O1. EVALUAREA SOLUTI EI IN SITU 2016 1.1. Analiza conditiilor generale pentru funtionarea pompelor pluviale in situ Stația de epurare a Mun icipiului… [613348]

O1. EVALUAREA SOLUTI EI IN SITU 2016
1.1. Analiza conditiilor generale pentru funtionarea pompelor pluviale in situ
Stația de epurare a Mun icipiului Timișoara (Fig. 1) a fost reabilitată în perioada 2009 –
2011 și pusa în funcțiune în martie 2011, fiind dimension ată pentru 440000 locuitori
echivalenți. Valoarea de investiție a fost de circa 28 milioane de euro si a avut ca proiectant și
constructor PWT Wasser and Abwassertechnik GmbH Germania. Din numarul total de
locuitori ai Municipiului Timișoara, aprox. 350000 locuitori, 97% sunt conectați la sistemul de
canalizare al orașului, sistem de canalizare care descarcă în stația de epurare a orașului. Media
anuală recentă în stația de epurare a Mun icipiului Timișoara a fost de 42105754 mc de apă
uzată din care aprox. 5-10% reprezintă apă de ploaie. Surplusul de apa este vehiculat cu cele 7
pompe de apa uzata de productie Flygt PL7121 595N4 400kW (Fig. 2 a,b) (Suedia), pompe
pluviale ce fac obiectul acestui proiect . Aceste pompe pluviale au rolul de a prelua și evacua în
râul Bega surplusul de apă ce provine din inundatii sau ploi torențiale, Fig. 2. Rolul pompelor
pluviale este crucial deoarece protejeaza statia de epurare la inundarea acesteia facand -o
nefunctionala pentru asigurarea serviciilor pentru populatie. Protec tia statiei de epurare se
realizeaza si in situatia in care doua pompe sunt nefunctionale. Fiecare pompa Flygt are
propriul sau bulentin de testare realizat de producator fiind special proiectata pentru ape uzate
(Bernauer 1988, Kida si Toyokura 1965, Arbeus 1992, Singh si Nestmann 2011) , Fig. 2 d.

Fig. 1 Vedere aeriana a stației de epurare „Stan Vidrighin” a Municipiului Timișoara
Pornirea pompelor se face cu softstarter pentru a asigura o pornire lina protejand reteaua
electrică la varfurile de curent. Pornirea pompelor este realizata succesiv pri mind comanda
atunci cand nivelul apei din canalul de aspiratie depaseste nivelele prestabilite (prima pompa
porneste la 2.5 m, iar apoi porneste succesiv cate o pompa pe masura ce nivelul apei creste cu
0.5 m fata de cel la care a pornit pompa anterioara). Comanda se realizeaza cu ajutorul unui

senzor de nivel amplasat in coloana verticala a canalului 3 (Fig. 3b) . Pompele pluviale au
parametri: turatie constanta n=595 rpm , putere P=400 kW, curent I=775 A, debit Q=3500 l/s .

Fig 2. Pompa Flygt PL7121. 935-1041104 595N4 400 kW: (a) schita din catalog a pompei (3.5 m
inaltime, ~5200kg) (b) vedere a unei pompe; (c) solutia pentru pompele de ape uzate cu inel de
descarcare.

Fig. 3 (a) Modul de instalare al pompelor pluviale in statia de epurare; ( b) vedere in situ a canalului nr.
3 in care sunt instalate pompele pluviale nr. 5 si 6; (c) solutia de instalare a pompelor pluviale cu cot la
aspiratie.
Utilizarea pompelor se realizeaza intr -o schema de permutare ciclica pentru a asigura un
numar de ore de functionare aproximativ egal pe toate unitatile instalate. Numarul de ore de
functionare al fiecarei pompe pluviale este prezentat in Tabelul 1. Se constata un numar redus
de ore de functionare datorita conditiilor si problemelor aparute in exploatare.
Tabelul 1. Numarul de ore de functionare ale pompelor pluviale (mar . 2011 – oct. 2016) .
Anul P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7
2011 (mar -dec) 63 51 75 111 15 10 0
2012 23 4 22 43 37 16 10
2013 17 16 30 31 61 32 18
2014 39 2 65 32 27 42 33
2015 28 22 43 16 49 62 36
2016 (ian-oct) 63 53 49 41 72 57 72
Total ore 233 148 284 274 261 219 169

Analiza distributiei numarului de ore de functionare al pompelor pluviale pe lunile anului
de la punerea in functiune (PIF) in luna martie 2011 pana in luna octombrie 2016 este
prezentata in Fig. 4. Se observa ca maximul numarului de ore de functionare este in luna iulie
in timp ce perioada aprilie – august include volumele cele mai mari de precipitatii. Aceasta
distributie sugereaza ca in aceasta perioada (aprilie – august) se pot efectua investigatiile
in situ pentru colectarea datele necesare in timp ce in afara acestei perioade se pot
planifica si realizeaza testele pentru identificarea parametrilor si marimilor relevante
pentru investigatii le din cadrul proiectului.

Fig 4. Distributia numarului de ore de functionare al pompelor pluviale pe lunile anului de la PIF
(mar. 2011 – oct. 2016) .

Fig 5. Distributia numarului de ore de functionare pentru fieca re pompa pluviala de la PIF
(mar . 2011 – oct. 2016) .
Analiza distri butiei numarului de ore de functionare de la punerea in functiune (PIF) in
luna martie 2011 pana in luna octombrie 2016 pe fiecare pompa pluviala sunt prezentate in
Fig. 5. Desi modul de functionare a acestor pompe a avut in vedere operarea unui numar de o re
aproximativ egal pe fiecare hidroagregat se observa ca avem o variatie a numarului de ore cu
pana la 100% (pompa P2 a functionat 148 de ore in timp ce pompa P3 a acumulat 284 ore).

Este important de mentionat ca pompele P1 si P4 au suferit distrugeri ca tastrofale ale rotorului
(vezi Fig. 6) necesitand perioade de nefunctionare pentru remedierea problemelor. Totusi,
pentru ambele pompe NU se observa o diminuare semnificativa a numarului de ore de
functionare. La pompa P1 numarul de ore de functionare este mai mic decat la pompa P4 dar
trebuie tinut cont ca au fost doua avarii survenite la P1 in 2013 si 2016 fata de o avarie in 2015
la pompa P4. Evaluarea perioadei de exploatare pentru fiecare pompa in parte corelata
cu datele disponibile recomanda selectar ea pompei P4 in planul de investigatii in situ .
Problema majora o reprezinta distrugerile catastrofale ale rotoarelor pompelor pluviale
(Fig. 6) dupa perioade scurte de functionare. Distrugerea este cauzata de imbacsirea rotorului
pompei [12 -14] si a in terstitiului dintre palete si inel (Fig. 2c) cu deseuri (carpe, scutece, folii,
bolovani, fibre etc.) care conduc la devierea radiala a rotorului, urmata de frecarea si blocarea
paletelor rotorului ce produc forfecarea buloanelor de fixare ale paletelor ro torice.

Fig. 6. Distrugeri catastrofale ale rotoarelor pompelor pluviale: (a) pompa nr. 1 din octombrie 2013 – 2
palete lipsa; (b) pompei nr. 4 din august 2015 – 1 paleta lipsa; (c) pompa nr. 1 din martie 2016 – 3
palete lipsa.
Scopul major al proiec tului este cresterea timpului de functionare fara incidente
a pompelor pluviale din sistemele de apa uzata. Pentru a atinge acest obiect in cadrul
proiectului se furnizeaza solutii: (1) d.p.v. hidrodinamic pentru a diminua imbacsirea
rotorului prin evaluar ea influentei cotului de la aspiratia pompei care favorizeaza acumularea
de deseuri si/sau aluviuni ; (2) d.p.v. mecanic privind cresterea rezistentei solutiei de fixare a
paletelor in butuc pornind de la evaluarea proprietatilor mecanice a buloanelor pana la o
tehnologie de rigidizare a paletelor de butuc ; (3) d.p.v electric pentru oprirea de urgenta a
pompei atunci cand rotorul a re un grad de imbacsire dectectabil in marimile electrice de
alimentare a pompei impreuna cu testarea unei proceduri de auto curat ire a rotorului la
oprirea /repornirea pompei.
Vizita in situ realizata de echipa proiectului in data de 14.10.2016 la statia de epurare a
evaluat stadiul actual si a identificat problemele discutate in cadrul kick -off meetingului
proiectului desfasurat la Universitatea Politehnica Timisoara impreuna cu echipa agentului
economic AQUATIM.

1.2. Evaluare conditii lor hidrodinamice generate de cotul de la aspiratie

Analiza evenimentelor catastrofale ce au produs distrugerea rotoarelor si scoaterea lor din
functionar e are ca ipoteza de lucru , din punct de vedere hidrodinamic, imbascisrea rotoarelor datorita
cotului de la aspiratie care favorizeaza acumularea de deseuri si/sau aluviuni. Solutia de amplasare in
situ a cotului de la aspiratie este prezentata in Fig. 5a i n timp ce geometria acestuia este redata in
fotografiile Fig. 5b/c.

Fig. 5 (a) Solutia de instalare a cotului la aspiratia pompelor in situ. Vedere a cotului pentru situatia in
care a fost drenata apa uzata din camera de aspiratie a pompei; (b si c) Fotografii ale cotului de la
aspiratia pompelor.
Evaluarea vizuala a geometriei cotului evidentiaza deficentele majore din punct de vedere
hidrodinamic a solutiei implementate in situ. Nervurile centrale care au rol ul de a rigidiza
constructi a metalica f avorizeaza acumularea deseuri lor/fibre lor/aluviuni lor la aspiratia
pompei . Aceasta acumulare produce perturbarea hidrodinamica a curgerii la aspiratia pompei
deoarece pompele sunt amplasate pe un nivel inferior in dana pentru a realiza amorsarea , Fig
6. NU trebuie scapat din vedere ca forma actuala a cotului impreuna cu acumularea de
deseuri/fibre/aluviuni induce o curgere neuniforma la aspiratia pompelor ce produce incarcari
neuniforme pe paletele rotorice .

Fig. 6 (a) Fotografie a canalului in care sun t instalate pompele pluviale pentru situatia in care a fost
drenata apa uzata; (b ) Fotografi e a imbacsirii cotului de la aspiratia pompelor cu deseuri/ fibre .
Pompele pluviale de tip Fligt P7121 sunt special concepute pentru a functiona in ape uzate
compara tiv cu pompele axiale clasice (Fig. 7a/b). Se observa ca bordul de atac al unui pompe
axiale clasice acumuleaza fibrel e/deseuril e pe bordul de atac favorizand imbacsirea. Bordul de atac
al paletelor rotorice pentru pompele pluviale (Fig. 7c) este proiectat a sa indeparteze

fibrel e/deseuril e acumulate pe bordul de atac spre inelul pompei unde sunt evacuate prin canalul de
descarcare prevazut in acesta (vezi Fig. 2c).

Fig. 7 (a si b) Vedere de sus si vedere laterala a paletei rotorului unei pompe axial clasice cu modul de
acumulare a fibrelor/deseurilor pe bordul de atac ; (c) Vedere de sus a rotorului pompelor pluviale
pentru ape uzate.
Solutia adoptata si brevetata pentru pompele pluviale este mult mai clara in Fig. 8 unde se
prezinta in detaliu vederi le rotorului cu paletele (Bernauer 1988, Kida si Toyokura 1965,
Arbeus 1992, Singh si Nestmann 2011) . Se distinge clar linia borduluid e atac al peletelor
rotorice care are rolul de descarcare a fibrel or/deseuril or acumulate pe acesta.

Fig. 8 (a) Solutia pentru pompele de ape uzate cu inel de descarcare ; (b) Vederile laterale si vedere de
sus a rotorului pompelor pluviale pentru ape uzate .
Vizita efectuata la statia de epurare „Stan Vidrighin” a municipiului Timisoara in
cadrul actualui proiect a evidentiat faptul ca in perioada de vara a acestui an toate coturile au
fost eliminate de la aspiratia pompelor pluviale . Aceasta decizie a fost ap licata datorita
problemelor sesizate in exploatare, si anume: incapacitatea de a asigura debitul pompat din
cauza blocarii sectiunii de intrare in cot de peretele canalului . Aceasta situatie a provenit din

cauza rotirii cotului cu 90° sau 180° fata de pozi tia normala de functionare. Eliminarea cotului
de la aspiratie conduce la fenomene hidrodinamice specifice de antrenare a aerului la aspiratia
pompei prin intermediul vartejului (vartejurilor) care produc e (produc) incarcari ale paletelor
rotorului pompei ce induc probleme majore asupra functionarii , Fig. 9.

Fig. 9 (a) Modul de instalare al pompelor pluviale in statia de epurare; (b) Vizualizare a vartejului de
la aspiratia pompelor care realizeaza antrenarea aerului si produce vibratii si incarcari n estationare .
Fenomene le prezentate ce contribuie la problemele constatate in situ vor fi investigate
numeric in activitatea II.1 din cadrul etapei 2017 pentru a cuantifica contributia fenomenelor
hidrodinamice si a gasi solutii pentru cresterea timpului d e functionare fara incidente majore a
pompelor pluviale.
1.3. Evaluare probleme mecanice ce cauzeaza distrugerea rotorului
Solutia de prindere a paletelor rotori ce in butuc este realizata cu 2 buloane din otel
inoxidabil Flygt BUMAX A4 316L 80, Fig. 10. Anali za suprafetei de rupere a buloanelor
indica o rupere fragila care sugerea valori mari ale solicitarilor mecanice care depasesc pragul
de rezistenta al materialului.

Fig. 10. Distrugerea rotorului pompei nr. 4 din august 2015 (a) rotorul cu 1 palet a lipsa; (b) solutia de
prindere a paletelor rotorice de butuc cu 2 buloane; (c) fotografie a suprafetelor de rupere fragila a
buloanelor.
Pe lângă ruperea buloanelor se pot observa cedările paletelor Fig. 11 sub forma unor
fisuri, ruperi, ciupituri s i uzură excesivă, produse de reziduurile textile care se formează sub

forma unor funii. Pentru întelegerea mecanismelor de cedare s -a realizat un studiu al
materialelor folosite la confectionarea buloanelor, respectiv paletelor.

Fig. 11. Cedarea paletelor pompelor; (a) ruperi s i fisuri; (b) ciupituri
Buloanele sunt confectionate din otel inox 316L A4 după ASTM, respectiv 1.4401
după EN având compozit ia chimică indicată în Tablelul 2 (Bufab, 2013) , respectiv
proprietăt ile mecanice în Tabelul 3 (Flygt , 2013) . Acest material av ând rezistentă ridicată la
coroziune, dar o rezistentă scăzută la uzură.
Tableul 2. Compozitia chimică a otelului inox pentru bolturi în [%]
Hotel Cmax Cr Ni Mo
A4 316L/1.4401 0,08 16,5-18,5 10,5-13 2-2,5
Tableul 3 . Propriet ătile mecan ice ale otelului inox pentru bolturi
Otel Clasa Rezistent a la
rupere
[MPa] Limita de
curgere
[MPa] Alungirea la
rupere
[%] Duritate

[HRC ]
A4 316L/1.4401 80 800 600 0,3xd* 10-20
d* – diametrul bol tului
Rotorul pompei este confectionat din aliaj Bronz -Aluminiu, care are rezistentă la
coroziune ridicată, formabilitate bună la cald si la rece, dar o prelucrabilitate prin aschiere
medie. Compozitia chimică este indicată în Tabelul 4 (Aluminium Bronze , 2016), iar
proprietăt ile mecanice în Tabelul 5.
Tableul 4. Compozitia chimică a aliajului Bronz -Aluminiu în [%]
Material Al Cu Fe Sn Pb Mn Zn
Bronz –
Aluminiu 6-7,5 88,5-91,5 2-3 0,02-0,5 ≤0,01 ≤0,10 ≤0,05
Tableul 5. Propriet ătile mecanice ale aliajului Bronz -Aluminiu
Material Rezistent a la
rupere
[MPa] Limita de
curgere
[MPa] Alungirea la
rupere
[%] Duritate

[HRC ] Modul de
elasticitate
[GPa ]
Bronz –
Aluminiu 580 288 45 39 136,5

1.4. Bibliografie
Bernauer J., Non -cloggin g impeller for use in axial and mixed -flow centrifugal pumps, US
Patent 4775297A, 1988.
Kida K., Toyokura T., Full range operable high specific speed pumps, US Patent 3168048A,
1965.
Arbeus U., Impeller for a propeller pump, US Patent 5310316A, 1992.
Singh P., Nestmann F., Axial Flow Impeller Shapes, Part 1/Part 2, 2:36 -39/3:38 -41, World
Pumps, 2011.
BUMAX product portfolio, 2013
Buzdugan Gh., s.a., Rezistent a materialelor. Aplicat ii, Ed. Academiei Române, Bucures ti,
1991
Flygt, Material selection for wastewater pumps, 2013
Flygt, Large propeller pumps, 1993
Flygt, Product catalogue. Submersible pumps P 3000, P 4600, P 7000, 50 Hz, 2007
http://www.matweb.com, Alu minium Bronze, UNS C61300, Annealed , 2016