ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕНОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ ДЛЯ ПРОДЛЕНИЯ ПЕРИОДА ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 628.144

Техническое регулирование значений гидравлических параметров неновых металлических труб для продления периода их использования

О. А. Продоус 1, Л. Д. Терехов 2, П. П. Якубчик 2, А. С. Черных 2

1 ООО «ИНКО-эксперт», Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, Московский пр., 37/1, лит. А

2 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Для цитирования: Продоус О. А., Терехов Л. Д., Якубчик П. П., Черных А. С. Техническое регулирование значений гидравлических параметров неновых металлических труб для продления периода их использования // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 3.- С. 421-427. Б01: 10.20295/1815-588Х-2021-3-421-427

Аннотация

Цель: Сравнить характеристики гидравлического потенциала изношенных стальных труб с внутренними отложениями, подвергнутых очистке двумя способами - механическим и химическим. Методы: Используются расчетные зависимости для гидравлического расчета неновых металлических труб и труб с внутренними отложениями. Результаты: Получена расчетная зависимость для определения значения внутреннего диаметра труб с любой толщиной слоя внутренних отложений. Введено понятие «эффективный трубопровод». Проведено сравнение значений потерь напора в новых трубах и в трубах с внутренними отложениями. Рассмотрен конкретный практический пример. Для приведенного примера сравнены энергозатраты насосного оборудования для двух способов очистки внутренней поверхности труб. Указаны мероприятия, обеспечивающие эффективность эксплуатации сетей водоснабжения. Практическая значимость: Показано, что химический способ технического регулирования гидравлических характеристик неновых стальных труб обеспечивает продление периода их дальнейшего использования.

Ключевые слова: Стальной трубопровод, внутренние отложения, потери напора, энергозатраты насоса, техническое регулирование.

Введение

Техническое регулирование - понятие, установленное Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», предусматривающее комплекс действий, направленных на изменение характеристик системы (изделий, товаров, услуг и т. д.) для повышения их эффективности и продления периода использования [1]. Это понятие относится в полной мере и к трубопроводам систем водо-

снабжения из стальных и чугунных труб без внутренних покрытий.

Под техническим регулированием характеристик трубопроводов следует понимать такой комплекс действий, который направлен на изменение их гидравлических параметров, регламентированных действующими нормативными документами (ГОСТами или СП) [2-4]. Напорные трубопроводы систем водоснабжения являются энергозатратными системами, для которых всегда существует зависимость энерго-

затрат насосного оборудования от фактических гидравлических параметров (d'фn, Уф, 'ф), характеризующих состояние внутренней (рабочей) поверхности трубопровода, определяемая по формуле [5-8]

Ъ = 106"ф-Л)2-Уф-^От8. (1)

где Жф - фактические энергозатраты насоса(ов), кВт/ч; - фактический внутренний диаметр труб с учетом толщины слоя отложений на их внутренней поверхности, м (рисунок); Уф - фактическая скорость потока, м/с; г'ф - фактические потери напора по длине с учетом толщины фактического слоя отложений, м/м; п - коэффициент полезного действия насоса, для расчетов принимают п = 0,7; Дф - фактическая толщина слоя отложений, м (см. рисунок):

Лф = S. - S ,

ф ф р'

(2)

здесь Зф - фактическая толщина стенки трубы с отложениями, м; Зр - расчетная толщина стенки новой трубы по стандарту, м, принимается по табл. 1.1 справочного пособия [9].

Методика расчетов

Эффективными называются трубопроводы из металлических труб, характеризуемые минимальными величинами фактических потерь напора йф = /ф-1, м, и величинами фактических энергозатрат насосного оборудования при пе-

ремещении по трубопроводу заданного объема воды к потребителю.

Значения фактических потерь напора Иф равны величине фактического гидравлического уклона г'ф при длине трубопровода I = 1 п. м. Поэтому на практике чаще используются вместо понятия «фактический гидравлический уклон» «фактические потери напора на сопротивление по длине»: Иф = г'ф.

Будем определять расчетные и фактические потери напора г'р(ф), м/м, для неновых металлических труб по формуле проф. Ф. А. Шевелева [9]:

'р(ф) = 0,00107 •

Ур(ф))2 «(ф) )13 '

(3)

в которой Ур(ф) - расчетная (фактическая) скорость потока, м/с, зависящая от фактического внутреннего диаметра труб , м, с внутренними отложениями Лр(ф) (см. рисунок):

4ф) = d -2• Sp)-2•Л

р(ф)-

Для конкретных заданных условий значение рассчитывается следующим образом:

dФ =

i

4-q

(4)

где q - заданный расход, м3/с.

Для неновых металлических трубопроводов значение 'ф в формуле (3) зависит прежде всего от величины фактического внутреннего диамет-

ра труб с отложениями Сф , влияющей на фактическую скорость потока Vф и на фактические энергозатраты насоса .

В свою очередь, величины Сф и Уф зависят от фактической толщины слоя внутренних отложений на стенках труб Дф.

Поэтому техническое регулирование характеристик гидравлического потенциала неновых металлических трубопроводов из стали и серого чугуна (Сф , Уф, г'ф) возможно за счет проведения:

1) механической очистки труб от внутренних отложений;

2) замены труб, достигших предельного состояния на новые;

3) продления периода эксплуатации действующих неновых металлических трубопроводов на стадии жизненного цикла «Эксплуатация», благодаря использованию химических реагентов, образующих на поверхности слоя отложений микроскопическую биопленку, которая предотвращает дальнейший рост толщины слоя внутренних отложений [10].

Очевидно, что первое и второе предложения значительно дороже и более трудоемки для реализации по сравнению с третьим. Для этого требуются проведение специальных расчетов и анализ их результатов.

Составленные Ф. А. Шевелевым «Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб» [9] не могут применяться на практике, так как в них не учитывается фактическая толщина слоя внутренних отложений Дф, изменяющаяся во времени и зависящая от качества транспортируемой воды и возраста трубопровода. Это приводит к большим погрешностям при расчете трубопроводов и подборе насосных агрегатов для транспортирования воды [8, 9].

Потому расчетная зависимость (3) должна включать значение Дф, легко контролируемое с помощью переносных ультразвуковых расходомеров в комплекте с толщиномером, по методике, подробно описанной в работе [7].

С учетом обозначений на рисунке фактический внутренний диаметр труб с отложениями Сф , мм (м), определяется так:

< = (¿н - 2Sp) - 2Др(ф).

(5)

Тогда формулу (3) с учетом (5) представим следующим образом:

2

1ф = 0,00107 •

V

ф

[(¿н - 2Sр ) - 2Дф ]1,3

(6)

где Уф - фактическая скорость потока, зависящая от фактического внутреннего диаметра труб с отложениями Сф:

К =

4 • q

п « )2'

(7)

С учетом формулы (5) уравнение (7) для практических расчетов при известном (измеренном) значении принимает вид (см. рисунок)

^ =

4 • q

п •[(¿н-2Sp )-2Дф ]2

(8)

здесь Сн - наружный диаметр труб по ГОСТам, м [3, 4].

Поэтому определение фактических характеристик гидравлического потенциала водопроводных труб свфн, Уф и г'ф может производиться по (5), (6) и (8) с достаточной точностью.

Оценим результаты технического регулирования характеристик гидравлического потенциала неновых стальных труб с наружным диаметром 219 мм, наиболее часто подвергаемых замене.

Условия задачи

По двум ниткам трубопровода из стальных электросварных труб [3] с наружным диаметром С = 219 мм, проработавшему 20 лет, транспортируется расход воды д = 50 л/с (0,05 м3/с). Толщина фактического слоя внутренних отложений за 20 лет эксплуатации трубопровода А = 25 мм (0,025 м).

Требуется провести оценку и сравнить результаты технического регулирования характе-

ристик гидравлического потенциала (^ , Кр, ¡ф), проведенного для первой нитки - механическим способом (ершами, скребками и т. п.), а для второй - химическим способом, после механической очистки труб от слоя внутренних отложений с использованием реагента, образующего на поверхности слоя биологическую микропленку, предотвращающую дальнейший рост толщины слоя внутренних отложений (реагент ПГМГ-ГХ [10]).

Решение

Для расчета ¡р по (8) вычисляют значение по формулам (4) и (5). Толщину фактического слоя отложений определяют по уравнению (2) (см. рисунок).

Результаты расчета характеристик гидравлического потенциала труб для каждой нитки труб по двум способам очистки приведены в таблице.

Сравнение значений (см. таблицу) фактических потерь напора ¡р для каждой нитки труб через 10 лет эксплуатации показывает, что

• в первой нитке труб происходит интенсивный рост толщины слоя отложений с Ар = 0,001 м (1 мм) после очистки труб до Ар = 0,02 м (20 мм) через 10 лет эксплуатации трубопровода в 20 раз.

Результатом изменения значения Ар через 10 лет будет увеличение величины фактических потерь напора с ¡р = 0,01781 м/м после очистки труб до ¡р = 0,05190 м/м через 10 лет эксплуатации, т. е. в 2,91 раза;

• во второй нитке труб изменения фактической толщины слоя внутренних отложений Ар не происходит, поэтому через 10 лет эксплуатации значение ¡р остается постоянным.

Таким образом, подтверждается эффективность эксплуатации трубопровода после проведения технического регулирования гидравлических характеристик, влияющая на продление периода его дальнейшего использования.

Характеристики гидравлического потенциала сравниваемых труб

Параметры для сравнения значений

Фактическая толщина слоя отложений, Ар, м Фактический внутренний диаметр труб с отложениями, , м Фактическая скорость потока, Гр, м/с Фактические потери напора, ¡р , м/м

Первая и вторая нитки трубопровода - до применения механического способа очистки

0,025 0,160 2,49 0,07175

Первая и вторая нитки - после механической очистки

0,001* 0,208 1,47 0,01781

Первая нитка - через 10 лет после очистки

0,02+ 0,170 2,20 0,05190

Вторая нитка - через 10 лет после очистки при использовании реагента ПГМГ-ГХ

0,001 0,208 1,47 0,01781

Примечания:

* - технический допуск толщины остаточного слоя при механическом способе очистки труб; +- ежегодный прирост толщины слоя внутренних отложений Ар = 0,002 м/год после проведения механической очистки стальных труб.

По формуле (1) рассчитывают фактические Библиографический список

энергозатраты насоса ЖДВ через 10 лет эксплуатации трубопровода, подвергнутого очистке внутренних стенок труб от слоя отложений двумя способами:

механическим (см. таблицу):

Жф =

дв мех

= 106 • 0,05190• 0,1702 -2,20 ■ 0,00808

0,7

= 38,08 кВт/ч, химическим (см. таблицу):

=

дв хим

= 106 • 0,0178 •0,208М,47 -0,00808

0,7

= 13,06 кВт/ч.

Заключение

Анализ расчетных и фактических значений энергозатрат насоса ЖДф показывает, что через 10 лет эксплуатации двух ниток трубопровода ЖдфвМех = 38,08 кВт/ч > Жфвхим =13,06 кВт/ч, т. е. больше в 2,92 раза.

Это означает, что при механическом способе очистки стенок труб от внутренних отложений толщина слоя отложений интенсивно увеличивается и через 10 лет эксплуатации трубопровода Дф = 0,0001 + (0,02 • 10 лет) = 0,021 м = 21 мм, т. е. на 4 мм меньше, чем Дф = 25 мм в условиях задачи через 20 лет.

Для приведенного примера химический способ регулирования значений гидравлических характеристик трубопровода СВН, Уф и г'ф предпочтительнее, так как позволяет длительное время (10 лет после очистки) поддерживать их практически неизменными, т. е. обеспечивать эффективность эксплуатации изношенного металлического трубопровода после очистки труб и продлевать период его дальнейшего использования на стадии жизненного цикла «Эксплуатация».

1. Федеральный закон от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании». - URL : http://www.kremlin.ru/acts/bank/18977 (дата обращения : 06.09.2021).

2. СП 31.13330.2012. Свод правил водоснабжения. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84* ОКС 93.025. -Введ. 1 января 2013 г. - URL : https://minstroyrf.gov. ru/docs/11074 (дата обращения : 06.09.2021).

3. ГОСТ 10704-91. Трубы стальные электросварные прямошовные. - М. : Стандартинформ, 1993. -С. 2-7.

4. ГОСТ 3262-75. Трубы стальные водогазопро-водные. Технические условия. - М. : Стандартинформ, 1977. - С. 2-8.

5. Дикаревский В. С. Резервы экономики электроэнергии при транспортировании воды по водоводам из железобетонных труб / В. С. Дикаревский, П. П. Якубчик, О. А. Продоус, Ю. А. Смирнов // Тез. докл. Всесоюз. науч.-технич. семинара «Рациональное использование воды и топливно-энергетических ресурсов в коммунальном водном хозяйстве» (г. Алма-Ата, 6-8 августа 1985 г.). - М. : КСМ ВСНТО, 1985. -С. 90-92.

6. Продоус О. А. Зависимость продолжительности использования металлических трубопроводов систем водоснабжения от толщины слоя отложений на внутренней поверхности труб / О. А. Продоус // Сб. докл. XV Междунар. науч.-технич. конференции «Яковлевские чтения». - М. : МИСИ-МГСУ, 2020. -С. 113-117.

7. Продоус О. А. Гидравлическое прогнозирование продолжительности использования металлических трубопроводов водоснабжения и водоотве-дения / О. А. Продоус // Производ.-технич. и науч.-практич. журн. «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение». - 2020. - № 11 (155). - С. 28-32.

8. Рейзин Б. Л. Коррозия и защита коммунальных водопроводов / Б. Л. Рейзин. - М. : Стройиздат, 1979. - 398 с.

9. Шевелев Ф. А. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб : справ. пособие. -10-е изд., доп. / Ф. А. Шевелев. - М. : Изд. дом «Ба-стет», 2014. - 384 с.

10. Воинцева И. И. Продление периода эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения из стальных и чугунных труб / И. И. Воинцева // Инженерные системы «АВОК-Северо-Запад». - 2019. - № 1. -С. 44-47.

Дата поступления: 12.08.2021 Решение о публикации: 19.08.2021

Контактная информация:

ПРОДОУС Олег Александрович - д-р техн. наук, проф.; pro@enco.su

ТЕРЕХОВ Лев Дмитриевич - д-р техн. наук,

проф.; levter4@rambler.ru

ЯКУБЧИК Петр Петрович - канд. техн. наук,

проф.; P.jakub@mail.ru

ЧЕРНЫХ Александр Сергеевич - аспирант;

alexandrchernykh97@gmail.com

Technical regulation for the values of hydraulic parameters of used metal pipes in order to extend the period of their use

O. A. Prodous 1, L. D. Terekhov 2, P. P. Yakubchik 2, A. S. Chernykh 2

1 INCO-expert LLC, 37/1, lit.A, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190005, Russian Federation

2 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation

For citation: Prodous O.A., Terekhov L. D., Yakubchik P. P., Chernykh A. S. Technical regulation for the values of hydraulic parameters of used metal pipes in order to extend the period of their use. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 3, pp. 421-427. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-3-421-427

Summary

Objective: To compare the characteristics of hydraulic potential in worn steel pipes with internal deposits subjected to cleaning by mechanical and chemical methods. Methods: Calculated dependencies are used for hydraulic calculation of new metal pipes and pipes with internal deposits. Results: A calculated dependence was obtained to determine the value of the inner diameter of pipes with any thickness of the layer of internal deposits. The concept of an efficient pipeline is introduced and a comparison made of the values of head losses in new pipes and in pipes with internal deposits. A specific practical example is considered. For the given example, compare the values of energy consumption of pumping equipment for two methods of cleaning the inner surface of pipes. Measures are indicated to ensure the efficiency of operation of water supply networks. Practical importance: It is shown that the chemical method of technical regulation of the hydraulic characteristics of new steel pipes provides an extension of the period of their further use.

Keywords: Steel pipeline, internal deposits, head loss, pump energy consumption, technical regulation.

References

1. Federal'nyyzakon ot27dekabrya2002, no. 184-FZ "O tekhnicheskom regulirovanii" [FederalLaw of December 27, 2002, N 184-FZ "On Technical Regulation"].

Available at: http://www.kremlin.ru/acts/bank/18977 (accessed: June 09, 2021). (In Russian)

2. SP 31.13330.2012. Svod pravil vodosnabzheniye. Naruzhnyye seti i sooruzheniya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.04.02-84*OKS 93.025. Vved. 1 yan-

varya 2013 g. [Code of rules for water supply. External networks and facilities. Updated edition of SNiP 2.04.02-84*OKS 93.025. Introduced: January 01, 2013]. Available at: https://minstroyrf.gov.ru/docs/11074/(accessed: June 09, 2021). (In Russian)

3. GOST10704-91. Truby stal'nyye elektrosvarnyye pryamoshovnyye [GOST 10704-91. Longitudinal elec-tric-weldedsteel pipes]. Moscow, Standartinform Publ., 1993, pp. 2-7. (In Russian)

4. GOST3262-75. Truby stal'nyye vodogazoprovod-nyye. Tekhnicheskiye usloviya [GOST 3262-75. Steel pipes for water and gas supply. Specifications]. Moscow, Standartinform Publ., 1977, pp. 2-8. (In Russian)

5. Dikarevskiy V. S., Yakubchik P. P., Prodous O. A. & Smirnov Yu. A. Rezervy ekonomiki elektroenergii pri transportirovanii vody po vodovodam iz zhelezobeton-nykh trub [Reserves ofthe electricity economy when transporting water through water pipelines from reinforced concrete pipes]. Tezisy dokladov Vsesoyuznogo nauch-no-tekhnicheskogo seminara "Ratsional'noye ispol'-zovaniye vody i toplivno-energeticheskikh resursov v kommunal'nom vodnom khozyaystve" (g. Alma-Ata, 6-8 avgusta 1985g.) [Abstracts oftheAll-Union Scientific and Technical Seminar "Rational use of water and fuel and energy resources in municipal water management" (Alma-Ata, 6-8 August, 1985)]. Moscow, KSM VSNTO Publ., 1985, pp. 90-92. (In Russian)

6. Prodous O. A. Zavisimost' prodolzhitel'nosti isp ol'zovaniya metallicheskikh truboprovodov sistem vo-dosnabzheniya ot tolshchiny sloya otlozheniy na vnu-trenney poverkhnosti trub [Dependence of the duration of the use of metal pipelines of water supply systems on the thickness of the sediment layer on the inner surface of the pipes]. Sbornik dokladov XV Mezhdunarod-noy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Yakovlevskiye chteniya" [Collection of reports ofthe XV International Scientific and Technical Conference "Yakovlev's Readings"]. Moscow, MISI-MGSU Publ., 2020, pp. 113117. (In Russian)

7. Prodous O. A. Gidravlicheskoye prognozirovaniye prodolzhitel'nosti ispol'zovaniya metallicheskikh trubo-provodov vodosnabzheniya i vodootvedeniya [Hydraulic forecasting of the duration of use of metal pipelines for water supply and wastewater disposal]. Proizvodstven-no-tekhnicheskiy i nauchno-prakticheskiy zhurnal «Vo-doochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzheniye» [Production-technical and scientific-practical journal "Water treatment. Water treatment. Water supply"], 2020, no. 11 (155), pp. 28-32. (In Russian)

8. Reyzin B. L. Korroziya i zashchita kommunal'-nykh vodoprovodov [Corrosion and protection of public water pipes]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1979, 398 p. (In Russian)

9. Shevelev F. A. Tablitsy dlya gidravlicheskogo rascheta vodoprovodnykh trub. Spravochnoe posobiye [Tables for hydraulic calculation of water pipes. Reference manual]. Moscow, Publishing House "Bastet" Publ., 2014, 384 p. (In Russian)

10. Vointseva I. I. Prodleniye perioda ekspluatatsii truboprovodov sistem vodosnabzheniya iz stal'nykh i chugunnykh trub [Prolongation of the period of exploitation of pipelines of water supply systems from steel and cast iron pipes]. Inzhenernyye sistemy «AVOK-Seve-ro-Zapad» [Engineeringsystems "AVOK-North-West"], 2019, no. 1, pp. 44-47. (In Russian)

Received: August 12, 2021 Accepted: August 19, 2021

Authors' information:

Oleg A. PRODOUS - D. Sci. Engineering, Professor; pro@enco.su

Lev D. TEREKHOV - D. Sci. in Engineering, Professor; levter4@rambler.ru Petr P. YAKUBCHIK - PhD in Engineering, Professor; P.jakub@mail.ru

Alexander S. CHERNIKH - Postgraduate Student; alexandrchernykh97@gmail.com