Методологические подходы к оценке эффективности эксплуатации самотечных сетей водоотведения с отложениями в лотковой части труб
- Авторы: Продоус О.А.1, Шлычков Д.И.2
-
Учреждения:
- ООО «ИНКО-эксперт»
- Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
- Выпуск: Том 12, № 4 (2022)
- Страницы: 34-41
- Раздел: ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/126742
- DOI: https://doi.org/10.17673/Vestnik.2022.04.05
- ID: 126742
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Цель работы: На основе методологических подходов к оценке эффективности эксплуатации самотечных трубопроводов водоотведения из полимерных материалов с отложениями в лотковой части труб разработать последовательность проведения гидравлического расчета труб с отложениями и методику оценки эффективности их эксплуатации по значению гидравлического коэффициента эффективности работы сети.
Методы: На основе разработанной последовательности проведения гидравлического расчета труб водоотведения из полимерных материалов с отложениями в их лотковой части установить порядок расчета значений фактических характеристик гидравлического потенциала полимерных труб, позволяющий рассчитать для приведенного примера значение коэффициента гидравлической эффективности эксплуатации сети, по которому принимается решение о возможности продолжения ее дальнейшей эксплуатации.
Результаты и обсуждение: Анализ значений гидравлических характеристик новых труб и полимерных труб с отложениями в их лотковой части, для приведенного примера, позволил установить существенные расхождения в их значениях. Это позволило рассчитать значение коэффициента гидравлической эффективности работы трубопровода для принятия решения о возможности продолжения дальнейшей эксплуатации.
Заключение: Для конкретных условий задачи разработана последовательность проведения гидравлического расчета труб из полимерных материалов с отложениями в их лотковой части. Предложено провести специальные исследования на трубах из разного вида материалов с отложениями в их лотковой части для установления допустимых значений толщины слоя осадка в лотковой части труб для последующей оценки возможности их дальнейшей эксплуатации.
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 – , , [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; Нг – уровень фактического наполнения, обусловленный наличием слоя осадка h в лотковой части трубы, м; h – толщина слоя осадка, м; dвн – внутренний диаметр трубы, м; dпр – приведенный диаметр трубы, м; Sр – 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 Hг (см. рис. 1).
Значение приведенного диаметра dпр определяется по формуле [3]:
, м, (1)
где – приведенный внутренний диаметр, величина (диаметр), характеризующая оставшееся пространство для пропуска заданного расхода q, м;
– фактический внутренний диаметр трубы с учетом толщины слоя отложений в лотковой части 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 – , , 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 (см. рис. 1).
Последовательность проведения гидравлического расчета безнапорных самотечных трубопроводов из любых видов полимерных материалов с внутренними отложениями в лотковой части труб следующая:
- Определяют значение фактического внутреннего диаметра труб с отложениями в лотковой части (см. рис. 1):
, м. (2)
- Вычисляют по формуле (1) значение приведенного диаметра труб .
- Рассчитывают значение приведенной скорости потока :
, м/с , (3)
где q – заданный расход сточной жидкости, м3/с.
- Вычисляют значение приведенного гидравлического уклона:
, м/м , (4)
где С – коэффициент А.Шези, определяемый по формуле [8]:
, (5)
– приведенный гидравлический радиус труб, м;
, м (6)
у – указатель степени, уточненный акад. Н.Н. Павловым, определяемый по формуле:
, (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 dн=200 мм, dвн=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 – Кэ=0,02 мм (α=0,258). Рассчитать значения фактических характеристик гидравлического потенциала полипропиленовых труб (, , ) при наполнении = 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
- По формуле (2) определяют значение , м :
м.
- По формуле (1) рассчитывают значение dпр :
м.
- По формуле (3) рассчитывают значение Vпр :
м/с.
- По формуле (5), с учетом формулы (7), рассчитывают значение коэффициента А.Шези – С :
.
- По формуле (4) рассчитывают значение приведенного уклона iпр:
м/м.
- 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:
, (8)
где Кэ – эмпирический безразмерный коэффициент. В отечественной практике проектирования трубопроводов из полимерных материалов принимается равным Кэ = 0,02 мм (α = 0,258); α – показатель степени, зависящий от величины значения Кэ.
Приведенный гидравлический уклон трубопровода iпр с отложениями в лотковой части труб определяется по формуле Дарси-Вейсбаха, регламентированной требованиями СП 32.13330.2018:
, 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; Rпр – фактический (приведенный) гидравлический радиус потока, м,
. (10)
Значение Rпр принимается по СП 399.1325800.2018 (приложение Б1) в зависимости от значения фактического наполнения труб (см. рис. 1);
dпр – 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]:
, (11)
где Kэф – безразмерный коэффициент гидравлической эффективности эксплуатации самотечной сети водоотведения, изменяющийся в диапазоне значений . Чем больше значение Кэ , тем меньше толщина слоя внутренних отложений h в лотковой части труб (см. рис. 1); , , – значения расчетных характеристик гидравлического потенциала новых труб по проекту; , , – приведенные (фактические) значения тех же характеристик с толщиной фактического (измеренного) слоя осадка h в лотковой части труб.
Для приведенного примера значение Кэф составит:
Значение Kэф=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 Кэф=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:
- установлен порядок проведения гидравлического расчета самотечных сетей водоотведения из полимерных материалов с отложениями в лотковой части труб;
- для приведенного примера рассчитано значение коэффициента гидравлической эффективности работы сети Кэф из полипропиленовых труб с отложениями в их лотковой части;
- по величине значения Кэф дана оценка возможности продолжения дальнейшей эксплуатации сети из полипропиленовых труб;
- 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-НДмитрий 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, 26Список литературы
- Продоус О.А., Иващенко В.В., Мурлин А.А. Оценка эффективности эксплуатации сетей водоснабжения и водоотведения из полимерных и металлополимерных материалов // Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Технологии очистки воды» ТЕХНОВОД-2021. Сочи, Красная Поляна, 2021. С. 118−122.
- Продоус О. А., Шлычков Д.И. Механизм образования слоя отложений в лотковой части труб самотечных сетей водоотведения // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2021. № 6 (750). С. 95−100.
- Продоус О.А., Шипилов А.А., Якубчик П.П. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб из. 1-е изд. СПб. – М., 2021. 238 с.: ил.
- Продоус О.А., Шлычков Д.И. Зависимость фактической скорости потока в самотечных сетях водоотведения от толщины слоя отложений в лотковой части труб // Материалы XIII Международной научно-практической конференции «Технологии очистки воды» ТЕХНОВОД-2021. Сочи, Красная Поляна, 2021. С. 101−104.
- Продоус О.А., Шлычков Д. И., Пархоменко С.В. Обоснование допустимого уровня наполнения в трубах самотечных сетей водоотведения // Сборник докладов участников XVII Международной научно-технической конференции, посвященной памяти академика РАН С.В. Яковлева / НИУ МГСУ. М., 2022. С. 85−95.
- Инструкция по проектированию и монтажу наружных сетей водоотведения и полипропиленовых гофрированных труб SN8, SN10 и SN16. СПб., 2015. 65 с.: ил.
- Продоус О. А. , Шлычков Д.И., Абросимова И.А. Обоснование необходимости проведения гидродинамической очистки самотечных сетей водоотведения // Вестник МГСУ. 2022. Т.17, вып.1. С. 106−114. doi: 10.22227/1997-0935.2022.1.
- Продоус О.А., Шлычков Д.И. Прогнозирование возможности продолжения эксплуатации самотечных сетей водоотведения с отложениями в лотковой части труб // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. Иркутск, 2021. Т11, № 4. С. 646−653. doi: 10.21285/2227-2917-2021-4-646-653.
- Чупин Р.В. Оптимизация развивающихся систем водоотведения: монография. Иркутск: Иркут. гос. техн. ун-т, 2015. 418 с.: ил.
- СП 399.1325800.2018. Системы водоснабжения и канализации наружные из полимерных материалов. Правила проектирования и монтажа. М.: Стандартинформ, 2018.
- Продоус О.А., Шлычков Д.И. Сравнительный анализ расчетных зависимостей для гидравлического расчета самотечных сетей водоотведения // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2021. Т. 11, № 3. С. 462−469. DOI: 10/21285/2227-2917-2021-3-462-469.
- Продоус О.А., Шлычков Д.И. Прогнозирование возможности продолжения эксплуатации самотечных сетей водоотведения с отложениями в лотковой части труб // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. Иркутск, 2021. Т11, № 4. С. 646−653. doi: 10.21285/2227-2917-2021-4-646-653.
- Рекомендации по реконструкции неновых металлических трубопроводов из стали и серого чугуна / О.А. Продоус, М.Г. Новиков, Д.И. Шлычков, Г.А. Самбурский, А.А. Шипилов, Л.Д. Терехов, П.П. Якубчик, В.А. Чесноков. СПб. – М., 2021. 36 с.: ил.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)