Come dimensionare la tubazione di mandata per una pompa di pozzo？

La colonna montante è il tubo verticale che trasporta l'acqua da una pompa sommersa per pozzo alla testa del pozzo. Selezionarla può sembrare semplice: collegare un tubo all'uscita della pompa e estenderlo fino alla superficie.

In pratica, la colonna montante influisce sulle prestazioni della pompa, sul consumo energetico, sul carico di installazione, sul colpo d'ariete, sulla manutenzione e sull'affidabilità a lungo termine.

Un tubo troppo piccolo produce un'elevata velocità dell'acqua e un'eccessiva perdita di carico per attrito. La pompa deve quindi operare contro una prevalenza aggiuntiva, che può ridurre la portata erogata e aumentare il consumo energetico.

Un tubo inutilmente grande costa di più, aggiunge peso e può essere difficile da installare all'interno del pozzetto disponibile.

La connessione di scarico della pompa non è nemmeno automaticamente del diametro corretto per l'intera colonna montante. La dimensione dell'uscita identifica la connessione meccanica sulla pompa selezionata. Il diametro finale del tubo deve essere verificato utilizzando la portata di progetto, il diametro interno del tubo, la lunghezza, il materiale, la classe di pressione e le condizioni di installazione.

Una colonna montante, chiamata anche tubo di colonna, tubo di caduta o tubo di scarico, collega l'uscita della pompa sommersa alla testa del pozzo.

A seconda dell'installazione, può essere realizzata in:

• Acciaio al carbonio

• Acciaio zincato

• Acciaio inossidabile

• HDPE

• uPVC

• Tubo flessibile rinforzato

• Altro materiale approvato per tubi in pressione

Il tubo deve trasportare l'acqua pompata supportando o accogliendo i carichi creati dall'assemblaggio della pompa, dal cavo, dalle valvole di ritegno e dalla colonna d'acqua.

In alcune installazioni, la colonna montante supporta meccanicamente la pompa. In altre, viene fornito un cavo di sicurezza separato o un sistema di supporto. L'intero sistema deve essere conforme alle istruzioni del produttore del tubo e ai requisiti di installazione locali.

Il diametro del tubo influisce sulla velocità dell'acqua e sulla perdita di carico per attrito.

Per una data portata, la riduzione del diametro interno aumenta la velocità. Una velocità più elevata generalmente aumenta la perdita di carico per attrito e rende il sistema più sensibile a movimenti improvvisi delle valvole e all'avvio o all'arresto della pompa.

L'aumento del diametro del tubo riduce la velocità e la perdita di carico per attrito, ma aumenta anche il costo del materiale, il peso del tubo e lo spazio richiesto all'interno del pozzo.

Il diametro corretto è quindi un equilibrio tra:

• Portata della pompa richiesta

• Velocità dell'acqua accettabile

• Perdita di carico per attrito ammissibile

• Costo totale di installazione

• Classe di pressione del tubo

• Spazio libero disponibile nel pozzetto

• Resistenza meccanica

• Requisiti di installazione e recupero

La dimensione del tubo dovrebbe essere selezionata come parte del sistema di pompaggio completo piuttosto che dopo che la pompa è già stata ordinata.

Un catalogo di pompe per pozzo fornisce normalmente una dimensione dell'uscita di scarico per ogni famiglia di pompe.

Ad esempio, diverse famiglie di modelli SLAPK 6SP possono utilizzare diverse connessioni di scarico perché i loro intervalli di portata nominale sono diversi. La serie 8SP serve generalmente applicazioni a maggiore portata e utilizza connessioni di uscita più grandi.

Tuttavia, la dimensione dell'uscita non determina in modo indipendente il diametro ottimale della colonna montante.

Può essere utilizzata una breve transizione ingegnerizzata quando il diametro del tubo calcolato differisce dall'uscita della pompa, a condizione che:

• La transizione sia meccanicamente adatta.

• La classe di pressione sia adeguata.

• La connessione non crei una perdita locale eccessiva.

• La transizione si adatti all'interno del pozzetto.

• L'assemblaggio possa essere abbassato e recuperato in sicurezza.

• Il produttore approvi la configurazione.

Non selezionare un tubo solo perché la sua dimensione nominale corrisponde alla filettatura o alla flangia dell'uscita.

La colonna montante deve essere dimensionata alla portata di progetto effettiva, non alla portata massima pubblicata della pompa.

La portata di progetto dovrebbe provenire dall'applicazione, come:

• Domanda di irrigazione

• Consumo idrico municipale

• Tempo di riempimento del serbatoio di stoccaggio

• Domanda di processo industriale

• Requisiti idrici per il bestiame

• Requisiti per l'acqua antincendio

• Trasferimento di acqua da miniera o cantiere

La pompa selezionata deve erogare questa portata alla prevalenza totale dinamica calcolata.

Se il sistema opererà a diverse portate, controllare il tubo a:

• Portata minima continua

• Portata di progetto normale

• Portata massima prevista

• Limiti operativi a velocità variabile

• Portata di futura espansione, se confermata

La perdita di carico per attrito non aumenta linearmente con la portata. Un aumento relativamente piccolo della portata può causare un aumento molto maggiore delle perdite nel tubo.

I calcoli idraulici devono utilizzare il diametro interno del tubo.

Due tubi della stessa dimensione nominale possono avere diametri interni diversi a causa di:

• Spessore della parete

• Programma del tubo

• Classe di pressione

• Materiale

• Norma di fabbricazione

• Rivestimento interno

Un tubo ad alta pressione ha normalmente una parete più spessa di un tubo a bassa pressione dello stesso diametro esterno. La parete più spessa riduce l'area di flusso interna.

Utilizzare il diametro nominale invece del diametro effettivo può sottostimare la velocità dell'acqua e la perdita di carico per attrito.

Ottenere i dati dimensionali del produttore del tubo prima di completare il calcolo.

La velocità media dell'acqua può essere calcolata dalla portata e dall'area della sezione trasversale interna del tubo:

Velocità = Portata ÷ Area interna del tubo

Per un tubo circolare:

v = 4Q ÷ (πD²)

Dove:

• v è la velocità media dell'acqua

• Q è la portata volumetrica

• D è il diametro interno effettivo del tubo

• π è approssimativamente 3.1416

Tutte le unità devono essere coerenti. Se la portata è fornita in metri cubi all'ora, convertirla in metri cubi al secondo prima di calcolare la velocità in metri al secondo.

La velocità è un parametro di screening, non l'unico criterio di selezione. L'intervallo accettabile dipende dal materiale del tubo, dall'applicazione del sistema, dal metodo di avviamento, dall'analisi del colpo d'ariete e dallo standard ingegneristico applicabile.

Evitare di applicare un unico limite di velocità universale a ogni progetto.

La perdita di carico per attrito è la prevalenza consumata mentre l'acqua si muove attraverso la colonna montante.

Dipende da:

• Portata

• Diametro interno effettivo

• Lunghezza del tubo

• Rugosità del tubo

• Materiale del tubo

• Età e condizione interna del tubo

• Proprietà dell'acqua

Darcy-Weisbach e Hazen-Williams sono metodi comunemente utilizzati per i calcoli di tubazioni idriche.

Darcy-Weisbach può essere applicato a un'ampia gamma di fluidi e materiali per tubi quando viene utilizzato il corretto fattore di attrito. Hazen-Williams è frequentemente utilizzato per stime di sistemi idrici, ma il suo coefficiente deve essere selezionato in modo appropriato.

Per un calcolo difendibile:

1. Identificare la lunghezza totale del tubo verticale.

2. Confermare il diametro interno e il materiale.

3. Calcolare la perdita per unità di lunghezza alla portata di progetto.

4. Moltiplicare per la lunghezza effettiva del tubo.

5. Ripetere il calcolo ad altre portate operative previste.

6. Includere il risultato nella prevalenza totale dinamica del sistema.

Non utilizzare una percentuale generale della profondità del pozzo come sostituto di un calcolo della perdita del tubo.

Per il metodo della prevalenza completa, vedere Guida al dimensionamento delle pompe per pozzi profondi: come calcolare portata e prevalenza totale dinamica.

La colonna montante non è l'unica fonte di resistenza idraulica.

Ulteriori perdite possono verificarsi attraverso:

• Transizioni di scarico della pompa

• Valvole di ritegno

• Valvole a saracinesca

• Valvole a farfalla

• Gomiti

• Tee

• Riduttori

• Misuratori di portata

• Manometri e raccordi per manometri

• Filtri

• Connessioni della testa del pozzo

• Valvole di controllo

• Assemblaggi di ingresso serbatoio

Queste perdite possono essere calcolate utilizzando coefficienti di perdita, lunghezze di tubo equivalenti o dati del produttore.

Le valvole di ritegno meritano particolare attenzione. Una valvola selezionata solo per dimensione nominale può creare una perdita significativa ad alta portata. Confermare la sua area di flusso a piena apertura, la classe di pressione, l'orientamento e l'idoneità per il servizio verticale.

Il tubo deve resistere a una pressione superiore alla normale pressione di uscita osservata in superficie.

A seconda della condizione operativa, la pressione più alta può verificarsi vicino alla pompa o durante un evento transitorio.

La revisione della pressione dovrebbe includere:

• Prevalenza di arresto della pompa

• Pressione della colonna d'acqua statica

• Pressione operativa normale

• Pressione richiesta alla testa del pozzo

• Chiusura della valvola

• Avvio e arresto della pompa

• Colpo d'ariete

• Variazioni di elevazione

• Impostazioni di controllo della pressione

• Pressione di prova

• Margine di sicurezza richiesto dallo standard del tubo

Le sezioni più basse di una colonna montante profonda possono essere esposte ad alta pressione interna.

Non selezionare la classe di pressione basandosi solo sulla normale lettura del manometro alla testa del pozzo. Il progettista dovrebbe verificare la condizione operativa e transitoria più grave credibile.

Il colpo d'ariete è un cambiamento di pressione temporaneo causato da un rapido cambiamento della velocità dell'acqua.

Può verificarsi quando:

• La pompa si avvia improvvisamente.

• La pompa si arresta dopo un'interruzione di corrente.

• Una valvola di ritegno si chiude rapidamente.

• Una valvola di superficie viene chiusa troppo velocemente.

• Un VFD cambia velocità troppo aggressivamente.

• Il flusso si inverte prima che la valvola di ritegno si chiuda.

La gravità dipende dalla lunghezza del tubo, dalla velocità dell'acqua, dal materiale del tubo, dal comportamento della valvola e dalla velocità di variazione della velocità.

Una lunga colonna montante verticale contiene una colonna d'acqua in movimento sostanziale. Una valvola di ritegno selezionata in modo errato o un arresto rapido possono produrre picchi di pressione dannosi.

I possibili controlli includono:

• Valvole di ritegno non rumorose

• Funzionamento controllato della valvola

• Avviamento dolce

• Accelerazione e decelerazione controllata del VFD

• Serbatoi di accumulo

• Dispositivi di scarico della pressione

• Altre apparecchiature ingegnerizzate per il controllo delle sovratensioni

Un'analisi transitoria dettagliata può essere necessaria per pozzi profondi, lunghe condotte e sistemi ad alta portata.

La colonna montante deve sostenere in sicurezza il proprio peso, il peso dell'acqua contenuta e qualsiasi attrezzatura che supporta.

I carichi pertinenti includono:

• Peso del tubo a secco

• Peso della colonna d'acqua

• Peso della pompa e del motore

• Peso della valvola di ritegno

• Peso del cavo e della protezione del cavo

• Peso dell'accoppiamento

• Carichi dinamici durante l'avvio e l'arresto

• Carichi durante l'installazione e la rimozione

• Forze del colpo d'ariete

• Carichi di supporto della testa del pozzo

Per tubi in acciaio filettati, verificare la resistenza della filettatura e dell'accoppiamento. Per tubi flangiati, verificare la flangia, i bulloni e la disposizione delle guarnizioni.

Per tubi in plastica, verificare il carico di trazione, lo scorrimento, gli effetti della temperatura, la classe di giunzione e i limiti del produttore per il servizio verticale sospeso.

Un tubo che soddisfa il requisito di pressione interna può comunque essere inadatto al carico meccanico sospeso.

Il diametro esterno della colonna montante, degli accoppiamenti e degli accessori deve passare attraverso il diametro interno minimo del pozzetto.

Verificare l'intero ingombro di installazione, inclusi:

• Accoppiamenti del tubo

• Flange

• Transizione di scarico della pompa

• Valvole di ritegno

• Cavo di alimentazione

• Protezioni per cavi

• Fascette per cavi

• Protezione delle giunzioni

• Centralizzatori

• Cavo di sicurezza

• Attacchi di sollevamento

Il componente più grande può essere un accoppiamento o una valvola piuttosto che il tubo stesso.

Considerare anche:

• Deviazione del pozzo

• Giunzioni del pozzetto

• Saldature interne

• Rivestimenti

• Depositi di calcare

• Deformazione

• Variazioni del diametro del pozzetto

Un teorico accoppiamento metallo su metallo non è un'adeguata tolleranza di installazione.

Per maggiori informazioni sullo spazio dimensionale, vedere Pompe per pozzi da 6 pollici vs 8 pollici: come scegliere.

Colonna montante in acciaio al carbonio

L'acciaio al carbonio offre un'elevata resistenza meccanica ed è ampiamente disponibile. Può essere adatto per installazioni profonde e ad alta pressione.

Tuttavia, la corrosione deve essere considerata. La corrosione interna aumenta la rugosità e la perdita di carico per attrito, mentre la corrosione esterna riduce lo spessore della parete.

Possono essere necessari rivestimenti, guarnizioni e un margine di corrosione.

Colonna montante in acciaio zincato

L'acciaio zincato è comunemente utilizzato nelle installazioni di pozzi d'acqua, in particolare nelle dimensioni moderate.

La sua idoneità dipende dalla chimica dell'acqua, dalla vita utile dell'installazione, dalle connessioni filettate e dagli standard locali. La zincatura danneggiata sui filetti o sulle giunzioni può diventare un punto di corrosione.

Colonna montante in acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile offre una migliore resistenza alla corrosione, ma il grado corretto deve essere selezionato da un'analisi dell'acqua.

SS304 non è automaticamente adatto per acqua ad alto contenuto di cloruri. SS316L, acciaio inossidabile duplex o un'altra lega possono essere richiesti in condizioni più aggressive.

Anche l'interazione galvanica tra metalli dissimili dovrebbe essere esaminata.

Colonna montante in HDPE

L'HDPE può offrire resistenza alla corrosione, superfici interne lisce e giunzioni meno rigide.

La sua progettazione richiede un'attenta revisione di:

• Classe di pressione

• Carico di trazione

• Temperatura

• Scorrimento

• Metodo di giunzione

• Allungamento

• Compatibilità con la connessione della pompa

• Requisiti di supporto verticale

Il produttore del tubo dovrebbe confermare l'idoneità per un'installazione sospesa in pozzo.

Colonna montante in uPVC

Tubi di colonna in uPVC speciali sono utilizzati in alcuni sistemi di pozzi perché sono leggeri e resistenti alla corrosione.

Il tubo e le giunzioni filettate devono essere specificamente classificati per la profondità di installazione, la pressione e il carico sospeso. Un normale tubo in pressione non dovrebbe essere automaticamente utilizzato come tubo di colonna per pozzi profondi.

Supponiamo che una pompa per pozzo debba erogare 50 m³/h attraverso una colonna montante verticale di 140 m.

Due tubi candidati soddisfano i requisiti di connessione e pressione di base. Uno ha un diametro interno più piccolo, mentre l'altro ha un diametro interno più grande.

Il tubo più piccolo produrrà:

• Maggiore velocità dell'acqua

• Maggiore perdita di carico per attrito

• Maggiore prevalenza totale dinamica

• Maggiore sensibilità al colpo d'ariete

• Minore costo iniziale del tubo

Il tubo più grande produrrà:

• Minore velocità dell'acqua

• Minore perdita di carico per attrito

• Minore prevalenza richiesta alla pompa

• Potenzialmente minore consumo energetico operativo

• Maggiore costo iniziale e peso

La decisione corretta non può essere presa solo dal prezzo di acquisto.

L'ingegnere dovrebbe calcolare il punto operativo per entrambe le alternative, aggiungere ciascuna perdita di carico per attrito alla TDH e confrontare:

• Modello della pompa e potenza del motore

• Efficienza della pompa

• Consumo energetico annuale

• Costo del tubo e dell'installazione

• Classe di pressione

• Spazio libero nel pozzo

• Vita utile prevista

Un tubo più grande può ridurre il costo energetico del ciclo di vita, ma aumentare il diametro oltre il requisito pratico può offrire pochi benefici aggiuntivi.

Molte pompe per pozzo includono una valvola di ritegno alla scarico o vicino ad essa. Ulteriori valvole di ritegno possono essere considerate in lunghe colonne montanti, ma non dovrebbero essere aggiunte utilizzando una regola di spaziatura universale.

Valvole di ritegno posizionate in modo errato o inadatte possono contribuire a:

• Pressione intrappolata

• Shock idraulico

• Chiacchiericcio della valvola

• Chiusura ritardata

• Rotazione inversa

• Aumento della perdita di carico per attrito

• Manutenzione difficile

La disposizione delle valvole dovrebbe essere selezionata in base alla profondità della pompa, alla lunghezza del tubo, alla pressione, alla portata, al metodo di avviamento e alle istruzioni del produttore.

Confermare se la pompa selezionata include già una valvola di ritegno integrale prima di specificare valvole aggiuntive.

La colonna montante dovrebbe avere la stessa dimensione dell'uscita della pompa?

Non necessariamente. L'uscita determina la connessione immediata. Il diametro della colonna montante dovrebbe essere verificato utilizzando portata, velocità, perdita di carico per attrito, pressione, carico meccanico e spazio libero nel pozzetto.

Posso ridurre il diametro della colonna montante sopra la pompa?

Un riduttore potrebbe essere possibile, ma aumenta la velocità e può aggiungere perdite idrauliche. L'intero sistema deve essere ricalcolato e la transizione deve essere meccanicamente adatta.

Un tubo più grande migliora sempre le prestazioni della pompa?

Un diametro interno maggiore riduce la perdita di carico per attrito, ma dimensioni eccessive possono aumentare i costi, il peso e la difficoltà di installazione. Scegliere il diametro attraverso una valutazione idraulica e del ciclo di vita.

La perdita di carico per attrito dovrebbe essere calcolata dalla profondità del pozzo?

No. Utilizzare la lunghezza effettiva, il diametro interno, il materiale e la portata di progetto di ciascuna sezione del tubo. La sola profondità del pozzo non determina la perdita di carico per attrito.

L'HDPE può essere utilizzato come colonna montante per pompe per pozzo?

Sì, in installazioni adatte, ma il tubo specifico, le giunzioni e il sistema di supporto devono essere classificati per pressione interna, carico sospeso, temperatura, scorrimento e profondità di installazione.

Quante valvole di ritegno dovrebbe usare una pompa per pozzo profondo?

Non esiste una quantità o una spaziatura universale adatta a ogni pozzo. Seguire le raccomandazioni del progettista della pompa, della valvola e del sistema dopo aver esaminato le condizioni di profondità, pressione e transitorie.

La colonna montante influisce sulla potenza del motore della pompa?

Sì. L'attrito del tubo si aggiunge alla TDH. Una TDH più elevata può modificare il modello di pompa selezionato, il numero di stadi, il punto operativo e la potenza del motore richiesta.

Una colonna montante affidabile per pompe per pozzo deve soddisfare contemporaneamente i requisiti idraulici, di pressione, meccanici e di installazione.

Il processo di selezione dovrebbe:

• Confermare la portata di progetto.

• Utilizzare il diametro interno effettivo del tubo.

• Calcolare la velocità dell'acqua e la perdita di carico per attrito.

• Includere valvole e raccordi.

• Verificare la pressione operativa, di arresto e transitoria.

• Verificare la resistenza del tubo e delle giunzioni.

• Confermare lo spazio libero nel pozzetto.

• Selezionare un materiale compatibile con l'acqua.

• Valutare il costo energetico del ciclo di vita.

Non selezionare l'intera colonna montante solo dalla dimensione dell'uscita della pompa. Il diametro finale del tubo e la classe di pressione devono essere verificati rispetto alle condizioni effettive del pozzo e operative.

Inviare a SLAPK la portata e la prevalenza richieste, la profondità del pozzo, la profondità di installazione della pompa, il diametro interno minimo del pozzetto, il materiale e il diametro del tubo proposti, la pressione di uscita richiesta, la tensione, la frequenza e l'analisi dell'acqua.

I nostri ingegneri possono raccomandare una pompa per pozzo QJ o SP adatta e fornire la curva della pompa, le dimensioni dell'uscita e i dati di installazione necessari per la progettazione della colonna montante.