Причины и последствия изменения значений гидравлических характеристик металлических сетей водоснабжения и водоотведения в процессе их эксплуации
- Авторы: Продоус О.А.1, Шлычков Д.И.2, Якубчик П.П.3
-
Учреждения:
- ООО «ИНКО-инжиниринг»
- Московский государственный строительный университет
- Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
- Выпуск: Том 13, № 3 (2023)
- Страницы: 42-49
- Раздел: ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
- URL: https://journals.eco-vector.com/2542-0151/article/view/611060
- DOI: https://doi.org/10.17673/Vestnik.2023.03.06
- ID: 611060
Цитировать
Аннотация
Цель работы: Заключается в проведении сравнительного анализа значений характеристик гидравлического потенциала металлических трубопроводов, используемых при оценке энергопотребления насосных агрегатов, установленных на трубопроводах с разной толщиной слоя внутренних отложений.
Методы: Разработаны в табличной форме причины изменения значений гидравлических характеристик металлических трубопроводов в процессе их эксплуатации. На конкретном примере показано изменение значений характеристик гидравлического потенциала труб с разной толщиной слоя внутренних отложений, входящих в расчетную зависимость для определения фактического энергопотребления насосных агрегатов.
Результаты и обсуждение: Предложено разработать для всего сортамента выпускаемых стальных труб и труб из серого чугуна шкалу предельно-допустимых значений толщины слоя внутренних отложений, по которой должно приниматься решение о продолжении или остановке эксплуатации трубопроводов.
Заключение: Рекомендовать на основе гидравлического расчета характеристик гидравлического потенциала труб для приведенного примера минимизирование использования в проектах сетей водоснабжения и водоотведения стальных и чугунных труб из серого чугуна. Учитывать при эксплуатации металлических трубопроводов динамику изменения энергопотребления насосных агрегатов при разной толщине слоя внутренних отложений.
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, dвн, 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 dн=0,404 м.
Условие задачи
По напорному чугунному коллектору диаметром dн=0,404 м (ГОСТ 9583-75) с толщиной стенки Sр = 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 , , и новых чугунных труб диаметром dн =0,429 м. Показать изменение значения энергопотребления насосного агрегата для заданных условий задачи.
Решение
- С учетом фактического внутреннего диаметра вычисляют значения средней скорости потока Vн для новых чугунных труб и труб с толщиной слоя отложений σ = 25 мм:
м/с;
м;
м;
м/с.
- 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]:
м/м;
м/м;
м/м.
Изменение фактических значений гидравлических характеристик чугунных труб dвн=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 , м | Фактические удельные потери напора 1000 iф | Коэффициент гидравлической эффективности трубопровода |
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 ( ), по мнению авторов, рекомендуется оценивать значением безразмерного коэффициента гидравлической эффективности трубопроводов, который представляет собой отношение значения энергопотребления насосного оборудования, установленного в новом трубопроводе , к значению энергопотребления в трубопроводе с фактической толщиной слоя отложений – или отношение произведения значений характеристик гидравлического потенциала новых труб ( , , ) к произведению значений тех же характеристик для труб с конкретной толщиной слоя отложений на их внутренней поверхности [9]:
(1)
где – паспортное значение энергопотребления насосного агрегата в новом трубопроводе, кВт/ч;
– фактическое значение энергопотребления насосного агрегата, работающего в трубопроводе с толщиной слоя отложений , кВт/ч;
, , – значения расчетных (паспортных) характеристик гидравлического потенциала новых труб на момент запуска трубопровода в эксплуатацию;
, , – 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 = 0,400 м (труба без отложений) до = 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 = 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) в диапазоне =0,00581 м/м 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 =f(σ), подтверждающий, что чем меньше значения фактического внутреннего диаметра в трубах со слоем отложений σ, тем больше значения гидравлического уклона и тем больше значения фактической скорости потока . Это также подтверждается значениями коэффициента гидравлической эффективности трубопровода , характеризующего для приведенного примера влияние толщины слоя внутренних отложений σ на значения гидравлических характеристик трубопровода.
Рис. 3. График зависимости = 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 σф = 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.
Для приведенного примера это соответствует значению :
м.
Итак, для приведенного примера предельное значение фактической толщины слоя отложений σф не должно превышать значения
= 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 составит:
Это доказывает, что при значении дальнейшая эксплуатация напорного коллектора диаметром dн= 0,404 м – недопустима.
Для условий рассмотренной задачи рассчитаем фактическое энергопотребление насосного оборудования , установленного на напорном коллекторе диаметром dн= 0,404 м при толщине слоя внутренних отложений =0,03 м (30 мм).
Методика расчета значений энергопотребления насосно-силового оборудования изложена в работах [2, 9].
Расчет значения для условий приведенного примера производится по формуле [9, 10]:
, кВт/ч, (2)
где – значение энергопотребления насосного оборудования в новом (р) и изношенном (ф) трубопроводе на момент оценки, кВт/ч;
, , – 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 σф.
Таблица 2
Энергопотребление насосных агрегатов
Фактический внутренний диаметр труб , м | Фактическая толщина слоя внутренних отложений σф , м | Фактическое энергопотребление насосных агрегатов , 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 .
Рис. 4. График зависимости .
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 0,018 м, фактическое значение энергопотребления насосных агрегатов , установленных в трубопроводе диаметром dн=0,404 м – резко возрастает. Это означает, что в процессе эксплуатации напорных коллекторов из чугунных труб необходимо контролировать фактические значения толщины слоя внутренних отложений σф.
Заключение
Анализ графиков, представленных на рис. 3 и 4, позволяет сделать следующие выводы:
- 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.
- Минимизировать законодательно использование стальных и чугунных труб из серого чугуна при разработке проектов сетей водоснабжения и водоотведения.
- Разработать методику контроля значений фактической толщины слоя внутренних значений σф в процессе эксплуатации трубопроводов из металлических труб.
- По значению толщины слоя отложений σ разработать законодательно методику обоснования необходимости проведения гидродинамической (механической) очистки напорных сетей водоснабжения и водоотведения из металлических труб.
- 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 σф.
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-НДмитрий 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. 322гПетр 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., 9Список литературы
- Продоус О.А. Зависимость продолжительности использования металлических трубопроводов систем водоснабжения от толщины слоя отложений на внутренней поверхности труб // Сборник докладов XV Международной научно-технической конференции «Яковлевские чтения». М.: Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. С. 113–117.
- Продоус О.А., Шлычков Д.И. Об изменении значений гидравлических характеристик напорных канализационных коллекторов из стальных и чугунных труб с внутренними отложениями // Известия вузов. Строительство. 2020. № 12 (744). С. 70–77.
- Шлычков Д.И. Проблемы технического состояния действующих трубопроводных систем // Инновации и инвестиции. 2020. № 4. С. 207–210.
- Продоус О. А., Якубчик П.П., Шипилов А.А. Прогнозирование падения рабочего давления в изношенном металлическом водоводе с отложениями при частичной замене труб на полиэтиленовые // Инженерные системы. АВОК – Северо-Запад. 2021. № 2. С. 32–36.
- Продоус О.А., Терехов Л.Д. Оценка влияния технологических допусков на трубы из полимерных материалов на энергопотребление насосных агрегатов // Водоснабжение и санитарная техника. 2020. №2. С. 61–64.
- 6.Шувалов М.В., Шувалов Р.М. Капитальный ремонт и реконструкция канализационных сетей в Самаре // Градостроительство и архитектура. 2022. Т. 12, № 2. С. 23–28. doi: 10.17673/Vestnik.2022.02.4.
- ВильсонЕ.В., СерпокрыловН.С., ДолженкоЛ.А.Устойчивостьфункционированияочистныхсооруженийводоотведениявкритическихситуациях // Градостроительствоиархитектура. 2018. Т.8, №1. С. 54–58. doi: 10.17673/Vestnik.2018.01.10.
- Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб: справочное пособие. М., 2020. 429 с.
- Продоус О.А., Шипилов А.А., Якубчик П.П. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб из стали и серого чугуна с внутренними отложениями: справочное пособие.1-е изд. СПб. – М., 2021. 238 с., ил.
- Рекомендации по реконструкции неновых металлических трубопроводов из стали и серого чугуна / О.А. Продоус, М.Г. Новиков, Г.А. Самбурский, А.А. Шипилов, Л.Д. Терехов, П.П. Якубчик, В.А. Чесноков. СПб.– М., 2021. 36 с.
- Резервы экономии электроэнергии при транспортировании воды по водоводам из железобетонных труб / В.С. Дикаревский, О.А. Продоус, П.П. Якубчик, Ю.А. Смирнов // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара «Рациональное использование воды и топливно-энергетических ресурсов в коммунальном водном хозяйстве» (Алма-Ата, 6-8 августа 1985 г.). М.: КСМ ВСНТО, 1985. С. 90–92.
- Продоус О.А., Шлычков Д.И. Методологические подходы коценкеэффективностиэксплуатациисамотечныхсетейводоотведениясотложениямивлотковойчаститруб // Градостроительствоиархитектура. 2022. Т. 12, № 4. С. 34–41. doi: 10.17673/Vestnik.2022.04.5.