CC BY
202
1/2009 ВЕСТНИК
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЕТ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Орлов В.А.
МГСУ
Появление на рынке новых строительных материалов для изготовления трубопроводов и защитных покрытий настоятельно требует совершенствования подхода к гидравлическому расчету напорных водопроводных сетей, которые в условиях современного города при проведении оперативного бестраншейного ремонта и реконструкции отдельных участков становятся все более разнородными, т.е. состоящими из различных материалов, отличающихся своими гидравлическими характеристиками [1].
Целью проводимых в МГСУ исследований являлось определение унифицированной зависимости удельного сопротивления от диаметра А=:Т(ф для нескольких типов труб (защитных покрытий) напорных трубопроводов с перспективой оценки их гидравлической совместимости, под которой понимается обеспечение и поддержание требуемых проектом потерь напора в замкнутом кольцевом контуре. Данные зависимости необходимы прежде всего проектировщикам, производящим гидравлический расчет сетей и производящим предварительную оценку возможности использования тех или иных труб (защитных покрытий) в период производства ремонтных работ различными бестраншейными методами для исключения гидравлического дисбаланса (антоним гидравлической совместимости).
В качестве исследуемых на стенде ремонтных материалов трубопроводов рассмотрены следующие: имитат полимерного рукава, нанесенный на внутреннюю поверхность стального трубопровода диаметром 100 мм; полиэтиленовая труба ПНД ГОСТ 18599-03 110С 200 условным диаметром 100 мм; цементно-песчаное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность стального трубопровода диаметром 100 мм (с учетом защитного слоя внутренний диаметр нового трубопровода составил 90 мм).
Описание гидравлического стенда
Гидравлический стенд (рисунок 1) включает накопительную емкость габаритами 2х2х1 м, эстакаду с жестко закрепленными над ней тремя параллельными трубопроводами длиной 18 м и оборудованными пьезометрами, насосную установку, состоящую из двух центробежных насосов марки АЦМП-80А/130-3,0/2 с регулируемым компьютерным приводом, что позволяет автоматически регулировать расход, изменяя частоту вращения рабочего колеса.
На магистрали гидравлического стенда установлены последовательно два типа устройств для контроля объема проходящей воды: ультразвуковой УРС 002В и турбинный расходомеры условным диаметром 50 мм. Гидравлический стенд снабжен также узлом измерения расхода объемным методом, включающим расположенный на торцевой части накопительной емкости мерный карман с оттарированным водомерным стеклом.
Для отбора статического и динамического давлений на трех трубопроводах в 2-х их точках на расстоянии 10 м друг от друга установлены пьезометры и трубки Пито: 1-я в 4,0 м от первого по ходу движения воды местного гидравлического сопротивления - фланца на повороте трубопровода; 2-я в 4,0 м от задвижки вблизи накопительной емкости.
ВЕСТНИК МГСУ
1/2009
Рис. 1 Общий вид гидравлического стенда с обеих сторон
Работа на гидравлическом стенде производится по замкнутой (рециркуляционной) системе с забором воды из накопительной емкости, подачи ее к трубопроводам насосами и сливом в накопительную.
Методика проведения экспериментов состояла в следующем:
1. Включаются насосные установки, которые забирают воду из накопительной емкости и подают ее в один из трубопроводов.
2. Производится замер показаний на пьзометрах и трубках Пито; параллельно производится замер расхода протекаемой воды тремя методами (с помощью ультразвукового и турбинного расходомера и объемным методом).
3. Определяются величины скоростных напоров V2 / 2g и средних скоростей течения воды Рср / ю и производится подсчет величин поправочного коэффициента Корио-лиса а для каждого сечения и определяется его среднее значение.
4. Определяются потери напора на экспериментальном участке длиной 10 м, как разница в показаниях пьезометров в двух точках, и производится пересчет потерь напора 1 на единицу длины трубопровода (на 1 м) в широком диапазоне расходов, а также коэффициенты гидравлического трения X.
Результаты исследований и их интерпретация
Результаты натурных экспериментов по определению эмпирических зависимостей 1 = f (Р) для одного из типов трубопроводов, а именно, стального с полимерным рукавом, представлены в виде графика на рисунке 2.
1 = 5672,3<32'7655 Я2 = 0,9855
Потери напора ¡, м о о р о о о с о о о о о о с ОООО О 1—1 1—1 ь- 01
♦
) 0,002 0,004 0,006 0,008 0,1 Расходы воды 0, куб.м/с
Рис. 2. Сводные данные по результатам натурных экспериментов по определению эмпирических зависимостей 1 = f (Р) для стального трубопровода с полимерным покрытием
1/2009
ВЕСТНИК .МГСУ
Как видно из графика рисунка 2 для трубопровода с полимерным покрытием прослеживается степенная математическая зависимость 1 = 5672,3р2,7655. Для других трубопроводов (покрытий) зависимости следующие:
- для полиэтиленовой трубы 1 = 190,67р1'9802;
- для трубы с цементно-песчаным покрытием 1 = 185,82р1>9395;
Для анализа характера полученных закономерностей и проверки их доверительности аналогичным трубопроводам из других материалов (сталь, чугун), по результатам расчетных данных (Таблицы гидравлического расчета Ф.А. Шевелева) были построены идентичные зависимости для чугунного и стального трубопроводов. Полученные экспериментальные зависимости АЬ=1=А[Р) для трех типов трубопроводов, а также расчетные кривые для чугунных и стальных труб сведены на единое поле (рисунок 3).
Чугун (Шевелев) 0 100
ЦПП0 9О | | /
. Сталь (IE [евелев)0 1 1 1 loo_____!_________Sl ^
\ / \ Сталь+ттолимерное покрытие 0 100 ^—' \ Полиэтилен 0 100 \ \ \
О 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01
Рис. 3 Сводный график зависимостей i =f(Q) для пяти типов труб
Как показывают графики на рисунке 3, наименьшие единичные гидравлические сопротивления имеют стальные трубопроводы с полимерным покрытием и полиэтиленовые, а наибольшими сопротивлениями обладают стальные и чугунные трубы. Это прежде всего свидетельствует о том, что при взаимозамене труб, например, в результате ремонта отдельных участков сети в системе не исключается возможность гидравлического дисбаланса, ведущего к необходимости пересмотра гидравлических параметров работы сети в связи с изменением скоростей течения воды и напоров.
Полученные эмпирические зависимости использованы для гидравлического моделирования [2] в целях перехода на другие диаметры.
Сущность моделирования в данной частной задаче сводится к тому, чтобы связать коэффициенты гидравлического трения X, полученные на трубопроводе 100 мм с величиной эквивалентной шероховатости кэ, рассматривая ее в качестве гидравлической шероховатости (так как высота выступов на внутренней поверхности трубы не измеряется, а рассчитывается) с последующим аналогичным переходом на иные диаметры [3]. Для решения задачи моделирования используется универсальная формула Прандтля, устанавливающая зависимость X от диаметра и эквивалентной шероховатости кэ:
1 d
Ж-2'81"+114
ВЕСТНИК 1/2009
На базе получаемых значений X для каждого рассматриваемого диаметра определены удельные сопротивление трубопроводов А для различных внутренних диаметров d при нанесении на их внутреннюю поверхность защитного материала с любой толщиной стенки:
Аполим. = 5.1012Л-5'2791 ; А_ = 9.1012.d-5'316; Ацпп = 4.1012.^2279;
Установленные зависимости, выраженные в унифицированной форме через удельное сопротивление А для всех исследуемых типов покрытий трубопроводов, позволяют проектировщику произвести оценочный гидравлический расчет трубопроводной сети при различных вариантах реновации выходящих из эксплуатации старых труб. Это позволит на стадии проектирования ремонта предотвратить возможности гидравлического дисбаланса при применении труб из различных материалов. На основании полученных данных по гидравлической совместимости проектировщиком может быть принято оптимальное решение о методе реновации.
Литература
1. Храменков C.B. / Стратегия модернизации водопроводной сети // Стройиздат».- 2005.-398 с.
2. Киселев П.Г. /Справочник по гидравлическим расчетам // Энергия.- 1972.- 312 с.
3. Альтшуль А.Д. / Гидравлические сопротивления //Недра.- 1970.- 216 с.
Статья представлена Редакционным советом Вестника МГСУ
