Методологические подходы к оценке эффективности эксплуатации самотечных сетей водоотведения с отложениями в лотковой части труб

Полный текст

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.

Об авторах

Олег Александрович Продоус

ООО «ИНКО-эксперт»

Автор, ответственный за переписку.
Email: pro@enco.su
ORCID iD: 0000-0003-0389-3695

доктор технических наук, профессор, генеральный директор ООО «ИНКО-эксперт»

Россия, 190005, г. Санкт Петербург, Московский пр., 37/1, лит. А, пом. 1-Н

Дмитрий Иванович Шлычков

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

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

кандидат технических наук, доцент

Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26

Список литературы

Дополнительные файлы