Forskare har undersökt hur vatten i ett experimentellt ledningsnät under olika hastighet och tryck påverkar partiklar i nätet. Genom ventilmanövrar kunde de studera hur tryckfronter påverkar förhållandena.
Av: Kenneth M Persson
Dricksvattenförsörjning grundas på tre komponenter: råvattnen, dricksvattenberedningen i vattenverken och distributionssystemet. Alla tre delar måste fungera för att systemet skall kunna fungera. Till skillnad från råvattnen och beredningen är det mesta av distributionssystemet dolt för både huvudmannen och konsumenten. Vid traditionell modellering av ledningsnätet betraktas det som stationärt. Detta är en förenkling av verkligheten. Styrning och kontroll av ledningsnät sker oftast indirekt och empiriskt och till skillnad från råvattnen och vattenverken, där huvudmannen ändå kan överblicka ungefär vad som händer, är ledningsnätet helt utlämnat till hur konsumenterna väljer att använda det i form av sina vattenuttag. Från Reykjaviks vattenverk rapporteras till exempel ett uttag av dricksvatten på 0 l/s under första halvlek i åttondelsfinalen mellan Island och England den 27 juni 2016. (Island vann, 2-1). I halvlek var vattenuttaget desto större.
De normalt sett faktiska stora flödesvariationerna i ledningsnätet innebär att flödeshastigheten varierar och att trycket varierar. I praktiken är nätet alltid instationärt och hydraulikerna kallar sådana variationer för hydrauliska transienter. Om transienterna blir tillräckligt stora kan olika material i form av biofilm, korrosionsprodukter eller sediment som sitter på rörväggen flyttas och därmed orsaka oacceptabel vattenkvalitet och sänkt kundnöjdhet. Det är välkänt att sådant material byggs upp överallt på ytan av alla rör som finns i ledningsnätet. Den pålagda hydrauliska kraften från transienten måste vara större än attraktionskraften som finns mellan det vidhäftade materialet och rörväggen för att någon mobilisering skall uppstå. Om en tillräckligt hög kraft når fram till materialet kan det börja röra på sig och kanske till och med nå fram till kundernas kran. Weston och medarbetare (2021) har med hjälp av olika experiment undersökt hur transienter påverkar mobilisering av material i en ledning och genom noggranna studier i hög tidsupplösning följt hur materialet flyttas under en transientepisod.
Artikeln
En transient genererar en tillfällig störning av energibalansen i nätet. Flera förhållanden ändras i nätet då det förändras från en uppsättning stationära tillstånd till en annan. Viktigast är flödeshastighet och trycket som sätter gränsen för hur stor transienten blir. Mobilisering på grund av transienter kan mätas fysiskt och modelleras numeriskt med kraftbalanser. I aktuell artikel byggde forskarna upp en ledningsnät av 141 meter polyetylenledning med 50 mm innerdiameter. Vattnet i det experimentella ledningsnätet pumpades runt förbi försöksuppställningen med olika hastighet och tryck. I ledningen placerades en rörbit av akrylat som var genomskinlig och på utsidan av akrylatbiten sattes en elektromagnetisk spole med varierbar strömstyrka. Små magnetiska och släta järnkulor med en diameter på 500 µm och en vikt på 0,51 mg vardera placerades i röret på insidan av spolen. En magnetisk attraktionskraft mellan järnpartikeln och spolen inducerades med hjälp en elektrisk ström som skickades i spolen. Ovanför partikeln sattes en höghastighetskamera som tog 400 bilder per sekund. Genom att snabbt öppna eller stänga en vridspjällsventil kunde trycktransienter induceras i ledningsnätet och effekterna på mobilisering av partikeln följas. Med kamerans hjälp kunde partikelns rörelse följas med hög upplösning. Författarna noterar att en järnkula inte ser ut som en vidsträckt biofilm, men menar att deras transientmätningar ändå visar hur stora krafterna kan bli vid instationära förhållanden och när partikeln börjar röra sig.
Varje ventilmanöver inducerade en tryckfront som rörde sig snabbt genom nätet. I detta fall beräknades tryckfronten flytta sig med en hastighet på 375 m/s. När vridspjällsventilen stängdes ökade trycket över järnpartikeln och en accelererad tryckpuls rörde sig i ledningen. När ventilen öppnades minskade trycket och en retarderad tryckpuls rörde sig i ledningen. Bägge pulserna yttrar sig som en sinusformad tryckvåg med successivt dämpad höjd (amplitud). Den accelererade pulsen mobiliserade alltid järnpartikeln, medan den retarderade pulsen bara gjorde det i vissa fall men inte i alla. Det tog omkring 0,0036 s för vågen att passera över partikeln, som började röra på sig först efter cirka 0,053 s, det vill säga i detta sammanhang långt senare än tryckfronten passerat. Författarna menar att detta visar att kraftbalansen påverkas av annat än bara tryckförändringen. Förändringen av skjuvhastigheten i vattnet vid rörväggen är viktigare som förklaring till om partikeln börjar röra sig. När tryckvågen passerar över järnpartikeln bildas en kortvarig obalans av krafter på framsidan och baksidan av partikeln och det är denna skjuvkraft som främst kan mobilisera partikeln.
Weston och medarbetare såg också en skillnad i om huvudflödet i ledningen var turbulent eller laminärt. Vid laminära förhållanden åstadkom tryckvågen en mobilisering snabbare, i storleksordningen 0,05 sekunder efter tryckvågspassagen, medan mobilisering tog längre tid under turbulenta flödesförhållanden, så lång tid som 0,4-0,5 sekunder. Detta gällde för den accelererade tryckpulsen. För den retarderade pulsen var mobiliseringen snabbare, om den skedde, och skedde efter omkring 0,05 sekunder, även vid turbulent strömning. Men mobilisering skedde inte alltid vid retarderat tryckpuls. En intressant observation var att det aldrig skedde någon mobilisering av partikeln vid retarderat tryckslag om vattenflödet hölls igång efter öppning. Författarna konstaterar att de potentiella interaktionerna inte är enkla att beskriva utan att det krävs ytterligare arbete för att undersöka vilka detaljerade fysiska effekter som uppstår i ledningen vid ett tryckslag.
Trycktransienter (tryckslag) påverkar ledningarna men också hur mycket material som kan mobiliseras. Så långt möjligt verkar det vara önskvärt att försöka minimera trycktransienter i ledningar. Genom att stänga en ventil, så att en accelererad tryckpuls bildas, orsakar alltid en situation där vidhäftat material börjar mobiliseras. Genom att öppna en ventil, så att en retarderad tryckpuls bildas, kan också leda till att vidhäftat material börjar röra på sig. Det är för den praktiska driften mycket viktigt att ha så många mjukstängande och mjuköppnande ventiler som möjligt. Varje häftig skillnad i flöde och tryck i ledningen ökar risken för att mobilisera material, för att inte tala om riskerna för mekaniska skador på ledningsnät och installationer. Som huvudregel bör ansvariga för ledningsnät välja ventiler som alltid är mjuköppnande och mjukstängande. Åtgärder för att dämpa tryckslag, genom till exempel tryckklockor eller svalltorn, innebär också ett skydd mot onödig materialtransport i ledningen.
Slutledning
Artikeln är välskriven och förhållandevis lättillgänglig för den som hyser ett intresse för trycksatta ledningsnät. De experiment som redovisas kan lämpligen begrundas i stor detalj av personer som utvecklar hydrauliska modeller eller mätmetoder för moderna trycksatta ledningsnät. Det finns så mycket roligt kvar att förstå.
