Причины и последствия изменения значений гидравлических характеристик металлических сетей водоснабжения и водоотведения в процессе их эксплуации

Полный текст

Введение

Установлено, что в процессе жизненного цикла «Эксплуатация» водопроводные сети из металлических труб (серого чугуна), а также сети водоотведения из любых видов материалов при определенных условиях подвержены образованию на стенках труб слоя внутренних отложений, изменяющих значения характеристик гидравлического потенциала труб – V, d_вн, i [1–6].

На рис. 1 приведены фрагменты отложений на внутренней поверхности металлических сетей водоснабжения и сетей водоотведения.

 

Рис. 1. Фрагменты внутренних отложений на стенках металлических труб:

а, б – напорные сети водоотведения; в, г – самотечные сети водоотведения

 

Наличие слоя внутренних отложений на стенках труб приводит к последствиям, изменяющим значения характеристик гидравлического потенциала труб и влияющим на продолжительность использования изношенных сетей и энергопотребление насосных агрегатов для напорных сетей и коллекторов [1, 2].

На рис. 2 перечислены причины и последствия изменения значений гидравлических характеристик трубопроводов водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями.

 

Рис. 2. Причины и последствия изменения значений гидравлических характеристик трубопроводов водоснабжения и водоотведения

 

Методы

На конкретном примере на основе рис. 1 проведем гидравлический расчет и покажем изменения значений характеристик гидравлического потенциала напорного коллектора водоотведения из чугунных труб диаметром d_н=0,404 м.

Условие задачи

По напорному чугунному коллектору диаметром d_н=0,404 м (ГОСТ 9583-75) с толщиной стенки S_р = 12,5 мм (0,0125 м) перекачивается расход сточных вод q=140 л/с (0,14 м³/с). Толщина слоя внутренних отложений σ = 25 мм (0,025 м).

Рассчитать и сравнить значения фактических характеристик гидравлического потенциала труб $d_{\text{вн}}^{\text{ф}}$, $V_{\text{ф}}$, $i_{\text{ф}}$ и новых чугунных труб диаметром d_н =0,429 м.  Показать изменение значения энергопотребления насосного агрегата $N_{\text{вн}}^{\text{ф}}$ для заданных условий задачи.

Решение

1. С учетом фактического внутреннего диаметра вычисляют значения средней скорости потока V_н для новых чугунных труб и труб с толщиной слоя отложений σ = 25 мм:

$V_{\text{н}}=\frac{4·q}{\pi ·d_{\text{вн}}^{\text{2}}}=\frac{4·\mathrm{0,14}}{\mathrm{3,14}·{\mathrm{0,379}}^2}=\frac{\mathrm{0,56}}{\mathrm{0,4510}}=\mathrm{1,24}$ м/с;

$d_{\text{вн}}=d_{\text{н}}-2S_{\text{р}}=\mathrm{0,404}-\mathrm{0,025}=\mathrm{0,379}$ м;

$d_{\text{вн}}^{\text{ф}}=\left(d_{\text{н}}-2S_{\text{р}}\right)-2\sigma =\left(\mathrm{0,404}-\mathrm{0,025}\right)-2·\mathrm{0,025}=\mathrm{0,379}-\mathrm{0,05}=\mathrm{0,329}$ м;

$V_{\text{ф}}=\frac{4·\mathrm{0,14}}{\mathrm{3,14}·{\mathrm{0,329}}^2}=\frac{\mathrm{0,56}}{\mathrm{0,3399}}=\mathrm{1,65}$ м/с.

 

2. Производят расчет значений гидравлического уклона для новых чугунных труб   и для труб со слоем отложений σ = 0,025 м. Расчет производят по формуле [7, 8]:

 

$i_{\text{н}\left(\text{ф}\right)}=\mathrm{0,00107}\frac{V_{\text{н}\left(\text{ф}\right)}^{\text{2}}}{{\left[\left(d_{\text{н}}-2S_{\text{р}}\right)-2·\sigma \right]}^{\mathrm{1,3}}}$ м/м;

$i_{\text{н}}=\frac{\mathrm{0,00107}·{\mathrm{1,24}}^2}{{\left[\mathrm{0,404}-2·\mathrm{0,0125}\right]}^{\mathrm{1,3}}}=\frac{\mathrm{0,00165}}{{\mathrm{0,379}}^{\mathrm{1,3}}}=\frac{\mathrm{0,00165}}{\mathrm{0,2833}}=\mathrm{0,00582}$ м/м;

$i_{\text{ф}}=\frac{\mathrm{0,00107}·{\mathrm{1,65}}^2}{{\left[\left(\mathrm{0,404}-2·\mathrm{0,0125}\right)-2·\mathrm{0,025}\right]}^{\mathrm{1,3}}}=\frac{\mathrm{0,00291}}{{\mathrm{0,329}}^{\mathrm{1,3}}}=\frac{\mathrm{0,00291}}{\mathrm{0,2357}}=\mathrm{0,01234}$ м/м.

 

Изменение фактических значений гидравлических характеристик чугунных труб d_вн=0,404 м с разной толщиной слоя внутренних отложений σ в диапазоне значений σ = 0÷30 мм (0÷0,03 м) приведено в табл. 1.

 

Таблица 1

Толщина слоя отложений σ, м	Фактическая средняя скорость Vф, м/с	Фактический внутренний диаметр труб с отложениями $d_{\text{вн}}^{\text{ф}}$, м	Фактические удельные потери напора 1000 iф	Коэффициент гидравлической эффективности трубопровода ${К}_{\text{эф}}^{*}$
0	1,24	0,379	5,81	1,0
0,005	1,31	0,369	6,71	0,87
0,01	1,38	0,359	7,72	0,76
0,018	1,52	0,343	9,94	0,58
0,02	0,55	0,339	10,49	0,56
0,03	2,47	0,319	28,83	0,14

 

Эффективность работы напорных и безнапорных трубопроводов водоснабжения и водоотведения ( ${К}_{\text{эф}}^{*}$ ), по мнению авторов, рекомендуется оценивать значением безразмерного коэффициента гидравлической эффективности трубопроводов, который представляет собой отношение значения энергопотребления насосного оборудования, установленного в новом трубопроводе $N_{\text{дв}}^{\text{р}}$, к значению энергопотребления в трубопроводе с фактической толщиной слоя отложений ${\sigma }_{\text{ф}}$ – $N_{\text{дв}}^{\text{ф}}$ или отношение произведения значений характеристик гидравлического потенциала новых труб ( $V_{\text{p}}$, $d_{\text{дв}}^{\text{р}}$, $i_{\text{p}}$ ) к произведению значений тех же характеристик для труб с конкретной толщиной слоя отложений ${\sigma }_{\text{ф}}$ на их внутренней поверхности [9]:

${\text{К}}_{\text{эф}}=\frac{N_{\text{дв}}^{\text{p}}}{N_{\text{дв}}^{\text{ф}}}=\frac{V_{\text{p}}\cdot \left(d_{\text{вн}}^{\text{р}}\right)\cdot i_{\text{р}}}{V_{\text{ф}}\cdot \left(d_{\text{вн}}^{\text{ф}}\right)\cdot i_{\text{ф}}},$      (1)

где $N_4^P$ – паспортное значение энергопотребления насосного агрегата в новом трубопроводе, кВт/ч;

$N_{\text{дв}}^{\text{ф}}$ – фактическое значение энергопотребления насосного агрегата, работающего в трубопроводе с толщиной слоя отложений ${\sigma }_{\text{ф}}$, кВт/ч;

$V_{\text{p}}$, $d_{\text{вн}}^{\text{р}}$, $i_{\text{р}}$ – значения расчетных (паспортных) характеристик гидравлического потенциала новых труб на момент запуска трубопровода в эксплуатацию;

$V_{\text{ф}}$, $d_{\text{вн}}^{\text{ф}}$, $i_{\text{ф}}$ – значения фактических характеристик гидравлического потенциала изношенных труб с отложениями на момент оценки.

Предельное значение толщины слоя внутренних отложений σ в табл. 1 выделено жирным шрифтом.

Анализ значений гидравлических характеристик, представленных в табл. 1, показывает следующее.

Для условий приведенного примера значения фактического внутреннего диаметра трубы с внутренними отложениями разной толщины уменьшаются в диапазоне значений от $d_{\text{вн}}$ = 0,400 м (труба без отложений) до $d_{\text{вн}}^{\text{ф}}$ = 0,319 м (труба со слоем отложений σ=0,03 м, т.е. на 15,83 % или в 1,19 раза. Следствием этого является увеличение скоростного режима потока от V = 1,24 м/с (в новой чугунной трубе) до $V_{\text{ф}}$ = 2,47 м/с (в трубе со слоем отложений σ = 0,03 м), т.е. на 49,8 % или в 1,99 раза.

При этих условиях в сравнении с новой трубой возрастают значения фактических потерь напора на сопротивление по длине (гидравлический уклон) $i_{\text{ф}}$ в диапазоне $i_{\text{р}}$=0,00581 м/м $\le i_{\text{ф}}\le$ 0,02883 м, т.е. на 51,29 % (труба со слоем отложений σ = 0,03 м) или в 4,96 раза.

По данным табл. 1 на рис. 3 построен график зависимости $i_{\text{ф}}$=f(σ), подтверждающий, что чем меньше значения фактического внутреннего диаметра $d_{\text{вн}}^{\text{ф}}$ в трубах со слоем отложений σ, тем больше значения гидравлического уклона $i_{\text{ф}}$ и тем больше значения фактической скорости потока $V_{\text{ф}}$. Это также подтверждается значениями коэффициента гидравлической эффективности трубопровода ${\text{К}}_{\text{эф}}$, характеризующего для приведенного примера влияние толщины слоя внутренних отложений σ на значения гидравлических характеристик трубопровода.

 

Рис. 3. График зависимости $i_{\text{ф}}$= f(σ)

 

Для приведенного примера определим предельное значение σ, больше которого дальнейшая эксплуатация трубопровода недопустима, которое составляет (см. табл. 1) – 0,018 м!  То есть при σ_ф = 0,018 м трубопровод должен сниматься с эксплуатации.

Экспертная оценка специалистами, занимающимися эксплуатацией водопроводных сетей из металлических труб, рекомендует следующее.

Уменьшение значения величины фактического внутреннего диаметра стальных и чугунных труб (из серого чугуна) с внутренними отложениями – не должно превышать значения 5% от величины номинального внутреннего диаметра труб, т.е.

$d_{\text{вн}}^{\text{ф}}\le d_{\text{вн}}=\left(d_{\text{н}}-2·S_{\text{р}}\right)-2\sigma \le 5\%.$

Для приведенного примера это соответствует значению $d_{\text{вн}}^{\text{ф}}$:

$d_{\text{вн}}^{\text{ф}}=d_{\text{вн}}^{\text{н}}-5\%=\mathrm{0,379}-\mathrm{0,01895}=\mathrm{0,360}$ м.

Итак, для приведенного примера предельное значение фактической толщины слоя отложений σ_ф  не должно превышать значения

${\sigma }_{\text{ф}}$ = 0,379 – 0,360 = 0,018 м (1,8 мм).

В табл. 1 – выделено жирным шрифтом.

При этом предельное значение величины коэффициента гидравлической эффективности трубопровода ${\text{К}}_{\text{эф}}$ составит:

${\text{K}}_{\text{эф}}=\frac{\mathrm{0,00581}\cdot {\mathrm{0,379}}^2\cdot \mathrm{1,24}}{\mathrm{0,00994}\cdot {\mathrm{0,343}}^2\cdot \mathrm{1,52}}=\frac{\mathrm{0,001035}}{\mathrm{0,001778}}=\mathrm{0,58.}$

Это доказывает, что при значении ${\text{K}}_{\text{эф}}=\mathrm{0,58}$ дальнейшая эксплуатация напорного коллектора диаметром d_н= 0,404 м – недопустима.

Для условий рассмотренной задачи рассчитаем фактическое энергопотребление насосного оборудования $N_{\text{дв}}^{\text{p}}$, установленного на напорном коллекторе диаметром d_н= 0,404 м при толщине слоя внутренних отложений ${\sigma }_{\text{ф}}$=0,03 м (30 мм).

Методика расчета значений энергопотребления насосно-силового оборудования $N_{\text{дв}}^{\text{p}}$ изложена в работах [2, 9].

Расчет значения $N_{\text{дв}}^{\text{p}}$ для условий приведенного примера производится по формуле [9, 10]:

$N_{\text{дв}}^{\text{p(ф)}}={10}^6\cdot i_{\text{р(ф)}}\cdot {\left(d_{\text{вн}}^{\text{p(ф)}}\right)}^2\cdot V_{\text{р(ф)}}\cdot \frac{\mathrm{0,00808}}{\eta }$ ,  кВт/ч,                    (2)

где $N_{\text{дв}}^{\text{p(ф)}}$ – значение энергопотребления насосного оборудования в новом (р) и изношенном (ф) трубопроводе на момент оценки, кВт/ч;

$i_{\text{р(ф)}}$, $d_{\text{вн}}^{\text{p(ф)}}$, $V_{\text{р(ф)}}$ – значения характеристик гидравлического потенциала новых (р) и изношенных (ф) труб с толщиной слоя отложений σ;

η – КПД насосного агрегата. Для расчетов принимают значение η = 0,7.

В табл. 2 представлены значения энергопотребления насосных агрегатов, установленных в новом трубопроводе  и в трубопроводе с разной толщиной слоя внутренних отложений σ_ф.

 

Таблица 2

Энергопотребление насосных агрегатов

Фактический внутренний диаметр труб $d_{\text{вн}}^{\text{ф}}$, м	Фактическая толщина слоя внутренних отложений σф , м	Фактическое энергопотребление насосных агрегатов $N_{\text{дв}}^{\text{ф}}$, кВт/ч
0,379	0	11,94
0,369	0,005	13,81
0,359	0,010	15,84
0,343	0,018	20,51
0,339	0,020	21,56
0,319	0,030	83,62

 

По данным табл. 2 на рис. 4 построен график зависимости $N_{\text{дв}}^{\text{ф}}=f\left({\sigma }_{\text{ф}}\right)$.

Рис. 4. График зависимости $N_{\text{дв}}^{\text{ф}}=f\left({\sigma }_{\text{ф}}\right)$.

 

График, представленный на рис. 4 для приведенного примера, подтверждает изменение энергопотребления насосных агрегатов и показывает, что чем больше значение толщины слоя отложений σ, тем больше энергопотребление насосных агрегатов (табл. 2). При значении $\sigma \ge$ 0,018 м, фактическое значение энергопотребления насосных агрегатов $N_{\text{дв}}^{\text{ф}}$, установленных в трубопроводе диаметром d_н=0,404 м – резко возрастает. Это означает, что в процессе эксплуатации напорных коллекторов из чугунных труб необходимо контролировать фактические значения толщины слоя внутренних отложений σ_ф.

Заключение

Анализ графиков, представленных на рис. 3 и 4, позволяет сделать следующие выводы:

1. Для всего сортамента стальных и чугунных труб (из серого чугуна), выпускаемых по ГОСТу, необходимо разработать шкалу предельных значений допустимой толщины слоя внутренних отложений σ, регламентирующую возможность продолжения дальнейшей эксплуатации трубопроводов.
2. Минимизировать законодательно использование стальных и чугунных труб из серого чугуна при разработке проектов сетей водоснабжения и водоотведения.
3. Разработать методику контроля значений фактической толщины слоя внутренних значений σ_ф в процессе эксплуатации трубопроводов из металлических труб.
4. По значению толщины слоя отложений σ разработать законодательно методику обоснования необходимости проведения гидродинамической (механической) очистки напорных сетей водоснабжения и водоотведения из металлических труб.
5. При подборе насосных агрегатов для металлических сетей водоснабжения и водоотведения учитывать динамику изменения энергопотребления насосных агрегатов, работающих в трубопроводах с разной толщиной слоя внутренних отложений σ_ф.

Об авторах

Олег Александрович Продоус

ООО «ИНКО-инжиниринг»

Автор, ответственный за переписку.
Email: pro@enco.su

доктор технических наук, профессор, генеральный директор

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

Дмитрий Иванович Шлычков

Московский государственный строительный университет

Email: ShlyichkovDI@mgsu.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения, заместитель директора института инженерно-экологического строительства и механизации 

Россия, 129337, г. Москва, Ярославское ш., д.26, УЛБ, каб. 322г

Петр Петрович Якубчик

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: P.Jakub@mail.ru

кандидат технических наук, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения и гидравлики

Россия, 105187, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Список литературы

Дополнительные файлы