRP este asezată/ prinsă pe o placă din beton armat de dimensiuni reduse, dimensionată conform indicaţiilor producătorului. Placa are dublă funcţie, asigură planeitatea necesară şi previne fenomenul de plutire (rol de lestare). Prinderea de placă se realizează cu ajutorul unor buloane ancorate, repartizate pe circumferinţa exterioară a radierului staţiei.

Colectorul şi conducta de refulare sunt cuplate cu usurinţă la racordurile preasamblate în exteriorul staţiei de pompare. De asemenea, trecerile componenetelor electrice şi de comunicaţie sunt asigurate prin piese speciale încorporate în pereţii căminului GRP.

Staţiile de pompare sunt prevăzute cu bare de ghidaj si autocuplaje fixate pe radierul căminului  pentru lansarea cu uşurinţă a pompelor submersibile în poziţia corespunzătoare.

Lanţurile de manevrare sunt realizate din materiale anticorozive şi asigură manevrarea utilajelor de pompare pentru intervenţii şi mentenanţă, fără a necesita golirea căminului şi coborârea personalului de serviciu. Pentru accesul operatorilor sunt prevăzute scări de acces şi platforme de serviciu, iar ventilaţia incintei se realizează prin elemente naturale sau forţate, după cerinţa beneficiarului. Capacul staţiei este prevăzut cu asperizări anti-alunecare, iar cadrul trapei elevat pentru a preveni căderi accidentale.

Toate conductele sunt testate temeinic, la presiune, înainte de livrare. Intrările pentru cablul de alimentare şi cablul de împământare pentru pompele instalate sunt etanşe. Statiile de pompare Grundfos se pot izola până la adâncimea de îngheţ şi pot fi prevăzute cu coşuri tip grătar, cu bare de ghidare.

Operarea şi automatizarea staţiei de pompare este asigurată de elemente de control şi comunicaţie de ultimă generaţie ce permit transmisia datelor la distanţă către dispecerat (SCADA). Controlerele utilizate asigură vizualizarea şi modificarea unui număr mare de parametrii din cadrul procesului de pompare:

• Măsurare nivel apă
• Starea pompei active şi în stand-by
• Volum pompat şi eficienţă pompă
• Număr de porniri şi ore de funcţionare
• Timp de funcţionare
• Nivel senzorilor de control
• Monitorizarea consumului de putere şi a reţelei de alimentare
• Măsurarea temperaturii
• Detectarea de umiditate
• Măsurare apă-în-ulei
• Suprasarcină/subsarcină şi supratensiune/subtensiune
• Secvenţă faze şi lipsă fază
• Dezechilibru curent
• Curbe de tendinţă pentru valori analogice
• Alarme, incluzând funcţia unică „instantaneu”

…şi multe altele.

RAPORT privind încercări de rezistenţă asupra elementelor finite (Finite Element Analysis – FEA) ale rezervoarelor GRP – Caracteristici tehnice structurale

SPAU-rile din GRP au fost supuse Analizei Elementelor Finite (Finite Element Analysis – FEA), o analiză structurală a rezervoarelor Grundfos GRP (plastic armat cu fibră de sticlă). Pentru simulare s-a utilizat aplicaţia Ansys, iar pentru definirea proprietăţilor materialelor şi procesarea datelor de material s-a folosit programul ESAComp, dedicat aplicaţiilor laminate şi de analiză.

Analiza a folosit sarcini de serviciu pentru situaţiile cele mai dificile (apa subterană ajunge la nivelul suprafeței solului iar rezervorul este gol). Au fost studiate stabilitatea structurală, nivelurile de deformare şi a fost înregistrată stabilitatea structurală aferentă presiunii externe uniforme.

1. Modele structurale utilizate în analiza rezervoarelor Grundfos GRP

Modelele geometrice au fost create cu ajutorul schiţelor 2D. Au fost ilustrate modelele cu cadru de sârmă pentru diferite rezervoare.

2. Date pentru efectuarea analizei

Lungimea mantalei cilindrice a fost definită prin ecuaţia în care lungimea suprapunerii părţii inferioare cu mantaua rezervorului este neglijată. Drept urmare, pentru rezervoare,  lungimea mantalei cilindrice a fost cu ~100 mm mai mică decât lungimea nominală.

S-a presupus că nivelul solului este la o distanţă de ~200mm faţă de nivelul acoperişului. A fost utilizată o calotă finală de tip SMS pentru consolidarea acoperişului actual. Forma acoperişului utilizat în analiză este ilustrată cu linie întreruptă. Locaţiile elementelor de rigidizare regulate au fost determinate în funcţie de direcţia bazei. Elementele de rigidizare îmbinate cu suporturile de ridicare au fost determinate în funcţie de direcţia acoperişului.

Modelele EF au fost create cu ajutorul modelelor geometrice. Modelul EF pentru rezervorul D1800 H8000 este prezentat în Figura 2. Pe baza schiţelor de fabricaţie, modelul a fost împărţit în mai multe secţiuni. De exemplu, rezervorul D1800 H8000 include 16 secţiuni (Figura 1), fiecare având o structură laminată specifică. În cadrul modelului au fost utilizate elemente de manta.

Figura 1

Următoarele reguli au fost folosite pentru definiţiile secţiunii laminate, definiţii obţinute din programele de bobinaj.

Secţiunea transversală a mantalei cilindrice este prezentată în planul de mijloc.

Semitortul de rigidizare este un element laminat solid, în timp ce elementul de rigidizare de tip sandwich conţine o parte centrală cu o grosime de 20 mm şi un strat laminat cu o grosime de 10 mm. A fost luată în considerare numai partea superioară a acoperişului elementului de rigidizare iar conicitatea a fost exclusă din model. S-a presupus că materialul de bază este PUR moale. Grosimea elementelor laminate pulverizate este definită şi transformată în programul robot CNC.

Baza rezervorului este parte integrală (structurile laminate 13-16 din figura) realizată cu ajutorul pulverizării. Structura elementelor laminate 15 conţine, de asemenea, straturile mantalei cilindrice. Grosimile diferitelor secţiuni laminate sunt prezentate ca fiind calculate pentru toate tipurile de rezervoare.

Figura 2

Componentele de sarcină sunt prezentate (în Figura 2) sub formă de exemplu, cu ajutorul rezervorului D1800 H8000. În timpul instalării, nisipul şi pietrişul sunt comprimate, ceea ce creează o pre-comprimare pentru mantaua cilindrică. A fost utilizată o pre-comprimare uniformă de 10kPa (Figura 2A). Sarcina de serviciu pentru cele mai dificile situaţii apare atunci când apa subterană ajunge la nivelul suprafeţei solului. Când solul este infiltrat cu apă subterană, se poate presupune o greutate specifică a solului de 1100kg/m3. Sarcina solului introduce o componentă de sarcină orizontală a rezervorului. A fost presupus un unghi de 30 de grade pentru sol, iar multiplicatorul de presiune corespunzător K0 este, prin urmare 0,5. Acest multiplicator va fi aplicat atunci când este determinată componenta sarcinii orizontale (Figura 2B). Valoarea dată corespunde adâncimii. Când solul este infiltrat de apa subterană, presiunea hidrostatică este introdusă în rezervor (Figura 2C). Sarcina rezultată (Figura 2D) utilizată în analiză este suma celor trei componente anterioare. Stabilitatea structurală a rezervorului a fost studiată în cazul presiunii externe uniforme. Pentru analiză a fost utilizată o sarcină nominală de 1bar (consultaţi Figura 2E).

Pentru sarcina primului caz, rezervorul a fost pur şi simplu sprijinit prin circumferinţa exterioară a flanşei. A fost fixată, de asemenea, translaţia verticală a flanşei. Aceste condiţii limită sunt indicate în Figura 3. Pentru testul presiunii externe, rezervorul a fost pur şi simplu rezemat de trei noduri ale flanşei, indicate în Figura 3.

Figura 3

3. Rezultate raport

Grundfos garantează faptul că toate rezervoarele şi părţile interioare ale acestora respectă norme de proiectare foarte stricte; sunt produse ce indeplinesc cerinţele legislaţiei specifice din Comunitatea Europeana inclusiv Standardul (DIN) EN 12050-1.

Atunci când este încărcată cu sarcina de proiect, structura rezervorului trebuie să respecte cerinţele legate de stabilitate şi deformare. Dilataţiile din direcţia principală a structurii au fost extrase la ambele suprafețe ale elementului laminat. Sunt analizate valorile absolute maxime. Direcţia x corespunde direcţiei axiale a mantalei cilindrice şi continuă la polul calotei finale. Direcția y este perpendiculară pe axa x. Valorile sunt prezentate în acord cu aceste date.

Stabilitatea structurală a fost studiată cu ajutorul analizei deformării liniare. Factorul de rezervă (RF) aferent sarcinii de proiect este prezentat pentru toate elementele. Factorul de rezervă indică multiplicatorul cu care sarcina de proiect poate fi înmulţită pentru a se atinge sarcina de deformare. Vor fi aplicaţi diferiţi factori RF pentru părţi diferite ale rezervorului. Mantaua cilindrică a vasului de presiune nu este sensibilă la imperfecţiunile formei geometriei, atunci când este încărcată extern. Capacitatea de sarcină poate fi estimată în mod fiabil cu ajutorul analizei deformării liniare. Mai multe experimente realizate de catre Grundfos şi vânzătorul rezervorului au arătat faptul că analiza deformării liniare prezice foarte exact sarcina de deformare în timpul încărcării structurii cu presiunea externă uniformă. Abordarea prezentei analize ia în considerare numai sarcinile şi nu şi efectul fundaţiei elastice dat de sol. Acest sprijin este foarte important. Pentru curbare, rezervorul trebuie să se deformeze simultan şi în interior şi la exterior (în cazul rezervorului cu formă rotundă, forma acestuia trebuie să se schimbe, pentru a fi oval) iar deplasarea este împiedicată spre direcţia externă. În cadrul analizei, s-a presupus să rezervorul este gol şi, prin urmare, nu există presiune hidrosferică interioară, care să reziste la deformare.

Pentru baza rezervorului (partea inferioară), sunt necesari factori RF cu valori ridicate. În ceea ce priveşte formele cupolei finale, aceste tipuri de structuri sunt vulnerabile la imperfecţiunile geometrice. Mai mult decât atât, baza este capabilă să se deplaseze în ambele direcţii.

Sistemele de acoperire ale rezervorului (capac GRP, trapă de aluminiu şi grătar de siguranţă) sunt, de asemenea, analizate pentru sarcinile statice şi dinamice, iar aceste analize sunt verificate prin teste reale (testul aruncării a 120 kg de la o înălţime de 1000 mm şi sarcina statică a 1500 kg).

Raportul detaliază şi indică rezultate foarte bune pentru SPAU-rile GRP de la Grundfos, chiar şi când sunt folosite sarcini de serviciu pentru situaţiile cele mai dificile (apa subterană ajunge la nivelul suprafeței solului iar rezervorul este gol).

AVANTAJE utilizare staţii de Pompare Apă Uzată din Plastic Armat cu Fibră de sticlă

Principalele avantaje privind instalarea statiilor de pompare prefabricate de la Grundfos:

• Costuri de montaj reduse cu 25-30%
• Instalare uşoară
• Timp redus de instalare/montaj (cu aproximativ 80% mai puţin timp decât o staţie din beton)
• Testate din fabrică
• Produse personalizate conform specificaţiilor beneficiarului
• Rezistenţă ridicată
• Intervenţii service facile
• Staţiile de pompare prefabricate sunt însoţite de fişe tehnice şi manual de instalare pentru componentele ansamblului

REFERINŢE GRUNDFOS RECENTE DIN ROMÂNIA

În continuare sunt prezentate câteva proiecte-referinţă privind staţiile de pompare prefabricate, livrate de către Grundfos si montate pe teritoriul României:

• 35 SPAU-ri Aglomerările Lieşti şi Pechea, Jud Galaţi
• 9 SPAU-ri Brănesti, Jud Ilfov
• 9 SPAU-ri Slatina, Jud Olt
• 19 SPAU-ri Todireni-Ablesti, jud Botoşani
• 3 SPAU-ri Vânatori, jud. Neamţ

Imagine din proiectul Michelangelo, Timişoara	Imagine din proiectul Liesti şi Pechea, Jud Galaţi