CC BY
2
УДК 628.462
ао1: 10.55287/22275398_2023_3_48
КОМБИНИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ТРУБОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ
В. А. Орлов*
Д. А. Петербургский *
Е. С. Гогина **
* Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
** Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН), г. Москва
Аннотация
Рассмотрены вопросы, затрагивающие анализ результатов гидравлических и электронных методов для определения базовых характеристик материалов трубопроводов в целях оптимизации этапа проектирования напорных систем водоснабжения и водоотведения. Под электронными методами понимаются аспекты использования световой микроскопии, а также информационно-поисковых систем в виде автоматизированных программ гидравлического расчета трубопроводов. Объектом исследований являются полимерные трубы. На основе комплексного сравнения полученных результатов уточнены коэффициенты удельного сопротивления труб, что позволяет на практике осуществлять оптимальное проектирование и расчет трубопроводных сетей.
Ключевые слова
трубопроводы, гидравлические исследования, световая микроскопия, автоматизированная программа, водоснабжение, во-доотведение.
Дата поступления в редакцию
19.07.2023
Дата принятия к печати
21.07.2023
Введение
Вопросы оптимизации проектирования новых и реконструкции ветхих напорных трубопроводных систем водоснабжения и водоотведения, а также их эффективная эксплуатация являются актуальными задачами коммунальных служб [1 - 3]. Надежная работа строящихся и реконструируемых трубопроводных сетей может быть обеспечена при условии учета проектировщиками гидравлических показателей труб и, в частности, из новых материалов, где необходимы точные данные об их гидравлических характеристиках, излагаемых как в отраслевых нормативно-технических документах, так и в бизнес моделях [4, 5]. Отсюда следует, что особое значение для эффективного технического решения приобретает выбор соответствующих ремонтных материалов при проектировании трубопроводов [6 - 8].
Основными гидравлическими характеристиками трубопроводов систем водоснабжения и водоот-ведения являются коэффициенты эквивалентной шероховатости, гидравлического трения и удельного сопротивления [9]. Как правило, для выявления данных характеристик трубопроводов из соответствующих материалов проводятся гидравлические испытания на специальных стендах [10, 11].
Подспорьем качественного определения характеристик в период проведения гидравлических экспериментов могут служить электронные методы, позволяющие оперативно выявить шероховатость внутренней поверхности стенки трубопровода с последующим совместным анализом значений шероховатости, полученным по результатам гидравлических экспериментов. В данном случае наиболее эффективным вариантом сравнения может являться использование автоматизированных программ, где в алгоритм расчета заложены операции по сопоставлению обоих результатов, а критерием выбора оптимального значения коэффициента удельного сопротивления служит допустимая величина погрешности измерений в гидравлических и электронных методах.
Для определения исходной шероховатости труб использовался инвертируемый электронный микроскоп Olympus GX53 (Япония), обеспечивающий высококачественные изображения, которые труд- QJ но достижимы при использовании обычных методов световой микроскопии или профилометрии. При Z этом на данном этапе исследований внутренних поверхностей труб не входили вопросы фрактографии, Q что в данном контексте понимается как изменение их состояния, например, вследствие трения жидкости ^ и присутствующих в ней взвешенных веществ о стенки трубопровода в период длительной эксплуатации трубопроводов [12].
Достижение исключительной четкости и контрастности изображения позволяют с помощью микроскопа Olympus GX53 получать максимально детализированную информацию о топографии поверхности исследуемых образцов с возможностью отличать углубления от выступов, а также фиксировать цвет материала. В сочетании со встроенным программным обеспечением OLYMPUS Stream для анализа изображений при пользовании микроскопом упрощается процесс проверки анализа изображений и составление отчетности. Получаемые с помощью микроскопа численные данные по шероховатости образцов являются составными частями алгоритмов автоматизированных программ гидравлического расчета.
CÜ
Методы и материалы
В качестве материалов рассматриваются две полимерные трубы: полиэтиленовая ПЭ 100 SDR 17 по ]Т 18599-2001 «Трубы напорные из полиэтилена» (условным проходом Dу 95,35 мм) и труба из не-пластифицированного поливинилхлорида (НПВХ) PVC-U SDR 41-110*2,7 PN6 питьевая по ГОСТ 32415-
< : I *
о
ГОСТ 18599-2001 «Трубы напорные из полиэтилена» (условным проходом Dу 95,35 мм) и труба из не- а
О £ ш щ
2013 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения „ т
и отопления» (условным проходом Dу 104,6 мм). 5 5
^ X
Методами исследования являются: гидравлический натурный эксперимент, световая микроскопия ц Ц
и эксплуатация автоматизированной программы расчета таких показателей как коэффициенты эквива- и <и
лентной шероховатости, гидравлического трения и удельного сопротивления указанных выше труб. 1й ^
Гидравлические исследования и световая микроскопия проводились на специальных крупногаба- ш
I™ ц
ритных стендах, установленных в лаборатории кафедры водоснабжения и водоотведения НИУ МГСУ ^
. Е
<1 Щ
, га т т
Обработка результатов двух типов экспериментальных исследований осуществлялась с помощью ^ а
автоматизированной программы [13]. ^ X
■ из <1 2
■ О Сй *
Гидравлические исследования проводились по стандартной методике ВНИИ ВОДГЕО путем пропуска воды с различными расходами по участку трубопровода, где в двух его точках на расстоянии 10 м осуществлялся отбор статического давления с помощью пьезометров.
Фрагмент первого диалогового окна программы с данными по полиэтиленовой трубе представлен на рис. 1.
Условия эксперимента
Опытные данные
номер эксперимента I
Внутренний диаметр трубопровода (м) 0.09535
Длина экспериментального участка [м) 1090
Экв. шероховатость по грофилометру [ш) 105.2800
Допустимая погрешность по шероховат. (%) 1 3.000
ЭТАП расчета 1
УСповияпроведения Дата проведения
Выход из программы ^
ЭТАП расчета 2 ЭТАП рай ета 3
Труба полиэтиленовая ЭОЛ 17
Править
Добавить
31.05.2023
-3
3
Удалить
№п/п Дата Диамгтр;м) 1 Дпинэ(м) Эхв диер.(м10и} Условия проведения
31.05.2023 0.09535 10.00 100.2300 3.000 ТруСа полиэтиленовая ЗОР17
2 31.05.2023 010460 10.00 94.3950 3.000 ТруСа НПВХ
Рис. 1. Диалоговое окно автоматизированной программы с исходными параметрами двух типов труб
Конечным результатом работы являлось сопоставление полученных на электронном микроскопе значений шероховатостей для двух типов труб и расчетных значений их удельных сопротивлений.
Результаты исследования
По результатам световой микроскопии двух разных образцов труб получены картины их поверхности при различной степени разрешения (в диапазоне от 100 до 400 мкм), что, в качестве примера, представлено на рис. 2.
Кроме того, получены величины высот профиля шероховатости с минимальными, максимальными и средними значениями, что представлено в табл. 1.
Рис. 2. Образцы поверхности труб со степенью разрешения 200 мкм
Таблица 1
Параметры профиля поверхности для двух типов труб
Натурные данные микроскопии ПЭ 100 SDR 17 НПВХ PVC-U SDR 41
Максимальная высота профиля, мкм 179,36 149,65
Минимальная высота профиля, мкм 37,2 39,14
Средняя высота профиля, мкм 108,28 94,395
Полученные значения средних высот профиля (108,28 и 94,395 мкм) являлись одними из исходных параметров автоматизированной системы (см. рис. 1). Для оценки сходимости результатов микроскопии и гидравлических исследований по выявлению величины эквивалентной шероховатости в исходную информацию вводилась величина допустимой величины погрешности по шероховатостям, например, 3 % (см. рис. 1).
Результаты гидравлических исследований по определению шероховатости с учетом автоматизированного сопоставления с данными шероховатости по микроскопии позволили выявить значения расходов, при которых расхождения составили менее, чем 3 %.
Сущность последующего этапа автоматизированного моделирования в данной частной задаче сводилась к тому, чтобы связать расчетные значения коэффициента гидравлического трения X с величиной эквивалентной шероховатости кэ , считая, что при иных любых других диаметрах эта величина не изменяется. Для решения задачи в алгоритме используется универсальная формула Прандтля, устанавливающая зависимость X от диаметра и эквивалентной шероховатости кэ (1):
и
Z м
О
-I
м
D CD
1 = 2^+1,14
Л
(1)
Использование формулы (1) позволяет при подстановке значения X из опыта на одном диаметре получить величину кэ , а в последующем, меняя диаметр трубы, рассчитать величину X для любого другого диаметра.
В итоге, были получены практически идентичные унифицированные зависимости удельного сопротивления труб А от диаметра d для труб из соответствующего материала:
• для ПЭ 100 SDR 17 А = 0,0009d -5,673;
• для НПВХ PVC-U SDR 41 А = 0,0009d -5,221 (рис. 3).
< : I *
21 и £
ш?
, m >S т-
о
ч? $
г:
A = 0,0009d5»' R2 = 1
180
120
0 N b,_■_I
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Диаметр d, м
Рис. 3. График зависимости удельного сопротивления от диаметра для трубы НПВХ
и 5
I- о а щ
> I
m s IL ^
Ш СО h- я
И .
< Щ
äi
, га
СО и
и Ä 1 О s
■ ю
< 2
■ о со *
К примеру, для диаметра трубопровода 900 мм единичной длины расчет по формулам показал, что удельные сопротивления двух труб из разных материалов практически одинаковы, т. е. 0,00163 (для ПЭ) и 0,00156 (для НПВХ), что свидетельствует о возможности их взаимозаменяемости (разница в значениях А составляет 4,48 %).
Заключение
1. По результатам световой микроскопии отмечен практически идентичный характер рельефа поверхности и диапазон шероховатостей для двух образцов труб.
2. На базе гидравлических экспериментов определены унифицированные расчетные зависимости, позволяющие на практике осуществлять проектирование и расчет трубопроводных сетей из полиэтилена и непластифицированного поливинилхлорида.
3. Незначительное расхождение в результатах расчетных величин удельного сопротивления двух типов полимерных труб свидетельствует об их возможной взаимозаменяемости при проведении ре-монтно-восстановительных работах на отдельных участках трубопроводной сети практически без изменении гидравлических, а также энергетических показателей трубопроводной системы в целом.
Библиографический список
1. Храменков С. В. Стратегия модернизации водопроводной сети. М: Стройиздат. 2005. 398 с.
2. Павлинова И. И. Обеспечение бесперебойной работы водозаборных сооружений из поверхностных источников / И. И. Павлинова, О. Л. Банцерова, Л. И. Хохлова // Системные технологии. — 2023. — № 1 (46). — С. 72 - 75. — DOI 10.55287/22275398_2023_1_72. — EDNGESLHL.
3. Андрианов А. П. Проблемы современного водоснабжения / А. П. Андрианов, Р. В. Ефремов, Р. Е. Хургин // Системные технологии. — 2022. — № 3 (44). — С. 5 - 13. — DOI 10.55287/22275398_2022_ 3_5. — EDN AGCRBC.
4. Примин О. Г. Утечки воды. М.: Издательство ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ». 2022. 167 с.
5. Osterwalder A., Pigneur Y., Tucci C. L. Clarifying business models: Origins, present, and future of the concept // Communications of the association for Information Systems. 2005. Т. 16. №. 1. С. 1 - 40.
6. Степанов М. А., Орлов В. А. Анализ методов и ремонтных материалов по восстановлению инженерных сетей и сооружений водоотведения // Трубопроводный транспорт (теория и практика), 2017, № 5, с. 26 - 30.
7. Расчет остаточных напряжений в полом цилиндре под действием внутреннего давления / М. Ш. Гатиев, Л. И. Лесняк, Б. М. Языев [и др.] // Системные технологии. — 2023. — № 2 (47). — С. 74 - 83. — DOI 10.55287/22275398_2023_2_74. — EDN EMLLWK.
8. External impacts on structure and relaxation properties of thermotropic liquid crystal copolyester / G. S. Zhukova, Z. R. Radjabov, A. K. Kurbanmagomedov, G. V. Boykova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : 3, Applied and Fundamental Research Dedicated to the 75th Anniversary of Professor Abdul-Hamid Mahmoudovich Bisliyev, Grozny, Chechnya, 28 - 29 февраля 2020 года. — Grozny, Chechnya, 2020. — P. 012074. — DOI 10.1088/1757-899X/905/1/012074. — EDN KZGHYJ.
9. Шевелев Ф. А., Шевелев А. Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. Стройиздат, 2007, 117 с.
10. Добромыслов А. Я. К вопросу о взаимозаменяемости материалов и диаметров напорных трубопроводов // Сантехника. Отопление. Кондиционирование (СОК). 2005. № 1. с. 40 - 45.
11. Орлов В. А. Трубопроводные сети. Автоматизированное сопровождение проектных разработок. СПб. ЛАНЬ. 2015. 159 с.
12. Gonzalez-Velazquez J. L. Fatique Fracture // Fractography and Failure Analysis, Springer? Cham. 2018. P. 71 - 95.
13. Зоткин С. П., Орлов В. А. Программа анализа гидравлических характеристик напорных трубопроводов. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013610520 от 09.01.2013.
COMBINING HYDRAULIC AND ELECTRONIC RESEARCH METHODS TO DETERMINE THE RESISTIVITY OF THE MATERIAL OF PIPELINE NETWORKS
V. A. Orlov*
D. A. Peterburgskij *
E. S. Gogina **
* Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow ** Research Institute of Construction Physics of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (NIISF RAASN), Moscow
ID Z
H Û -I H
D
CÛ
Abstract
The issues affecting the analysis of the results of hydraulic and electronic methods for determining the basic characteristics of pipeline materials in order to optimize the design stage of pressure water supply and sanitation systems are considered. Electronic methods are understood as aspects of the use of light microscopy, as well as information retrieval systems in the form of automated programs for hydraulic calculation of pipelines. The object of research is polymer pipes. Based on a comprehensive comparison of the results obtained, the coefficients of the resistivity of pipes are refined, which allows for optimal design and calculation of pipeline networks in practice.
The Keywords
pipelines, hydraulic studies, light microscopy, automated program, water supply, drainage
Date of receipt in edition
19.07.2023
Date of acceptance for printing
21.07.2023
Ссылка для цитирования:
В. А. Орлов, Д. А. Петербургский, Е. С. Гогина. Комбинирование гидравлических и электронных методов исследования для определения удельного сопротивления материала трубопроводных сетей. — Системные технологии. — 2023. — № 3 (48). — С. 48 - 53.
< : I *
21 и £
ш?
, m >S т-
U S
I- о
а щ
> I
m s
IL ^
J ш
H ге ш
а s
< (U
ài , га m u
H Ä 1 О s
■ ю
< 2
■ О CÛ *
