Курс Трубопроводная арматура. Введение и обзор основных тем

Можно обратить внимание на то, что одновременно уже были известны печные трубы, печи для обжига руды и плавки металла, трубы подачи теплового воздуха или дыма в термах, и, поэтому можно сказать, что отдельно начало проявляться направление газовой арматуры. К примеру, на руинах Карфагена были обнаружены остатки печи с местами для установки регулирующих устройств для регулирования подачи воздуха в печь.

Что касается потребности, то, кроме массового производства муки в мукомольных мельницах, можно отметить и такую интересную гидравлическую технологию как гидравлический разрыв пластов при добыче серебра на рудниках Рио-Тинто в Испанской провинции Римской империи. По заранее прорубленным щелям в породе резко подавалась вода с целью мгновенно заполнить все щели в породе и обрушить требуемый участок скалы, после чего рудный материал уже с легкостью обрабатывался.

Ретроспективный анализ, даже когда нет надежных данных, может дать нам достаточно полноценное представление о том, что могло использоваться в столь древние времена. Например, анализ подсказывает, что первым действительно серьезным элементом для перекрытия потока являлись краны, хотя это и несколько противоречит такой закономерности, как более "простая конструкция появляется первой". Например, задвижка должна появиться ранее, как более простая. Однако она заняла свое место в основном в трубопроводах большого диаметра в более поздние периоды.

Возникающие новые потребности и развитие производства вызывали новые толчки в развитии трубопроводных систем, в которые входит арматура. К примеру, военное судостроение Византии широко применяло специализированные помпы для огнеметания "греческого огня".

Средние века были эпохой восстановления и продолжения достижений древности и заимствований достижений арабского мира. Это время было эпохой водяных, а затем и ветряных мельниц. Как известно, в них использовались все виды труб от деревянных до свинцовых, бронзовых, медных и глиняных, а также "сундуки" для приема воды и, очевидно, специальные затворы для регулирования потоков. Большое внимание уделялось регулированию воды в плотинах через шандлеры. Известны также изобретения по подаче муки от мукомольных жерновов в упаковочные емкости. Таким образом, этот участок истории не мог быть провальным с точки зрения энергетической арматуры, понимаемой как арматура, использующая водную гидравлическую энергию.

НОВОЕ ВРЕМЯ

Важным пунктом, который можно было бы отметить как значимое для истории арматуростроения, это гидротехника и строительство каналов и особенно шлюзов и водяных мельниц для подъема воды. Это был период наиболее развитого использования гидравлической энергии.

Это направление характерно для большого исторического периода, характеризующегося большим объемом строительства каналов по всей Европе, но особенно в Англии. Гидротехника приобрела невиданные масштабы в низинных землях и речных долинах. Для обустройства гидротехнических сооружений строились плотины, устраивались искусственные озера и делались специальные водоспуски. Невозможно не отметить влияние развития гидротехники на осушение земель в Голландии, систему ветряных мельниц, сопряженных с системами поднятия воды и соответственно, использования конструкций, близких к шлюзовым затворам.

В России масштабы гидротехнического строительства были также значительны, что особенно характерно для России 17-18 веков. Так, на строительство Староладожского канала и его гидротехническое обустройство были привлечены не менее 40.000 человек суммарно. Это были вольные рабочие, солдаты, драгуны и казаки.

Гидротехнические сооружения весьма сложны и используют гидротехнические затворы, напоминающие шандлеры. Так описывают, например, Белозерский водоспуск:

"Белоозерский (зюйдский) водоспуск расположен к югу от канальной линии. Он служил для питания канала летом дополнительной водой из искусственного пруда-резервуара и представлял собой примыкающие к берегам устои с выделенным кордонным камнем и открылками, увенчанными балюстрадой с тумбами и балясинами. Между устоями в русле устанавливали несколько каменных или деревянных щитовых стоек, в которых находились щиты-шандоры. Такое устройство сохранялось до 1830-х гг. Щитовые стойки подобных водоспусков XVIII в. вынимались «как для свободного стечения воды, плавучего весною льда, так и для проходу с дровами и прочих судов и дровяных срубов» (цитируется по ИИЭТ История техники и музейное дело, №7 2014).

О сложности и масштабности сооружений, характеризующих эту линию развития технологии гидротехники, говорит инженерная часть в оснащении Ладожского канала. Н.И. Богданов и П.П. Базен разработали общую схему устройства шлюза с сообщающимися камерами и проект четырехкамерного шлюза. Согласно проекту, камеры четырехниточного шлюза соединялись между собой попарно трубами-водоводами, проложенными в середине быков. Запирались они щитами. Провод судов через шлюз занимал около 40 минут. Так, например, при вводе судна из Невы в канал, уравнивали горизонт воды в камере с горизонтом реки, затем открывали нижние ворота камеры, в которой горизонт воды был одинаков с уровнем реки, и вводили судно. После этого ворота закрывали и опускали щиты в полотнах ворот ниже горизонта Невы. Затем открывали боковые трубы, и вода устанавливалась на одном уровне в смежных камерах (каждая камера служила сберегающим бассейном для соседней). После этого опускали щиты верхних ворот, тем самым сравнивая уровень воды камеры и канала, и открывали верхние ворота. Пропускная способность шлюза была достаточно велика. За навигацию одного только 1846 г. через него прошло 17 817 судов и 1116 плотов. Новый тип сооружений впоследствии получил широкое распространение в России.

На рубеже 1800-х годов заканчивается эра шлюзовых затворов плотин, водоспускных каналов, как эпохи заката гидросиловых установок, как правило, для мельничного производства. К этому моменту они были распространены повсеместно и их количество поражало воображение даже на небольших реках. К примеру, на Ивановском канале на участке реки Непрядвы длиной 40 км, существовало до 40 мельниц, и они фактически представляли собой цельный каскад гидротехнических сооружений со средним подпором в 7 аршин для обеспечения высокой производительности мельниц (Данные исследований ИИЭТ РАН).

Закату использования гидравлической энергии послужили значительные сложности использования гидравлической энергии и необходимость в большом гидротехническом строительстве. Техника строительства плотин на протяжении всего XVII столетия почти не менялась. Обычно в дно реки забивались бревна, основание плотины укрепляли бутовым камнем, глиной, дубовыми досками. Впоследствии деревянные части для прочности стали скреплять гвоздями. Высота плотины достигала 3 саж. (6,5 м). Поперек плотины делались рубленные из дерева «водяные трубы», откуда вода попадала в деревянные «лари», а затем опять по трубам – на водяные колеса. Вода приводила в движение меха в плавильных и кричных горнах, огромные 20-пудовые молоты, вертельные, точильные станки (ИИЭТ конф. История техники и музейное дело, вып. № 7\2014). Работу механических устройств обслуживало множество труб, соединений с воздушными мехами, работающими от водяных колес и пр.

Приход пара высокого давления позволил полностью заменить столь сложные сооружения небольшими и достаточно компактными устройствами, обслуживающими исполнительные механизмы.

Зарождение и развитие капиталистической мануфактуры вызвало дальнейшее развитие арматурной техники. Промышленная революция XVIII в. обусловила строительство фабрично-заводских водопроводов. В то же время сброс промышленных сточных вод в открытые водоемы привел к их сильному загрязнению и поставил вопрос об обеспечении населения чистой водой. Возникла потребность в арматуре больших проходов для управления транспортом значительных объемов воды.

В городах широкое распространение начинают получать централизованные водопроводы с созданием полноценных систем подачи воды и одновременно с ней канализации с простыми способами организации управления потоками. В городской инфраструктуре движущими силами развития арматуры было и пожарное дело, поскольку в пожарной технике система – это не только насос, но и водоспускные трубы, и краны для перекрывания подачи воды в насос.

Кроме водопроводов в этот период повсеместно развивалась и горнодобыча и металлургия. Некоторые интересные экспонаты есть в Алтайском краеведческом музее (помимо пароатмосферной машины Ползунова). В 1952 г. в музей был передан инженером Двирным рудничный насос конца ХVIII в. Насос предназначался для откачки воды из рудника. Приводился в действие от конной машины или водяного колеса. На Алтае впервые насосы такого типа ввел в 1790-х гг. К.Д. Фролов (1726–1800), известный алтайский гидротехник. Насосы оснащались как отсечными, регулирующими, так и обратными клапанами (см. ИИЭТ История техники и музейное дело, №7 /2014).

На примере Прионежского металлургического завода – первом, построенном при Петре I и ставшем прообразом всех других, включая Уральские и Сибирские заводы, можно видеть, как гидросиловые установки становились неотъемлемой частью металлургического производства. Они все больше проявлялись как движущая сила для дальнейшего развития гидротехники. Особенность планировки завода заключалась в том, что производственные помещения завода располагались сразу за плотиной, а поток воды, имеющий у донной части плотины наибольшую плотность при температуре +4 ⁰С, отводился из нижней части плотины через прямоугольный, образованный из тщательно пригнанных друг к другу бревен, замкнутый канал, и распределялся по производственным помещениям с водяными колесами также по прямоугольным бревенчатым каналам, отходящим в стороны от основного канала. Замкнутый расположенными по контуру бревнами периметр прямоугольного канала защищал поток воды от замерзания при лютых морозах. В производственных помещениях водяной поток приводил в движение станки или механизмы через муфту сцепления. Отработавшая вода непрерывно сливалась по отводным каналам в русло реки. Напор при этом составлял уже несколько метров, а при использовании подземных каналов – несколько десятков метров. Схема плана и профили отводных каналов находятся в архиве Свердловской областной универсальной научной библиотеки им. В.Г. Белинского.