CC BY
127
Таблица 3 Состав раствора суспензии пыли электрофильтров
3 Наименование и содержание соединений, г/дм
NaF Na2CO3 NaHCO3 Na2SO4
0,61 1,1 0,84 21,3
Отдельного внимания заслуживает девятиводный метасиликат натрия (Na2SiO3x9H2O) - натриевая соль метакремниевой кислоты, являющаяся побочным продуктом при производстве глинозёма. Он содержит долю общей щёлочности в пересчёте на Na2O, %, не менее 20,5%, а также долю двуокиси кремния ^Ю2) не менее 19%. Водные растворы метасиликата натрия имеют сильно щелочную реакцию и по своим химическим свойствам идентичны растворам щелочей, что, безусловно, свидетельствует о возможности их ис-
пользования в качестве щелочного компонента вяжущего.
Учитывая усиливающееся стремление мировой общественности к энерго- и ресурсосбережению и постоянно увеличивающиеся накопления промышленных отходов, следует ожидать возрастания роли геополимеров в качестве вяжущего для высокопрочных бетонов. Возможная экономическая и экологическая целесообразность применения геополимеров послужит стимулом для их исследования и полноценного промышленного внедрения. В будущем шлакощелоч-ные вяжущие способны сократить многотонажные отвалы отходов производства и существенно уменьшить растущую с каждым годом стоимость одного из самых популярных строительных материалов - бетона, а следовательно, и строительства в целом. Однако для этого научные разработки по данной тематике необходимо активно вести уже сегодня.
Библиографический список
1. Рахимова Н.Р. Шлакощелочные вяжущие и бетоны с силикатными и алюмосиликатными минеральными добавками: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Казань, 2010. 37 с.
2. Davidovitz J. Geopolymer. Chemistry and applications. Saint-Quentin: Institute Geopolymer, 2008. 592 p.
3. Geopolymer technology: the current state of the art / Duxson Р., Fernandez-Jimenez А.,. Provis J.L [and other]. // Sci. 2007. V. 42. P. 2917-2933.
4. Глуховский В.Д. Грунтосиликаты. Киев: Госстройиздат УССР, 1959. 125 с.
5. Глуховский В.Д. Щелочные и щелочно-щелочнозе-мельные гидравлические вяжущие и бетоны. Киев: Вища шк., 1979. 198 с.
6. Глуховский В.Д., Пахомов В.А. Шлакощелочные цементы и бетоны. Киев: Будiвельник,1978. 184 с.
7. Глуховский В.Д. Основы технологии отделочных и гидроизоляционных строительных материалов. Киев: Вища шк., 1979.
8. Цыремпилов А.Д. Эффективные бесцементные вяжущие и бетоны на основе эффузивных пород : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1994. 29 с.
9. Магдеев У.Х., Баженов Ю.М., Цыремпилов А.Д. Энергосберегающие технологии вяжущих и бетонов на основе эффузивных пород. М.: Изд-во РААСН, 2002. 348 с.
10. Урханова Л.А., Заяханов М.Е. Вяжущие и бетоны на основе вулканических шлаков // Строительные материалы. 2006. № 7. С. 26-29.
11. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Строительные материалы из отходов промышленности: учебно-справ. пособие. Ростов н/Д: Феникс, 2007. 368 с.
УДК 628.8:696.4:644.62:683.97
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЙ, УТЕЧЕК И НЕСАНКЦИОНИРОВАННЫХ ОТБОРОВ ВОДЫ ИЗ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
В.Р. Чупин1, А.С. Душин2, Р.В. Чупин3
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Предлагается методика оперативного обнаружения аварий, которая должна стать неотъемлемой составляющей системы автоматизированного диспетчерского управления водопроводом. Сущность методики заключается в сопоставлении расчетных и измеренных расходов и давлений. При замере расхода воды в начале водопровода предлагаемая методика позволяет определить место утечки воды или несанкционированного подключения потребителя и оценить диаметр отверстия и объем воды, истекаемой в грунт. Ил. 9. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: утечка воды; поиск и обнаружение аварии; метод четырёх манометров.
1 Чупин Виктор Романович, доктор технических наук, профессор, директор Института Архитектуры и строительства, тел.:(3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Chupin Victor, Doctor of technical sciences, Professor, Director of the Institute of Architecture and Building, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
2Душин Алексей Сергеевич, аспирант, тел.: (3952) 780543, 89501274408, e-mail: a.s.dushin@mail.ru Dushin Aleksei, Postgraduate, tel.: (3952) 780543, 89501274408, e-mail: asdushin@mail.ru
3Чупин Роман Викторович, кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры городского строительства и хозяйства, тел.:(3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
Chupin Roman, Candidate of technical sciences, Research Worker of the Department of Civil Planning and Economy, tel.: (3952) 405145, e-mail: chupinvr@istu.edu
LOCATION OF DAMAGES, LEAKS AND UNAUTHORIZED WATER EXTRACTIONS FROM WATER SUPPLY SYSTEM
V.R. Chupin, A.S. Dushin, R.V. Chupin
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article proposes the procedure of rapid detection of damages, which should become an integral part of the system of computer-aided dispatching of water supply. The essence of the procedure is in comparing the calculated and measured flows and pressures. When measuring water flow in the beginning of a water-pipe the procedure allows to detect the location of water leaks or unauthorized connections of consumers and to assess the diameter of a bore and the volume of water that ends in the ground. 9 figures. 3 sources.
Key words: water leak; search and detection of damage; method of four pressure-gauges.
Своевременное обнаружение и быстрая ликвидация аварии на сетях и водоводах являются исключительно ответственной задачей, так как при отключении поврежденного участка в сети происходит перераспределение потоков воды, падает давление и нарушается нормальное снабжение водой потребителей. Кроме того, при авариях возможны большие потери воды и затопление подвалов, туннелей, подтопление территории, размыв фундаментов и другие негативные явления.
Причинами аварий могут быть различные явления и события: гидравлические удары, температурные деформации и случайные механические повреждения, действие химической и электрохимической коррозии. Нарушение герметичности трубопровода может произойти вследствие нарушения прочности и герметичности стыковых соединений, коррозии материала труб, разрыва труб и фасонных частей. Статистические данные по эксплуатации водопроводных сетей и водоводов показывают, что наибольший процент повреждений приходится на стыки. В стальных трубах значительное количество повреждений обусловливается коррозией металла. Гидравлические удары на напорных водоводах, происходящие в результате внезапной остановки насосов при прекращении подачи электрического тока, являются наиболее частой причиной повреждений водоводов. При этом разрывы и свищи в трубах могут происходить далеко от насосной станции - в том месте, где абсолютное значение внутреннего давления при ударе окажется наибольшим, или там, где сеть имеет меньшую прочность.
Для определения объемов скрытых утечек применяются:
- расчетно-аналитический метод;
- инструментально-статистические (экспериментальные) методы;
- комплексный метод, объединяющий предыдущие методы.
К инструментально-статистическим (экспериментальным) методам определения объемов скрытых утечек на водопроводной сети относятся:
- метод, основанный на экспериментальном определении суммарной площади отверстий трубопровода;
- зональный метод измерений объемов скрытых утечек без отключения потребителей ("открытый");
- зональный метод измерений объемов скрытых утечек с отключением потребителей ("закрытый");
- метод, основанный на результатах непрерывного измерения расходов и напоров воды с выделением периода ночных расходов.
Среднестатистические утечки воды в расчете на 1 км сети составляют 5-10 м3/ сут. [1].
Суммарную площадь отверстий на исследуемом участке трубопровода можно определить путем замера их площади при раскопках скрытых течей, обнаруженных при обследовании сети корреляционными приборами либо по результатам телевизионного обследования внутреннего состояния трубопроводов. Объемы скрытых утечек трубопровода в этом случае определяются следующим образом [1]:
п .—
= 9600£ -ю^Р , (1)
1
где п - количество повреждений стыков и возникновение свищей на трубопроводах; t1 - время истечения воды в грунт; ш, - площадь живого сечения /'-го отверстия, м2; Р - средний напор воды в трубопроводе на поврежденном участке, м.
При отсутствии данных о величине ш, допускается принимать следующие значения [2]:
- при утечках воды из свищей, повреждениях стыков, сальников
ш1 = 2 ■ 10-4, м2;
- при трещинах в трубах
ш: = 0,03925 б2;
- при переломах и разрывах труб
ш: = 0,5625 б2.
Для различных аварийных ситуаций можно пользоваться усредненными значениями утечек, вычисляемых по формулам:
- разрыв трубопровода q = 5358^у[р , где б -диаметр, м; ц - м /час; Р- м вод. ст.;
- трещина в трубе q = 267,9^ 4р ;
- расстройство фланцев, сальников, свищи q = 0,432а2-*[р .
Анализ данных по аварийности на сетях водопровода показывает, что 97% повреждений приходится на свищи, стыки, а 3% - на переломы и разрывы труб. С учетом этого суммарные потери воды за период между обнаружением аварии или повреждения до ликвидации могут быть подсчитаны по следующей формуле:
Wy = 9600] t1 ■ 2 ■ 10— ТР +
1
= 9600£ t2 ■ 0.03925 ■ ё2у[Р +
1
+ 9600] ^ ■ 0 / 5623 ■ м3
(2)
где Р - средний напор в системе водоснабжения, м вод. ст.; 11 - средняя продолжительность ликвидации аварий и повреждений (свищей, стыков); ^ - продолжительность ликвидации аварий (переломов и разрывов труб), рекомендуемая СНИП - 24 часа;
В настоящей работе предлагается методика и алгоритмы вычисления мест появления утечек в водопроводной сети. Ее сущность заключается в сопоставлении фактических (измеренных) значений давления в каждой контрольной точке с расчетными значениями, вычисленными на основании фактических (прогнозных) значений отборов воды у потребителей
[3].
Расчетные значения давлений определяются в результате гидравлического расчета при условии отсутствия утечек. Для определения потерь напора воспользуемся формулами Ф.А. Шевелева:
- для неновых металлических трубопроводов, работающих в квадратичной области при скорости потока 1,2 м/с:
к, = 0,001735 ■ l ■ х,2 /ё^'3
(3)
- для неновых металлических труб, работающих в переходной области при скорости V, < 1,2 м/с:
ъ = 0,00148 ■ (1 + 0,867V )0,3 ■ I ■ х21 й5'3 (4) и др.,
где I, х - длина участка, м, и расход воды, л/с. В общем виде:
1 _ О 2
= 'тр ■ х
Если значения расчетных и фактических давлений находятся в пределах точности контрольно-измерительных приборов, модель считается адекватной существующему состоянию и утечек воды на участках водопроводной сети нет. Если фактические (измеренные) давления меньше расчетных, то это означает наличие на расчетном участке свища, разлома или порыва трубопровода. Очевидно, по всему трубопроводу, начиная от места утечки воды до его подачи в трубопровод, увеличится расход воды и, следовательно, увеличатся потери напора на каждом из этих участков. После места утечки воды потери напора по участкам сети останутся прежними, хотя давления во всех последующих узлах уменьшатся на равную величину. На последнем участке, где потери напора будут больше расчетных значений, можно констатировать наличие утечки воды (например, участок 3-4 на рис. 1).
Таким образом, наблюдая за падением давления в сети, нетрудно найти место утечки воды. При этом не обязательно дожидаться момента, когда установится режим течения воды. Достаточно того, чтобы появился участок, на котором потери напора не будут отличаться от потерь в расчетном режиме. При этом утечки будут наблюдаться на предыдущем участке, на котором потери напора будут больше, чем они имеют значения в расчетном режиме. Возможность обнаружить незначительные утечки воды будет полностью зависеть от точности измерительных приборов.
В системе автоматизированного диспетчерского управления в реальном режиме времени будет производиться гидравлический расчет при любом изменении потребления воды в точках ее отбора. При этом оперативно должны сопоставляться фактические и расчетные значения давления по каждому расчетному участку (участки с постоянным расходом).
Если в начале магистрального водопровода установлен расходомер, то можно зафиксировать величину утечки цу (как разницу в показании расходомера и фактического потребления воды по всему трубопроводу плюс нормативные потери воды).
Определив участок, на котором происходит утечка воды, можно определить расстояние от начала участка до места образования свища следующим образом (рис. 2):
а - а
р9 1 7
а2
а
9 у
а4
и
^7
Рис. 1. Определение утечки в водопроводной сети разветвленной структуры
1
Р
1 -1
рф
Р 1 -1
Р.
Р
х1 + Ад
Рис. 2. Определение места появления утечки на расчетном участке водопровода
Рф-1 -Рф = Ятр • ¡, • (х1 + А}?)2 , где -Рф - фактические измеренные пьезометрические давления в начале и в конце расчетного участка /; Бтр - удельное сопротивление трубопровода; х, - расход на участке без утечек воды А? .
Расход х, можно определить из выражения:
1х =
Рф -РФ + £
-1 j—l * х ' тр1
1х ' х1
£
тр
(х1 + А1?)2 — х,2
(7)
Зная 1х, несложно из уравнения (5) вычислить
давление в точке образования свища Рф. В свою очередь, зная давление и величину утечки, можно определить площадь отверстия:
Р — Р = £ • Л • х
1 j—1 1 у £тр,
2
х, =.
Р ,- Р,
у-1 ]
£ • I
где Р 1, Ру - расчетное значение давления в начале
и в конце расчетного участка без утечек воды.
Если считать утечки известной величиной и равной
АЧУ = в" -£ву ,
где в" - измеренный расход воды в начале сети; £ву - суммарный отбор воды из сети, давление в
точке образования свища Рф можно определить из следующих уравнений (см. рис. 2):
1-1 - Рф= *тР1 • ¡х • (х, +А?)2 рф = рф = £ • (I -1 ) • х2
(5)
(6)
Имеем два уравнения с двумя неизвестными Рф, ¡х.. Следовательно, расстояние от начала участка до места утечки можно вычислить:
А
ю = ■
9600ч^Рф
Зная величину отверстия, можно определить, насколько трубопровод разрушен и приведет ли это отверстие к его разрыву и полному разрушению. С другой стороны, при известной величине ¡х легко обнаружить эту аварию и устранить (заделать) свищ.
Вышеизложенные рассуждения и методика обнаружения утечки относятся лишь к образованию одного отверстия или свища. В практике эксплуатации водопроводных сетей возможны случаи образования свищей по всей протяженности трубопровода, причем свищи могут иметь различные диаметры и формы.
Если в начале водопроводной сети и у потребителей измеряется расход, а в расчетных узлах контролируется давление, то, как и в первом случае, можно определить места расположения свищей, расходы воды, истекающие в грунт, площади образовавшихся отверстий.
В качестве примера рассмотрим магистральный водовод, состоящий из двух расчетных участков.
С учетом того, что х,+1 = ву+1 ; х, = ву + ву+1 ,
в" -£ву =А1? +А?
запишем следующую систему уравнений сначала для последнего участка:
р, -1
рр
Р,,-1
О,
О
р
/1 - к
х + Ад>
:+А9;+1
О,
+
р.
,+1
рр
^ А - к
т
рр Р]+1
Рис. 3. Вычисление мест образования утечек
р - рр = 'тр2 ■'Х2 ■ (х+1 +Ад?+1)2
Г,Р О /1 1 \ .. 2 .
х2
<
рР - рр+1 = 'тр2 ■ (12 -■
рР =
х2
Ад
х2 ' Л2
1+1
9600 ■ю
1+1
(8) (9)
(10)
Для первого участка:
РР-1 - рр = 1%1 ''тр1 ■ ЯХ1 ■ (*г +АдУ +АдУ+1)2 ; (11)
рр - рР = БтР, ■ (1 - ¡х,) ■ (х, + Ад+ )2 ; (12)
рР =
х1
х1
Г \2
í АдУ Л
(13)
9600■щ
\
В итоге имеем 6 уравнений с 8-ю неизвестными величинами:
1х1 . . Щ . 1х2 . Щ+1 . Рхь рфх2.
Очевидно, решить систему уравнений (8)-(13) можно только при условии, что размеры отверстий свищей известны. В некотором приближении величины отверстий можно принять равными средним статистическим данным для свищей, трещин и переломов. Однако при этом расчеты будут приближенными. Для
р.
точного и оперативного определения мест образования утечек необходимо производить замер давления не только в расчетных узлах системы водоснабжения, но и на участках сети. При этом для магистральных водоводов достаточно установить по одному манометру, расположенному в начале расчетного участка сети. В этом случае можно получить формулы для вычисления мест образования свищей из подобия треугольников (рис. 4).
Если
рР -
(рР_ркЛ Г] Г1
рР < р+1 ,
можно считать, что на участке / имеются утечки воды. Величину этих утечек можно определить:
рР _ рк р р = хп;
' ■ I
^ тр ■
к
р - р ' ■ I
^ тр 11
к
рР р+1
где х"х - расходы воды в начале и в конце расчетного участка .
Рис. 4. Определение утечек в магистральных водоводах методом трех манометров
I
/
X
X
2
V
/
I
к
I
Если
хп - хк
(точность вычисления), то мож-
но считать, что утечки не превышают нормативных значений, в противном случае х, - хк = .
Используя условия подобия треугольников (см. рис. 4), можно вычислить расстояние от начала участка до места образования утечки ¡х :
К =-
(Рф+1 - Рф + Ру - Р, + 1)^1 Ч
у+1-
(ру - Р
у+1
) •¡к -, •(Рф - Рк)
Следовательно,
Рф = Рф -
х у
(рф_ркЛ Ру_Р
¡к
•К
(14)
(15)
Зная величину утечек, можно вычислить площадь отверстия. Для водопровода, имеющего несколько расчетных участков, определение мест и размеров утечек необходимо осуществлять, начиная с конечного расчетного участка. Например с участка 6-7 (рис.
Р
Р
5). При этом хк участка 5-6 будет равно хп участка 67 плюс отбор воды в узле 6, то есть Далее все вычисления, согласно (14)-(15), повторяются. Осуществляется переход к следующему участку и т. д. Таким образом, применение метода трех манометров позволяет контролировать режимы работы водопроводной сети разветвленной структуры и оперативно определять места появления свищей, трещин и разломов, а также засоров в трубопроводах и несанкционированных подключений в сети.
Для определения мест появления утечек в системах водоснабжения кольцевой структуры уже недостаточно применения трех манометров, необходим четвертый манометр, который следует установить в конце расчетного участка. В этом случае можно получить формулы для вычисления мест образования свищей (рис. 6):
Рф - Рк
1 ] = хП
Р
£ Л
^тр
Р
к
' 1
рк рф Р+1 - Ру+1 = к - х .
£ 4
^ тр * •
Р
к+1
Р
к
Если
хп - хк
(точность вычисления), то мож-
но считать что утечек на расчетном участке трубопровода нет, в противном случае х, -хк = .
Используя условия подобия треугольников (см. рис. 6), можно вычислить расстояние от начала участка до места образования утечки ¡х :
¡х =
АР}+1 •¡1 •¡к
где
АРк = Рф -
АРк •¡к+1 +АРк+1 •¡к
( рф _рф ^
Ру Ру+1
¡к - рк ;
АРк+1 = Рф+1 +
( рф _рф ^ 1р Ру+1
,к+1 _ рк+1 • Ру
рФ = рф -
х у
(рф - рк^
у у
к
Зная Рф и 11ч , можно определить размер отверстия (свища).
Таким образом, метод четырех манометров позволяет контролировать все режимы работы водопроводной сети, включая поступление воды в сеть, ее транспортирование по сети и расходование у потребителей. При этом необходимо установить столько манометров, чтобы на каждом участке их было не менее двух, включая манометры у потребителей. Например, для сети из 12 участков и 9 узлов (рис. 7)
ч
а
^а
количество манометров будет 12*2+9=33шт. Следует отметить, что требуется достаточно большое количество манометров, но их установка в сети будет требовать намного меньше затрат, чем устройство расходомеров.
При эксплуатации водопроводных сетей очень часто внутри трубопроводов образуются засоры, происходит зарастание труб, западение рабочих органов задвижек и т.д.
Своевременное обнаружение и определение мест образования засоров является актуальной эксплуатационной задачей. Очевидно, засоры приводят к уменьшению сечения трубопровода и, следовательно, к увеличению потерь напора. Контролируя отклонения фактических давлений от расчетных, можно определить участки, на которых образовались засоры или произошли неполадки в задвижках. Так, например, в магистральном трубопроводе (рис. 8) имеются засоры на участках 3-4 и 5-6. Определить место образования засора с помощью методов двух или трех манометров невозможно. Необходимы дополнительные мероприятия по установке штуцеров для манометров по схеме половинного деления исследуемого участка. Сущность такого способа заключается в следующем. Вначале измеряется давление на половине расчетного участка. Если это давление окажется меньше расчетного, то можно считать, что засор находится в первой половине расчетного участка. Далее измеряется давление по центру первой половины расчетного участка. Если это давление окажется равным расчетному значению, то засор будет находиться во второй четверти расчетного участка. Далее давление измеряется по центру второй четверти расчетного участка и т.д. На рис. 9 проиллюстрированы этапы измерения давлений на расчетном участке 3-4.
вз
8 в
©а
Рис. 7. Схема установки манометров для контроля режимов работы водопроводной сети
¡
¡
¡
х
р р р р р р р
р1 р2 р3 р4 р5 р6 р7
Л
р0.25 р0.375 р0 5
р
©
р'
Р
0.375
рР
р0.5
рР р 4
О
Рис. 9. Определение мест образования засоров
I
X
Такой способ очень трудоемкий и может применяться при отсутствии возможности использования методов гидролокации и шумоискателей.
В кольцевых сетях способ четырех манометров позволяет определить участки с засорами, но определение места положения самих засоров требует до-
полнительных замеров давления по схеме половинного деления расчетных участков.
В настоящей статье исследован способ определения утечек, засоров и неполадок в сети на основе сопоставления расчетных и измеренных давлений. Этот способ может быть реализован в системах автоматизированного диспетчерского управления ВКХ.
Библиографический список
1. Методика определения неучтенных расходов и потерь воды в системах коммунального водоснабжения: утв. приказом Минпромэнерго РФ от 20 декабря 2004 г. № 172.
2. Зражевский А.П. Поиск утечек на городских водопровод-
ных сетях // Водоснабжение и санитарная техника. 1987. № 9. С. 8-9.
3. Горская Н.И. Автоматизация выявления повреждений в тепловых сетях. Новосибирск: Наука, 1987. 167 с.
