Курс Трубопроводная арматура. Введение и обзор основных тем

Горобченко Станислав Львович

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.

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).