Methodological approaches to assessing the efficiency of operation of gravity drainage networks with deposits in the tray part of pipes

Full Text

Введение

Методологические подходы при оценке эффективности эксплуатации самотечных сетей водоотведения – это совокупность понятий и знаний, которые необходимы специалисту для оценки эффективности эксплуатации трубопроводов систем водоотведения с гидравлической точки зрения. С учетом этого пояснения эффективная эксплуатация самотечных сетей водоотведения возможна только при обоснованных гидравлических значениях фактических характеристик гидравлического потенциала труб – $d_{вн}^{ф}$, $V_{ф}$, $i_{ф}$[1].

На рис. 1 показано колебание уровня наполнения трубы с отложениями осадка в ее лотковой части.

 

Рис. 1. Колебание уровня наполнения трубы с отложениями осадка в лотковой части: Н₁ – уровень сточной жидкости, согласно требованиям СП 3213330.2012, м; Н_г – уровень фактического наполнения, обусловленный наличием слоя осадка h в лотковой части трубы, м; h – толщина слоя осадка, м; d_вн – внутренний диаметр трубы, м; d_пр – приведенный диаметр трубы, м; S_р – толщина стенки трубы по ГОСТ 54475 – 2011, м

 

Приведенный диаметр трубы водоотведения из любого вида материала – это величина (диаметр), характеризующая (ий) оставшееся пространство между слоем отложений в ее лотковой части и уровнем фактического наполнения в трубе H_г (см. рис. 1).

Значение приведенного диаметра d_пр определяется по формуле [3]:

$d_{пр}=\sqrt{d_{вн}^2-(d_{вн}^{ф}-h{)}^2}$ , м, (1)

где $d_{пр}$ – приведенный внутренний диаметр, величина (диаметр), характеризующая оставшееся пространство для пропуска заданного расхода q, м;

$d_{вн}^{ф}$ – фактический внутренний диаметр трубы с учетом толщины слоя отложений в лотковой части h:

$d_{вн}^{ф}=\left(d_{н}-2S_{р}\right)-h$ , м.

Наиболее распространенные виды материалов труб для самотечных сетей водоотведения в России это:

• железобетон;
• асбестоцемент;
• керамика;
• полиэтилен;
• поливинилхлорид;
• стеклопластик;
• полипропилен и др.

Сети водоотведения в процессе их жизненного цикла «Эксплуатация» при определенных гидравлических условиях способны покрываться разным слоем осадка в лотковой части труб из перечисленных материалов, как показано на рис. 2.

 

Рис. 2. Фрагменты отложений в лотковой части труб из разного вида материалов: а − трубы из железобетона 700 мм; б − трубы из асбестоцемента 456 мм; в − трубы из керамики 150 мм; г − трубы из полиэтилена 900 мм; д − трубы из поливинилхлорида 200 мм; е − трубы из стеклопластика 500 мм; ж − трубы из полипропилена

 

Методы

Механизм образования слоя осадка в лотковой части труб описан в работе [2] и зависит, прежде всего, от скорости самотечного потока сточной жидкости. Характерной особенностью механизма образования слоя отложений в лотковой части труб из приведенных материалов является то, что слой осадка всегда образуется в трубах из любых возможных видов материалов. Однако его фактическая толщина зависит только от вида материала труб (рис. 2). Установлено, что только для металлических водопроводных труб из стали и серого чугуна характерно образование слоя внутренних отложений на внутренних стенках труб [3]. В водопроводных трубах из других видов материалов внутренние отложения на стенках труб – практически не зафиксированы.

Наличие слоя отложений в лотковой части труб сетей водоотведения из разных видов материала труб вызывает изменение фактической скорости движения самотечного потока, что приводит к изменению значений фактических характеристик гидравлического потенциала труб – $d_{вн}^{ф}$, $V_{ф}$, $i_{ф}$ и, как следствие, к изменению фактического уровня наполнения в трубопроводе [3, 4].

Результаты и обсуждение

Проведем на конкретном примере оценку эффективности эксплуатации сети водоотведения из полипропиленовых гофрированных труб, характеристики которых взяты из каталога «Трубы и детали трубопроводов из полипропилена» трубного завода «Икапласт», Санкт-Петербург [6].

Порядок выполнения гидравлических расчетов характеристик полипропиленовых труб указан в Инструкции [6], в которой также приведены «Таблицы для гидравлического расчета» значений q, V и i по заданным значениям степени пополнения труб $\raisebox{1ex}{$H_1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$d_{вн}$}\right.$ (см. рис. 1).

Последовательность проведения гидравлического расчета безнапорных самотечных трубопроводов из любых видов полимерных материалов с внутренними отложениями в лотковой части труб следующая:

1. Определяют значение фактического внутреннего диаметра труб с отложениями в лотковой части (см. рис. 1):

 $d_{вн}^{ф}=(d_{н}-2S_{р})-h$, м. (2)

2. Вычисляют по формуле (1) значение приведенного диаметра $d_{пр}$труб .
3. Рассчитывают значение приведенной скорости потока $V_{пр}$:

 $V_{пр}=\frac{4·q}{\mathrm{\pi }·{\left(d_{\mathrm{пр}}\right)}^2}$, м/с , (3)

где q – заданный расход сточной жидкости, м³/с.

4. Вычисляют значение приведенного гидравлического уклона:

$i_{пр}=\frac{4·V_{пр}^2}{C^2·d_{пр}}$, м/м , (4)

где С – коэффициент А.Шези, определяемый по формуле [8]:

$C=\frac{R_{пр}^y}{n}$ , (5)

$R_{пр}$ – приведенный гидравлический радиус труб, м;

$R_{пр}=\frac{d_{пр}}{4}$, м (6)

у – указатель степени, уточненный акад. Н.Н. Павловым, определяемый по формуле:

 $y=1,5\sqrt{n}$, (7)

n – коэффициент шероховатости стенок труб, принимаемый для расчетов значения [7] :

n = 0,012 − 0,014 .

Согласно приведенной последовательности, проведем гидравлический расчет полипропиленовых труб с отложениями для условий следующей задачи [9−12].

Условия задачи

По трубопроводу из полипропиленовых гофрированных труб с внутренним диаметром d_н=200 мм, d_вн=173,5 мм, SN 16, транспортируется расход стоков q=35,5 л/с (0,0355 м³/с). Трубопровод проложен с уклоном i=0,008. Принять значение коэффициента эквивалентной шероховатости труб – К_э=0,02 мм (α=0,258). Рассчитать значения фактических характеристик гидравлического потенциала полипропиленовых труб ($d_{вн}^{ф}$, $V_{вн}^{ф}$, $i_{вн}^{ф}$) при наполнении $\raisebox{1ex}{$H$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$d_{вн}$}\right.$= 0,6, если толщина слоя отложений в лотковой части труб h = 5,0 мм (0,005 м). Температура стоков

 t = 14 ^∘С – υ = 1,17 · 10^-6 м²/с.

Оценить эффективность работы сети из полипропиленовых труб с отложениями.

Решение

1. По формуле (2) определяют значение $d_{вн}^{ф}=(d_{н}-2C_{р})-h$, м :

$d_{вн}^{ф}=(0,200-2·0,0265)-0,005=(0,200-0,053)-0,005=0,147-0,005=0,142$ м.

2. По формуле (1) рассчитывают значение d_пр :

 $d_{пр}=\sqrt{0,{1735}^2-{(0,142-0,005)}^2}=\sqrt{0,0301-0,0188}=\sqrt{0,0113}=0,106$ м.

3. По формуле (3) рассчитывают значение V_пр :

$V_{пр}=\frac{4·0,0355}{3,14·0,{106}^2}=\frac{0,142}{0,0353}=4,0$ м/с.

4. По формуле (5), с учетом формулы (7), рассчитывают значение коэффициента А.Шези – С :

$C=\frac{{\left({\displaystyle \frac{0,1735}{4}}\right)}^y}{0,013}=\frac{0,{434}^{0,171}}{0,013}=\frac{0,5848}{0,013}=44,98$

$y=1,5\sqrt{0,013}=1,5·0,114=0,171$.

5. По формуле (4) рассчитывают значение приведенного уклона i_пр:

 $i_{пр}=\frac{4·4,0^2}{73,{38}^2·0,106}=\frac{64,0}{570,77}=0,11213$м/м.

6. Сравнивают значения гидравлических характеристик новых труб и труб со слоем осадка в лотковой части h= 0,005 м (табл. 1).

 

Таблица 1. Сравнение значений гидравлических характеристик ПП труб

Гидравлические характеристики полипропиленовых труб диаметром 200 мм
Новые трубы dвн= 0,173,5 м
dвн , м	V , м/с	C	λ*	i , м/м
0,1735	1,5	44,98	0,01927	0,00741
Трубы с толщиной слоя осадка в лотковой части h=0,005 м
dпр , м	Vпр , м/с	C	λ	iпр , м/м
0,106	4,0	41,35	0,02189	0,35312
Процент расхождения значений сравниваемых характеристик труб, %
38,9	62,5	8,07	11,97	97,9

λ* – безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления по длине трубопровода

 

Согласно требованиям СП 399.1325800.2018 «Системы водоснабжения и канализации наружные из полимерных материалов» [6], значение λ определяется по формуле, имеющей вид:

$\lambda =0,2{\left(\frac{K_{э}}{d_{пр}}\right)}^{\alpha }$, (8)

где К_э – эмпирический безразмерный коэффициент. В отечественной практике проектирования трубопроводов из полимерных материалов принимается равным К_э = 0,02 мм (α = 0,258); α – показатель степени, зависящий от величины значения К_э.

Приведенный гидравлический уклон трубопровода i_пр с отложениями в лотковой части труб определяется по формуле Дарси-Вейсбаха, регламентированной требованиями СП 32.13330.2018:

$i_{пр}=\lambda \frac{V_{пр}^b}{2q·4R_{пр}}$ , м/м , (9)

где b – безразмерный показатель степени, характеризующий режим турбулентного течения жидкости – переходный (b<2) или квадратичный (b=2). При b>2 следует принимать b=2; q – ускорение свободного падения, м/с²; R_пр – фактический (приведенный) гидравлический радиус потока, м,

 $R_{пр}=\frac{d_{пр}}{4}$ . (10)

Значение R_пр принимается по СП 399.1325800.2018 (приложение Б1) в зависимости от значения фактического наполнения труб $\frac{H_r}{d_{пр}}$ (см. рис. 1);

d_пр – приведенный диаметр труб, м (формула (1).

Заключение

Сравнение значений характеристик гидравлического потенциала новых полипропиленовых труб и труб с толщиной слоя осадка h показывает, что даже при небольшой толщине слоя осадка h=0,005 м имеют место существенные расхождения в значениях фактических характеристик гидравлического потенциала труб (см. табл. 1). Поэтому требуется проведение оценки эффективности эксплуатации сетей водоотведения с внутренними отложениями в лотковой части труб с гидравлической точки зрения [1, 3, 4, 7, 8]. Такая оценка производится по разработанной авторами методике оценки, по значению величины гидравлического коэффициента эффективности эксплуатации трубопроводов из полимерных материалов, определяемого для самотечных труб по формуле, имеющей вид [1, 13]:

$K_{эф}=\frac{{\left(d_{вн}^{р}\right)}^2·V_p·i_p}{{\left(d_{пр}\right)}^2·V_{пр}·i_{пр}}$ , (11)

где K_эф – безразмерный коэффициент гидравлической эффективности эксплуатации самотечной сети водоотведения, изменяющийся в диапазоне значений $0\le {К}_{э}\le 1$. Чем больше значение К_э , тем меньше толщина слоя внутренних отложений h в лотковой части труб (см. рис. 1); $d_{вн}^{р}$, $V_p$, $i_p$  – значения расчетных характеристик гидравлического потенциала новых труб по проекту; $d_{пр}$, $V_{пр}$, $i_{пр}$ – приведенные (фактические) значения тех же характеристик с толщиной фактического (измеренного) слоя осадка h в лотковой части труб.

Для приведенного примера значение К_эф составит:

$K_{эф}=\frac{0,{1735}^2·1,5·0,00741}{0,{106}^2·4,0·0,35312}=\frac{0,00033}{0,01587}=0,02$

Значение K_эф=0,02 для приведенных условий задачи означает в соответствии с Рекомендациями [13] следующее (табл. 2):

 

Таблица 2

Диапазон значений Кэф	Возможность продолжения дальнейшей эксплуатации сети
0,6 Кэф1	Возможно
0,5Кэф0,6	Требуется проведение гидродинамической очистки сети
Кэф0,5	Сеть эксплуатировать недопустимо

 

Так как для приведенного примера К_эф=0,02, то, согласно данным табл. 2, сеть водоотведения из полипропиленовых гофрированных труб с толщиной слоя осадка в их лотковой части h = 0,005 м – эксплуатировать недопустимо.

Таким образом, на основании приведенных данных в табл. 2 можно сделать следующие выводы:

1. установлен порядок проведения гидравлического расчета самотечных сетей водоотведения из полимерных материалов с отложениями в лотковой части труб;
2. для приведенного примера рассчитано значение коэффициента гидравлической эффективности работы сети К_эф из полипропиленовых труб с отложениями в их лотковой части;
3. по величине значения К_эф дана оценка возможности продолжения дальнейшей эксплуатации сети из полипропиленовых труб;
4. требуется проведение специальных научно-исследовательских работ на трубах из разного вида материалов для разработки допустимых значений толщины слоя осадка в их лотковой части h для последующей оценки эффективности эксплуатации сети.

About the authors

Oleg A. Prodous

INKO-expert LLC

Author for correspondence.
Email: pro@enco.su
ORCID iD: 0000-0003-0389-3695

Doctor of Science, Professor General Director of INKO-expert LLC

Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, Moskovskii Av., 37/1, lit. A, of. 1-H

Dmitrii I. Shlyichkov

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Email: ShlyichkovDI@mgsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0210-2695

PhD in Engineering Sience, Associate Professor

Russian Federation, 129337, Moscow, Yaroslavskoe Shosse, 26

References

Supplementary files