Анализ конструктивных особенностей и показателей эффективности обратных и приемных клапанов для транспортных трубопроводных систем высокого давления Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.646.4

ПАЛАМАРЧУК Т.Н., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) ТИМОХИН Ю.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) ТИМОХИНА В.Ю., старший преподаватель (Донецкий институт железнодорожного

транспорта)

Анализ конструктивных особенностей и показателей эффективности обратных и приемных клапанов для транспортных трубопроводных систем высокого давления

Palamarchuk T.N., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI) Timokhin Y.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI) Timokhina V.Y., Senior Lecturer (DRTI)

Analysis of design features and performance indicators of check and foot valves for high-pressure transport pipeline systems

Введение

Подводящая (всасывающая) и напорная линии лопастных насосов для систем водоснабжения,

теплоэнергетики, перекачки нефти, откачки сточных и рудничных вод должны быть оборудованы

предохранительной арматурой:

приемными устройствами и обратными клапанами. Для удержания воды в насосе на подводящем трубопроводе (линия низкого давления)

устанавливают приемное устройство, содержащее приемный обратный клапан. Со стороны нагнетания (линия высокого давления) для защиты оборудования от гидравлического удара и опорожнения трубопровода монтируются напорный обратный клапан и оперативная задвижка.

Главным требованием при создании предохранительной запорной арматуры для трубопроводных систем высокого давления является

обеспечение её высокой надежности во всех режимах эксплуатации насосных установок, включая переходные

режимы, сопровождающиеся разрывом потока и гидравлическими ударами.

Анализ последних исследований и публикаций

В настоящее время на мощных насосных станциях, перекачивающих воду, нефть и другие технологические жидкости на большую высоту и расстояния, применяются два основных конструктивных типа приемных обратных клапанов (ПОК): запорный орган совершает вертикальное поступательное движение (тарельчатый, шаровой клапан) или вращательное движение на поворотном механизме (поворотный, либо сегментный клапан) [1-3]. Напорные обратные клапаны (НОК) также конструктивно делятся на устройства с поворотными и вертикально перемещающимися

запорными органами [4, 5].

Обзор публикаций по тематике исследований и разработок

предохранительных клапанов для трубопроводов высокого давления,

позволил обобщить базовые принципы создания новой запорной арматуры и направления её совершенствования. К ним следует отнести:

1) блочно-модульное конструирование смежных по расходу и условному проходу клапанов;

2) количество рациональных исполнений одного типоразмера НОК и ПОК обеспечивается не менее, чем двумя сборками сменных деталей запорного узла на общей платформе корпуса;

3) для средне- и высоконапорных трубопроводных систем требуется селективный подбор сопряженных деталей запорного узла;

4) требуемая наработка на отказ клапанов и задвижек должна в разы превышать наработку эксплуатируемых насосных агрегатов до предельного состояния;

5) конструктивные особенности применяемой предохранительной арматуры должны обязательно учитывать условия эксплуатации и возможные экстремальные режимы работы, и внезапную остановку насосных установок.

Цель работы

Рассмотреть конструктивные особенности применяемых

предохранительных клапанов

трубопроводных систем высокого давления, дать сравнительную оценку показателей их эффективности по функциональным и эксплуатационным критериям, выбрать наиболее перспективные конструкции

предохранительных обратных клапанов для высоконапорных трубопроводов и устройства защиты от гидравлических ударов.

Основная часть

В период с 2005-2013гг. выполнено обследование 52 мощных насосных станций и установок Донбасса и Ростовской обл, оснащенных высоконапорными многоступенчатыми насосами серии ЦНС 300, ЦНС 180, ЦНСШ 300 ЦНС 500 и ЦНСА 550. Наряду с измерением режимных параметров насосного оборудования, проводились работы по определению уровня надежности применяемой оперативной и предохранительной запорной арматуры, выполнена систематизация основных видов износа, поломок и причин отказов затворного узла.

Главные недостатки применяемых ПОК и НОК заключаются в следующем:

- низкая износостойкость и коррозионная стойкость направляющей пары скольжения (для тарельчатого клапана), пары вращения (для поворотного клапана) и рабочих поверхностей контактируемых деталей -седла (уплотнительных колец) и запорного органа;

- низкая степень герметизации контактного соединения, ухудшающаяся в процессе эксплуатации;

- значительное гидравлическое сопротивление запорного устройства, обусловливающее на всасывающей линии большие потери напора;

- малое время срабатывания (0,5.. .0,9 с) клапанов, неудовлетворительно влияющее на процесс образования и развития прямого гидравлического удара;

- значительные ударные нагрузки, испытываемые контактируемыми деталями при закрытии клапанов;

- большая масса и габариты клапанов, применяемых для трубопроводов большого диаметра и

высокого давления.

Обобщение опыта эксплуатации применяемой запорной арматуры, изучение конструкций клапанов и задвижек, используемых в различных отраслях промышленности, позволили выделить и предварительно отобрать для сравнительного исследования следующие обратные клапаны (рис. 1): тарельчатые с верхней (обозначение -А) и нижней (Б) направляющими скольжения, выполненными в виде штока и ребер (В); с верхней и нижней направляющими скольжения (Г); конические с плоской (Д), конической (Е) и округлой (Ж) нижней поверхностью запорного органа; поворотные (створчатые) с дисковым (З) на поворотном механизме, с дисковым (И) на резиновой упругой ленте и двухсегментными (К) на поворотном механизме запорными органами, перемещающимися на рычаге с шарниром; шаровые (Л).

Критериями оценки

эффективности ПОК и НОК выбраны (табл. 1): долговечность, герметичность, время срабатывания, масса, габариты, удельная стоимость, удельные гидравлические потери напора.

Функциональные и

эксплуатационные свойства

исследуемых конструкций

представлены в виде отношений сравниваемых показателей данного образца (индекс «о») и образца-эталона (индекс «э»):

- относительная величина средней наработки СНад= То/ Тэ,

- показатель герметичности Сгер=

Чо/яэ ;

- относительная величина гидравлических потерь Спот= £о/ £э ;

- относительный показатель времени срабатывания Св= и/ 4;

- сравнительная величина массы См= то/тэ и габаритов Сг = Ус/Уэ;

- относительная величина ударной нагрузки Суд=ро/рэ,

- относительные затраты на изготовление Сизг = Со/Сэ.

В этих выражениях: Т - средний календарный срок эксплуатации, лет ; Ч - утечка жидкости при полностью закрытом запорном органе л3/с; £ -фактический коэффициент местного сопротивления ; I - время закрытия клапана, с; т, V - соответственно, масса (кг) и объем (м ) устройства; р - ударное давление контактируемых деталей, МПа; С - стоимость материалов и затраты на изготовление арматуры, руб.

Оценка сравнительных

характеристик табл. 1 позволяет сделать следующие выводы.

1. Ни одно из представленных типов ПОК и НОК не обладает всеми положительными эксплуатационными и функциональными свойствами.

2. Наиболее перспективными по критерию Снад являются для ПОК конструкции шаровых клапанов (схема Л, рисунок 1), тарельчатых с двумя направляющими (схема Г) и конических клапанов с нижними обтекателями (схемы Е и Ж) и сочетанием контактируемых материалов «металл-металл» либо «резина-металл», причем последний вариант для загрязненной шахтной воды является более предпочтительным.

3. Для низконапорных насосов, в подводящих трубопроводах которых исключено проявление ударных нагрузок, рационально применение простых по конструкции, относительно недорогих и достаточно надежных тарельчатых клапанов с одной или двумя направляющими скольжения или поворотных (створчатых) клапанов с дисковым запорным элементом на резиновой упругой ленте (схема И), где парой контактируемых материалов является сочетание «резина-металл».

А

Б

В

Г

Д

Е

Ж

З

И

К

Л

Рис. 1. Схемы обратных клапанов, устанавливаемых на подводящем и напорном трубопроводах: плоские тарельчатые клапаны: с верхней (обозначение - А) и нижней (Б) направляющими скольжения, выполненными в виде штока и ребер (В); с верхней и нижней направляющими скольжения (Г); тарельчатые с плоской (Д), конической (Е) и округлой (Ж) поверхностью запорного органа; поворотные с дисковым (З) на поворотном механизме, с дисковым (И) на резиновой ленте и сегментными (К) на поворотном механизме запорными органами, перемещающимися на рычаге с шарниром; шаровые (Л)

Таблица 1

Сравнительные характеристики ПОК и НОК (эталон - конструкция Ж, материалы уплотняемых поверхностей седла и диска - металл-металл)

№ п/п Эксплуатационные и функциональные свойства (в №№ 1.8 -в относительных единицах) Конструктивный тип клапана

А Б В Г Д Е Ж З И К Л

Показатель долговечности С : ^над- - для уплотняющей пары ПОК - резина-металл

1,8 1,85 2,2 2,9 2,55 2,74 2,85 1,24 2, 8 1, 1 3,2

1 - для уплотняющей пары ПОК - металл-металл 1,2 1,25 1,28 2,2 1,75 1,92 2,0 1,0 - 1,0 -

- для уплотняющей пары НОК - резина-металл 0,32 0,4 0,55 - 0,25 0,32 0,3 0,22 - 0,33 0,4

- для уплотняющей пары НОК - металл-металл 1,15 1,45 1,5 3,5 2,5 2,5 2,7 1,0 - 1,0 -

Степень герметичности С:

- для уплотняющей пары ПОК - резина-металл 2,15 2,45 2, 8 3,2 2,2 2,5 3,0 1,6 4,0 1,5 4,6

2 - для уплотняющей пары ПОК - металл-металл 1,15 1,3 1,35 1,4 1,21 1,28 1,4 1,0 1, 1

- для уплотняющей пары НОК - резина-металл 0,55 0,65 0,8 - 0,5 0,5 0,6 0,5 - 0,65 0,45

- для уплотняющей пары НОК - металл-металл 1,05 1,8 1,93 4,6 4,1 4,45 4,6 1,0 - 0,88 -

3 Гидравлические потери Спот 0,77 0,77 0,77 0,75 0,25 0,19 0,16 1,0 0,65 0,95 0,25

4 Время срабатывания Св 1,5 1,6 1,5 1,8 1,7 1,8 1,9 1,0 1,5 1,1 2,5

5 Масса См 0,8 0,9 1,1 0,9 0,8 0,85 0,85 1,0 0,65 1,2 0,8

6 Габариты Сг 0,8 0,9 0,95 0,95 0,82 0,85 0,88 1,0 0,8 1,2 0,85

7 Ударная нагрузка на контактируемую поверхность, Су 1,2 1,25 1,25 1,2 1,4 1,45 1,4 1,0 1, 1 1,2 0,8

8 Затраты на изготовление арматуры Сизг 0,68 0,75 0,85 1, 1 0,78 0,82 0,9 1,0 0,65 1,28 1,26

9 Возможность качественного ремонта на месте эксплуатации есть есть есть есть нет нет нет нет нет есть нет

4. Для НОК высокую надежность (Снад) и ударную стойкость (Суд) имеют тарельчатые клапана, в которых запорные органы - металлические седло и тарелка - уплотняются по горизонтальной или по конической опорной поверхности.

5. Применение пары «резина-металл» для контактируемых деталей НОК тарельчатой конструкции нерационально из-за высоких рабочих давлений и ударных нагрузок, действие которых быстро разрушает резиновые элементы устройства.

6. Ширина уплотнительного пояска седла клапана не должна быть меньше величины которая выбирается по допускаемому контактному давлению: Ьтт = кзрв Рс/пБсО,; (к3 = 1,5 -коэффициент запаса, учитывающий ударную составляющую давления; Гв -площадь верхней поверхности запорного органа (клапана), м2; рс - давление столба жидкости на клапан, Па; Вс -средний диаметр седла клапана, м; -предел прочности материала, Па).

7. Для уменьшения гидравлических потерь в ПОК (критерий Спот) необходимо предусмотреть обтекатели запорных органов, конструктивно выполненных в виде конуса или полусферы (схемы Е и Ж), а минимальную рабочую высоту их подъема над седлом Ит1„ и обусловленные этой величиной габаритные размеры рабочей коробки клапана рассчитывать, исходя из условия: Ит1„ ^ 0,25 Бс, при этом скорость потока в сечении седла не должна превышать 1,2 м/с.

8. По степени герметичности наиболее эффективны для ПОК конструкции шаровых, тарельчатых (с двумя направляющими) клапанов с сочетанием материалов «резина-металл», для НОК - устройства с коническими опорными поверхностями «металл-металл»

9. При тех же функциональных свойствах меньшие габариты и массу имеют тарельчатые и шаровые клапаны.

10. Меньшие материальные и трудовые затраты требуются на изготовление тарельчатых клапанов.

11. Для технического обслуживания, ревизии и восстановления работоспособности в сложных условиях эксплуатации наиболее удобны ПОК конструктивных схем В, Г, И. Для НОК просты в обслуживании конструкции Г и З.

Представленный анализ дает возможность выбрать наиболее эффективные для мощных

низконапорных или высоконапорных насосных комплексов схемы

предохранительных запорных устройств и выделить их основные особенности.

Приемные тарельчатые клапаны. Для насосов с номинальными подачами от 38 до 105 м/ч включительно и рабочими давлениями до 4,5 МПа эффективно использование простого устройства, выполненного по схеме И (рис. 1). Для интервала подач 105...350 м/ч рекомендуются ПК сварной конструкции, выполненные по схемам Б, Г (рис. 1).

Для примера рассмотрены эскизы близких по конструкции тарельчатых клапанов с плоской опорной поверхностью без обтекателя (рис. 2) и с коническим обтекателем (рис. 3).

Клапаны состоят из верхней 1 и нижней (сетчатой) 2 коробок, разделенных соединительным

фланцем 3, во внутренней расточке которого установлено опорное кольцо (седло) 4. Запорный орган выполняется в виде плоского диска 5, который прикреплен к штоку 6, вертикально перемещающемуся по направляющим скольжения 7 и 8. Направляющие скольжения представляет собой установленные по оси клапана на поперечных косынках 9, 10 сменные металлические втулки. Внутренний радиальный зазор между втулкой и штоком выбирается от 0,5 до 0,7 мм.

Отличия клапанов, показанных на рис. 2 и рис. 3: у первого резиновая уплотнительная прокладка крепится на диске 5 снизу с помощью шайбы и стяжной гайки, у второго - резиновая прокладка монтируется на всей верхней поверхности соединительного фланца 3, выполняя одновременно функции эластичного уплотнителя седла и

фланцевого соединения верхней 1 и нижней 2 коробок; клапан, представленный на рис. 2, имеет запорное устройство в виде диска, усиленного верхней и нижней коническими оболочками. Наличие оболочек, с одной стороны, позволяет значительно увеличить прочность запорного элемента (что важно для водоотливных установок, где возможно

проявление гидравлических ударов в трубопроводах), с другой - уменьшить гидравлическое сопротивление в проточной части клапана на 20.30 %. Клапан с коническими обтекателями (рис. 2) рекомендуется для шахтных насосов с большими подачами

о

(400.850 м/ч), оборудованных подводящими трубопроводами с условным проходом Пу = 350...550 мм.

Рис. 2. Приемный клапан сварной конструкции на расходы от 60 до 300 м /ч

Рис. 3. Приемный клапан сварной конструкции с обтекателем для насосных установок с расходами более от 400 до 850 м /ч

Таблица 2

Размеры приемного клапана для насосов с подачами 60 до 350 м /ч

Проход Размеры стальных сварных ПК (рис. 2)

условный подводящего трубопровода йс И А И1 й1 й2 ^2 Ь2 Рекомендуемый тип насоса

Ву , мм

ЦНС 60-66.330

150 155 340 235 190 20 180 290 285 45 ЦНС 60-50.250 К-60М

200 205 455 310 250 25 240 390 340 60 ЦНС 105-98.490

ЦНС 180-85.425

250 260 570 390 315 30 300 485 405 75 ЦНС 180-500.900 1Д 200-36 (бустер)

ЦНС 300-120.600

ЦНС 300-650-1040

ЦНСК 300-

300 310 685 470 380 40 360 580 460 90 120.600 ЦНСШ 300140.720 1Д 320-50 (бустер)

Таблица 3

Размеры приемного клапана для насосов с подачами от 400 м/ч и выше

Проход условный подводящего трубопровода Ву , мм Размеры стальных сварных ПК (рис. 3) Рекомендуемый тип насоса

йс И А И1 й1 й2 ^2 Ь2

350 360 800 545 440 45 420 680 516 100 ЦНС 400-120.660 НСШ 410182.1000 1Д500-16 (бустер)

400 410 910 625 500 50 480 780 580 120 ЦНС 500-160.880 НСШ 500-1000 1Д500-25 (бустер)

500 515 114 0 780 630 65 600 970 715 150 АЦНС 550182.1000 (АКаНТИ)

550 620 137 0 935 755 80 720 116 0 780 160 ЦНС 850-240.960 1Д1250-28 (бустер)

По отношению к условному диаметру подводящего трубопровода Бу выбираются основные размеры элементов клапана:

- внутренний диаметр седла ёс = 1,03-Д,;

- высота клапана И = 2,28^0у;

- диаметр ^ = 1,56\Оу и высота И1 = 1,26^0у сетчатой коробки;

- диаметр штока = 0,13-^у;

- диаметр запорного диска d2 = 1,2-Д,;

- наружный диаметр соединительного фланца Б2 = 1,94\Оу;

- наружный диаметр верхнего фланца В3 = 1,45^0у;

- рабочий ход штока s2 = 0,3-Ву. В табл. 1 и 2 даны основные размеры клапанов.

Оптимальное сочетание

материалов запорного узла,

изображенного на рис. 2): кольцо седла 4 и седла и кольца тарелки 5 - резина, армированная ИРП 1626 и сталь 20X13. Большое значение для нормального функционирования тарельчатых

клапанов имеет строго вертикальное и осесимметричное положение штока и направляющих. Несоосность диска, штока и направляющих втулок в

собранном виде не должна превышать 0,5 мм. Добиться такой точности изготовления и сборки можно с помощью специального кондуктора, коаксиально и жестко фиксирующего при сварке направляющие втулки 7 и 8 с косынками 9 и 10 и коробки 1 и 2.

Приемные шаровые клапаны. На рис. 3 представлена конструкция приемного устройства с шаровым клапаном, разработанная во ВНИИ горной механики (г. Донецк) [6]. Область применения шаровых клапанов - насосные установки, перекачивающие загрязненную

слабоагрессивную и агрессивную воду и оборудованные насосами с

номинальными подачами до 300 м3/ч включительно и рабочим давлением до 6,4 МПа (65 кгс/см2).

Клапан состоит (рис. 4) из стального сварного корпуса 1, опорного седла 2, наплавленного на участке посадки шара легированной

коррозионно-стойкой сталью, и стального пустотелого шара 3, покрытого слоем твердой резины. Для ограничения вертикального

перемещения клапана используются две накрест сваренные дуги 4.

-С т Оу \ -е1

ч

/4

\

Л

■ ол о о° о О 0^2222 0 ° о о О О < ООО ООО -ООО о о о О Оа о ООО -О л о о о о ° о и ЛЛЛХ^Р^ О О О <Я»>Ъ о о о О > о о о о о о о О О ООО. О о О О о О ООО ООО Э О о О 0(0|0

Рис. 4. Приемный клапан сварной конструкции с обтекателем для насосных установок с расходами более от 400 до 850 м3/ч

Рис. 5. Тарельчатый обратный клапан для напорной линии насосных установок с подачами от 60 до 330 м3/ч

Таблица 4

Размеры приемного шарового клапана для насосов с подачами 60 до 300 м /ч

Проход условный подводящего трубопровода Ву , мм Размеры (рис. 4) Рекомендуемый тип шахтного насоса

И И1 И2 В!

150 545 410 80 282 ЦНС 60-66.330 ЦНС 60-50.250

200 705 505 105 356 ЦНС 105-98.490 ЦНС 180-85.425 ЦНС 180-500.900 1Д 200-36 (бустер)

250 800 580 115 416 ЦНС 300-120.600 ЦНС 300-650-1040 ЦНСК 300-120.600 ЦНСШ 300-140.720

Напорные обратные клапаны. В линии напорных трубопроводов более высокую надежность (Снад) и ударную стойкость (Суд) имеют тарельчатые клапана, в которых запорные органы -металлические седло и тарелка -уплотняются по горизонтальной или по конической опорной поверхности. По критерию «герметичность» более эффективно применять тарельчатые

клапаны, уплотняемые по конической опорной поверхности. Из-за низкой надежности и значительных затрат на обслуживание и ремонт, следует признать, что использование на ШВУ поворотных (створчатых) клапанов серий КО и ПОК является неэффективным.

На рис. 5 представлен эскиз компактного тарельчатого клапана с

горизонтальной опорной поверхностью на диаметр условного прохода Ву = 200 мм. Конструкция и малые габариты клапана позволяет его монтировать непосредственно на выходе насоса, в трубных ходках, стволах, скважинах.

Клапан состоят из верхней 1 и нижней 2 фланцевых крышек, соединенных корпусом 3. Во внутренней расточке нижней крышки установлено уплотнительной кольцо (седло) 4. Запорный элемент (клапан),

выполненный в виде тарельчатого диска 5, прикреплен к штоку 6 и вертикально перемещается по направляющим втулкам скольжения 7 и 8. Корпус клапана 3, собранный с крышками 1 и 2, устанавливается между фланцами трубопровода 9, 10 и стягивается шпильками.

Оптимальное сочетание

материалов седла и опорной части диска для сточной условно осветленной воды - сталь 40Х - 20X13, для рудничной и шахтной воды с повышенным содержанием твердых частиц - 20X13 - 40X13.

Уплотнительное кольцо 4 после объемной закалки должно иметь твердость 40.45 ИЯС, рабочая поверхность диска 5 - 30.35 ИЯС.

Защита приемных клапанов высоконапорных насосов от

гидравлических ударов. При использовании в насосных установках высокого давления низконапорных подкачивающих насосов, требующих применения приемных устройств с обратными клапанами, возникает необходимость защиты низконапорного оборудования от большого давления, определяемого полной высотой водоподъема и величиной

гидравлического удара.

Предлагается способ защиты оборудования с помощью

предохранительной трубы на

всасывающем трубопроводе

подкачивающего насоса [6]. Как показано на схеме (рис. 6), предохранительная труба представляет собой гидростатическую колонну с петлей, один конец которой подсоединяется к всасывающему трубопроводу, а другой имеет предохранительную сетку и размещается в приемном колодце насосной станции ниже уровня воды.

Верхняя точка гидростатической колонны выше подкачивающего насоса на 1.3 м, что позволяет производить его предпусковую заливку. Для исключения подсосов воздуха через фланцевые соединения

предохранительная труба может быть подключена к всасывающему трубопроводу ниже уровня воды. При внезапном отключении электроэнергии или неисправности обратного клапана вода из нагнетательного трубопровода через насосы, коллектор и предохранительную трубу сбрасывается в приемный колодец. Диаметр предохранительной трубы должен быть таким, чтобы при максимальной утечке давление на выходе подкачивающего насоса не превысило допустимого значения:

Нд = кНм, (1)

где к - коэффициент допустимого превышения давления в насосе и трубопроводе, к = 1,25...1,5; Нм -максимальный напор подкачивающего насоса, м.

При обратном потоке воды предохранительный трубопровод можно рассматривать как самотечный. В связи с быстротой разгона жидкости, а также с возможностью компенсации утечки воды из системы за счет трубопровода, проложенного по поверхности, изменением верхнего уровня воды в трубопроводе можно пренебречь.

Рис. 6. Схема защиты насосной установки: 1 - гидростатическая колонна (предохранительная труба); 2 - задвижка; 3 - обратный клапан; 4 и 8 — напорный и всасывающий трубопроводы; 5 и 7 - основной и подкачивающий насосы; 6 - коллектор; 9 - приемное устройство с обратным клапаном; 10 - предохранительная сетка

При разрыве потока в предохранительной трубе (наиболее неблагоприятный вариант) нижний уровень воды установится на уровне ее верхней точки. В этом случае для самотечного трубопровода запишем:

нг = к = (а1 + ап ш

тах :

(2)

где НГ - геометрическая высота

гг

водоподъема,

м;

Ип

- высота

предохранительной трубы, м; Qmcx -максимальный расход воды в системе при обратном потоке, м3/ч; аП -сопротивление предохранительной трубы, ч2/м5; а1 - сопротивление системы обратному потоку жидкости, ч2/м5:

а = ан + а + ст + ан2,

(3)

где ан - сопротивление нагнетательного трубопровода (если возможно параллельное включение нескольких ветвей, то в расчете принять минимальное значение), ч2/м5; аВ -сопротивление всасывающего

трубопровода от точки подключения предохранительной трубы до насоса, ч /м ; ан1 и ан2 - сопротивления подкачивающего и основного насосов обратному потоку воды, ч2/м5.

Сопротивления ан могут быть подсчитаны по приближенной формуле:

Сн =

1 ~Ун Лн

Нн

а:

(4)

где пн и Нн - КПД и напор насоса при номинальной подаче Qн. Потери напора в подкачивающем насосе, всасывающем

трубопроводе и предохранительной трубе при обратном потоке воды связаны с допустимым напором и высотой предохранительной трубы зависимостью:

Нд - кп = а + ап)02тх ,(5)

где а2 = ав + а№

Из совместного решения уравнений (2 и 5) находим максимально допустимое сопротивление

предохранительной трубы:

аП =

нд - к)- а2(нгкп)

нг - Нд

(6)

Сопротивление предохранительной трубы связано с ее параметрами:

а = 6,3755-10

-9

0,021/ I53+

\

< dяп, (7)

где d и I - внутренний диаметр и длина предохранительной трубы, м; ££ -сумма коэффициентов местных сопротивлений. В формуле (7) для определения коэффициента гидравлического трения использована формула Ф. А. Шевелева [7]. Решение неравенства (7) относительно диаметра представляет определенные трудности. Однако при практических расчетах в этом нет необходимости. Достаточно принять стандартное значение диаметра и проверить соблюдение условия (4). Значение максимального расхода при обратном потоке можно получить из уравнения (1):

а = (Нг - Кп)/(а+ап)

0,5

(8)

При работе насоса расход воды через гидростатическую колонну составит:

а =

(ак / ап )0, (ак / ап )0,5 + 1

"б ,

(9)

где ак - сопротивление всасывающего трубопровода от приемного устройства до точки подключения к

2 5

гидростатической колонне, ч /м ; 0 -подача насоса, м3/ч.

Выводы

Освоение производства новой предохранительной запорной арматуры (обратных и приемных клапанов) с высокими показателями надежности и устройствами защиты насосного оборудования и магистральных трубопроводов от гидравлических ударов, позволит снизить капитальные и эксплуатационные затраты на перекачку производственных сточных и

рудничных вод на 10.15%. Внедрение предлагаемых методов защиты трубопроводов, запорной арматуры и насосов предотвратит возникновение и развитие экстремальных режимов течения перекачиваемой жидкости (разрыв и аэрация потока, мощные гидравлические удары).

Список литературы:

1. Попов В. М. Рудничные водоотливные установки / В.М. Попов. -М.: Недра, 1983. - 304 с.

2. Паламарчук Н.В. Шахтные и рудничные насосы: Справочное пособие / Н.В. Паламарчук. - Донецк: Изд-во ООО «Научный центр горных машин», 2008. - 564 с.

3. Попов В.М. Водоотливные установки / В.М. Попов. - М.: Недра, 1990. - 254 с.

4. Пак В.В.. Рудничные вентиляторные и водоотливные установки / В.В. Пак, В.Г. Гейер. - М.:

Углеиздат, 1950. - 425 с.

5. Гейер В.Г. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки / В.Г. Гейер, М.Г. Тимошенко. - М: Недра, 1987. - 270 с.

6. Паламарчук Н.В. Конструкции и технические характеристики предохранительных клапанов ШВУ // «Уголь Украины». - 2010. - Вып. №7.

7. Паламарчук Н.В. Сравнение способов защиты напорных трубопроводов // Материалы III международной научно-практ. конференции в рамках Международного научного форума ДНР «Научно-технические аспекты комплексного развития транспортной отрасли». -Донецк, 2015. - С. 58-65.

Аннотации:

В статье выполнен анализ конструктивных схем, применяемых в высоконапорных трубопроводных системах обратных клапанов всасывающей и нагнетательной линии. Дана сравнительная оценка эксплуатационных и функциональных

свойств запорной арматуры по критериям эффективности: долговечность, герметичность, время срабатывания, масса, габариты, удельная стоимость, гидравлические потери в устройстве. Предложено для защиты насосного оборудования и трубопроводных систем использовать предохранительные устройства -гидравлическая колонна с сифонной петлей (всасывающая линия) и тарельчатый обратный клапан с гидравлическим диодом (для нагнетательной линии).

Ключевые слова: насосная установка, насос, трубопровод, запорная арматура, обратный клапан, гидравлический удар.

A comparative assessment of the operational and functional properties of shut-off valves according to the efficiency criteria: durability, analysis of design schemes used in high-pressure pipelines, tightness, response time, weight, dimensions, unit cost, hydraulic losses in the device. It is proposed to use safety devices to protect pumping equipment and pipeline systems - a hydraulic column with a siphon loop (suction line) and a Poppet check valve with a hydraulic diode (for the discharge line).

Keywords: pumping unit, pump, pipeline, stop valves, check valve, hydraulic shock.