CC BY
7
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 628.14.659
DOI: 10.22227/2305-5502.2022.3.7
Систематизация гидравлического расчета металлических сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями на стенках труб
Олег Александрович Продоус1, Дмитрий Иванович Шлычков2
1 ИНКО-ЭКСПЕРТ; г. Санкт-Петербург, Россия; 2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ); г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Цель исследования — установить критерий оценки эффективности работы трубопровода и обосновать точность гидравлического расчета металлических труб с внутренними отложениями.
Материалы и методы. Приведены расчетные зависимости для определения значений характеристик гидравлического потенциала металлических труб с внутренними отложениями. На конкретном примере проведено сравнение значений характеристик новых труб и труб с разной толщиной слоя внутренних отложений. Показано процентное расхождение значений характеристик труб.
Результаты. Рекомендовано оценивать точность гидравлического расчета сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями по значению коэффициента эффективности эксплуатации сетей водоснабжения или водоотведения. Представлена расчетная зависимость для определения значения коэффициента эффективности эксплуатации сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями на стенках труб. Предложено систематизировать гидравлический расчет металлических сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями за счет учета толщины слоя внутренних отложений, характеризуемого значением коэффициента эффективности эксплуатации сети.
Выводы. Систематизация гидравлического расчета металлических сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями на стенках труб позволяет по значению коэффициента эффективности эксплуатации трубопровода Кэф обеспечивать допустимую точность проведения его гидравлического расчета, учитывающего значение фактической толщины слоя отложений аф. Другими словами, систематизация гидравлического расчета сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями из металлических труб производится по значению коэффициента эффективности их работы Кэф, учитывающего значения фактических характеристик гидравлического потенциала труб (трубопроводов), зависящих от толщины слоя внутренних отложений аф.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сети водоснабжения и водоотведения, внутренние отложения, гидравлический расчет, толщина слоя осадка, коэффициент эффективности эксплуатации сети
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Продоус О.А., Шлычков Д.И. Систематизация гидравлического расчета металлических сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями на стенках труб // Строительство: наука и образование. 2022. Т. 12. Вып. 3. Ст. 7. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2022.3.7
Автор, ответственный за переписку: Дмитрий Иванович Шлычков, [email protected].
Water supply and sewerage networks having deposits on inside surfaces of metal pipe walls: systematization of hydraulic design
Oleg A. Prodous1, Dmitriy I. Shlychkov2
1INCO-EXPERT; St. Petersburg, Russian Federation; 2 Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); Moscow, Russian Federation
ABSTRACT
Introduction. The purpose of the research is to establish the criterion for assessing the pipeline operation efficiency and
N9
verify the accuracy of hydraulic design of metal pipes that have internal deposits. s
Materials and methods. The authors provide calculated dependences to determine the values of the characteristics of u
the hydraulic potential of metal pipes having internal deposits. A specific case is employed to compare the characteristics e
of new pipes and pipes having different thicknesses of the layer of internal deposits. The percent discrepancy between pipe GO
characteristics is provided. 4
Results. The authors recommend evaluating the accuracy of the hydraulic design of water supply and sewerage networks 5
having internal deposits in reliance on the value of the operation efficiency coefficient for water supply or sewerage networks. —
© О.А. Продоус, Д.И. Шлычков, 2022
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
The authors offer a formula derived to determine the value of the efficiency coefficient for the operation of water supply and sewerage networks having internal deposits on inside walls of a pipe. The authors suggest systematizing the hydraulic design of metal water supply and sewerage networks that are made of metal and have deposits on the inside of pipe walls by taking into account the thickness of the layer of internal deposits, characterized by the value of the network operation efficiency coefficient.
Conclusions. Systematization of hydraulic design of water supply and sewerage networks that are made of metal and have deposits on the inside of pipe walls allows for the acceptable accuracy of its hydraulic design that takes account of the actual value of the coefficient of efficiency of pipeline operation Kef, taking into account the value of actual thickness of deposit layer uact. In other words, systematization of hydraulic design of water supply and sewerage networks, having deposits on the inside surface of metal pipes, is based on the value of their efficiency coefficient Kef, that takes into account the actual hydraulic potential of pipes (pipelines) depending on the layer of internal deposits aacl.
KEYWORDS: water supply and sewerage networks, deposits on the inside surface of walls, hydraulic design, layer thickness, network operation efficiency coefficient
sediment
FOR CITATION: Prodous O.A., Shlychkov D.I. Water supply and sewerage networks having deposits on inside surfaces of metal pipe walls: systematization of hydraulic design. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education]. 2022; 12(3):7. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2022.3.7
Corresponding author: Dmitriy I. Shlychkov, [email protected].
ВВЕДЕНИЕ
Систематизация гидравлического расчета трубопроводов (труб) представляет собой сведение в систему характеристик анализируемых объектов (трубопроводов или отдельных труб) на основе их классификации (трубы водоснабжения или трубы водоотведения), удобную для проведения расчетов значений их гидравлических характеристик с допустимой точностью [1-4].
Установлено, что основными гидравлическими характеристиками труб (трубопроводов) систем водоснабжения и водоотведения являются фактические значения характеристик их гидравлического потенциала:
dф — фактический внутренний диаметр труб с отложениями, м;
Уф — фактическая скорость потока, м/с; iф — фактический гидравлический уклон, м/м.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Значения характеристик для металлических труб систем водоснабжения зависят в основном от толщины слоя внутренних отложений с, которая изменяется в процессе их жизненного цикла «Экс-
плуатация» [4, 5]. Изменение значений с^ приводит к изменению значений Уф и iф, которые в соответствии с требованиями действующих нормативных документов1, 2 [6, 7] определяются по формулам (рис.):
V 2
i - У ф - У d*2 g ■
м/м,
(1)
где iф — фактический гидравлический уклон, м/м (мм/м) труб с толщиной слоя отложений с; X — коэффициент гидравлического сопротивления труб из конкретного вида материала, безразмерная величина; — фактический внутренний диаметр, м;
<фн =к - 2Бр)- 2о, м; (2)
Уф — фактическая скорость воды, м/с, с учетом толщины слоя отложений с:
4^
V =
п № )2
м/с;
(3)
g — ускорение свободного падения, м/с2; q — заданный расход, м3/с; С — наружный диаметр трубы по ГОСТ, м: "
d — d — 2 S . м,
вн н р' 5
(4)
If9 П
И (Я
еч
S
p —
и CS
•а еа С ®
03 п
Фрагмент внутренних отложений в стальных (а) и чугунных (b) трубах
1 СП 31.13330.2012. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84*. М., 2012. 127 с.
2 СП 32.13330.2012. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85. М.,
2012. 86 с.
а
b
а
с — толщина слоя внутренних отложений, м (рис.): с = S. - S, м. (5)
ф р V >
С учетом выражения (2) формула (1) приобретает следующий вид:
Т/-2
м/м. (6)
Ф
[(<*„-25,)-2а] 2*'
В результате проведения гидравлических исследований стальных и чугунных труб разного диаметра в 50-х гг. прошлого века профессором Ф.А. Шевелевым была предложена для практического использования формула для подсчета значений X. Формула имеет вид [8]:
. 0,0159 (. 0,684
^ = ' „.., 1 +
(7)
где V — коэффициент кинематической вязкости воды, зависящий от ее температуры м2/с.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ структуры формул (1) и (6) показывает, что формула (6) систематизирована за счет учета толщины слоя внутренних отложений с, что повышает точность гидравлического расчета [9]. Покажем это на конкретном примере при разной толщине слоя отложений Сф [10, 11].
Условия задачи
По стальному трубопроводу из электросварных труб диаметром d = 0,159 м (159 мм) потребителю
подается расход д = 21,0 л/с (0,021 м3/с). Рассчитать фактические значения характеристик гидравлического потенциала труб dфн, V i с отложениями при изменении толщины слоя внутренних отложений с от 0 до 30 мм (0,03 м).
Рассчитать процент расхождения значений характеристик гидравлического потенциала новых труб и труб с разной толщиной слоя Сф.
Решение
По формулам (1)-(7) устанавливают значения характеристик dфн, Vф и iф для новых труб (с = 0) и труб с разной толщиной Сф = 0-0,03 м. Результаты расчетов сводят для сравнения в табл. 1.
Оценка точности гидравлических расчетов значений характеристик производится с помощью безразмерного коэффициента эффективности работы трубопровода Кэф, определяемого по формуле (8) [12, 13]:
*зф =
К) *Уф
(8)
где dфн, Vф и iф — фактические значения характеристик гидравлического потенциала труб с толщиной слоя отложений с,; dp, V и i — значения характери-
ф вн р р А А
стик гидравлического потенциала новых труб (с = 0).
Доказано, что значение предельно допустимой толщины слоя отложений сф5, стальных труб диаметром dн = 0,159 м ^ = 0,150 м) рассчитывается по формуле (9) и для приведенного примера составляет:
4 = 0,95-^ м;
(10)
Табл. 1. Сравнение значений гидравлических характеристик новых стальных труб и труб с разной толщиной слоя отложений с
Толщина слоя внутренних отложений с, м Фактические значения характеристик гидравлического потенциала труб диаметром dн = 0,165 м Коэффициент эффективности работы трубопровода Кэф
S р dф , м вы' К, м/с ф' г' ,* м/м ф
0 0,0045 0,150 1,19 0,01783 1,0
0,005 0,0045 0,140 1,36 0,02550 0,70
0,0075 0,0045 0,135 1,47 0,03123 0,57
0,010 0,0045 0,130 1,58 0,03789 0,47
0,02 0,0045 0,110 2,21 0,09212 0,19
0,03 0,0045 0,09 3,46 0,29317 0,06
Примечание: * — фактический гидравлический уклон, определяемый по уточненной авторами формуле Ф.А. Шевелева, имеющей вид (6) [14, 15]:
V
: 0,0007
V2
(«У
> при V. > 1,2 м/с;
I = 0,0007
V2
у А
[К - 2Sр)- 2аф
(9)
И
ел
ев
оо
5
¿£ = 0,95 0,150 = 0,1425 м.
Тогда:
сфр = -¿вфн = 0,150-0,1425 = 0,0075 м
или с"5 = 7,5 мм.
ф
То есть предельно допустимое значение фактической толщины слоя внутренних отложений в стальной трубе диаметром С = 0,159 м, обоснованное гидравлически, не может превышать значения сп1 = 7,5 мм (0,0075 м); Ср , У, i — ха-
ф ^ у ^ ' 7 вн р р
рактеристики гидравлического потенциала новых стальных труб; Сфн, Уф, iф — характеристики гидравлического потенциала труб с толщиной слоя
отложений с,.
ф
Табл. 2. Характеристики гидравлического потенциала труб
Установлено понятие предельно допустимая толщина слоя внутренних отложений сфР на стенках стальных и чугунных труб [16, 17] (рис.):
= авн - авфн,м,
(11)
где С — внутренний диаметр новой трубы по ГОСТ, м; Сф — фактический внутренний диаметр трубы с учетом толщины слоя отложений сф, м;
Процент расхождения значений характеристик гидравлического потенциала новых труб [18] и труб с предельной толщиной слоя отложений с = 7,5 мм [18, 19] приведен в табл. 2.
Гидравлические характеристики новых стальных труб и труб с предельно допустимой толщиной с = 7,5 мм.
Новые трубы Трубы с отложениями с = 0,0075 м
С , м вы' У, м/с /, м/м Сф, м вн' Уф, м/с ф' /' , м/м ф
0,150 1,19 0,01783 0,135 1,47 0,03123
Процент расхождения значений, %
10,0
23,5
42,91
Л е>9
И
и
еч
Ш Я ■о в С в
0 со
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ значений характеристик гидравлического потенциала сравниваемых труб (табл. 2) показал, что за счет систематизации их гидравлического расчета повышается точность расчета значений характеристик гидравлического потенциала труб. Что, в конечном итоге, влияет на выбор насосно-силового оборудования для транспортирования воды потребителям [20, 21].
Значение коэффициента эффективности эксплуатации стального трубопровода Кэф = 0,57 (табл. 1) для труб с предельно допустимой толщиной слоя отложений сф = 7,5 мм подтверждает, что значения характеристик гидравлического потенциала труб (Сфн, Уф и /ф) находятся в допустимых пределах, когда гидравлический уклон /ф, зависящий от значений Сфн и Уф (формула (9)), находится в зоне допустимых значений сф [22, 23].
Из табл. 2 следует, что расхождение значений С и Сф в 10 % дает изменение У. на 23,5 %, а /'
вн вн ф ф
на 42,91 %. Это также подтверждает необходимость систематизации гидравлического расчета сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями за счет учета фактической толщины слоя отложений на стенках труб сф.
Таким образом, систематизация гидравлического расчета металлических сетей водоснабжения и во-доотведения с внутренними отложениями на стенках труб позволяет по значению коэффициента эффективности эксплуатации трубопровода Кэф (формула (8))
обеспечивать допустимую точность проведения его гидравлического расчета, учитывающего значение фактической толщины слоя отложений сф. Другими словами, систематизация гидравлического расчета сетей водоснабжения и водоотведения с внутренними отложениями из металлических труб производится по значению коэффициента эффективности их работы Кэф, учитывающего значения фактических характеристик гидравлического потенциала труб (трубопроводов), зависящих от толщины слоя внутренних отложений сф [24].
Систематизация гидравлического расчета металлических сетей с внутренними отложениями позволяет обеспечить:
• повышение точности гидравлического расчета труб;
• минимизировать энергозатраты насосно-силового оборудования за счет контроля фактических значений толщины слоя внутренних отложений;
• требуемый напор в конечной точке сети за счет правильного подбора насосного оборудования на основе фактических значений характеристик гидравлического потенциала труб Сфвн, Уф и /ф;
• эффективность эксплуатации сетей водоснабжения и водоотведения из металлических труб и по значению коэффициента Кэф прогнозировать значения допустимой толщины слоя внутренних отложений сф5, обоснованные с гидравлической точки зрения.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Продоус О.А. Гидравлическая оценка остаточного срока службы изношенных металлических трубопроводов водоснабжения и водоотведения // Водоснабжение и водоотведение населенных мест и промышленных предприятий: эффективные решения и технологии : сб. докл. 4-й Междунар. конф. 2020. С. 1-9.
2. Продоус О.А., Шлычков Д.И. Об изменении значений гидравлических характеристик напорных канализационных коллекторов из стальных и чугунных труб с внутренними отложениями // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2020. № 12 (744). С. 70-77. DOI: 10.32683/0536-1052-2020-744-12-70-77
3. Kamonchaivanich K., Kuboyama K., Ou-gizawa T. Effect of elastic modulus and position of polyurea coating on flexural strength of coated ceramic tiles by experiments and finite element analysis // Journal of Coatings Technology and Research. 2019. Vol. 16. Issue 4. Pp. 1201-1211. DOI: 10.1007/ s11998-018-00170-6
4. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб : справочное пособие. М. : Бастет, 2020. 428 с.
5. Xu J., Sun H., Zhang Y., Alder A.C. Occurrence and enantiomer profiles of p-blockers in wastewater and a receiving water body and adjacent soil in Tianjin, China // Science of The Total Environment. 2019. Vol. 650. Pp. 1122-1130. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.09.086
6. Mazzanti A., Kukavica D., Trancuccio A., Memmi M., Bloise R., Gambelli P. et al. Outcomes of Patients with Catecholaminergic Polymorphic Ventricular Tachycardia Treated With p-Blockers // JAMA Cardiology. 2022. Vol. 7. Issue 5. P. 504. DOI: 10.1001/ jamacardio.2022.0219
7. Твардовская Е.А., Терехов Л.Д. Определение оптимальной степени обледенения трубопровода, обеспечивающей увеличение пропускной способности // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы : сб. тр. LXXXI Всерос. науч.-техн. конф. 2021. С. 353-357.
8. Продоус О.А., Иващенко В.В., Мур-лин А.А. Оценка эффективности эксплуатации сетей водоснабжения и водоотведения из полимерных и металлополимерных материалов // Технологии очистки воды «ТЕХН0В0Д-2021» : мат. XIII Междунар. науч.-практ. конф., 14-17 декабря 2021, г. Сочи, Красная Поляна. 2021. С. 118-122.
9. Zhang G., Wang P., Zhao M., Du X., Zhao X. Seismic structure-water-sediment-rock interaction model and its application to immersed tunnel analysis under obliquely incident earthquake // Tunnelling and Underground Space Technology. 2021. Vol. 109. P. 103758. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103758
10. Ding Y., Li T., Qiu K., MaB., Wu R. Membrane fouling performance of Fe-based coagulation-ultrafiltration process: Effect of sedimentation time //
Environmental Research. 2021. Vol. 195. P. 110756. DOI: 10.1016/j.envres.2021.110756
11. Продоус О.А., Шипилов А.А., Якуб-чик П.П. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб из стали и серого чугуна с внутренними отложениями : справочное пособие. СПб. ; М. : Перо, 2021. 238 с.
12. Sotiri K., Hilgert S., Mannich M., Bleninger T., Fuchs S. Implementation of comparative detection approaches for the accurate assessment of sediment thickness and sediment volume in the Passaúna Reservoir // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 287. P. 112298. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112298
13. Haun S., Lizano L. Sensitivity analysis of sediment flux derived by laser diffraction and acoustic backscatter within a reservoir // International Journal of Sediment Research. 2018. Vol. 33. Issue 1. Pp. 18-26. DOI: 10.1016/j.ijsrc.2018.01.001
14. Продоус О.А., Шлычков Д.И., Абросимова И.А. Обоснование необходимости проведения гидродинамической очистки самотечных сетей водоотведения // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 1. С. 106-114. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.1.106-114
15. Klyuev S.V., Shlychkov D.I., Muravyov K.A., Ksenofontova T.K. Optimal design of building structures // International Journal of Advanced Science and Technology. 2020. Vol. 29. Issue 5. Pp. 2577-2583.
16. Zulaykho O.T., Dildora S.A., Dilno-za S.S. The basics of hydraulic calculation of heat supply systems // Scientific Progress. 2021. Vol. 2. Issue 1. Pp. 1122-1126.
17. Schwermer C.U., Uhl W. Calculating expected effects of treatment effectivity and river flow rates on the contribution of WWTP effluent to the ARG load of a receiving river // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 288. P. 112445. DOI: 10.1016/j.jenv-man.2021.112445
18. Продоус О.А., Якубчик П.П., Шлычков Д.И. Зависимость энергопотребления насосных агрегатов напорных коллекторов водоотведения от толщины слоя осадка на внутренней поверхности труб // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2022. № 5. С. 26-28.
19. Orlov V., Zotkin S. Influence of the temperature factor on the hydraulic resistance of pressure pipes // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 263. P. 04004. DOI: 10.1051/e3sconf/202126304004
20. Beiki H., Mosavi S.J. Silver Nanoparticles-Polyurea Composite Coatings on ASTM A194 Steel: A Study of Corrosion Behavior in Chloride Medium // Journal of Bio- and Tribo-Corrosion. 2020. Vol. 6. Issue 3. DOI: 10.1007/s40735-020-00364-9
21. Wang R., Ji M., Zhai H., Liu Y. Occurrence of phthalate esters and microplastics in urban secondary effluents, receiving water bodies and reclaimed water
и
ce
CD
GO
treatment processes // Science of the Total Environment. 2020. Vol. 737. P. 140219. DOI: 10.1016/j.sci-totenv.2020.140219
22. Schwermera C.U., Uhl W. Calculating expected effects of treatment effectivity and river flow rates on the contribution of WWTP effluent to the ARG load of a receiving river // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 288. P. 112445. DOI: 10.1016/ j.jenvman.2021.112445
23. Orlov V. Study of hydrophobicity and texture of the gravity tray surfaces to improve their transfer
Поступила в редакцию 22 сентября 2022 г. Принята в доработанном виде 29 сентября 2022 г. Одобрена для публикации 29 сентября 2022 г.
capacity // Environmental Engineering and Management Journal. 2021. Vol. 20. Issue 1. Pр. 121-131. DOI: 10.30638/eemj.202i.013
24. Абросимова И.А. Экономическое влияние от автоматизации анализа системы наилучших доступных технологий строительного комплекса на территории Российской Федерации // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: экономика. 2020. № 3. С. 25-32. DOI: 10.18384/2310-6646-2020-3-25-32
Об авторах: Олег Александрович Продоус — доктор технических наук, профессор, генеральный директор; ИНКО-ЭКСПЕРТ; 190005, г Санкт-Петербург, Московский пр., д. 37/1, лит. А, пом. 1-Н; РИНЦ ГО: 837891; [email protected];
Дмитрий Иванович Шлычков — кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водо-отведения; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ГО: 536457; [email protected]. Вклад авторов:
Продоус О.А. — научное руководство, концепция исследования, развитие методологии.
Шлычков Д.И. — участие в разработке учебных программ и их реализации, развитие методологии, итоговые выводы, научное редактирование.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1Л СО
и и
еч
INTRODUCTION
Systematization of the hydraulic design of pipelines (pipes) means consolidation of characteristics of analyzed objects (pipelines or individual pipes) into the system based on their classification (water distribution or sewage pipes), that is easy-to-use to find the values of their hydraulic properties with acceptable accuracy [1-3].
The authors have found that the key hydraulic characteristics of pipes (pipelines) of water distribution and sewerage systems are the actual characteristics of their hydraulic potential:
dn's is the inside diameter of pipes with deposits, m; Vact is the actual flow velocity, m/s; iact is the actual hydraulic slope, m/m.
MATERIALS AND METHODS
Characteristics of metal pipes of water distribution systems mainly depend on deposit layer thickness c that changes in the course of the pipeline lifecycle and operation [4, 5]. A change in the value of dal causes changes in the values of Vact and iact, that are identified according to the following formulas specified in the applicable regulatory documents1, 2 [6, 7] (Fig.):
V2
dact2e
ins О
,m/m,
(1)
where iact is the actual hydraulic slope, m/m (mm/m) of pipes with sediment layer thickness c; I is the coefficient of hydraulic resistance of pipes from a particular type of material; it is a dimensionless value; d"c! is the actual inside diameter, m;
d00 =(d -2S )-2ст,т:
ins \ o p} ' 5
(2)
Vatt is the actual water velocity, m/s, taking into account sediment thickness c:
V=
4q
п (C )
m/s;
(3)
g is the acceleration of gravity, m/s2; q is the set flow rate, m3/s; do is the outer diameter of the pipe according to GOST, m:
d =d -2S„, m;
ins o
(4)
c is thickness of the inside sediment layer, m (see the figure):
1 Construction Regulations 31.13330.2012. Water distribution. Outdoor networks and structures. Revised SNiP 2.04.02-84*. Moscow, 2012, 127 p.
2 Construction Regulations 32.13330.2012. Sewerage. Outdoor networks and structures. Revised SNiP 2.04.03-85. Moscow, 2012, 86 p.
S
Fragment of deposits on the inside walls of steel (a) and cast iron (b) pipes
g = S t - S, m.
act p7
(5)
Taking into account expression (2), formula (1) takes the following form:
The accuracy of hydraulic calculations of the values of characteristics is assessed using dimensionless coefficient of pipeline efficiency Ce determined using formula (8) [12, 13]:
[(d0-2Sp)-2o]2g
, m/m.
(6)
„ 0.0159 r 0.684
(7)
where v is the kinematic viscosity coefficient of water, depending on its temperature, m2/s.
Cf =
As a result of hydraulic studies of steel and cast-iron pipes of different diameters in the 1950s, professor F.A. Shevelev proposed a formula for calculating X values for practical use. The formula reads as [8]:
(C)2 VqA
(O2 Vh
(8)
where dact, V „ i , are the actual values
ins' act act
of the characteristics of the hydraulic potential of pipes with the thickness of the sediment layer cact; dfns, V i are the values of the characteristics of the hydraulic potential of new pipes (c = 0).
It has been proven that the value of the maximum acceptable thickness of deposit layer 0™ of steel pipes with a diameter of d = 0.159 m (d = 0.150 m) is
o v in '
calculated using formula (9):
RESEARCH RESULTS
Analysis of the structure of formulas (1) and (6) shows that formula (6) is systematized by taking into account the thickness of internal sediment layer c, which increases the accuracy of hydraulic design [9]. Let's take an individual case to demonstrate it for different thicknesses of sediment layer c [10, 11].
d:1 = 0.95 • d , m;
<Cf =0.95 0.150 = 0.1425 m.
(10)
Then:
= d..„„ -dZ'= 0.150 - 0.1425 = 0.0075 m.
Problem statement
A steel pipeline made of electric-welded pipes with a diameter of do = 0.159 m (159 mm) is used to supply water to consumers at a flow rate q = 21.0 l/s (0.02 m3/s). The task is to calculate the actual values of the characteristics of the hydraulic potential of pipes d%, Vact, iact with deposits when the thickness of the layer of internal deposits c changes from 0 to 30 mm (0.03 m), and to calculate the percent discrepancy between the values of the characteristics of the hydraulic potential of new pipes and pipes having different values of layer thickness cact.
Solution
According
Hence, the maximum acceptable value of the actual thickness of the layer of internal deposits in a steel pipe with a diameter of do = 0.159 m, if justified hydraulically, cannot exceed the value of ct™ = 7.5 mm (0.0075 m); dP, Vp, ip are the characteristics of the hydraulic capacity of new steel pipes; dact, V , i , are the characteristics
A A 7 ins' act act
of the hydraulic potential of pipes with the layer thickness of deposits cact.
The concept of the maximum acceptable thickness of the layer of internal deposits c^™ on the walls of steel and cast iron pipes was thus identified [16, 17] (see the figure):
.^max ,1 iact
Vac, = dins - dmS > m,
(11)
to formulas (1)-(7), values of characteristics d"f, V ,, i , are set for new
ins > acp act
pipes (c = 0) and pipes with different thicknesses c , = 0-0.03 m. Calculation results are consolidated
act
in Table 1 for comparison purposes.
where d is the inside diameter of the new pipe
ins
according to GOST, m; d™ is the actual inside diameter of the pipe, taking into account the thickness of the sediment layer c m.
M
CA
es
GO
g
b
a
_max n -
or a„.( = 7.5 mm.
Table 1. Compared values of hydraulic characteristics of new steel pipes and pipes having different thickness values of sediment layer a
Thickness of the layer of inside deposits Actual values of the characteristics of the hydraulic potential of pipes with a diameter of do = 0.165 m Pipeline efficiency factor Cf ef
a, m S p dact, m ins* V , m/s act7 i ,* m/m act
0 0.0045 0.150 1.19 0.01783 1.0
0.005 0.0045 0.140 1.36 0.02550 0.70
0.0075 0.0045 0.135 1.47 0.03123 0.57
0.010 0.0045 0.130 1.58 0.03789 0.47
0.02 0.0045 0.110 2.21 0.09212 0.19
0.03 0.0045 0.09 3.46 0.29317 0.06
Note: * is the actual hydraulic slope, determined using the following formula derived by F.A. Shevelev (6) [14, 15]: V2 V2
' „ ni . r\ r\r\r\l-l ' si ft
in
n
CO CO
CN
iad = 0.0007
(c )
-, at V > 1.2 m/s;
iact = 0.0007
[(d0 - 2 Sp )- 2 a act ]
(9)
The percent discrepancy between the values of characteristics of the hydraulic potential of new pipes [18] and pipes with the maximum thickness of the deposit layer a = 7.5 mm [18, 19] is provided in Table 2.
Hydraulic characteristics of new steel pipes and pipes with maximum acceptable thickness a = 7.5 mm.
CONCLUSION AND DISCUSSION
The analysis of the characteristics of the hydraulic potential of the pipes (Table 2) shows that the systematization of their hydraulic design rises the accuracy of characteristics of the hydraulic potential of pipes and ultimately affects the choice of pumping and power equipment required to deliver water to consumers [20, 21].
The value of the operation efficiency coefficient for a steel pipeline Cf = 0.57 (Table 1) for pipes with the maximum acceptable thickness of the layer of deposits a™ = 7.5 mm has proven that the characteristics of the hydraulic potential of pipes (dZ', Vact and iac) are within acceptable limits, when
Table 2. Characteristics of the hydraulic capacity of pipes
hydraulic slope iact, depending on the values of dZncS and Vact (formula (9)), is within the range of acceptable values cact [22, 23].
It follows from Table 2 that the discrepancy between the values of d and d™' in the 10 % of cases
ins ins
causes a 23.5 % change in Vc, and a 42.91 % change in iacf This also confirms the need to systematize the hydraulic design of water supply and sewerage networks with internal deposits by taking into account the actual thickness of the layer of deposits on pipe walls a
act
Hence, systematization of the hydraulic design of metal networks, having internal deposits on pipe walls, is sufficiently accurate due to the application of the coefficient of efficiency of pipeline operation Cf (formula (8)), taking into account the value of the actual thickness of the layer of deposits aact. In other words, systematization of the hydraulic design of water supply and sewerage networks, having internal deposits, is based on the value of their efficiency coefficient Cf, taking into account the values of the actual
New pipes Pipes with deposits a = 0.0075 m
d , m ins7 V, m/s i, m/m dact, m ins9 V t, m/s act m/m
0.150 1.19 0.01783 0.135 1.47 0.03123
Percentage of discrepancy between values, %
— — — 10.0 23.5 42.91
characteristics of the hydraulic potential of pipes (pipelines) depending on the thickness of the layer of internal deposits cact [24].
Systematization of the hydraulic design of metal networks with internal deposits:
• improves the accuracy of the hydraulic design of pipes;
• minimizes energy consumption by controlling the actual thickness of the layer of internal deposits;
• ensures the appropriate pressure at the end point of the network due to the proper selection of pumping equipment based on the actual values of the hydraulic p°tential of pipes C, Vact and iact;
• ensures the efficient operation of water supply and sewerage networks made of metal pipes and introduces coefficient Cef to prognosticate the acceptable thickness of the layer of internal deposits ct™x , justified from the hydraulic point of view.
REFERENCES
1. Prodous O.A. Hydraulic assessment of the residual service life of worn metal pipelines for water supply and sanitation. Water supply and sanitation of populated areas and industrial enterprises: effective solutions and technologies : collection of reports of the 4th International conference. 2020; 1-9. (rus.).
2. Prodous O.A., Shlychkov D.I. On the change in the values of the hydraulic characteristics of pressure sewer headers made of steel and cast-iron pipes with internal deposits. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2020; 12(744):70-77. DOI: 10.326 83/0536-1052-2020-744-12-70-77 (rus.).
3. Kamonchaivanich K., Kuboyama K., Ou-gizawa T. Effect of elastic modulus and position of polyurea coating on flexural strength of coated ceramic tiles by experiments and finite element analysis. Journal of Coatings Technology and Research. 2019; 16(4):1201-1211. DOI: 10.1007/s11998-018-00170-6
4. Shevelev F.A., Shevelev A.F. Tables for the hydraulic calculation of water pipes : reference guide. Moscow, Bastet, 2020; 428. (rus.).
5. Xu J., Sun H., Zhang Y., Alder A.C. Occurrence and enantiomer profiles of p-blockers in wastewater and a receiving water body and adjacent soil in Tianjin, China. Science of the Total Environment. 2019; 650:1122-1130. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.09.086
6. Mazzanti A., Kukavica D., Trancuccio A., Memmi M., Bloise R., Gambelli P. et al. Outcomes of patients with catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia treated with p-Blockers. JAMA Cardiology. 2022; 7(5):504. DOI: 10.1001/jamacar-dio.2022.0219
7. Tvardovskaya E.A., Terekhov L.D. Determination of the optimal degree of icing of the pipeline, providing an increase in throughput. Transport: problems, ideas, prospects : collection of works of the LXXXI All-Russian scientific and technical conference. 2021; 353-357. (rus.).
8. Prodous O.A., Ivashchenko V.V., Mur-lin A.A. Evaluation of the efficiency of operation of water supply and sanitation networks made of polymeric and metal-polymer materials. Water Treatment Technologies "TECHNOVOD-2021" : proceedings of the XIII International Scientific and Practical Conference,
December 14-17, 2021, Sochi, Krasnaya Polyana. 2021; 118-122. (rus.)
9. Zhang G., Wang P., Zhao M., Du X., Zhao X. Seismic structure-water-sediment-rock interaction model and its application to immersed tunnel analysis under obliquely incident earthquake. Tunnelling and Underground Space Technology. 2021; 109:103758. DOI: 10.1016/j.tust.2020.103758
10. Ding Y., Li T., Qiu K., Ma B., Wu R. Membrane fouling performance of Fe-based coagulation-ultrafiltration process: Effect of sedimentation time. Environmental Research. 2021; 195:110756. DOI: 10.1016/j.envres.2021.110756
11. Prodous O.A., Shipilov A.A., Yakub-chik P.P. Tables for the hydraulic calculation of water pipes made of steel and gray cast iron with internal deposits : reference manual. St. Petersburg; Moscow, Pero, 2021; 238. (rus.).
12. Sotiri K., Hilgert S., Mannich M., Bleninger T., Fuchs S. Implementation of comparative detection approaches for the accurate assessment of sediment thickness and sediment volume in the Passauna Reservoir. Journal of Environmental Management. 2021; 287:112298. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.112298
13. Haun S., Lizano L. Sensitivity analysis of sediment flux derived by laser diffraction and acoustic backscatter within a reservoir. International Journal of Sediment Research. 2018; 33(1):18-26. DOI: 10.1016/ j.ijsrc.2018.01.001
14. Prodous O.A., Shlychkov D.I., Abrosimo- s? va I.A. Justification of the need for the hydrodynamic | cleaning of gravity water discharge networks. Vestnik f « MGSU [Monthly Journal on Construction and Archi- g?? tecture]. 2022; 17(1):106-114. DOI: 10.22227/1997- ü 0935.2022.1.106-114 (rus.). ff
15. Klyuev S.V., Shlychkov D.I., Muravyov K.A., ^ Ksenofontova T.K. Optimal design of building struc- . tures. International Journal of Advanced Science and 2 Technology. 2020; 29(5):2577-2583. %
16. Zulaykho O.T., Dildora S.A., Dilno- % za S.S. The basics of hydraulic calculation of heat sup- cd ply systems. Scientific Progress. 2021; 2(1):1122-1126 «
17. Schwermer C.U., Uhl W. Calculating ex- 5 pected effects of treatment effectivity and river flow ^
rates on the contribution of WWTP effluent to the ARG load of a receiving river. Journal of Environmental Management. 2021; 288:112445. DOI: 10.1016/j.jenv-man.2021.112445
18. Prodous O.A., Yakubchik P.P., Shlychkov D.I. Dependence of the energy consumption of pumping units of pressure sewage collectors on the thickness of the sediment layer on the inner surface of the pipes. Plumbing, Heating, Air Conditioning. 2022; 5:26-28. (rus.).
19. Orlov V., Zotkin S. Influence of the temperature factor on the hydraulic resistance of pressure pipes. E3S Web of Conferences. 2021; 263:04004. DOI: 10.1051/e3sconf/202126304004
20. Beiki H., Mosavi S.J. Silver Nanoparticles-Polyurea Composite Coatings on ASTM A194 Steel: A Study of Corrosion Behavior in Chloride Medium. Journal of Bio- and Tribo-Corrosion. 2020; 6(3). DOI: 10.1007/s40735-020-00364-9
21. Wang R., Ji M., Zhai H., Liu Y. Occurrence of phthalate esters and microplastics in urban secon-
Received September 22, 2022.
Adopted in revised form on September 29, 2022.
Approved for publication on September 29, 2022.
dary effluents, receiving water bodies and reclaimed water treatment processes. Science of the Total Environment. 2020; 737:140219. DOI: 10.1016/j.scito-tenv.2020.140219
22. Schwermera C.U., Uhl W. Calculating expected effects of treatment effectivity and river flow rates on the contribution of WWTP effluent to the ARG load of a receiving river. Journal of Environmental Management. 2021; 288:112445. DOI: 10.1016/j.jenv-man.2021.112445
23. Orlov V. Study of hydrophobicity and texture of the gravity tray surfaces to improve their transfer capacity. Environmental Engineering and Management Journal. 2021; 20(1):121-131. DOI: 10.30638/ eemj.2021.013
24. Abrosimova I.A. The economic effect of automated analysis of the system of the best available techniques of the Russian building complex. Bulletin of the Moscow Region State University. Series: Economics. 2020; 3:25-32. DOI: 10.18384/2310-6646-2020-3-25-32 (rus.).
Bionotes: Oleg A. Prodous — Doctor of Technical Sciences, Professor, General Director; INCO-EXPERT; pom. 1-H, lit. A, 37/1 Moskovsky Avenue; St. Petersburg, 190005, Russian Federation; ID RISC: 837891; [email protected];
Dmitriy I. Shlychkov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Water Supply and Sanitation; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 536457; [email protected]. Contribution of the authors:
Oleg A. Prodous — scientific leadership, research concept, methodology development.
Dmitriy I. Shlychkov — participation in the development of training programs and their implementation, development of methodology, final conclusions, scientific editing. The authors declare no conflict of interest.
