ARI Air Valve Selection Specification and Sizing

8/8/2019 ARI Air Valve Selection Specification and Sizing

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PPrreessssuurree SSuurrggeess aanndd AAiirr VVaallvvee SSppeecciiffiiccaattiioonn,,

LLooccaattiioonn,, aanndd SSiizziinnggN a f t a l i Z l o c z o w e r

A . R . I . F l o w C o n t r o l A c c e s s o r i e s

P r e s e n t e d a t t h e W o r k s h o p o n A i r V a l v e s , W L D e l f t H y d r a u l i c s , D e l f t , T h e N e t h e r l a n d s

A b s t r a c t

A i r v a l v e s a r e a n i m p o r t a n t t o o l f o r s u r g e d a m p e n i n g a n d s u p p r e s s i o n . A c c u r a t e

a i r v a l v e s p e c i f i c a t i o n , l o c a t i o n a n d s i z i n g a r e v i t a l l y e s s e n t i a l f o r e f f e c t i v e ,

e f f i c i e n t l i q u i d f l o w a n d f o r s u f f i c i e n t p r e s s u r e s u r g e d a m p e n i n g a n d

s u p p r e s s i o n . I n t h i s p a p e r a n d p r e s e n t a t i o n I w i l l d e s c r i b e t h e a i r v a l v e s t h a t

w e r e d e s i g n e d f o r s u r g e p r o t e c t i o n , e x p l a i n t h e i r o p e r a t i o n , a n d l i s t w a y s a n d

t o o l s t o s p e c i f y , t o l o c a t e , a n d t o s i z e t h e m f o r m a x i m u m f l o w e f f i c i e n c y a n d

s u r g e p r o t e c t i o n .

I n t r o d u c t i o n

A i r p l a y s a v e r y i m p o r t a n t r o l e i n l i q u i d f l o w i n p i p e l i n e s a n d i n l i q u i d

c o n v e y a n c e a n d t r e a t m e n t s y s t e m s i n g e n e r a l . S u r g e s u p p r e s s i o n i s o n e o f t h e

p r i m a r y p u r p o s e s f o r a i r f l o w c o n t r o l i n l i q u i d c o n v e y a n c e s y s t e m s .

A i r v a l v e s a r e u n i v e r s a l l y r e c o g n i z e d a s t h e m o s t e f f e c t i v e a i r f l o w c o n t r o l t o o l s

f o r l i q u i d c o n v e y a n c e s y s t e m s . T h e i r c o n t r i b u t i o n t o e f f i c i e n t l i q u i d f l o w , t o

e n e r g y s a v i n g s a n d t o d o w n - s u r g e s u p p r e s s i o n a n d c o n t r o l i s w i d e l y

a c k n o w l e d g e d , b u t t h e i r p o s i t i v e c o n t r i b u t i o n t o u p s u r g e s u p p r e s s i o n a n d

c o n t r o l i s s o m e t i m e s c h a l l e n g e d .

R e c o g n i t i o n a n d t r u s t i n a i r v a l v e s a s s u r g e c o n t r o l l e r s h a v e i m p r o v e d w i t h t h e

d e v e l o p m e n t o f s p e c i a l l y d e s i g n e d n o n - s l a m , s u r g e d a m p e n i n g a n d s u p p r e s s i n g

a i r v a l v e s , a n d w i t h i n n o v a t i o n s i n t h e d e s i g n o f u s e r f r i e n d l y , y e t p o w e r f u l t o o l s

f o r a n a l y s i s a n d d e s i g n o f a i r v a l v e a i r f l o w c o n t r o l s y s t e m s .

A i r a n d L i q u i d C o n v e y a n c e

P r e s s u r i z e d t w o - p h a s e f l o w i n p i p e l i n e s c a n b e c o m p l i c a t e d , m o s t l y d u e t o t h e i r

d i s s i m i l a r p r o p e r t i e s . W h i l e t h e s y s t e m o p e r a t e s i n i t s n o r m a l , o n - g o i n g m a n n e r ,

i t i s p r u d e n t t o r e l e a s e a i r ( a n d o t h e r g a s e s ) f r o m t h e p i p e l i n e , t h u s , p r e v e n t i n g

o r l i m i t i n g t w o - p h a s e f l o w .

H o w e v e r , t h e r e a r e s i t u a t i o n s i n t h e l i q u i d c o n v e y a n c e p r o c e s s , w h e r e a i r h a s t o

b e t a k e n i n , p r i m a r i l y f o r e f f i c i e n t d r a i n a g e , f o r v a c u u m p r o t e c t i o n , a n d / o r f o r


S o m e o f t h e h i n d r a n c e s , p r o b l e m s , a n d d a n g e r s a t t r i b u t e d t o t h e p r e s e n c e o f a i r

i n p r e s s u r i z e d p i p e l i n e s y s t e m s a r e l i s t e d b e l o w :

1 . I n t e r f e r e n c e w i t h f l o w i n p i p e l i n e s u p t o c o m p l e t e s t o p p a g e , a t t i m e s .

2 . S e r i o u s h e a d l o s s e s - e n e r g y l o s s e s .

3 . W a t e r H a m m e r d a m a g e s .

4 . I n a c c u r a t e r e a d i n g s i n m e t e r s a n d a u t o m a t i c m e t e r i n g v a l v e s .

5 . I n a d e q u a t e s u p p l y o f w a t e r t o a r e a s i n t h e s y s t e m ,

a . D u e t o a i r o b s t r u c t i o n t o f l o w a n d a c c u m u l a t i o n o f p r e s s u r e l o s s e s .

b . D u e t o f a u l t y m e t e r a n d a u t o m a t i c m e t e r i n g v a l v e r e a d i n g s .

6 . S e r i o u s d a m a g e t o s p i n n i n g i n t e r n a l p a r t s o f m e t e r s , m e t e r i n g v a l v e s .


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7 . C o r r o s i o n a n d c a v i t a t i o n .

8 . P h y s i c a l d a n g e r t o o p e r a t o r s f r o m a i r - b l o w n f l y i n g p a r t s a n d f r o m v e r y

s t r o n g s t r e a m s o f h i g h v e l o c i t y , e s c a p i n g a i r .

H o w e v e r , t h e r e a r e , a l s o , h i n d r a n c e s , p r o b l e m s , a n d d a n g e r s t h a t r e q u i r e a i r

i n t a k e f o r t h e i r p r e v e n t i o n :

1 . V a c u u m e n h a n c e d p r o b l e m s a n d d a m a g e s :

a . S u c t i o n o f m u d a n d d i r t t h r o u g h f a u l t y c o n n e c t i o n s , c r a c k s i n

p i p e s a n a c c e s s o r i e s , e t c .

b . S u c t i o n o f s e a l s a n d g a s k e t s , i n l i n e f i t t i n g s , a n d o t h e r i n t e r n a l

a c c e s s o r i e s o f p i p e s .

c . U n c o n t r o l l e d s u c t i o n o f i n j e c t e d c h e m i c a l s i n t o t h e s y s t e m .

d . P i p e o r a c c e s s o r y c o l l a p s e .

2 . P r e s s u r e s u r g e s d u e t o u n c o n t r o l l e d w a t e r c o l u m n s e p a r a t i o n a n d r e t u r n ,

r e s u l t i n g i n v a c u u m e n h a n c e d d o w n - s u r g e s a n d c o n s e q u e n t u p - s u r g e s .

3 . I n s o m e c a s e s , t h e a b s e n c e o f a n a i r c u s h i o n c a n i n c r e a s e t h e d a m a g e s o f

s u r g e a n d s l a m p h e n o m e n a .

A i r V a l v e s

A i r v a l v e s a r e t h e m o s t e f f i c i e n t a n d m o s t c o s t e f f e c t i v e t o o l s f o r a i r c o n t r o l i n

p r e s s u r i z e d l i q u i d c o n v e y a n c e s y s t e m s .

A i r v a l v e s i n g e n e r a l a r e o f t e n m i s n a m e d a s A i r r e l e a s e v a l v e s o r , l e s s

f r e q u e n t l y , a s V a c u u m b r e a k e r s . A c t u a l l y , t h e r e a r e t h r e e b a s i c t y p e s o f a i r

v a l v e s t h a t f u n c t i o n d i f f e r e n t l y a n d s e r v e d i f f e r e n t o b j e c t i v e s .

- T h e L a r g e O r i f i c e A i r V a l v e i s u s u a l l y c a l l e d a K i n e t i c A i r V a l v e i n E u r o p e

a n d o t h e r p a r t s o f t h e w o r l d , a n d a n A i r / V a c u u m V a l v e i n t h e U n i t e d S t a t e s

a n d N o r t h A m e r i c a . T h i s t y p e o f a i r v a l v e d i s c h a r g e s l a r g e q u a n t i t i e s o f a i r f r o m

t h e p i p e l i n e a t p i p e f i l l i n g a n d a d m i t s l a r g e q u a n t i t i e s o f a i r a t p i p e d r a i n a g e

( p l a n n e d o r d u e t o r u p t u r e ) o r a t w a t e r c o l u m n s e p a r a t i o n . T h i s a i r v a l v e c l o s e s

w h e n t h e p i p e f i l l s u p w i t h l i q u i d , a n d d o e s n o t r e o p e n u n t i l p r e s s u r e w i t h i n t h e

a i r v a l v e ( p i p e l i n e ) d r o p s b e l o w a t m o s p h e r i c p r e s s u r e .

- T h e S m a l l O r i f i c e A i r V a l v e i s u s u a l l y c a l l e d a n A u t o m a t i c A i r V a l v e i n

E u r o p e a n d o t h e r p a r t s o f t h e w o r l d , a n d a n A i r R e l e a s e V a l v e i n t h e U n i t e d

S t a t e s a n d N o r t h A m e r i c a . T h i s a i r v a l v e c o n t i n u e s t o r e l e a s e s m a l l q u a n t i t i e s o f

a i r w h e n t h e s y s t e m i s p r e s s u r i z e d a n d t h e L a r g e O r i f i c e A i r V a l v e s d o n o t

f u n c t i o n .

- T h e D o u b l e O r i f i c e o r C o m b i n a t i o n A i r V a l v e , i n c l u d e s t w o c o m p o n e n t s , a n d

p e r f o r m s t h e f u n c t i o n s o f t h e t w o t y p e s o f a i r v a l v e s a b o v e .

W i t h i n t h e t h r e e c a t e g o r i e s o f a i r v a l v e t y p e s a b o v e , t h e r e a r e a v a r i e t y o f

d i f f e r e n t m o d e l s w i t h a v a r i e t y o f a d d i t i o n a l a c c e s s o r i e s a n d a t t r i b u t e s . O n e o f

t h e m o s t i m p o r t a n t r e c e n t e n h a n c e m e n t s i n a i r v a l v e d e s i g n i s t h e n o n - s l a m ,

s u r g e s u p p r e s s i n g a i r v a l v e .

A i r V a l v e L o c a t i o n

B a s i c a l l y , a i r v a l v e s f o r e x h a u s t i n g a i r s h o u l d b e l o c a t e d a t p o i n t s o n t h e p i p e l i n e

t o w h i c h a i r t e n d s t o b e d r a w n , a n d / o r w h e r e a i r t e n d s t o c o l l e c t . A i r v a l v e s f o r

a i r i n t a k e s h o u l d b e l o c a t e d a t p o i n t s o n t h e p i p e l i n e t h a t a r e m o s t s u s c e p t i b l e t o

s u b - a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s . T h e s e p o i n t s a r e o f t e n c o m m o n f o r b o t h f u n c t i o n s .


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3

T h i s i s a v e r y s i m p l i f i e d d e s c r i p t i o n o f t h e a i r v a l v e l o c a t i o n m e t h o d o l o g y , w h i l e

e f f i c i e n t a n d e f f e c t i v e a i r v a l v e l o c a t i o n p l a n n i n g i s o f t e n q u i t e c o m p l i c a t e d , y e t

i m p o r t a n t . P r o p e r l o c a t i o n o f a i r v a l v e s i n a p r e s s u r i z e d l i q u i d c o n v e y a n c e

s y s t e m s c a n i m p r o v e f l o w p e r f o r m a n c e g r e a t l y , p r o v i d i n g e f f i c i e n t , e n e r g y

s a v i n g , d e p e n d a b l e , a n d s a f e s u p p l y . P o o r a i r v a l v e l o c a t i o n c a n c a u s e p r o b l e m s ,

d a m a g e a n d h a z a r d s .

M a n u f a c t u r e r s o f a i r v a l v e s , i n s e a r c h f o r a n e a s y t o u s e r u l e - o f - t h u m b , a d o p t e d

s a m p l e p i p e l i n e p r o f i l e s f o r l o c a t i o n o f a i r v a l v e s . M o s t o f t h e s e s a m p l e p i p e l i n e

p r o f i l e s a r e q u i t e s i m i l a r , t h e m a i n d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m b e i n g v a l v e

s p e c i f i c a t i o n ( t y p e s o f v a l v e s ) f o r e a c h t y p e o f l o c a t i o n .

T h e A W W A A m e r i c a n W a t e r W o r k s A s s o c i a t i o n , i n t h e i r M a n u a l o f W a t e r

S u p p l y P r a c t i c e s , M 5 1 A i r - R e l e a s e , A i r / V a c u u m , & C o m b i n a t i o n A i r

V a l v e s , a d o p t e d a s a m p l e p i p e l i n e p r o f i l e s i m i l a r t o t h o s e o f t h e A m e r i c a n

m a n u f a c t u r e r s .

2

A W W A s a m p l e p r o f i l e f o r a i r v a l v e l o c a t i o n


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4

T h e s e s a m p l e p r o f i l e s a r e s i m p l i f i e d r u l e s - o f - t h u m b a n d a r e n o t m e a n t t o b e

p l a n n i n g t o o l s f o r c o m p l i c a t e d w a t e r s u p p l y s y s t e m s . T h e A W W A m a n u a l , i n

a d d i t i o n t o t h e l o c a t i o n s p o i n t e d o u t i n t h e s a m p l e p r o f i l e a b o v e , d o e s m e n t i o n

l o c a t i o n o f v a l v e s a t i n - l i n e i s o l a t i n g v a l v e s , b e f o r e V e n t u r i w a t e r m e t e r s , a n d f o r

s i p h o n s . B u t n o t e n o u g h e m p h a s i s i s g i v e n i n t h e s e s a m p l e p r o f i l e s t o l o c a t i o n f o r


A . R . D . T h o r l e y , i n h i s F l u i d T r a n s i e n t s i n P i p e l i n e S y s t e m s , i n t r o d u c e s a

s i m i l a r t y p i c a l r i s i n g m a i n p i p e l i n e p r o f i l e w i t h a i r v a l v e l o c a t i o n s , b u t i n h i s

e x p l a n a t i o n s , h e s u g g e s t s a n u m b e r o f p o s s i b i l i t i e s a t e a c h l o c a t i o n a n d h e r e f e r s

t o p o s s i b l e l o c a l s u r g e s d u e t o v a l v e s l a m m i n g a t w a t e r c o l u m n r e t u r n a n d t h e

p o s s i b i l i t y o f d a m p i n g t h i s s u r g e b y t h e u s e o f a s u r g e c h e c k o r v e n t e d n o n -

r e t u r n v a l v e .

3

B u t , t h i s r u l e - o f - t h u m b p l a c e m e n t g u i d e i s a l s o v e r y s i m p l i f i e d ,

a n d l a c k s s o m e i m p o r t a n t a i r v a l v e p l a c e m e n t s i t e s , s u c h a s a t p u m p d i s c h a r g e ,

a f t e r p u m p c h e c k v a l v e , b e f o r e a n d / o r a f t e r i n - l i n e i s o l a t i n g v a l v e s , b e f o r e

m e c h a n i c a l o r V e n t u r i w a t e r m e t e r s , a f t e r p r e s s u r e r e d u c e r s , e t c .

T h o r l e y s a m p l e p r o f i l e f o r a i r v a l v e l o c a t i o n

T h e e x p l a n a t i o n s o f P r o f e s s o r T h o r l e y t o t h e a b o v e a i r v a l v e l o c a t i o n s a r e ,

b a s i c a l l y , a s f o l l o w s ( a b r i d g e d ) :

A R a p i d a i r a d m i s s i o n f o r d r a i n i n g a n d r a p i d r e l e a s e . C o n s i d e r s u r g e

c h e c k v a l v e . S m a l l O r i f i c e w i l l r e l e a s e e n t r a i n e d a i r c o m i n g o u t o f s o l u t i o n .

B I f A a n d B a r e l e s s t h a n 1 0 0 m a p a r t , S m a l l O r i f i c e w i l l s u f f i c e .

O t h e r w i s e , s i m i l a r t o A .

C I f t h e r e a r e L a r g e O r i f i c e a i r v a l v e s a t D o r E , o n e i s n o t n e c e s s a r y

h e r e o n l y a S m a l l O r i f i c e . O t h e r w i s e , s i m i l a r t o A .

B e t w e e n C a n d D S m a l l O r i f i c e e v e r y 5 0 0 - 8 0 0 m .

E V e n t i l a t i o n a n d T r a n s i e n t f l o w p r o t e c t i o n : R a p i d a i r a d m i s s i o n f o r d r a i n i n g ,

r a p i d a i r r e l e a s e a t p i p e f i l l i n g , s l o w a i r r e l e a s e a t p r e s s u r i z e d f l o w .

A t t r a n s i e n t f l o w , a d m i t t i n g a i r w h e n p r e s s u r e f a l l s b e l o w a t m o s p h e r i c

p r e s s u r e , a n d c o n t r o l l e d , n o n s l a m m i n g , a i r r e l e a s e ( s u r g e c h e c k v a l v e ) a t


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5

w a t e r c o l u m n r e t u r n .

F V e n t i l a t i o n a n d T r a n s i e n t f l o w p r o t e c t i o n : P e r h a p s t h e m o s t c r i t i c a l p o i n t

f o r t r a n s i e n t c o n d i t i o n s . D u a l o r i f i c e v a l v e f o r t h e s a m e f u n c t i o n s a n d

o p e r a t i o n s a s i n E , b u t m o r e c r i t i c a l .

G , H , I B e c a u s e c r i t i c a l c o l u m n s e p a r a t i o n w i l l b e a t F , t r a n s i e n t c o n s i d e r a t i o n s

a r e l e s s c r i t i c a l h e r e . D u a l O r i f i c e a i r v a l v e s .

T h e r u l e - o f - t h u m b a i r v a l v e l o c a t i o n m e t h o d s a r e p a r t i a l , a n d , i n a d d i t i o n t o n o t

c o v e r i n g s o m e o f t h e v e r y i m p o r t a n t l o c a t i o n s , a s m e n t i o n e d a b o v e , t h e y d o n o t

p u t e n o u g h e m p h a s i s o n t h e s o u r c e o f t h e a i r t o t h e s y s t e m . P u m p s , f o r i n s t a n c e ,

a r e a m a j o r s o u r c e o f a i r t o p i p e l i n e s .

- D e e p - w e l l p u m p s u s u a l l y h a v e l a r g e c o l u m n s o f a i r t h a t s h o u l d b e k e p t f r o m

r e a c h i n g t h e p i p i n g s y s t e m . P u m p s p u m p i n g f r o m w e t w e l l s , d i t c h e s , r i v e r s ,

l a k e s , e t c , s u c k i n a i r t h r o u g h a v o r t e x a t t h e s u c t i o n i n t a k e s . I n a d d i t i o n t o t h i s

a t m o s p h e r i c f r e e a i r , d i s s o l v e d a i r i n t h e w a t e r i s r e l e a s e d f r o m s o l u t i o n , d u e t o

p r e s s u r e d r o p s w i t h i n t h e p u m p ( t u r b u l e n c e ) , a n d d u e t o t e m p e r a t u r e r i s e s

w i t h i n t h e p u m p .

- W h e n a w a r m e r w a t e r s o u r c e i s c o n n e c t e d t o a t r a n s m i s s i o n l i n e , s a y , a s u r f a c e

w a t e r s o u r c e c o n n e c t e d t o a g r o u n d w a t e r s o u r c e , d i s s o l v e d a i r i s r e l e a s e d f r o m

s o l u t i o n .

- A t p o i n t s o f p r e s s u r e d r o p a l o n g t h e l i n e , s u c h a s a t p r e s s u r e r e d u c e r s , a t p i p e

d i a m e t e r r e d u c e r s , a t a c c e s s o r i e s t h a t c a u s e s i g n i f i c a n t h e a d l o s s e s , i n a r e a s o f

t u r b u l e n c e , e t c , d i s s o l v e d a i r i s r e l e a s e d f r o m s o l u t i o n .

- A t p i p e a n d a c c e s s o r y c o n n e c t i o n s t h a t a r e n o t p r o p e r l y s e a l e d , a t m o s p h e r i c

a i r c a n i n f i l t r a t e a t p r e s s u r e d r o p e v e n t s .

T h e s e a r e s o m e e x a m p l e s o f a i r s o u r c e s , a n d a f t e r e a c h o f t h e s e s o u r c e s , i t w o u l d

b e p r u d e n t t o i n s t a l l a u t o m a t i c a i r r e l e a s e v a l v e s o r c o m b i n a t i o n a i r v a l v e s .

A i r V a l v e S i z i n g

P r o p e r s i z i n g o f a i r v a l v e s i s e s s e n t i a l f o r e f f e c t i v e , e f f i c i e n t , a n d s a f e a i r c o n t r o l .

T h e r e i s n o s t a n d a r d a c c e p t e d m e t h o d t o d e t e r m i n e a u t o m a t i c a i r r e l e a s e f l o w

r e q u i r e m e n t s u n d e r p r e s s u r e , s i n c e i t i s d i f f i c u l t t o d e t e r m i n e t h e a m o u n t o f

a c c u m u l a t e d a i r i n t h e s y s t e m . S o m e t i m e s , a v a l u e o f 2 % o f t h e o p e r a t i o n a l

w a t e r f l o w - r a t e i s u s e d , b a s e d o n 2 % s o l u b i l i t y o f a i r i n w a t e r .

2

K i n e t i c , l a r g e o r i f i c e a i r d i s c h a r g e r e q u i r e m e n t s a r e u s u a l l y b a s e d o n t h e

p i p e l i n e f i l l - r a t e , a n d a r e e q u a l t o t h e d e s i g n e d p i p e f i l l i n g f l o w - r a t e . S m a l l e r

l a r g e o r i f i c e a i r v a l v e s a r e s o m e t i m e s u s e d i n s e c t i o n s a l o n g t h e p i p e l i n e , t o

t h r o t t l e f i l l - r a t e , t h u s d e c r e a s i n g t h e d a n g e r o f p r e s s u r e s u r g e s a t p i p e f i l l i n g .

T h e u s e o f t h r o t t l e d l a r g e o r i f i c e a i r v a l v e s w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r .

A i r i n t a k e r e q u i r e m e n t s a r e u s u a l l y c o n s i d e r e d t h e d e t e r m i n i n g f a c t o r i n a i r

v a l v e s i z i n g . M o s t a i r v a l v e m a n u f a c t u r e r s s u g g e s t t h e u s e o f a p i p e b u r s t

a n a l y s i s u s i n g o n e o f t h e c o m m o n f l o w f o r m u l a s , s u c h a s t h e H a z e n - W i l l i a m s

E q u a t i o n , t h e D a r c y - W e i s b a c h E q u a t i o n , t h e M a n n i n g E q u a t i o n , t h e C h e z y

E q u a t i o n , o r a n e q u a t i o n d e r i v e d f r o m o n e o f t h e s e . T h e a n a l y s i s u s u a l l y

a s s u m e s a f u l l d i a m e t e r p i p e b u r s t r e s u l t i n g i n a f u l l d i a m e t e r f r e e w a t e r f l o w . I n

o r d e r t o p r o t e c t t h e p i p e f r o m c o l l a p s e d u e t o v a c u u m c o n d i t i o n s , a l a r g e o r i f i c e

a i r v a l v e w i t h a n a i r i n t a k e c a p a c i t y e q u a l o r g r e a t e r t h a n t h e a b o v e f r e e w a t e r

f l o w , i s r e q u i r e d .


6/22

6

F o r d e t e r m i n i n g a i r i n t a k e r e q u i r e m e n t i n v a l v e s i z i n g , t h e A W W A , i n i t s M 5 1

m a n u a l , s u g g e s t s t h e u s e o f a n e q u a t i o n d e r i v e d f r o m t h e C h e z y E q u a t i o n :

5

0 4 7 2 .0 S I DCQ =

W h e r e :

Q = f l o w - r a t e i n s c f m

C = C h e z y c o e f f i c i e n t ( 1 1 0 f o r i r o n , 1 2 0 f o r c o n c r e t e , 1 3 0 f o r s t e e l , 1 9 0 f o r P V C )

S = p i p e l i n e s l o p e i n f t / f t

I D = p i p e l i n e i n s i d e d i a m e t e r i n i n .

2

K i n e t i c L a r g e O r i f i c e A i r I n t a k e R e q u i r e m e n t s A c c o r d i n g t o A W W W M a n u a l M 5 1

A s c a n b e s e e n f r o m t h e e q u a t i o n , a i r f l o w - r a t e r e q u i r e m e n t s , i n t h i s a n a l y s i s , a r e

d e t e r m i n e d f r o m t h e p i p e i n s i d e d i a m e t e r a n d s l o p e . T h e o t h e r f a c t o r s a r e

c o n s t a n t f o r t h e p a r t i c u l a r p i p e m a t e r i a l . A t v e r y s t e e p r u n s , n o m a t t e r w h a t t h e

e l e v a t i o n d i f f e r e n c e s ( h ) , a i r i n t a k e r e q u i r e m e n t s c a n b e v e r y h i g h , a n d

s o m e t i m e s u n r e a l i s t i c . F o r s m a l l e l e v a t i o n c h a n g e s , f o r i n s t a n c e , t h e r e m a y n o t

b e e n o u g h t i m e f o r t h e a i r v a l v e t o o p e n , o r s u b s t a n t i a l s u b - a t m o s p h e r i c

p r e s s u r e s m a y n o t b e r e a c h e d .

S o m e a i r v a l v e m a n u f a c t u r e r s s u g g e s t d e t e r m i n i n g a i r v a l v e c a p a c i t y u s i n g a

p e r c e n t a g e o f t h e w a t e r d r a i n a g e f l o w - r a t e ( s o m e t i m e s c a l l e d e s t i m a t e d

r u p t u r e ) , o f t e n b a s e d o n t h e p i p e m a t e r i a l .


7/22

7

W a t e r C o l u m n S e p a r a t i o n a n d P r e s s u r e S u r g e s

P r e s s u r e t r a n s i e n t p r o p a g a t i o n t h r o u g h a p i p e l i n e a f f e c t s a n o r m a l l y p e r i o d i c

p r e s s u r e v a r i a t i o n a t a n y p o i n t a l o n g t h e p i p e l i n e

4

, s o m e t i m e s c h a r a c t e r i z e d b y a

d o w n - s u r g e a n d a n u p - s u r g e , a t c e r t a i n c r i t i c a l p o i n t s i n t h e s y s t e m .

A t p o w e r f a i l u r e , a t p u m p t r i p p i n g , o r a t s u d d e n i n - l i n e i s o l a t i n g v a l v e c l o s u r e ,

w a t e r c o l u m n s e p a r a t i o n c a n o c c u r a t t h e p u m p s d i s c h a r g e o r d o w n s t r e a m

f r o m t h e v a l v e , d e p e n d i n g o n t h e h y d r a u l i c g r a d i e n t . A d o w n - s u r g e r e s u l t s ,

w h e r e p r e s s u r e f a l l s b e l o w t h e v a p o r p r e s s u r e o f w a t e r , o f t e n t o s u b - a t m o s p h e r i c

l e v e l s . A v a p o r c a v i t y d e v e l o p s a n d e x p a n d s b e h i n d t h e a d v a n c i n g w a t e r c o l u m n .

W h e n t h e w a t e r c o l u m n r e t u r n s , p r e s s u r e r i s e s , b u r s t i n g t h e v a p o r c a v i t y ,

r e l e a s i n g g r e a t a m o u n t s o f e n e r g y . T h e w a t e r c o l u m n s l a m s a g a i n s t t h e c l o s e d

v a l v e o r p u m p c h e c k v a l v e . T h e v a p o r c a v i t y b u r s t a n d t h e w a t e r c o l u m n s l a m

c r e a t e a n u p - s u r g e . A s t h e w a t e r c o l u m n b o u n c e s o f f t h e p u m p c h e c k v a l v e o r

c l o s e d v a l v e a n d r e t u r n s , i n t h e d i r e c t i o n o f t h e o r i g i n a l f l o w , a v a c u u m c a v i t y

d e v e l o p s a g a i n , a n d t h e p r o c e s s r e p e a t s i t s e l f o v e r a n d o v e r a g a i n , u n t i l f r i c t i o n

d i s s i p a t e s t h e k i n e t i c e n e r g y . T h i s p h e n o m e n o n a l s o o c c u r s a t p e a k s c l o s e t o t h e

h y d r a u l i c g r a d i e n t , a t s u d d e n f l o w s t o p p a g e .

I n t h e a b o v e e x a m p l e s , p r e s s u r e o s c i l l a t i o n b e g i n s w i t h a d o w n - s u r g e a n d i s

f o l l o w e d b y a c o n s e q u e n t u p s u r g e .

A r e v e r s e p r o c e s s o c c u r s a t a d e a d e n d o r a t a c l o s e d v a l v e , w h e n a p i p e l i n e i s

f i l l e d a t h i g h v e l o c i t y ( a b o v e 0 . 5 m / s ) , a n d u p - s t r e a m o f a s u d d e n l y c l o s i n g i n - l i n e

i s o l a t i n g v a l v e . A n u p - s u r g e o c c u r s a s t h e w a t e r c o l u m n s l a m s a t t h e d e a d e n d o r

a t t h e c l o s e d v a l v e . W h e n t h e w a t e r c o l u m n b o u n c e s b a c k , a c c e l e r a t i n g i n t h e

o p p o s i t e d i r e c t i o n , c o l u m n s e p a r a t i o n o c c u r s , r e s u l t i n g i n a d o w n - s u r g e . H e r e

a l s o , a s p r e s s u r e f a l l s b e l o w t h e v a p o r p r e s s u r e o f w a t e r , o f t e n t o s u b -

a t m o s p h e r i c l e v e l s , a v a p o r c a v i t y d e v e l o p s a n d e x p a n d s t o f i l l t h e v a c u u m l e f t

b y t h e p a r t i n g w a t e r c o l u m n . W h e n t h e w a t e r c o l u m n r e t u r n s , p r e s s u r e r i s e s ,

b u r s t i n g t h e v a p o r c a v i t y , r e l e a s i n g g r e a t a m o u n t s o f e n e r g y . T h e r e t u r n i n g

w a t e r c o l u m n s l a m s a g a i n s t t h e c l o s e d v a l v e o r d e a d e n d . A s i n t h e p r e v i o u s

e x a m p l e s , t h e p r o c e s s r e p e a t s i t s e l f o v e r a n d o v e r a g a i n , a n d t h e p e r i o d i c

o s c i l l a t i o n c o n t i n u e s u n t i l f r i c t i o n d i s s i p a t e s t h e k i n e t i c e n e r g y .

I n t h i s , s e c o n d s e t o f e x a m p l e s , p r e s s u r e o s c i l l a t i o n b e g i n s w i t h a n u p - s u r g e a n d

i s f o l l o w e d b y a d o w n - s u r g e .

T h e a b o v e l o c a t i o n s , p r o n e t o w a t e r c o l u m n s e p a r a t i o n , a r e v e r y i m p o r t a n t

l o c a t i o n s f o r a i r v a l v e p l a c e m e n t .

A i r V a l v e s a n d P r e s s u r e S u r g e s

D o w n - s u r g e s c a n c a u s e d a m a g e s t o p i p e f i t t i n g s a n d a c c e s s o r i e s o r c a n g e n e r a t e

s u c t i o n o f g a s k e t s , o f s e a l s , o f d i r t , o f c h e m i c a l s , o f p o l l u t a n t s , e t c , i n t o t h e

p i p e l i n e . W h e n t h e p i p e l i n e i s u n i f o r m l y w e a k r o u n d i t s c i r c u m f e r e n c e , s e v e r e

d o w n - s u r g e s c a n r e s u l t i n p i p e i m p l o s i o n a n d c o l l a p s e . W h e n c e r t a i n a r e a s

a r o u n d t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e p i p e a r e w e a k e r t h a n o t h e r s , s u c h a s t h e p i p e s

c r o w n , r e c u r r i n g i n c i d e n t s o f c y c l i c d o w n - s u r g e s a n d u p - s u r g e s c a n r e s u l t i n

p i p e r u p t u r e s a n d b u r s t s .


8/22

8

P i p e d a m a g e d o t o d o w n - s u r g e s a n d u p - s u r g e s

P i p e C o l l a p s e i n I n d i a P i p e r u p t u r e i n N e w Y o r k C i t y

5

T h e u s e o f a i r v a l v e s a s v a c u u m b r e a k e r s f o r t h e p r e v e n t i o n o f v a c u u m

c o n d i t i o n s a n d c o n s e q u e n t p i p e c o l l a p s e i s w e l l k n o w n a n d r e c o g n i z e d w o r l d -

w i d e . T h e i r p o t e n t i a l c o n t r i b u t i o n t o t h e c o n t r o l o f c y c l i c p r e s s u r e s u r g e s ,

b r o u g h t o n b y t h e w a t e r c o l u m n s e p a r a t i o n p r o c e s s , i s l e s s k n o w n , a n d

s o m e t i m e s c h a l l e n g e d .

I n h i s p r e s e n t a t i o n a t t h e F o u r t h I n t e r n a t i o n a l M e e t i n g o n W a t e r C o l u m n

S e p a r a t i o n i n C a g l i a r i , I t a l y , o n S e p t e m b e r 1 1 - 1 3 , 1 9 7 9 , C . S a m u e l M a r t i n , f r o m

t h e S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g o f t h e G e o r g i a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y i n A t l a n t a ,

c o n c l u d e d t h a t : C o l u m n - s e p a r a t i o n i n d u c e d w a t e r h a m m e r c a n b e e l i m i n a t e d

b y v a c u u m b r e a k e r s o f a d e q u a t e s i z e .

1

S i n c e p r e s s u r e s u r g e s , b r o u g h t o n b y w a t e r c o l u m n s e p a r a t i o n a r e c y c l i c , c o n t r o l

o f o n e e x t r e m e o f t h e p r e s s u r e w a v e , s a y t h e d o w n - s u r g e , h a s a d e f i n i t e e f f e c t o n

t h e o p p o s i t e e x t r e m e , i n t h i s c a s e , t h e u p - s u r g e . T h e a d v a n t a g e s o f a i r v a l v e s , i n

C o l l a p s e d u e t o

C o l l a p s e d u e t o

d o w n

d o w n

-

-

s u r g e

s u r g e

W e a k e n e d

W e a k e n e d

s e c t i o n

s e c t i o n

d o w n

d o w n

-

-

s u r g e

s u r g e

u p

u p

-

-

s u r g e

s u r g e

c r a c k i n g

c r a c k i n g

r u p t u r e

r u p t u r e


9/22

9

r e s t r a i n i n g u p - s u r g e s b y c o n t r o l l i n g d o w n - s u r g e s , i s b e c o m i n g m o r e a n d m o r e

r e c o g n i z e d . A d v a n c e s i n d i g i t a l c o m p u t a t i o n a n d b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f

t r a n s i e n t f l o w a n d s u r g e p r o c e s s e s , b r o u g h t t o t h e d e v e l o p m e n t o f m a t h e m a t i c a l

a n d d i g i t a l m o d e l s t h a t a r e a b l e t o a n a l y z e a n d p r e d i c t t r a n s i e n t p r o c e s s e s , w h i l e

t e s t i n g p o s s i b l e s o l u t i o n s .

H y d r a u l i c t r a n s i e n t s c a u s e d b y p o w e r c u t s t o p u m p s o n a h u g e p i p e l i n e s y s t e m i n

a d e s a l i n a t i o n p l a n t , c a u s e d d a m a g e s , r e s u l t i n g i n l e n g t h y s h u t - d o w n s o f t h e

s y s t e m . M a r k o V . I v e t i , a L e v e r h u l m e t r u s t F e l l o w , i n t h e U n i v e r s i t y o f E x e t e r ,

U K , o n l e a v e f r o m t h e F a c u l t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g , i n t h e U n i v e r s i t y o f

B e l g r a d e , a n a l y z e d a n u m b e r o f p o s s i b l e s o l u t i o n s t o t h e p r o b l e m b y r u n n i n g

c o m p u t e r s i m u l a t i o n s o f t r a n s i e n t e v e n t s . D r . I v e t i , i n h i s r e p o r t :

H y d r a u l i c / F o r e n s i c T r a n s i e n t A n a l y s e s o f t w o P i p e l i n e F a i l u r e s , d i s c u s s e s t w o

s e t s o f s i m u l a t i o n s f o r t h e d e s a l i n a t i o n p r o j e c t .

6

L a y o u t o f t h e d e s a l i n a t i o n p l a n t p i p i n g s y s t e m a n d p r e s e n t a t i o n i n t h e m o d e l a c c o r d i n g

t o M a r k o V . I v e t i

T h e d e s a l i n a t i o n p l a n t p i p i n g s y s t e m i n c l u d e s 4 0 p u m p s , a r r a n g e d i n f o u r

p r o d u c t i o n b l o c k s ( P B ) , C 2 - C 5 , w i t h 1 0 p u m p s e a c h . P i p e s w i t h d i a m e t e r s o f

3 5 0 m m - 2 1 0 0 m m c o l l e c t t h e w a t e r f r o m t h e 4 0 p u m p s a n d l e a d f r o m t h e p u m p s

t o s e v e n P r o d u c t i o n W a t e r T a n k s , P W T 1 t o P W T 7 . T h e s y s t e m o p e r a t i n g

p r e s s u r e i s v e r y l o w , b e t w e e n 2 a n d 3 b a r s , b u t t h e h i g h s y s t e m v e l o c i t i e s , i n

e x c e s s o f 3 m / s , p r o b a b l y c o n t r i b u t e d t o t h e t r a n s i e n t p r o b l e m s .

I n t h e i n i t i a l r u n o f t h e f i r s t s e t o f s i m u l a t i o n s , a h y d r a u l i c a n a l y s i s o f a t r a n s i e n t

e v e n t c a u s e d b y a p o w e r c u t t o p u m p s i n P B C 2 , i s p e r f o r m e d .

F r o m t h e p r e s s u r e e n v e l o p e s n a p s h o t s o f t h e s i m u l a t i o n , b e l o w , a n i n i t i a l d o w n -

s u r g e , r e s u l t i n g i n s u b - a t m o s p h e r i c p r e s s u r e , w h e n v a p o r o u s c a v i t a t i o n d e v e l o p s ,

c a n b e o b s e r v e d a t t h e C 2 a n d C 3 c o l l e c t i o n m a n i f o l d , f o l l o w e d b y a n e x t r e m e

u p - s u r g e a t c a v i t y c o l l a p s e .


10/22

1 0

I v e t i s p r e s s u r e e n v e l o p e s n a p s h o t s o f t h e f i r s t s i m u l a t i o n : a ) S t e a d y S t a t e , b ) M i n i m u m

p r e s s u r e w i t h v a p o r o u s c a v i t a t i o n , a n d c ) m a x i m u m p r e s s u r e a t c a v i t y c o l l a p s e

I v e t i s g r a p h s , b e l o w , s h o w s i m u l a t e d b e h a v i o u r a t t h e l a r g e s t c a v i t y , s h o w i n g

p r e s s u r e , f l o w - r a t e , a n d c a v i t y f o r m a t i o n a n d c o l l a p s e a g a i n s t t i m e . H e r e , a t a

p e a k i n t h e p i p e l i n e , t h e s u b - a t m o s p h e r i c d o w n - s u r g e , a t w a t e r c o l u m n

s e p a r a t i o n ( n e g a t i v e f l o w - r a t e ) , c a n b e o b s e r v e d , t o g e t h e r w i t h t h e r e l a t i v e l y s l o w

b u i l d - u p o f t h e v a p o u r c a v i t y . T h i s i s f o l l o w e d b y a n a b r u p t c a v i t y c o l l a p s e a n d

u p - s u r g e o f o v e r 1 5 b a r s ( c o m p a r e d t o 2 - 3 b a r s o p e r a t i n g p r e s s u r e ) , a s s e p a r a t e d

w a t e r c o l u m n s r e t u r n , s l a m m i n g a t e a c h o t h e r .

S y s t e m b e h a v i o r a t t h e m o s t u p s t r e a m c a v i t y , a f t e r p o w e r c u t t o p u m p s i n P B C 2


11/22

1 1

T h e f i r s t t e s t f o r r e d u c i n g t h e d a n g e r o f p r e s s u r e s u r g e s w a s t h e p a r t i a l

p l a c e m e n t o f v a c u u m b r e a k e r s . T h e s e w e r e i n s t a l l e d a t e v e r y s e c o n d p u m p

c o n n e c t i o n , t h o u g h , a c c o r d i n g t o I v e t i , i t w a s s u g g e s t e d t o i n s t a l l a t e v e r y p u m p

c o n n e c t i o n . I v e t i s t a t e s t h a t w i t h v a c u u m b r e a k e r s a t e v e r y s e c o n d p u m p

c o n n e c t i o n , a p p r o x i m a t e l y 1 0 k g o f a i r , o c c u p y i n g a p p r o x i m a t e l y 9 m

3

a r e t a k e n

i n b y t h e v a c u u m b r e a k e r s . H a d v a l v e s b e e n i n s t a l l e d a t e v e r y p u m p c o n n e c t i o n ,

t h e a m o u n t o f a i r i n t a k e w o u l d h a v e b e e n m u c h h i g h e r . I v e t i a l s o p o i n t s o u t t h e

i m p o r t a n t f a c t t h a t : T h e s e v a l v e s h a v e m u c h s m a l l e r o u t f l o w c a p a c i t y , a n d

c a n n o t e v a c u a t e t h a t a i r e f f i c i e n t l y . H e f u r t h e r p o i n t s o u t t h a t a s a r e s u l t ,

s p e c i a l c a u t i o n s h o u l d b e p r a c t i c e d a t p u m p r e s t a r t .

D e s p i t e t h e s h o r t c o m i n g s l i s t e d a b o v e , t h e s i m u l a t e d a n a l y s i s o f p o w e r s h u t - o f f t o

p u m p s a t P B C 2 w i t h a l t e r n a t e i n s t a l l a t i o n o f v a c u u m b r e a k e r s , r e s u l t s i n a

s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t , c o m p a r e d t o p o w e r s h u t - o f f w i t h o u t v a c u u m

p r o t e c t i o n . T h i s c a n b e s e e n i n t h e f o l l o w i n g p r e s s u r e e n v e l o p e s n a p s h o t s .

P r e s s u r e e n v e l o p e s n a p s h o t s o f s i m u l a t i o n o f p o w e r c u t t o p u m p s a t P B C 2 w i t h v a c u u m

b r e a k e r s a t e v e r y s e c o n d p u m p c o n n e c t i o n . S t e a d y s t a t e , a b o v e , a n d m i n i m u m

p r e s s u r e s , a t b o t t o m

N o t i c e t h e s i g n i f i c a n t r e d u c t i o n o f d o w n - s u r g e , c o m p a r e d t o t h e p r e s s u r e

e n v e l o p e s n a p s h o t s w i t h o u t v a c u u m b r e a k e r s .

N e x t , s i m u l a t i o n s w e r e r u n w i t h a m o r e e x t r e m e e v e n t a s u d d e n , s i m u l t a n e o u s

p o w e r c u t t o b o t h , P B C 2 a n d P B C 3 . W i t h o u t t h e p r o t e c t i o n o f a i r v a l v e s , t h e

d o w n - s u r g e e x t e n d e d w a y b e y o n d P o w e r B l o c k s C 2 a n d C 3 , t o P B C 4 a n d t h e

1 5 2 2 m o f t h e D N 2 1 0 0 m a i n h e a d e r p i p e , a s s e e n i n t h e p r e s s u r e e n v e l o p e

s n a p s h o t s b e l o w .


12/22

1 2

P r e s s u r e e n v e l o p e s n a p s h o t f r o m s i m u l a t i o n o f p o w e r c u t t o p u m p s a t P B C 2 a n d P B

C 3 , a t m i n i m u m p r e s s u r e s w i t h v a p o r o u s c a v i t a t i o n

N o t s e e n i n t h e a b o v e s n a p s h o t , i s t h e f a c t t h a t u p - s u r g e , a t w a t e r c o l u m n r e t u r n

a n d c a v i t y b u r s t , m a y r i s e t o a b o v e 2 0 b a r s ! A c c o r d i n g t o I v e t i , i n t h i s

s i m u l a t i o n , t h e s i z e o f t h e l a r g e s t v a p o r o u s c a v i t y r e a c h e s a p p r o x i m a t e l y 1 . 4 m

3

.

W h e n d o u b l e a c t i o n v a c u u m b r e a k e r s , a s c a l l e d b y D r . I v e t i , a r e i n s t a l l e d a t

e v e r y s e c o n d p u m p c o n n e c t i o n , a b o u t 3 5 m

3

o f a i r , w e i g h i n g a b o u t 4 5 k g , e n t e r

t h e s y s t e m a t p o w e r c u t t o p u m p s a t P B s C 2 a n d C 3 . T h i s a i r i n t a k e i s s u f f i c i e n t

t o v e r y s i g n i f i c a n t l y r e d u c e t h e d o w n - s u r g e a n d c o n s e q u e n t u p - s u r g e , a s s e e n

b e l o w .

P r e s s u r e e n v e l o p e s n a p s h o t s o f s i m u l a t i o n o f p o w e r c u t t o p u m p s a t C 2 a n d C 3 , w i t h

v a c u u m b r e a k e r s e v e r y s e c o n d p u m p c o n n e c t i o n : a ) S t e a d y s t a t e , b ) m i n i m u m p r e s s u r e

a f t e r p o w e r c u t , a n d c ) m o m e n t s a f t e r c o l l a p s e o f t h e v a p o r o u s c a v i t y .

T h o u g h t h i s i n e x p e n s i v e s o l u t i o n p r o v i d e s a v e r y s i g n i f i c a n t r e d u c t i o n i n d o w n -

s u r g e s a n d a c o m p l e t e e l i m i n a t i o n o f t h e u p - s u r g e , b e c a u s e o f t h e l i m i t i n g o f t h e

n u m b e r o f a i r v a l v e s ( v a c u u m b r e a k e r s ) a n d t h e c a p a c i t y o f a i r i n t a k e , s o m e

d o w n - s u r g e i s e x p e r i e n c e d i n t h e P B C 2 a n d C 3 a r e a s . A s u b - a t m o s p h e r i c


13/22

1 3

p r e s s u r e o f a b o u t 0 . 5 b a r w a s a l l o w e d b e t w e e n t h e v a c u u m b r e a k e r s b e c a u s e

p i p e c o l l a p s e w a s c o n s i d e r e d u n l i k e l y b e c a u s e o f t h e s m a l l e r p i p e d i a m e t e r i n

t h i s r e g i o n , a n d t h e r i s k o f i n f i l t r a t i o n o f p o l l u t a n t s b y b a c k f l o w w a s c o n s i d e r e d

m i n i m a l b e c a u s e t h e p i p e r u n s a b o v e g r o u n d .

6

N o n - S l a m A i r V a l v e s a n d P r e s s u r e S u r g e s

T h e m a i n r e a s o n f o r D r . I v e t i s a c c e p t a n c e o f t h e 0 . 5 b a r d o w n - s u r g e , a n d f o r

n o t i n c r e a s i n g a i r i n t a k e c a p a c i t y b y i n c r e a s i n g t h e n u m b e r a n d t h e s i z e o f a i r

v a l v e s , i s , p r o b a b l y , t h e f e a r o f u p - s u r g e s . W h e n a r e g u l a r l a r g e o r i f i c e a i r v a l v e

i s s i z e d f o r m a x i m u m a i r i n t a k e , i n o r d e r t o e l i m i n a t e d o w n - s u r g e , a i r d i s c h a r g e

t h r o u g h t h e s a m e o r i f i c e m a y c a u s e p r o b l e m s . A i r d i s c h a r g e f l o w - r a t e s t h r o u g h

a n a i r v a l v e a r e u s u a l l y h i g h e r t h a n i n t a k e f l o w - r a t e s t h r o u g h t h e s a m e o r i f i c e .

A s a i r d i s c h a r g e s a t a v e r y h i g h v e l o c i t y , t h e w a t e r c o l u m n f o l l o w s a t a s i m i l a r

v e l o c i t y . A s t h e h i g h v e l o c i t y w a t e r f l o w r e a c h e s t h e a i r v a l v e f l o a t a n d s l a m s i t

s h u t , a v e r y h i g h l o c a l u p - s u r g e m a y e v o l v e , r e f l e c t i n g a n d p r o p a g a t i n g i n t o t h e

p i p e . T h i s p h e n o m e n o n i s t h e r e a s o n s o m e e n g i n e e r s a r e s c e p t i c a l a b o u t t h e u s e

o f a i r v a l v e s w h e r e p r e s s u r e t r a n s i e n t s a r e e x p e c t e d t o d e v e l o p .

T o o v e r c o m e t h e p r o b l e m o f a i r v a l v e s l a m m i n g a n d t h e c o n s e q u e n t p r e s s u r e

s u r g e s , t h e f i r m o f A . R . I . F l o w C o n t r o l A c c e s s o r i e s d e v e l o p e d a r e v o l u t i o n a r y

n o n - s l a m a i r v a l v e , t h e K - 0 6 0 H F N S k i n e t i c a i r / v a c u u m v a l v e a n d i t s

c o m b i n a t i o n v e r s i o n , D - 0 6 0 H F N S c o m b i n a t i o n a i r v a l v e , b o t h o f w h i c h p r o v i d e

e x c e l l e n t d o w n - s u r g e p r o t e c t i o n a n d s u b s e q u e n t u p - s u r g e p r o t e c t i o n , w i t h o u t t h e

d a n g e r o f s l a m - i n d u c e d l o c a l s u r g e s .

T h e K - 0 6 0 H F N S i s a t h r e e - s t a g e k i n e t i c a i r / v a c u u m v a l v e c o n s t i t u t i n g a r e g u l a r

K - 0 6 0 H F h i g h f l o w k i n e t i c a i r / v a c u u m v a l v e a n d a n o n - s l a m a d d i t i o n

c o m p r i s i n g o f a s p e c i a l , a e r o - d y n a m i c a l l y d e s i g n e d , A e r o - F l o w t h r o t t l i n g o r i f i c e

d i s c i n a s p e c i a l c h a m b e r .

T h e t h r e e s t a g e s o f o p e r a t i o n o f t h e K - 0 6 0 H F N S a r e :

1 . A t p i p e d r a i n a g e o r w a t e r c o l u m n s e p a r a t i o n , l a r g e v o l u m e s o f a i r , a t

h i g h f l o w - r a t e s , e n t e r t h e a i r v a l v e t h r o u g h t h e l a r g e o r i f i c e .

2 . A t p i p e f i l l i n g o r a t i n i t i a l s t a g e s o f w a t e r c o l u m n r e t u r n , l a r g e v o l u m e s o f

a i r , a t h i g h f l o w - r a t e s , a r e d i s c h a r g e d t h r o u g h t h e l a r g e o r i f i c e .

3 . W h e n d i s c h a r g i n g a i r r a i s e s t h e d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e a c r o s s t h e a i r v a l v e

t o a p r e d e t e r m i n e d l e v e l ( 0 . 0 0 9 - 0 . 0 3 b a r ) , c a l l e d t h e s w i t c h i n g p o i n t , t h e

A e r o - F l o w t h r o t t l i n g o r i f i c e d i s c r i s e s t o i t s t h r o t t l i n g p o s i t i o n , a n d

t h r o t t l e s t h e a i r f l o w t h r o u g h i t s s m a l l k i n e t i c o r i f i c e . A i r c o n t i n u e s t o

d i s c h a r g e u n t i l w a t e r r e a c h e s t h e k i n e t i c f l o a t , b u o y i n g i t u p t o i t s s e a l i n g

p o s i t i o n .

T h e s e t h r e e s t a g e s d o n o t h a v e t o o p e r a t e i n t h e a b o v e o r d e r . S t a g e s 2 a n d 3 c a n

p r e c e d e S t a g e 1 ( a t a d e a d e n d a t p i p e f i l l i n g o r u p s t r e a m o f a s u d d e n l y s h u t i n -

l i n e i s o l a t i n g v a l v e , f o r i n s t a n c e ) .

I n t h e D - 0 6 0 H F N S , i n a d d i t i o n t o t h e t h r e e k i n e t i c s t a g e s o f o p e r a t i o n

m e n t i o n e d a b o v e , t h e a u t o m a t i c a i r r e l e a s e v a l v e w i l l c o n t i n u e t o r e l e a s e

e n t r a p p e d a n d a c c u m u l a t e d a i r w h e n t h e s y s t e m i s a n d i n o p e r a t i o n u n d e r

p r e s s u r e .


14/22

1 4

A . R . I . D - 0 6 0 H F N S h i g h - f l o w , n o n - s l a m , c o m b i n a t i o n a i r v a l v e

D r . S r i n i v a s a L i n g i r e d d y a n d D r . D o n W o o d , o f t h e D e p a r t m e n t o f C i v i l

E n g i n e e r i n g , t h e U n i v e r s i t y o f K e n t u c k y , s t u d i e d t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n a i r

v a l v e s a n d p r e s s u r e s u r g e s , i n c l u d i n g e x a m i n a t i o n o f t h e A . R . I . n o n - s l a m , 3 s t a g e

a i r v a l v e , D - 0 6 0 H F N S . T h e s t u d y i n c l u d e d l a b o r a t o r y t e s t s a s w e l l a s c o m p u t e r

s u r g e a n a l y s i s . R e s u l t s o f t h i s s t u d y a r e i n c l u d e d i n a p a p e r t h a t w a s s u b m i t t e d

t o t h e A W W A , a n d i s p r e s e n t l y u n d e r r e v i e w f o r p u b l i c a t i o n , P r e s s u r e S u r g e s

D u e t o A i r R e l e a s e .

7

C o n d i t i o n s b e f o r e a n d a f t e r A i r S l a m

A u t o m a t i c A i r

R e l e a s e V a l v e

A e r o - F l o w t h r o t t l i n g

o r i f i c e d i s c

S m a l l k i n e t i c o r i f i c e

L a r g e k i n e t i c

a i r / v a c u u m o r i f i c e

L a r g e k i n e t i c

a i r / v a c u u m f l o a t

d o

Q A

H A

Q 1

Q 2

dp

H A + H

Q 3

H

H

H

A

= A i r p r e s s u r e

Q

A

= V o l u m e t r i c a i r f l o w

d

o

= d i a m e t e r o r i f i c e

d

p

= d i a m e t e r p i p e

Q

1

, Q

2

= I n i t i a l V o l u m e t r i c F l o w s i n

p i p e s 1 a n d 2

Q

3

= F i n a l V o l u m e t r i c F l o w s

H = p r e s s u r e s u r g e m a g n i t u d e

C = w a v e s p e e d i n p i p e s

A = c r o s s - s e c t i o n a l a r e a p i p e s


15/22

1 5

I n t h e s t u d y , a n d s u b s e q u e n t r e p o r t , D r . L i n g i r e d d y a n d D r . W o o d i n v e s t i g a t e d

t h e p h e n o m e n o n t h e y c a l l A i r S l a m . S e p a r a t e d w a t e r c o l u m n s r e t u r n t o a p e a k

o n a p i p e l i n e , w h e r e a n a i r v a l v e w a s i n s t a l l e d , a n d f o r c e a c c u m u l a t e d a i r o u t o f

t h e a i r v a l v e o r i f i c e , u n t i l t h e a i r v a l v e s l a m s s h u t , a s w a t e r b u o y s t h e a i r v a l v e

f l o a t , s e a l i n g t h e o r i f i c e .

T h e A i r S l a m P h e n o m e n o n i s d e s c r i b e d g r a p h i c a l l y i n t h e s k e t c h , a b o v e ,

w h i c h i s i n c l u d e d i n t h e r e p o r t .

T w o t r a n s i e n t f l o w m o d e l s w e r e s e t u p , t o d e t e r m i n e A i r S l a m i n v o k e d

p r e s s u r e s u r g e s f o r d i f f e r e n t s i z e d o u t l e t o r i f i c e s o f a i r v a l v e s .

F o r t h e f i r s t , s i m p l e m o d e l , b e l o w , t h e h e a d o n t h e l e f t o f t h e v a l v e w a s l o w e r e d

f r o m 1 0 0 f t . t o 1 0 f t . i n 1 0 s e c o n d s t h e n r a i s e d b a c k u p t o 1 0 0 f t . i n t h e n e x t 1 0

s e c o n d s . A n a i r v a l v e w i t h a 4 i n c h ( 1 0 0 m m ) i n l e t o r i f i c e a n d a n o u t l e t o r i f i c e

v a r y i n g f r o m 4 i n c h e s ( 1 0 0 m m ) d o w n t o 0 . 5 i n c h e s ( 1 2 . 5 m m ) w a s a n a l y z e d .

T h e a i r v a l v e o p e n s t o e m i t a i r w h e n t h e h e a d i s l o w e r e d a n d t h e n e x p e l s t h e a i r

w h e n t h e h e a d i n c r e a s e s .

S i m p l e t r a n s i e n t f l o w m o d e l t o c a l c u l a t e A i r S l a m

T h e r e s u l t s o f t h e f i r s t m o d e l a n a l y s e s a r e s h o w n i n t h e g r a p h a n d t a b l e b e l o w .


16/22

1 6

S u r g e a n a l y s i s r e s u l t s f o r 4 , 2 , 1 , a n d 0 . 5 o r i f i c e s o n a 4 a i r v a l v e

O r i f i c e S i z e

( i n c h )

H e a d i n a i r v a l v e ( H

A

)

( f t )

H ( E q . 1 0 ) ( f t ) H ( S u r g e A n a l y s i s )

( f t )

4 . 0 0 . 0 5 9 2 4 0 . 0 2 4 0

2 . 0 0 . 8 2 5 2 2 0 . 0 2 2 4

1 . 0 4 . 7 0 0 1 1 5 . 5 1 2 0

0 . 5 7 . 8 0 0 3 4 . 6 3 5

S u m m a r y o f p r e s s u r e i n c r e a s e s t h r o u g h d i f f e r e n t s i z e o r i f i c e s f o l l o w i n g e x p u l s i o n o f a i r

T h e s e c o n d m o d e l w a s a b i t m o r e c o m p l e x . T h i s p i p e l i n e c o m p r i s e d o v e r 8 0 0 0 f t

o f 1 2 i n c h l i n e w i t h a 1 6 5 H p p u m p p u m p i n g f r o m a g r o u n d l e v e l s t o r a g e f a c i l i t y

t o a n e l e v a t e d s t o r a g e t a n k . T h e r e w a s a 3 i n c h a i r v a l v e a t t h e m o s t e l e v a t i o n

p o i n t ( 5 0 f t h i g h e r t h a n t h e g r o u n d s t o r a g e f a c i l i t y ) a l o n g t h e p i p e l i n e p r o f i l e .

T r a n s i e n t c o n d i t i o n f o r t h i s p i p e l i n e w a s g e n e r a t e d b y a 5 - s e c o n d c o n t r o l l e d

s h u t d o w n ( l i n e a r v a r i a t i o n i n p u m p s p e e d ) o f t h e p u m p a t t i m e t = 5 s e c o n d s

f o l l o w e d b y a 5 - s e c o n d p u m p s t a r t u p . T h e r e w a s a 3 0 s e c o n d l a g b e t w e e n t h e

p u m p s h u t d o w n a n d s u b s e q u e n t p u m p s t a r t u p .

M o r e c o m p l e x p i p e l i n e m o d e l s c h e m a t i c


17/22

1 7

H e r e , a l s o , t h e d i f f e r e n c e i n t h e p r e s s u r e s u r g e s d u e t o A i r S l a m a r e v e r y

s i g n i f i c a n t , a s c a n b e s e e n i n t h e g r a p h s b e l o w .

S u r g e s d u e t o A i r S l a m , i n a 3 a i r v a l v e , w i t h 3 , 1 , a n d 0 . 5 o r i f i c e s


18/22

1 8

M e k o r o t , I s r a e l s n a t i o n a l w a t e r c o m p a n y , c o n d u c t e d f i e l d t e s t s o n t h e F o u r t h

W a t e r S u p p l y L i n e t o J e r u s a l e m , a 4 2 k m p r e s s u r e m a i n w i t h f o u r m a j o r

p u m p i n g s t a t i o n s a n d f o u r m a j o r b a l a n c i n g r e s e r v o i r s , 5 , 5 0 0 m

3

e a c h , s u p p l y i n g

a b o u t 5 0 m i l l i o n m

3

o f w a t e r a n n u a l l y t o t h e m o u n t a i n c i t y . T h e s e t e s t s w e r e

m a d e t o d e t e r m i n e t h e s u r g e s u p p r e s s i o n c a p a b i l i t i e s o f t h e A . R . I . D - 0 6 0 H F N S ,

h i g h f l o w , n o n - s l a m , c o m b i n a t i o n a i r v a l v e . O n e o f t h e t e s t s c o m p a r e d p r e s s u r e

s u r g e s w h e n t w o p u m p s w e r e s h u t - o f f s i m u l t a n e o u s l y a t a 6 D - 0 6 0 H F , w i t h a n d

w i t h o u t t h e n o n - s l a m a d d i t i o n . T h o u g h p r e s s u r e s w e r e n o t v e r y h i g h , t h e

d i f f e r e n c e i n t h e i n t e n s i t y o f t h e s u r g e p r e s s u r e s w e r e v e r y s i g n i f i c a n t , a s c a n b e

s e e n o n t h e g r a p h s b e l o w .

S h o a i v a S u r g e F i e l d T e s t s , J u n e 2 9 , 2 0 0 2

6 " D - 0 6 0 H F P r e s s u r e s

A t 2 P u m p S i m u l t a n e o u s S h u t - O f f

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

0 0 : 0 0 . 0 0 0 : 0 4 . 3 0 0 : 0 8 . 6 0 0 : 1 3 . 0 0 0 : 1 7 . 3 0 0 : 2 1 . 6

T i m e ( m i n )

P

r

e

s

s

u

r

e

(

b

a

r

)

H i g h

H i g h

F l o w

F l o w

S h o a i v a S u r g e F i e l d T e s t s , J u n e 2 9 , 2 0 0 2

6 " D - 0 6 0 H F N S P r e s s u r e s

A t 2 P u m p S i m u l t a n e o u s S h u t - O f f

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

0 0 : 0 0 . 0 0 0 : 0 4 . 3 0 0 : 0 8 . 6 0 0 : 1 3 . 0 0 0 : 1 7 . 3 0 0 : 2 1 . 6 0 0 : 2 5 . 9

T i m e ( m i n . )

P

r

e

s

s

u

r

e

(

b

a

r

)

N o n S l a m

N o n S l a m

( S i m u l t a n e o u s S h u t

( S i m u l t a n e o u s S h u t

-

-

O f f )

O f f )

P r e s s u r e s u r g e s

w i t h a r e g u l a r

a n d w i t h a n o n -

s l a m a i r v a l v e

a t t w o - p u m p

s i m u l t a n e o u s

s h u t - o f f .

M a x i m u m

p r e s s u r e f o r t h e

h i g h - f l o w a i r

v a l v e w a s

1 8 . 2 4 b a r a n d

t h e m a x i m u m

p r e s s u r e f o r t h e

h i g h - f l o w , n o n -

s l a m a i r v a l v e

w a s 9 . 8 1 b a r .

D u r a t i o n o f t h e

w a t e r c o l u m n

s e p a r a t i o n f o r

t h e h i g h - f l o w

w a s 6 . 9 s e c . a n d

f o r t h e n o n -

s l a m 6 . 1 s e c .


19/22

1 9

A d v a n c e d A i r V a l v e S i z i n g a n d L o c a t i o n

A s c a n b e c o n c l u d e d f r o m t h e i n f o r m a t i o n a b o v e , a i r v a l v e s , w h i c h a r e o f t e n ,

c o l l e c t i v e l y , m i s s - n a m e d , a s A i r R e l e a s e V a l v e s , a r e m u c h m o r e t h a n m e r e l y

a i r r e l e a s e v a l v e s a n d v a c u u m b r e a k e r s . E v e n t h e i r v a c u u m b r e a k i n g f u n c t i o n i s

o f t e n a m e a n s , a n d a s t e p , i n p r e s s u r e s u r g e s u p p r e s s i o n . R e a l i z i n g t h i s , i t i s

o b v i o u s t h a t p l a c e m e n t a n d s i z i n g o f a i r v a l v e s f o r a i r r e l e a s e a t p i p e f i l l i n g o r

a i r i n t a k e a t p i p e l i n e d r a i n a g e i s n o t e n o u g h , a n d c a n b e d a m a g i n g , a t t i m e s .

W h e n d e c i d i n g o n p l a c e m e n t a n d s i z i n g o f a i r v a l v e s , t h e w a t e r s y s t e m d e s i g n e r

m u s t c o n s i d e r a l l t h e f u n c t i o n s r e q u i r e d f r o m t h e p a r t i c u l a r a i r v a l v e , a n d d e c i d e

a c c o r d i n g l y . T h e c a p a b i l i t y o f h a v i n g a d i f f e r e n t i n t a k e a n d d i s c h a r g e c a p a c i t y

i n t h e s a m e a i r v a l v e m a k e s t h i s t a s k m u c h , m u c h e a s i e r .

T h e m o s t c o m m o n c a l c u l a t i o n s f o r a i r v a l v e s i z i n g w e r e d i s c u s s e d i n t h e A i r

V a l v e S i z i n g s e c t i o n , a b o v e . T h e c a l c u l a t i o n o f a i r i n t a k e r e q u i r e m e n t s f o r a l l

a i r v a l v e s o n v e r y l o n g l i n e s o r s y s t e m s , c a n b e v e r y d i f f i c u l t a n d t i m e

c o n s u m i n g . F o r t h i s r e a s o n , s o m e o f t h e a i r v a l v e m a n u f a c t u r e r s d e v e l o p e d

c o m p u t e r p r o g r a m s t o a i d i n t h e s i z i n g , a n d , s o m e t i m e s , b o t h , s i z i n g a n d

p l a c e m e n t o f a i r v a l v e s . I n m o s t o f t h e s e , t h e s a m e , m o s t c o m m o n c a l c u l a t i o n s f o r

a i r v a l v e s i z i n g t h a t w e r e d i s c u s s e d i n t h e A i r V a l v e S i z i n g s e c t i o n , w e r e

p e r f o r m e d b y t h e c o m p u t e r .

S i n c e b u r s t a n a l y s i s , b a s e d o n t h e H a z e n - W i l l i a m s e q u a t i o n , f o r i n s t a n c e , r e l a t e s

o n l y t o p i p e s l o p e , a n d n o t t o e l e v a t i o n d i f f e r e n c e , f o r s l i g h t e l e v a t i o n d i f f e r e n c e s

o v e r a v e r y s i g h t d i s t a n c e , c o m p u t e r p r o g r a m s u t i l i z i n g o n l y H a z e n - W i l l i a m s

b a s e d b u r s t a n a l y s i s , m a y c o m e u p w i t h v e r y e x t r e m e a n d u n r e a l i s t i c r e s u l t s .

A r i p l a n

A . R . I . d e v e l o p e d a u s e r f r i e n d l y , y e t c o m p r e h e n s i v e c o m p u t e r p r o g r a m , t h e

A r i p l a n S i z i n g a n d L o c a t i o n P r o g r a m , d e s i g n e d t o a i d i n t h e d e s i g n o f a i r c o n t r o l

s y s t e m s , i n t h e w a y o f a i r v a l v e s , f o r w a t e r a n d w a s t e w a t e r p r e s s u r i z e d s y s t e m s .

T h i s p r o g r a m o f f e r s t h e d e s i g n e r s t h r e e d i f f e r e n t t y p e s o f a n a l y s e s f o r t h e

l o c a t i o n a n d s i z i n g o f a i r v a l v e s . T h e d e s i g n e r c a n u s e o n e , o r a n y c o m b i n a t i o n o f

t w o o r t h r e e o f t h e a n a l y s e s t o d e s i g n h i s a i r v a l v e s y s t e m . A v i r t u a l a n a l y s i s c a n

a l s o b e p e r f o r m e d , w h e n a c t u a l v a l u e s r e s u l t i n s o l u t i o n s w i t h l o w f e a s i b i l i t y f o r

i m p l e m e n t a t i o n .

F i l l - R a t e A n a l y s i s

F o r s y s t e m s o f v e r y l o w p r o b a b i l i t y f o r p i p e c o l l a p s e o r d a m a g i n g v a c u u m

c o n d i t i o n s , w h e r e t h e t o p o g r a p h y i s f a i r l y f l a t , w i t h n o s i g n i f i c a n t s l o p e c h a n g e s ,

e s p e c i a l l y w h e r e b u d g e t s a r e l i m i t e d , a d e s i g n e r m a y r e l y o n F i l l - R a t e A n a l y s i s .

H e r e , a i r v a l v e s i z e i s d e t e r m i n e d a c c o r d i n g t o t h e a i r d i s c h a r g e c a p a c i t y

r e q u i r e d a t p i p e f i l l i n g a t a g i v e n f i l l i n g v e l o c i t y . T h e a i r d i s c h a r g e r e q u i r e m e n t

i s e q u a l t o t h e p i p e - f i l l i n g r a t e , a s d e t e r m i n e d b y t h e m a x i m u m f i l l i n g v e l o c i t y

e s t a b l i s h e d b y t h e d e s i g n e r . T h e e q u a t i o n u s e d b y t h e p r o g r a m f o r F i l l - R a t e

A n a l y s i s i s :

4

2

D

VQ

FF

=

W h e r e :

F

Q= K i n e t i c ( l a r g e o r i f i c e ) a i r d i s c h a r g e r e q u i r e m e n t f o r p i p e f i l l i n g ( m

3

/ s )

F

V

= P i p e f i l l i n g v e l o c i t y ( m / s )

D = P i p e i n t e r n a l d i a m e t e r ( m )


20/22

2 0

F i l l - r a t e A n a l y s i s p l a c e s a i r v a l v e s a t p e a k s o n t h e p i p e l i n e , a t p u m p s t a t i o n s a n d

r e s e r v o i r s , a n d a t i n - l i n e i s o l a t i n g v a l v e s .

B u r s t A n a l y s i s

A s m e n t i o n e d b e f o r e , t h i s i s t h e a n a l y s i s m o s t c o m m o n l y r e c o m m e n d e d b y a i r

v a l v e m a n u f a c t u r e r s . B u r s t A n a l y s i s i s o n e o f t h e t h r e e m a i n a n a l y s e s o f f e r e d b y

A r i p l a n , b a s e d o n t h e H a z e n - W i l l i a m s e q u a t i o n . T h i s a n a l y s i s a s s u m e s a f u l l

f l o w - c r o s s - s e c t i o n p i p e b u r s t , r e s u l t i n g i n f u l l d i a m e t e r , f r e e - f l o w d r a i n a g e , a t

t h e p i p e b u s t . T h e a c t u a l e q u a t i o n u s e d b y A r i p l a n , i n t h i s a n a l y s i s , i s :

8 5 2.1

8 5 2.18 7.4

6 9.1 0

CS D

Q

B

=

W h e r e :

B

Q= A i r i n t a k e f l o w - r a t e r e q u i r e m e n t f o r v a c u u m p r o t e c t i o n a t p i p e b u r s t ( m

3

/ s )

S

= S l o p e o f t h e p i p e ( m / m )

C

= H a z e n W i l l i a m s C o e f f i c i e n t

B u r s t A n a l y s i s p l a c e s a i r v a l v e s a t p e a k s o n t h e p i p e l i n e , a t p u m p s t a t i o n s a n d

r e s e r v o i r s , a n d a t i n - l i n e i s o l a t i n g v a l v e s . A t p o i n t s o f s l o p e d e c r e a s e o n

a s c e n d i n g l i n e s a n d a t p o i n t s o f s l o p e i n c r e a s e o n d e s c e n d i n g l i n e s , w h e r e t h e

d i f f e r e n c e i n v e l o c i t y h e a d b e t w e e n t h e t w o p i p e s e c t o r s i s 1 . 5 m a n d h i g h e r , a n

a i r v a l v e i s l o c a t e d a t t h e p o i n t o f c h a n g e o f s l o p e . I f 5.1

22

22


21/22

2 1

D r a i n a g e A n a l y s i s c a n b e u s e d t o r e p r e s e n t a r u p t u r e a n a l y s i s , w h e r e a v i r t u a l

d r a i n a g e v a l v e ( w h i c h , i n t h e e q u a t i o n , i s m e r e l y a n o r i f i c e ) i s u s e d t o s i m u l a t e a

r u p t u r e o f a g i v e n s i z e . I n t h i s w a y , t h e p r o g r a m u s e r c a n d e t e r m i n e t h e l e v e l o f

p i p e p r o t e c t i o n a c c o r d i n g t o t h e s i z e o f t h e r u p t u r e i t c o v e r s . T h i s a n a l y s i s g i v e s

a m o r e c o h e r e n t s o l u t i o n t h a n s i m p l y a p e r c e n t a g e o f b u r s t a n a l y s i s , a s s u g g e s t e d

b y s o m e m a n u f a c t u r e r s .

D r a i n a g e A n a l y s i s , p l a c e s a i r v a l v e s a t p e a k s t h a t f l o w t o d r a i n v a l v e s ( n o h i g h e r

p e a k s b e t w e e n t h e m a n d t h e d r a i n a g e v a l v e s ) , a t p u m p s t a t i o n s a n d r e s e r v o i r s ,

a n d a t i n - l i n e i s o l a t i n g v a l v e s t h a t f l o w t o d r a i n v a l v e s ( a g a i n , n o h i g h e r p e a k s

b e t w e e n t h e m a n d t h e d r a i n a g e v a l v e s ) . W h e n t h e r e a r e m o r e t h a n o n e p e a k

f l o w i n g t o t h e s a m e d r a i n a g e v a l v e , t h e h i g h e s t p e a k r e q u i r e s f u l l a i r i n t a k e , a s

d e t e r m i n e d b y t h e O r i f i c e E q u a t i o n . A l l o t h e r a i r v a l v e s o n t h e w a y t o t h e s a m e

d r a i n v a l v e r e q u i r e o n l y h a l f t h e a i r i n t a k e c a p a c i t y t h a t w a s c a l c u l a t e d b y t h e

O r i f i c e E q u a t i o n .

D r a i n a g e A n a l y s i s i s t h e m o s t c o m p l i c a t e d a n a l y s i s , w h i c h a n a l y s e s t h e w h o l e

p i p e l i n e , c o n s i d e r i n g e a c h l o c a t i o n a g a i n s t a l l a p p l i c a b l e d r a i n v a l v e s ( s i n c e s o m e

l o c a t i o n s c a n b e d r a i n e d t o a n u m b e r o f d i f f e r e n t d r a i n v a l v e s ) , a n d t a k i n g i n t o

a c c o u n t t h e e f f e c t o f o n e a i r v a l v e o n a n o t h e r . A l l t h a t w a s s a i d a b o u t d r a i n

v a l v e s i s a l s o t r u e f o r v i r t u a l d r a i n v a l v e s .

I n a d d i t i o n t o t h e a i r v a l v e l o c a t i o n s l i s t e d a b o v e , a l l t h r e e a n a l y s e s l o c a t e s m a l l

o r i f i c e , a u t o m a t i c a i r r e l e a s e v a l v e s , o n h o r i z o n t a l r u n s o r o n s e c t i o n s o f c o n s t a n t

s l o p e , a t i n t e r v a l s c h o s e n b y t h e p r o g r a m u s e r . T h e d e f a u l t i n t e r v a l i s 5 0 0 m , a n d

t h e r e c o m m e n d e d d i s t a n c e i s 5 0 0 m - 8 0 0 m . I f t h e s e p i p e s e c t i o n s a r e l o n g e r t h a n

2 0 0 0 m , A r i p l a n r e p l a c e s a n a u t o m a t i c a i r r e l e a s e v a l v e w i t h a c o m b i n a t i o n a i r

v a l v e , e v e r y 2 0 0 0 m .

A r i p l a n w a s d e v e l o p e d b e f o r e t h e D - 0 6 0 H F N S a i r v a l v e s w e r e i n t r o d u c e d t o t h e

m a r k e t . F o r t h i s r e a s o n , t h e t h r e e - s t a g e , n o n - s l a m a i r v a l v e s a r e n o t i n c l u d e d i n

t h e A r i p l a n d a t a b a s e . I n a n y c a s e , A r i p l a n i s n o t m e a n t t o , a n d , d o e s n o t p e r f o r m

s u r g e a n a l y s i s .

A r i p l a n c a n w o r k v e r y e f f e c t i v e l y , t o g e t h e r w i t h a s u r g e p r o g r a m . F i r s t l y , r u n

A r i p l a n , u s i n g a v a i l a b l e d a t a o n t h e p i p e l i n e , c h o o s i n g H i g h F l o w f o r V a l v e

C h a r a c t e r i s t i c s i n t h e S e l e c t i o n C r i t e r i a . S e c o n d l y , e n t e r t h e r e s u l t i n g a i r

v a l v e d a t a i n y o u r s u r g e a n a l y s i s p r o g r a m , e n t e r i n g t h r e e - s t a g e , n o n - s l a m a i r

v a l v e d a t a i n p l a c e s w h e r e y o u t h i n k w a t e r c o l u m n s e p a r a t i o n a n d r e t u r n c o u l d

o c c u r . R u n t h e s u r g e a n a l y s i s . I n a i r v a l v e l o c a t i o n s w h e r e u p - s u r g e s a p p e a r ,

r e p l a c e r e g u l a r h i g h f l o w a i r v a l v e s w i t h t h r e e - s t a g e , n o n - s l a m a i r v a l v e . T h i s

s h o u l d g r e a t l y i m p r o v e , i f n o t e l i m i n a t e m o s t p r e s s u r e s u r g e s .

R e f e r e n c e s

1 . C . S a m u e l M a r t i n , T r a n s i e n t P e r f o r m a n c e o f A i r V a c u u m B r e a k e r s ,

p r e s e n t e d a t t h e F o u r t h I n t e r n a t i o n a l M e e t i n g o n W a t e r C o l u m n

S e p a r a t i o n ,

C a g l i a r i , I t a l y , S e p t e m b e r 1 1 - 1 3 , 1 9 7 9


22/22

2 . A W W A , M a n u a l o f W a t e r S u p p l y P r a c t i c e s M 5 1 , F i r s t E d i t i o n A i r -

R e l e a s e , A i r V a c u u m , a n d C o m b i n a t i o n A i r V a l v e s , ( 2 0 0 1 ) , I S B N 1 -

5 8 3 2 1 - 1 5 2 - 7

3 . A . R . D . T h o r l e y , F l u i d T r a n s i e n t s i n P i p e l i n e S y s t e m s , D . & L . G e o r g e

L T D , 1 9 9 1 , I S B N 0 - 9 5 1 7 8 3 0 - 0 - 9

4 . S w a f f i e l d J . A . a n d B o l d y A . ' P r e s s u r e s u r g e i n p i p e a n d d u c t s y s t e m s ' .

G o w e r P r e s s ( A s h g a t e ) J u l y 1 9 9 3

5 . N e w Y o r k C i t y D e p a r t m e n t o f E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n P h o t o E s s a y

W a t e r M a i n B r e a k : 5

t h

A v e n u e a n d 1 9

t h

S t r e e t , J a n u a r y 2 , 1 9 9 8 , f r o m

w e b s i t e a t : w w w . n y c / g o v / h t m l / d e p / h t m l / w a t e r m a i n / h t m l

6 . M a r k o V . I v e t i , H y d r a u l i c / F o r e n s i c T r a n s i e n t A n a l y s e s o f t w o P i p e l i n e

F a i l u r e s , f r o m t h e i n t e r n e t a t :

h t t p : / / r i v e r 4 . k u c i v . k y o t o - u . a c . j p / m e m b e r / h o s o d a / v w f / U r b a n W _ H Y T . p d f

7 . L i n g e r e d d y , S . , W o o d , D . J . , Z l o c z o w e r , N . , P r e s s u r e S u r g e s o n P i p e l i n e

S y s t e m s D u e t o A i r R e l e a s e . J o u r n a l o f t h e A m e r i c a n W a t e r W o r k s

A s s o c i a t i o n ( i n r e v i e w )
http://river4.kuciv.kyoto-u.ac.jp/member/hosoda/vwf/UrbanW_HYT.pdfhttp://www.nyc/gov/html/dep/html/watermain/html

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ARI Air Valve Selection Specification and Sizing