CC BY
102
Общетехнические и социальные проблемы
УДК 631.672.46
О. Г. Капинос, Н. В. Твардовская
ВЛИЯНИЕ ВЫБРАННОГО МАТЕРИАЛА ТРУБ НА ВЕЛИЧИНУ ДАВЛЕНИЯ В ТРУБОПРОВОДЕ ПРИ ВОЗМОЖНОМ ГИДРАВЛИЧЕСКОМ УДАРЕ
Для обеспечения надежной работы напорных трубопроводов необходим расчет параметров потока и организация соответствующей защиты системы от резких повышений давления (гидравлических ударов). Параметры потока при указанных явлениях зависят от выбранного типа труб для напорных магистралей, однако применение неметаллических типов труб не может однозначно гарантировать отсутствие возможности возникновения опасных давлений при нестационарных процессах и их негативных последствий.
гидравлический удар, скорость распространения ударной волны, модуль упругой деформации, упругий отпор грунта, противоударная защита.
Введение
Одним из факторов, от которых зависит выбор материала труб, используемых для прокладки напорных сетей водоснабжения и водоотведения, являются значения максимальных давлений, которые могут возникать в рассматриваемых системах при нестационарных режимах течения (гидравлических ударах). Для обеспечения надежной работы данных сооружений, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации, согласно [1], необходимо проводить соответствующие расчеты трубопровода на гидравлический удар.
Неустановившееся напорное течение в напорном трубопроводе описывается системой дифференциальных уравнений, включающей в себя уравнение неразрывности и уравнение количества движения жидкости [2]:
дР тгдР 2 дУ л
+ У — + Рж • с----= 0;
dt
(
дх
дУ „дУ
дх
\
дt
+ У-
дх
+
д(Р + Р ж • g • Z) , l-Р,
(1)
дх
2 • D
• У • У = 0,
где Р - давление, Па; t - время, с;
У - скорость течения потока, м/с;
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
212
3
рж - плотность напорного потока, кг/м ; с - скорость распространения ударной волны, м/с; g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с ; z - высотная отметка оси трубы, м;
D - внутренний диаметр трубопровода, м;
X - коэффициент гидравлического трения.
Как видно из формулы (1), величина максимального давления, возникающего в системе при таких явлениях, зависит как от характеристик перекачиваемой жидкости, так и от параметров напорной магистрали.
1 Параметры трубопровода, влияющие на скорость распространения фронта волны гидравлического удара
Одной из важных характеристик, влияющей на изменение величины давления при гидравлических ударах и зависящей от характеристик трубопровода, является скорость распространения фронта ударной волны с, м/с, величину которой приближенно можно определить по формуле Кортевега-Жуковского:
Е
ур
1435
11 + ^ Е '8
1+^ Е .8
(2)
где Еж - модуль объемной упругости жидкости, Па; для воды при атмосферном давлении и температуре жидкости около 20 С Еж = 206 • 10 Па;
Ет - модуль упругой деформации материала труб, Па; для стали Ет = = 206 • 109 Па; для чугуна Ет = 98 • 109 Па; для поливинилхлорида Ет = 4 • 109 Па; для полиэтилена ПВП Ет = 0,9 • 109 Па; для полиэтилена ПНП Ет = 0,3 • 109 Па;
6 - толщина стенки трубопровода, м.
1.1 Влияние модуля упругости материла труб
Из формулы (2) видно, что наибольшее влияние на величину скорости распространения фронта ударной волны оказывает модуль упругой деформации материала, из которого изготовлены трубы. Так, проводя расчеты по формуле (2), получаем, что в зависимости от соотношения D/6 скорость с в стальных трубах изменяется от 1380 м/с до 1180 м/с, в
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
чугунных - 1310-990 м/с, в поливинилхлоридных - 590-300 м/с, в полиэтиленовых ПВП - 300-150 м/с, в полиэтиленовых ПНП - 250-125 м/с.
Таким образом, выбранный материал труб для строительства или реконструкции напорных трубопроводов оказывает значительное влияние на одну из важных характеристик гидравлического удара, и при замене стальных труб полиэтиленовыми скорость распространения фронта ударной волны может уменьшаться в 3-7 раз.
1.2 Изменение параметров трубопровода с учетом упругих свойств грунта
Как показывают исследования [2], в полиэтиленовых и полипропиленовых трубах скорость распространения ударной волны может увеличиваться на 40% и более за счет упругого обжатия трубы грунтом. С учетом этого для труб, обладающих меньшей жесткостью, величину с необходимо определять следующим образом:
с =
1435
1 +
Еж
Е„
a
П
(3)
где
2 DK
а П =--------------;
П 2 K 5 + Егр D / ЕТ
К = Н 1 + r2 + m Гр (н (H 2 - r2
Здесь Н - глубина погружения оси трубы под поверхностью земли, м; r - внутренний радиус трубы, м;
Р-гр - коэффициент Пуассона грунта; ^гр определяется по табл. 1;
Егр - модуль упругости грунта, Па; величина Егр для различных видов грунтов также представлена в таблице.
ТАБЛИЦА
Название грунта Егр, Па ргр
Гравелистые и крупнообломочные грунты 40-106 0,27
Песчаные грунты: средней крупности 40-106 30-106 0,3 0,3
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
214
мелкие 12-106 0,3
пылеватые
Глинистые грунты 20-106 0,35...0,4
Как показали расчеты, скорость с практически не зависит от глубины заложения труб, а влияние упругих свойств грунта на скорость фронта ударной волны в сторону ее увеличения наиболее выражено только в гравелистых и песчаных грунтах средней крупности и только при использовании неметаллических типов труб.
Проводя расчеты по формуле (3), получаем, что в зависимости от соотношения D/b с учетом упругого отпора грунта скорость с в гравелистых грунтах практически не изменяется при использовании стальных и чугунных труб и соответственно составляет для стали от 1385 м/с до 1190 м/с, для чугуна - 1320-1000 м/с. В случае использования пластмассовых труб это увеличение скорости с будет выше: в
поливинилхлоридных - 620-321 м/с, в полиэтиленовых ПВП - 350-190 м/с, в полиэтиленовых ПНП - 300-170 м/с. Но даже с учетом упругого отпора грунта скорость распространения фронта ударной волны будет значительно меньше в пластмассовых трубах, чем в металлических.
2 Изменение давления при гидравлических ударах в зависимости от используемого типа труб
Основываясь на классической теории гидравлического удара Н. Е. Жуковского, можно сделать вывод о том, что с уменьшением величины скорости распространения фронта волны гидравлического удара уменьшается и максимально возможное давление в трубопроводе при таких явлениях. Однако с уменьшением скорости с в трубопроводах увеличивается вероятность возникновения мест разрывов сплошности потока жидкости во время гидравлических ударов. В момент схлопывания этих кавитационных полостей происходит увеличение давления в местах разрыва потока, а из-за интерференции волн - и во всем трубопроводе [3]. Поэтому при расчетах на гидравлический удар возможностью возникновения разрывов сплошности потока пренебрегать нельзя, а этот процесс в теории Н. Е. Жуковского не учитывается.
Для расчета параметров напорной системы при нестационарных режимах течения в современных условиях следует использовать зависимости, полученные при интегрировании дифференциальных уравнений (1) на основе метода характеристик [3], [4], которые позволяют учесть как возможность возникновения разрывов сплошности потока по его длине, так и особенности продольного профиля напорного трубопровода.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
Таким образом, принимая решение о материале трубопровода в случае замены труб при аварии или реконструкции трубопроводов или строительстве новых трубопроводных напорных систем необходимо проводить расчет величины как максимального, так и минимального давления по всей длине трубопровода, определять места возникновения разрывов сплошности потока жидкости с использованием современных методов расчета и после анализа полученных результатов делать окончательный вывод о том, является ли использование неметаллических типов труб гарантом надежности системы.
В качестве примера рассмотрим замену стальных труб по ГОСТ 10704-76 (D = 800 мм; 6 = 8 мм) на полиэтиленовые ПЭ100 SDR21-800x38,1 (D = 800 мм; 6 = 38,1 мм), выполненную на проектируемом водоводе от насосной станции II подъема к насосной станции III подъема в районе города С. Длина водовода составила 5165 м; перепад геодезических отметок около 50 м; глубина прокладки трубопровода в гравелистых грунтах 2,6 м до дна (jJ.jp = 0,27; Егр= 40-106 Па; Н = 2,2 м; r = 0,36 м). Упрощенный продольный профиль водовода представлен на рис. 1. Подача воды от насосной станции НС-II осуществляется одним рабочим насосом марки Д3200-75а с часовым расходом 3000 м /ч, рабочим напором 75 м (число оборотов 980 мин-1; мощность электродвигателя составляет 800 кВт).
Скорость распространения фронта ударной волны при использовании стальных труб составит с = 1015 м/с, а с учетом упругого отпора грунта с = 1016 м/с (К = 1,336; аП = 99,28), для полиэтиленовых труб с = 235 м/с,
а с учетом упругого отпора грунта с = 264 м/с (К = 1,326; аП = 16,62).
Наиболее неблагоприятные последствия для напорной системы могут наблюдаться в случае гидравлического удара, вызванного остановкой насоса, установленного в насосной станции II подъема. В соответствии с профилем прокладки водовода (см. рис. 1), который характеризуется преимущественно постепенным подъемом от НС-II к НС-III, при возможном гидравлическом ударе максимальные величины давления возникают у насоса Д3200-75а (НС-II), а снижение давления ниже атмосферного в трубопроводе с возникновением разрывов сплошности потока будет наблюдаться на верхних участках трубопровода у НС-III. График изменения давления у насосной станции (точка 1, рис. 1) в процессе удара в случае применения стальных или полиэтиленовых труб представлен на рис. 2.
Как видно из графика, за счет большой скорости фронта ударной волны в случае применения стальных труб период колебания давления меньше, чем в полиэтиленовых, что хуже для стыковых соединений и установленной арматуры и оборудования. Максимальная величина
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Общетехнические и социальные проблемы
216
давления в стальном водоводе у насоса достигает 120 м вод. ст., а в полиэтиленовом водоводе при с = 264 м/с составляет 100 м вод. ст.; и в том и в другом случае эти давления достигают предела прочности материала труб. В случае применения полиэтиленовых труб давление нарастает постепенно и резкое увеличение давления происходит после того, как сюда доходит волна повышения давления. Эта волна появляется в процессе схлопывания разрывов сплошности потока жидкости, которые образуются в верхней части водовода и существуют продолжительное время.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/2
Рис. 1. Упрощенный продольный профиль водовода от НС-П до РЧВ НС-Ш
ЕКЙцетехнические и социальные проблемы
Общетехнические и социальные проблемы
218
Рис. 2. Диаграмма изменения напора у насосной станции:
1 - в случае укладки водовода из стальных труб (скорость ударной волны с = 1015 м/с); 2 - водовод из полиэтиленовых труб (скорость с = 235 м/с); 3 - водовод из полиэтиленовых труб (скорость ударной волны с учетом упругого
отпора грунта с = 264 м/с)
Заключение
Уменьшение скорости распространения фронта ударной волны за счет использования неметаллических типов труб может приводить к уменьшению максимального ударного давления в трубопроводе, но не снижает риска возникновения давлений, превышающих предел прочности труб.
При проектировании новых напорных трубопроводов и реконструкции существующих необходимо определять скорость распространения ударной волны с учетом всех влияющих факторов и проводить расчет параметров возможного гидравлического удара с использованием современных методов.
Использование пластмассовых труб является перспективным, но их применение не устраняет последствий нестационарных процессов, требует проведения соответствующих расчетов и при необходимости -организации мероприятий по защите системы от гидравлических ударов.
Библиографический список
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
Ебцетехнические и социальные проблемы
1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР. - М. : ЦИПТ Госстроя СССР, 1986. - 72 с.
2. Водоводы : монография / В. С. Дикаревский // Труды РААСН. Строительные науки. Том 3. - М. : РААСН, 1997. - 200 с. - ISBN 5-88817-012-7.
3. Расчет гидравлического удара с учетом регулирования потока в водоводах, уложенных на пересеченной местности / В. С. Дикаревский, О. Г. Капинос // Доклады на академических чтениях РААСН на тему «Системы водоснабжения, водоотведения и охраны водных ресурсов в начале ХХ1 века». - СПб. : ПГУПС, 2001. - С. 18-23.
4. Гидравлический удар в напорных трубопроводах водоотведения / В. С. Дикаревский, О. Г. Капинос, Н. В. Твардовская // Вестник РААСН. - 2004. -Вып. 8. - С. 152-156.
УДК 681.3.069; 621.397
В. В. Навойцев
ПОСТРОЕНИЕ МУЛЬТИСЕРВИСНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ
НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
СЕТЕЙ
Мультисервисная сеть связи - это единая телекоммуникационная инфраструктура для переноса, коммутации трафика произвольного типа, порождаемого взаимодействием потребителей и поставщиков услуг связи с контролируемыми и гарантированными параметрами трафика. При разработке и реализации соответствующего проекта локализованной мультисервисной сети требуется учесть наличие существующей локальной сети, чаще всего построенной с использованием технологии Ethernet. Описанный в данной статье программный продукт призван унифицировать и упростить технологию построения мультисервисных сетей в рамках небольшой и средней организации.
мультисервисная сеть связи, мультисервисная сеть доступа, локальная вычислительная сеть, системы IP-TV, гарантированные параметры передачи, Linux, защита передаваемого трафика.
Введение
В отечественном телекоммуникационном сообществе существует немало различных определений мультисервисных сетей. Рассмотрим некоторые из них, отмечая недостатки:
это сети, в которых предоставляется более одной услуги - по сути, дословное толкование (от простого перевода «мульти» - много, «сервис» -услуга, т. е. сети, обеспечивающие «много услуг» или, точнее, много их
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2008/2
