Wie dimensioniert man die Steigleitung für eine Bohrlochpumpe?

Die Steigleitung ist das vertikale Rohr, das Wasser von einer untergetauchten Bohrlochpumpe zum Bohrlochkopf transportiert. Die Auswahl mag einfach erscheinen: Schließen Sie ein Rohr an den Pumpenauslass an und führen Sie es bis zur Oberfläche.

In der Praxis beeinflusst die Steigleitung die Pumpenleistung, den Energieverbrauch, die Installationslast, den Wasserschlag, die Wartung und die langfristige Zuverlässigkeit.

Ein zu kleines Rohr erzeugt eine hohe Wassergeschwindigkeit und einen übermäßigen Reibungsverlust. Die Pumpe muss dann gegen einen zusätzlichen Druck arbeiten, was den geförderten Durchfluss reduzieren und den Energieverbrauch erhöhen kann.

Ein unnötig großes Rohr kostet mehr, erhöht das Gewicht und kann schwierig im verfügbaren Bohrlochgehäuse zu installieren sein.

Der Pumpenauslass ist auch nicht automatisch der richtige Durchmesser für die gesamte Steigleitung. Die Auslassgröße gibt die mechanische Verbindung an der ausgewählten Pumpe an. Der endgültige Rohrdurchmesser muss anhand des Auslegungsdurchflusses, des inneren Rohrdurchmessers, der Länge, des Materials, der Druckstufe und der Installationsbedingungen überprüft werden.

Eine Steigleitung, auch Steigrohr, Fallrohr oder Ausflussrohr genannt, verbindet den Ausgang der Tauchpumpe mit dem Bohrlochkopf.

Je nach Installation kann sie hergestellt sein aus:

• Kohlenstoffstahl

• Verzinkter Stahl

• Edelstahl

• HDPE

• uPVC

• Verstärktes flexibles Rohr

• Ein anderes zugelassenes Druckrohrmaterial

Das Rohr muss das gepumpte Wasser fördern und gleichzeitig die Lasten tragen oder aufnehmen, die durch die Pumpenbaugruppe, das Kabel, die Rückschlagventile und die Wassersäule entstehen.

Bei einigen Installationen trägt die Steigleitung die Pumpe mechanisch. Bei anderen wird ein separates Sicherheitsseil oder ein Trägersystem bereitgestellt. Die gesamte Anordnung muss den Anweisungen des Rohrherstellers und den örtlichen Installationsanforderungen entsprechen.

Der Rohrdurchmesser beeinflusst die Wassergeschwindigkeit und den Reibungsverlust.

Bei einer gegebenen Durchflussrate erhöht die Verringerung des Innendurchmessers die Geschwindigkeit. Höhere Geschwindigkeit erhöht im Allgemeinen den Reibungsverlust und macht das System empfindlicher gegenüber plötzlichen Ventilbewegungen und dem Starten oder Stoppen der Pumpe.

Die Erhöhung des Rohrdurchmessers reduziert die Geschwindigkeit und den Reibungsverlust, erhöht aber auch die Materialkosten, das Rohrgewicht und den Platzbedarf im Bohrloch.

Der richtige Durchmesser ist daher ein Gleichgewicht zwischen:

• Erforderlicher Pumpendurchfluss

• Akzeptable Wassergeschwindigkeit

• Zulässiger Reibungsverlust

• Gesamte Installationskosten

• Rohr-Druckstufe

• Verfügbare Gehäusefreiheit

• Mechanische Festigkeit

• Installations- und Entnahmeanforderungen

Die Rohrgröße sollte als Teil des gesamten Pumpensystems ausgewählt werden und nicht erst, nachdem die Pumpe bereits bestellt wurde.

Ein Bohrlochpumpenkatalog gibt normalerweise eine Auslassgröße für jede Pumpenfamilie an.

Zum Beispiel können verschiedene SLAPK 6SP-Modellfamilien unterschiedliche Auslassanschlüsse verwenden, da ihre Nennflussbereiche unterschiedlich sind. Die 8SP-Serie dient im Allgemeinen für höhere Durchflussmengen und verwendet größere Auslassanschlüsse.

Die Auslassabmessung bestimmt jedoch nicht unabhängig den besten Durchmesser der Steigleitung.

Ein kurzer, konstruierter Übergang kann verwendet werden, wenn der berechnete Rohrdurchmesser vom Pumpenauslass abweicht, vorausgesetzt:

• Der Übergang ist mechanisch geeignet.

• Die Druckstufe ist ausreichend.

• Der Anschluss verursacht keinen übermäßigen lokalen Verlust.

• Der Übergang passt in das Gehäuse.

• Die Baugruppe kann sicher abgesenkt und entnommen werden.

• Der Hersteller genehmigt die Konfiguration.

Wählen Sie kein Rohr nur deshalb aus, weil seine Nennweite mit dem Auslassgewinde oder Flansch übereinstimmt.

Die Steigleitung muss für den tatsächlichen Auslegungsdurchfluss dimensioniert werden, nicht für den maximalen veröffentlichten Durchfluss der Pumpe.

Der Auslegungsdurchfluss sollte sich aus der Anwendung ergeben, wie z. B.:

• Bewässerungsbedarf

• Kommunaler Wasserverbrauch

• Füllzeit des Speichertanks

• Industrieller Prozessbedarf

• Wasserbedarf für Vieh

• Brandschutzwasserbedarf

• Wasserförderung für Minen oder Baustellen

Die ausgewählte Pumpe muss diesen Durchfluss bei der berechneten Gesamtdruckhöhe liefern.

Wenn das System bei mehreren Durchflussraten betrieben wird, überprüfen Sie das Rohr bei:

• Minimaler Dauerfluss

• Normaler Auslegungsfluss

• Maximal erwarteter Durchfluss

• Betriebsgrenzen bei variabler Geschwindigkeit

• Zukünftiger Erweiterungsfluss, falls bestätigt

Der Reibungsverlust steigt nicht linear mit dem Durchfluss. Eine relativ geringe Erhöhung des Durchflusses kann zu einer viel größeren Erhöhung des Rohrverlusts führen.

Hydraulische Berechnungen müssen den Innendurchmesser des Rohrs verwenden.

Zwei Rohre mit der gleichen Nennweite können unterschiedliche Innendurchmesser haben aufgrund von:

• Wandstärke

• Rohrplan

• Druckklasse

• Material

• Herstellungsstandard

• Innenbeschichtung

Ein Hochdruckrohr hat normalerweise eine dickere Wand als ein Niederdruckrohr mit demselben Außendurchmesser. Die dickere Wand reduziert die innere Strömungsfläche.

Die Verwendung des Nenndurchmessers anstelle der tatsächlichen Bohrung kann die Wassergeschwindigkeit und den Reibungsverlust unterschätzen.

Holen Sie sich die Maßdaten des Rohrherstellers, bevor Sie die Berechnung abschließen.

Die durchschnittliche Wassergeschwindigkeit kann aus der Durchflussrate und der inneren Querschnittsfläche des Rohrs berechnet werden:

Geschwindigkeit = Durchflussrate ÷ Innere Rohrläche

Für ein kreisförmiges Rohr:

v = 4Q ÷ (πD²)

Wobei:

• v die durchschnittliche Wassergeschwindigkeit ist

• Q die volumetrische Durchflussrate ist

• D der tatsächliche innere Rohrdurchmesser ist

• π ungefähr 3,1416 ist

Alle Einheiten müssen konsistent sein. Wenn der Durchfluss in Kubikmetern pro Stunde angegeben ist, konvertieren Sie ihn in Kubikmeter pro Sekunde, bevor Sie die Geschwindigkeit in Metern pro Sekunde berechnen.

Die Geschwindigkeit ist ein Screening-Parameter, nicht das einzige Auswahlkriterium. Der akzeptable Bereich hängt vom Rohrmaterial, der Systemauslastung, der Startmethode, der Wasserschlag-Analyse und dem geltenden technischen Standard ab.

Vermeiden Sie die Anwendung einer einzigen universellen Geschwindigkeitsgrenze für jedes Projekt.

Der Reibungsverlust ist der Druckverlust, der auftritt, wenn Wasser durch die Steigleitung strömt.

Er hängt ab von:

• Durchflussrate

• Tatsächlicher Innendurchmesser

• Rohrlänge

• Rohrauheit

• Rohrmaterial

• Alter und innerer Zustand des Rohrs

• Wassereigenschaften

Darcy-Weisbach und Hazen-Williams sind gängige Methoden für Wasserleitungsberechnungen.

Darcy-Weisbach kann auf eine breite Palette von Flüssigkeiten und Rohrmaterialien angewendet werden, wenn der richtige Reibungsfaktor verwendet wird. Hazen-Williams wird häufig für Wassersystemschätzungen verwendet, aber sein Koeffizient muss entsprechend ausgewählt werden.

Für eine nachvollziehbare Berechnung:

1. Identifizieren Sie die vollständige vertikale Rohrlänge.

2. Bestätigen Sie den Innendurchmesser und das Material.

3. Berechnen Sie den Verlust pro Längeneinheit bei der Auslegungsdurchflussrate.

4. Multiplizieren Sie mit der tatsächlichen Rohrlänge.

5. Wiederholen Sie die Berechnung bei anderen erwarteten Betriebsdurchflüssen.

6. Berücksichtigen Sie das Ergebnis in der Gesamtdruckhöhe des Systems.

Verwenden Sie keinen allgemeinen Prozentsatz der Bohrtiefe als Ersatz für eine Rohrverlustberechnung.

Für die vollständige Druckhöhenmethode siehe Anleitung zur Dimensionierung von Tiefbrunnenpumpen: Wie man Durchflussrate und Gesamtdruckhöhe berechnet.

Die Steigleitung ist nicht die einzige Quelle für hydraulischen Widerstand.

Zusätzliche Verluste können auftreten durch:

• Pumpenauslassübergänge

• Rückschlagventile

• Schieber

• Klappenventile

• Bögen

• T-Stücke

• Reduzierstücke

• Durchflussmesser

• Manometer und Manometeranschlüsse

• Filter

• Bohrlochkopfanschlüsse

• Regelventile

• Tankeinlaufbaugruppen

Diese Verluste können mit Verlustkoeffizienten, äquivalenten Rohrlängen oder Herstellerdaten berechnet werden.

Rückschlagventile verdienen besondere Aufmerksamkeit. Ein Ventil, das nur nach Nennweite ausgewählt wird, kann bei hohem Durchfluss einen erheblichen Verlust verursachen. Bestätigen Sie seine volle Öffnungsfläche, Druckstufe, Ausrichtung und Eignung für den vertikalen Betrieb.

Das Rohr muss mehr aushalten als der normale Auslassdruck an der Oberfläche.

Abhängig von der Betriebsbedingung kann der höchste Druck in der Nähe der Pumpe oder während eines transienten Ereignisses auftreten.

Die Druckprüfung sollte umfassen:

• Pumpenabschaltdruck

• Statischer Wassersäulendruck

• Normaler Betriebsdruck

• Erforderlicher Bohrlochkopfdruck

• Ventilschließung

• Pumpenstart und -stopp

• Wasserschlag

• Höhenänderungen

• Druckregelungs-Einstellungen

• Prüfdruck

• Sicherheitsmarge gemäß Rohrstandard

Die untersten Abschnitte einer tiefen Steigleitung können hohem Innendruck ausgesetzt sein.

Wählen Sie die Druckklasse nicht nur anhand des normalen Bohrlochkopf-Messwerts aus. Der Planer sollte die schwerwiegendste glaubwürdige Betriebs- und transiente Bedingung prüfen.

Wasserschlag ist eine vorübergehende Druckänderung, die durch eine schnelle Änderung der Wassergeschwindigkeit verursacht wird.

Er kann auftreten, wenn:

• Die Pumpe plötzlich startet.

• Die Pumpe nach einem Stromausfall stoppt.

• Ein Rückschlagventil schnell schließt.

• Ein Oberflächenventil zu schnell geschlossen wird.

• Ein Frequenzumrichter zu aggressiv die Geschwindigkeit ändert.

• Der Durchfluss umkehrt, bevor das Rückschlagventil schließt.

Die Schwere hängt von der Rohrlänge, der Wassergeschwindigkeit, dem Rohrmaterial, dem Ventilverhalten und der Änderungsrate der Geschwindigkeit ab.

Eine lange vertikale Steigleitung enthält eine beträchtliche bewegliche Wassersäule. Ein falsch ausgewähltes Rückschlagventil oder eine schnelle Abschaltung kann schädliche Druckstöße verursachen.

Mögliche Steuerungen umfassen:

• Nicht-Schlag-Rückschlagventile

• Gesteuerte Ventilbetätigung

• Sanftanlauf

• Gesteuerte Frequenzumrichter-Beschleunigung und -Verzögerung

• Druckstoßbehälter

• Druckentlastungsvorrichtungen

• Andere konstruierte Druckstoßsteuergeräte

Eine detaillierte transiente Analyse kann für tiefe Brunnen, lange Rohrleitungen und Hochdurchflusssysteme erforderlich sein.

Die Steigleitung muss ihr eigenes Gewicht, das Gewicht des enthaltenen Wassers und alle von ihr getragenen Geräte sicher tragen.

Relevante Lasten umfassen:

• Trockengewicht des Rohrs

• Gewicht der Wassersäule

• Gewicht von Pumpe und Motor

• Gewicht des Rückschlagventils

• Gewicht von Kabel und Kabelschutz

• Gewicht der Kupplung

• Dynamische Lasten während des Starts und Stopps

• Lasten während der Installation und Entnahme

• Wasserschlagkräfte

• Lasten der Bohrlochkopfstütze

Bei Stahlrohren mit Gewinde die Festigkeit von Gewinde und Kupplung überprüfen. Bei Flanschrohren die Anordnung von Flansch, Schrauben und Dichtung überprüfen.

Bei Kunststoffrohren Zuglast, Kriechen, Temperatureffekte, Verbindungsbewertung und Herstellergrenzen für hängende vertikale Anwendungen prüfen.

Ein Rohr, das die Innendruckanforderung erfüllt, kann für die hängende mechanische Last ungeeignet sein.

Der Außendurchmesser der Steigleitung, der Kupplungen und des Zubehörs muss durch den minimalen Innendurchmesser des Gehäuses passen.

Überprüfen Sie die vollständige Installationshülle, einschließlich:

• Rohrkupplungen

• Flansche

• Pumpenauslassübergang

• Rückschlagventile

• Stromkabel

• Kabelschutz

• Kabelklemmen

• Spleißschutz

• Zentrierer

• Sicherheitsseil

• Hebemittel

Die größte Komponente kann eine Kupplung oder ein Ventil sein und nicht das Rohr selbst.

Berücksichtigen Sie auch:

• Bohrlochabweichung

• Gehäusefugen

• Innennahtschweißungen

• Auskleidungen

• Ablagerungen

• Verformung

• Änderungen des Gehäusedurchmessers

Eine theoretische Metall-zu-Metall-Passung ist keine akzeptable Installationszulage.

Weitere Informationen zur Maßfreiheit finden Sie unter 6-Zoll vs. 8-Zoll Bohrlochpumpen: Wie man wählt.

Steigleitung aus Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl bietet hohe mechanische Festigkeit und ist weit verbreitet. Er kann für tiefe und Hochdruckinstallationen geeignet sein.

Korrosion muss jedoch berücksichtigt werden. Innere Korrosion erhöht die Rauheit und den Reibungsverlust, während äußere Korrosion die Wandstärke reduziert.

Beschichtungen, Auskleidungen und Korrosionszuschläge können erforderlich sein.

Steigleitung aus verzinktem Stahl

Verzinkter Stahl wird häufig in Wasserbrunneninstallationen verwendet, insbesondere bei moderaten Größen.

Seine Eignung hängt von der Wasserchemie, der Installationslebensdauer, Gewindeverbindungen und lokalen Standards ab. Beschädigte Verzinkung an Gewinden oder Verbindungen kann zu Korrosionsstellen werden.

Steigleitung aus Edelstahl

Edelstahl bietet eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, aber die richtige Güte muss anhand einer Wasseranalyse ausgewählt werden.

SS304 ist nicht automatisch für chloridhaltiges Wasser geeignet. SS316L, Duplex-Edelstahl oder eine andere Legierung kann unter aggressiveren Bedingungen erforderlich sein.

Galvanische Wechselwirkungen zwischen ungleichen Metallen sollten ebenfalls überprüft werden.

Steigleitung aus HDPE

HDPE kann Korrosionsbeständigkeit, glatte Innenflächen und weniger starre Verbindungen bieten.

Seine Auslegung erfordert eine sorgfältige Prüfung von:

• Druckklasse

• Zuglast

• Temperatur

• Kriechen

• Verbindungsmethode

• Dehnung

• Kompatibilität mit dem Pumpenanschluss

• Anforderungen an die vertikale Unterstützung

Der Rohrhersteller sollte die Eignung für eine hängende Bohrlochinstallation bestätigen.

Steigleitung aus uPVC

Spezialisierte uPVC-Steigrohre werden in einigen Bohrlochsystemen verwendet, da sie leicht und korrosionsbeständig sind.

Das Rohr und die Gewindeverbindungen müssen speziell für die Installationstiefe, den Druck und die hängende Last ausgelegt sein. Gewöhnliche Druckrohre sollten nicht automatisch als Tiefbrunnen-Steigrohr verwendet werden.

Angenommen, eine Bohrlochpumpe muss 50 m³/h durch eine 140 m vertikale Steigleitung fördern.

Zwei Kandidatenrohre erfüllen die grundlegenden Anschluss- und Druckanforderungen. Eines hat einen kleineren Innendurchmesser, während das andere einen größeren Innendurchmesser hat.

Das kleinere Rohr wird erzeugen:

• Höhere Wassergeschwindigkeit

• Größerer Reibungsverlust

• Höhere Gesamtdruckhöhe

• Größere Empfindlichkeit gegenüber Wasserschlag

• Geringere anfängliche Rohrkosten

Das größere Rohr wird erzeugen:

• Niedrigere Wassergeschwindigkeit

• Geringerer Reibungsverlust

• Eine niedrigere erforderliche Pumpenhöhe

• Potenziell geringerer Betriebsstromverbrauch

• Höhere Anfangskosten und Gewicht

Die richtige Entscheidung kann nicht allein vom Kaufpreis abhängen.

Der Ingenieur sollte den Betriebspunkt für beide Alternativen berechnen, jeden Reibungsverlust zur Gesamtdruckhöhe addieren und vergleichen:

• Pumpenmodell und Motorleistung

• Pumpenwirkungsgrad

• Jährlicher Energieverbrauch

• Rohr- und Installationskosten

• Druckklasse

• Bohrlochfreiheit

• Erwartete Lebensdauer

Ein größeres Rohr kann die Energiekosten über die Lebensdauer senken, aber die Vergrößerung des Durchmessers über die praktische Anforderung hinaus kann nur geringe zusätzliche Vorteile bringen.

Viele Bohrlochpumpen enthalten ein Rückschlagventil am oder in der Nähe des Auslasses. Zusätzliche Rückschlagventile können bei langen Steigleitungen in Betracht gezogen werden, sollten aber nicht nach einer universellen Abstandsregel hinzugefügt werden.

Falsch positionierte oder ungeeignete Rückschlagventile können beitragen zu:

• Eingeschlossener Druck

• Hydraulischer Stoß

• Ventilflattern

• Verzögerte Schließung

• Rückwärtsdrehung

• Erhöhter Reibungsverlust

• Schwierige Wartung

Die Ventilkonfiguration sollte entsprechend der Pumpentiefe, Rohrlänge, des Drucks, des Durchflusses, der Startmethode und der Herstelleranweisungen ausgewählt werden.

Bestätigen Sie, ob die ausgewählte Pumpe bereits ein integriertes Rückschlagventil enthält, bevor Sie zusätzliche Ventile spezifizieren.

Sollte die Steigleitung die gleiche Größe wie der Pumpenauslass haben?

Nicht unbedingt. Der Auslass bestimmt den direkten Anschluss. Der Durchmesser der Steigleitung sollte anhand von Durchfluss, Geschwindigkeit, Reibungsverlust, Druck, mechanischer Last und Gehäusefreiheit überprüft werden.

Kann ich den Durchmesser der Steigleitung oberhalb der Pumpe reduzieren?

Ein Reduzierstück ist möglich, aber es erhöht die Geschwindigkeit und kann zu zusätzlichen hydraulischen Verlusten führen. Das gesamte System muss neu berechnet werden, und der Übergang muss mechanisch geeignet sein.

Verbessert ein größeres Rohr immer die Pumpenleistung?

Ein größerer Innendurchmesser reduziert den Reibungsverlust, aber eine übermäßige Größe kann Kosten, Gewicht und Installationsschwierigkeiten erhöhen. Wählen Sie den Durchmesser durch hydraulische und Lebenszyklusbewertung.

Sollte der Reibungsverlust aus der Bohrtiefe berechnet werden?

Nein. Verwenden Sie die tatsächliche Länge, den Innendurchmesser, das Material und den Auslegungsdurchfluss jedes Rohrabschnitts. Die Bohrtiefe allein bestimmt nicht den Reibungsverlust.

Kann HDPE als Steigleitung für Bohrlochpumpen verwendet werden?

Ja, in geeigneten Installationen, aber das spezifische Rohr, die Verbindungen und das Trägersystem müssen für Innendruck, hängende Last, Temperatur, Kriechen und Installationstiefe ausgelegt sein.

Wie viele Rückschlagventile sollte eine Tiefbrunnenpumpe verwenden?

Es gibt keine universelle Menge oder Abstände, die für jedes Bohrloch geeignet sind. Befolgen Sie die Empfehlungen des Pumpen-, Ventil- und Systemdesigners nach Überprüfung der Tiefe, des Drucks und der transienten Bedingungen.

Beeinflusst die Steigleitung die Motorleistung der Pumpe?

Ja. Rohrreibung addiert sich zur Gesamtdruckhöhe. Eine höhere Gesamtdruckhöhe kann das ausgewählte Pumpenmodell, die Anzahl der Stufen, den Betriebspunkt und die erforderliche Motorleistung ändern.

Eine zuverlässige Steigleitung für Bohrlochpumpen muss gleichzeitig hydraulische, Druck-, mechanische und Installationsanforderungen erfüllen.

Der Auswahlprozess sollte:

• Den Auslegungsdurchfluss bestätigen.

• Den tatsächlichen inneren Rohrdurchmesser verwenden.

• Wassergeschwindigkeit und Reibungsverlust berechnen.

• Ventile und Fittings berücksichtigen.

• Betriebs-, Abschalt- und transiente Drücke prüfen.

• Rohr- und Verbindungsfestigkeit überprüfen.

• Gehäusefreiheit bestätigen.

• Ein mit dem Wasser kompatibles Material auswählen.

• Lebenszykluskosten für Energie bewerten.

Wählen Sie die gesamte Steigleitung nicht nur anhand der Pumpenauslassgröße aus. Der endgültige Rohrdurchmesser und die Druckklasse müssen anhand des tatsächlichen Bohrlochs und der Betriebsbedingungen überprüft werden.

Senden Sie SLAPK Ihren erforderlichen Durchfluss und Druck, die Bohrtiefe, die Pumpeninstallationstiefe, den minimalen Innendurchmesser des Gehäuses, das vorgeschlagene Rohrmaterial und den Durchmesser, den erforderlichen Auslassdruck, die Spannung, die Frequenz und die Wasseranalyse.

Unsere Ingenieure können eine geeignete QJ- oder SP-Bohrlochpumpe empfehlen und die Pumpenkurve, die Auslassabmessungen und die Installationsdaten für Ihr Steigleitungsdesign bereitstellen.