Курс Трубопроводная арматура. Введение и обзор основных тем

Многие связи между древними достижениями и сегодняшним уровнем арматуры улавливаются при исторической реконструкции. Так, например, известно, что стандарты в древности близки к современным, особенно по близости классификации диаметров и материалов, к используемым в настоящее время.

Для лучшего понимания эволюции арматуры мы воспользуемся многими доступными нам методами анализа и исследования развития арматуры.

НАЧАЛО

Первая идея открывать и закрывать русло потока родилась у первобытного человека, который прекратил поступление воды, заткнув обработанной палкой отверстие в стене или своде пещеры. При необходимости пополнения запасов воды палка вынималась, и это был первый клапан, управляемый человеком.

За пять тысяч лет до новой эры описаны сооружения для организации водоснабжения в древних культурно развитых странах, например, Египте, Вавилоне, Китае с целью орошения и питьевого водоснабжения. Можно предположить, что для прекращения, распределения потоков, исключения обратного потока применялись какие-то клапаны. Возможно, они выполнялись из дерева и были похожи на створки ворот, что дало основание назвать в английском языке задвижки “Gate valve” – «клапан – ворота». В некоторых передачах по древнему Египту (Viasat History) демонстрировались шлюзы и некоторое подобие шлюзовых затворов, способных эффективно отсекать или перераспределять воду по различным каналам.

Конечно, арматура, применяемая в ирригационных каналах, была крайне примитивной. Зачастую использовались стволы деревьев или камни, хотя не исключено, что мастера по обработке дерева могли создавать конструкции, похожие на современные. Например, так могли появиться т.н. называемые шандлеры – тип арматуры, состоящей из двух боковых направляющих, в которые закладываются отдельные брусья или обтесанные бревна, закрывающие проход на нужной высоте. Прообразами шлюзовых затворов могли быть первые шлюзовые задвижки (затворы), дальние потомки которых и сейчас используются в открытых водоводах. По такому принципу до сих пор действуют ирригационные каналы древнейших времен, на которых установлены примитивные шлюзовые затворы и которые Египтяне используют и сегодня.

В это же время начало структурироваться и конструктивное исполнение основных элементов арматуры – затвора, сальников, уплотнений и основных материалов в них. В частности, впервые арматуру можно было разделить на отдельные конструктивные элементы, и начали появляться способы обработки поверхностей для достижения гладкости перемещения затвора и оценки герметичности.

В 450-е годы до новой эры упомянут акведук на Сицилии, а в 312 году – в Риме. В этих водопроводах применялись цилиндрические и конусные краны, а также обратные клапаны. Однако задолго до этого акведуки длиной не менее 50 км использовались в древнем Вавилоне для подачи чистой питьевой воды в самый большой по тем временам город мира – Вавилон с населением более 150.000 человек.

Развитие арматуры неразрывно связано с насосами, первым из которых считается цепной насос, используемый египтянами для подачи питьевой воды в Каир за 1700 лет до нашей эры. Системы подачи воды на верхний уровень существовали и в ирригационных системах по примеру простых подъемных ручных механизмов (журавль). Заметно некоторое притяжение этих сопрягающихся технических систем: до насоса в открытых ирригационных каналах существовало подобие насосных систем – Подъемное устройство + затворы. Но как только появляется дополнительный подпор, больше гравитационного, то появляются закрытые трубопроводы и разнообразные типы насосов, ставшие прообразами современных.

Любой насос эффективен только при наличии обратных клапанов или затворов. Насосы в ирригации использовались довольно широко. По одной из версий историков, в висячих садах Вавилона применялись винтовые насосы, качающие воду из Евфрата на четыре высоких яруса. Из бассейнов на громадной высоте вода скатывалась, изливаясь водопадами и фонтанами, давая жизнь деревьям, кустарникам и цветникам на всех четырех ярусах. В этой сложной системе было невозможно обойтись без арматуры. Древнегреческие историки Геродот, Ктесий, Иосиф Флавий, Страбон не оставили описания способов подачи воды на верхние платформы садов. По-видимому, существовал комплекс технического обслуживания гидравлических систем, в котором на невысоких этажах располагались насосы и арматура, люди или животные, приводящие их в действие. По одной из версий художника, изобразившего устройство для подъема воды, применялись винтовые насосы. Древность часто нам ничего не оставляет в виде материальных объектов, однако, поиск через художественные произведения и моделирование управления потоками через знание тогдашних технологий, дает более или менее качественно точное представление о требованиях к арматуре и даже возможных ее конструкциях.

Еще до Архимеда, открывшего законы гидростатики, насосы работали по принципу «архимедова винта» – водоподъемного устройства, которое использовалось для орошения полей. Подобные насосы до сих пор применяются на полях Ирака. Это было неразрывно связано с использованием имеющегося движителя – мула или ослика. Здесь начинает проявляться и еще одна закономерность – начало развития закрытых гидравлических систем, связанных с повышением давления, развитием производства труб и арматуры.

Уже в первых поршневых насосах, созданных за 200 лет до нашей эры греческим механиком Ктесибием и описанных в 1 в. нашей эры Героном Александрийским в труде "Пневматика", использовались откидные (поворотные) и дисковые клапаны, которые стали прототипами современных поворотных и подъёмных обратных клапанов. Все элементы классического поршневого насоса (плунжер, обратные затворы и эксцентриковый привод плунжера) уже были использованы в этом насосе. Стоит сказать, что эти достижения использовались в последующих конструкциях, ставших прообразами элементов разработанного уже в наши дни поршневого насоса.

Кроме того из древности известны и другие способы создания напора, что говорит о том, что на развитие арматуры влияет не только создание определенного вида механических устройств, но и создание напорных технологий в трубопроводе в целом. В частности, для поднятия на большую высоту воды использовалось подобие насоса, достаточно широко применявшееся и использующее явление гидравлического удара. В этом устройстве в трубе между двух сообщающихся сосудов, где сосуд меньшего диаметра расположен на достаточно большой высоте – в 10 и более метров, есть полузакрытое отверстие, в которое наполовину вставлен клин. При мощном ударе молотком клин закрывает отверстие и образует волну гидравлического удара, идущую в сторону, как малого сосуда, так и большого и поднимающего воду. Обратная волна, отразившись от большего сосуда, находящегося на малой высоте поднимает дополнительный объем на большую высоту.

Бронзовые и латунные пробковые краны использовались римлянами в качестве запорной арматуры в главных и распределительных системах водоснабжения.

При царе Пергама Эвмене II (Греция) около 180 года до н.э. был создан напорный водопровод длиною в несколько километров, с помощью которого подавали воду в водохранилище Пергамской крепости, построенной на горе. Трубопровод пролегал по различным седловинам гор, поэтому разница высот расположения достигала 195 метров. Для достижения необходимого напора воды необходимо было давление от 16 до 20 атмосфер. Считают, что эти трубы были изготовлены из бронзы. Как можно судить по размерам каменной обкладки, диаметр труб составлял около 300 миллиметров. Водопровод был снабжен насосами и арматурой. К сожалению, остатки арматуры не сохранились.

Еще в более ранний период, в г. Византиум до Римского завоевания, т.е. ранее 180 г. до н.э., одним способом развития обработки и хранения воды служили подземные водяные хранилища, снабженные спусковыми устройствами для слива воды, необходимой для очистки хранилища. Водохранилища существует в виде музея и до наших дней, правда перестроены сначала римлянами, а потом и Византийцами. В настоящее время она известна, как Цистерна Базилика и находится в Стамбуле.

На рис. 1 изображён большой пробковый кран, найденный при раскопках остатков дворца императора Тиберия на Капри. Известны эскизы Леонардо да Винчи по разработке каналов, ирригационных систем и насосов, включающие арматуру.

Рис. 1. Пробковый кран времен императора Тиберия на Капри

На возникновение потребности в большом количестве однотипных конструкций общество ответило организацией промышленного производства арматуры. Рост потребности в арматуре был связан в т.ч. и с увеличением количества и ростом единичной мощности (говоря современным языком) первых промышленных фабрик, например, по помолу зерна.

Фабрики основывались на использовании гидравлической энергии. Так, одна из крупнейших в Европе Римского периода фабрика мельница зерна имела до 8 каскадов с огромными колесами и закрытыми лотками для создания подпора падающей воды. Учитывая, что это серьезный движитель, который должен был работать в условиях разной производительности, устройства регулирования подачи воды на водяные колеса представляли из себя достаточно развитый вид арматуры, как правило, щитового типа.