ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ ОБОСНОВАНИЯ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ ПРОЕКТОВ РЕКОНСТРУКЦИИ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ

1Продоус Олег Александрович, доктор технических наук, профессор, генеральный директор, ООО «ИНКО-Инжиниринг»

190005, Россия, Санкт-Петербург, Московский проспект, 37/1, литера А, пом. 1-Н,

тел.: +7 (812) 318-55-62, e-mail: pro@enco.su

2Шипилов Андрей Александрович, кандидат технических наук, генеральный директор ООО «СпецСтройПроект», г. Санкт-Петербург

192288, Россия, Санкт-Петербург, ул. Димитрова, 39,

тел.: +7(921) 970-16-34, e-mail: shipilov2000@mail.ru

Аннотация

Приводится статистика утечек из металлических сетей водоснабжения в разных городах России, и даются характеристики гидравлического потенциала стальных и чугунных труб без внутренних покрытий. Предложено оценивать необходимость разработки проектов реконструкции водопроводных сетей из металлических труб с помощью гидравлического коэффициента эффективности их использования Кэф. Рассчитаны значения величин Кэф для стальных и чугунных труб диаметром 200 мм в городе «П», по которым сделан вывод о недопустимости их дальнейшего использования. Рекомендовано производить выбор вида материалов труб для замены изношенных стальных и чугунных трубопроводов по специально разработанным критериям.

Ключевые слова: износ металлических труб, утечки воды, гидравлический критерий, обоснование проектов реконструкции.

THE HYDRAULIC CRITERION TO SUBSTANTIATE THE NECESSITY TO DEVELOP PROJECTS OF RECONSTRUCTION OF WATER SUPPLY NETWORKS MADE OF METAL PIPES

1Prodous Oleg, Doctor of Engineering, Professor, General manager, ENCO Engineering 37/1-A-IN, 190005, Russia, Saint Petersburg, Moscovskij prospect,

ph.: +7 (812) 318-55-62, e-mail: pro@enco.su

2Shipilov Andrei, Ph.D (Engineering), General manager, SpetsStroyProject, Saint Petersburg 192288, Russia, Saint Petersburg, Dimitrova st., 39,

ph.: +7 (921) 970-16-34, e -mail: shipiliv2000@mail.ru

Abstract

Statistics of leaks occurrence in metal pipelines in different cities in Russia is presented and hydraulic potential characteristics of steel and cast pipes without inner coatings are shown. It is proposed to evaluate the necessity to start water supply network reconstruction using values of hydraulic efficiency coefficient Kef. Values of Kef. are calculated for steel and cast pipes with a diameter of 200 mm. Basing on calculated coefficient Kef. values, conclusion can be made that further operation is not allowed. It is recommended to follow the developed criterion when new piping material is selected to replace worn steel and cast pipelines.

Key words: deterioration of the pipes, water leaks, hydraulic criterion, reconstruction projects substantiation.

Эффективными принято считать такие трубопроводы из металлических труб, которые имеют минимальные фактические потери напора на сопротивления по длине – iф и минимальные фактические энергозатраты насосного оборудования на перемещение жидкости к потребителю  Nфдв [1].

Опыт эксплуатации металлических трубопроводов по стране показывает, что срок использования стальных труб, в зависимости от качества транспортируемой по ним воды, составляет от 20 до 30 лет, а чугунных (из серого чугуна без покрытий) доходит до 40-60 лет [2].

Основанием для разработки проектов их реконструкции обычно является следующая информация:

– годовое количество утечек на 1 км длины трубопровода;

– годовое количество аварий (прорывов) на 1 км трубопровода;

– динамика изменения давления в сети за 1 год и др.

На рисунке 1 приведена опубликованная статистика утечек из металлических сетей водоснабжения в крупных городах РФ [3].

Рисунок 1. – Статистика утечек из металлических сетей водоснабжения

Приведенная статистика является субъективной, так как не учитывает изменения значений характеристик гидравлического потенциала труб из-за отложений на их внутренних стенках [1]. В процессе эксплуатации трубопровода до достижения им предельного состояния значения этих характеристик могут значительно изменяться (рис. 2).

Рисунок 2. – Фрагмент отложений а, б и толщина слоя; в – на внутренней поверхности стальных и чугунных труб

Характеристиками гидравлического потенциала металлических трубопроводов являются значения [1]:

– фактического внутреннего диаметра труб с учетом толщины фактического слоя отложений – dфвн, м;

– фактической средней скорости потока – ∨фср, м/с;

– фактических потерь напора на трение по длине – iф, м/м.

Диапазон значений параметров предельного состояния металлических трубопроводов, при которых их дальнейшее использование нецелесообразно или недопустимо, установлен только в одной работе, в которой по значению величины коэффициента эффективности трубопровода Кэф предложено прогнозировать остаточную продолжительность их дальнейшего использования Тисп  [1].

Фактическое значение величины потерь напора по длине iф зависит, прежде всего, от состояния внутренней поверхности труб, то есть величины слоя отложения из продуктов коррозии и биообрастаний на их внутренних стенках. Причем состояние внутренней поверхности труб из стали и серого чугуна подвержено изменению во времени, вызванному изменяющимися значениями характеристик физико-химического состава транспортируемой воды [4]. Поэтому критерий обоснования необходимости разработки проектов реконструкции водопроводных сетей из стали и серого чугуна должен быть обязательно гидравлическим.

Таким критерием является безразмерный коэффициент эффективности использования трубопровода, определяемый по формуле [1]:

где    Nрдв – фактические энергозатраты насоса на момент оценки, кВт/ч;

 Nрдв – расчетное значение энергозатрат насоса на момент запуска нового трубопровода в эксплуатацию, кВт/ч определяют по формуле [5]:

где  iф, dфвн, ∨ф – фактические значения характеристики гидравлического потенциала труб на момент их оценки, м/м, м, м/с;

iр, dрвн, ∨р – расчетные (по сортаменту) значения характеристик гидравлического потенциала труб на момент запуска нового трубопровода в эксплуатацию, м/м, м, м/с.

Определение фактических энергозатрат насосного оборудования Np(ф)дв– процесс экспериментальный, затратный и достаточно трудоемкий. Однако в расчетную зависимость (2) входят значения характеристик гидравлического потенциала труб ip(ф) dр(ф)вн и ∨р(ф), которые достаточно просто вычисляются по формулам (4), (5) и (6).

Поэтому Кэф является точным гидравлическим критерием, по значению которого можно прогнозировать (табл. 1) продолжительность остаточного использования металлических труб Тисп, планировать очередность их замены, а также обосновывать необходимость разработки проектов реконструкции металлических трубопроводов [1].

Таблица 1. – Значения коэффициентов эффективности использования металлических трубопроводов

Остаточная продолжи-тельность

использования трубопровода,

 

  Тисп, лет

Значение величины Кэф

0,95 ≥ Кэф ≤1

0,9 ≥ Кэф ≤0,95

0,9≤ Кэф

Кэф 1

≥ 10,0

не менее 5,0

Энергозатратное

использование.

 

Использовать – нецелесообразно

Использовать – недопустимо

Приведем для конкретного примера обоснование необходимости разработки проектов реконструкции металлических трубопроводов диаметром 200 мм из стали и серого чугуна в городе «П».

По данным ГУП «Водоканал» города «П» более 20-ти лет эксплуатируется около 280 км стальных электросварных труб по ГОСТ 10704-91, ∆=7 мм с условным наружным диаметром 219 мм и около 930 км – чугунных труб того же диаметра по ГОСТ 9583-75, ∆= 9,2 мм – без покрытий.

По трубопроводам транспортируется расчетный расход q = 40,0 л/с.

Толщина слоя внутренних отложений за 20-летний период эксплуатации трубопроводов составляет:

– ∆=20 мм – для стальных труб;

– ∆=25 мм – для чугунных труб.

       Требуется обосновать необходимость разработки проектов реконструкции наружных трубопроводов системы водоснабжения из этих труб.

Решение

  1. Определяют значение фактического внутреннего диаметра труб с учетом заданной толщины слоя внутренних отложений:

где   ∆ст – толщина слоя отложений, мм;

Sстф – фактическая толщина стенки стальной трубы диаметром 219 мм с отложениями, мм; 

Sстф= 7,0 мм;

Sстp – расчетная толщина стенки новой стальной трубы с условным диаметром 219 мм.

где q – транспортируемый расход, м3/с;

Vр – расчетная скорость потока, м/с.


 

 

 

2. По формуле профессора Ф.А. Шевелева подсчитывают расчетные и фактические потери напора по длине iр(ф) [6]:   

 

 

 

где Vр(ф) – средняя скорость, м/с;

dр(ф) – расчетный (по сортаменту) диаметр труб, м.

Аналогично, ∆чуг для чугунных труб.

3.По формуле (1) подсчитывают значения коэффициентов эффективности использования трубопровода Крэф и Кфэф из стальных и чугунных труб.

В таблице 2 приведены значения характеристик гидравлического потенциала стальных и чугунных водопроводных труб диаметром 200 мм.

Таблица 2. – Характеристики гидравлического потенциала металлических труб

Для построения графиков зависимости iр(ф)= ƒ(Nр(ф)дв) в таблице 3 приведены расчетные и фактические значения характеристик гидравлического потенциала (iр(ф); dр(ф)вн; νр(ф) , а на рис. 3 – графики зависимости  iр(ф)= ƒ(Nр(ф)дв) стальных и чугунных труб диаметром 200 мм.

Таблица 3. – Расчетные и фактические характеристики для построения графиков зависимости  iр(ф)= ƒ(Nр(ф)дв

Стальные трубы

Скорость потока жидкости,   , м/с

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Расчетные потери напора в стальном трубопроводе,  , м/м

0,0021

0,0084

0,0189

0,0356

0,0525

Расчетные энергозатраты насосного оборудования в стальном трубопроводе,  , кВт/ч

0,51

4,07

13,75

34,53

63,65

Фактические потери напора в стальном трубопроводе,   , м/м

0,0028

0,0111

0,0251

0,0445

0,0696

Фактические энергозатраты насосного оборудования в стальном трубопроводе, , кВт/ч

2,44

3,92

13,22

33,20

61,19

Чугунные трубы

Расчетные потери напора в чугунном трубопроводе

0,0021

0,0085

0,0190

0,0338

0,0528

Расчетные энергозатраты насосного оборудования в чугунном трубопроводе, ,  кВт/ч

0,50

4,08

13,69

32,46

63,39

Фактические потери напора за счет слоя внутренних  отложений в чугунном трубопроводе iчугф , м/м

0,0030

0,0122

0,0274

0,0487

0,0761

Фактические энергозатраты насосного оборудования в чугунном трубопроводе с отложениями, Nфдв,  кВт/ч

0,41

3,34

11,25

26,66

52,07

Рисунок 3. – График зависимости iр(ф)= ƒ(Nр(ф)дв)  для стальных и чугунных труб диаметром 200 мм

Анализ графиков, приведенных на рисунке 3, позволяет сделать следующие выводы:

– чем больше значение iф для стальных и чугунных труб, тем меньше значение их фактического внутреннего диаметра  dфвн   из-за  влияния толщины слоя отложений на внутренних стенках и тем больше фактические энергозатраты насосного оборудования Nфдв на преодоление гидравлических сопротивлений по длине;

– величины расчетного внутреннего диаметра новых стальных и чугунных труб отличаются на 2 % (табл. 2). А толщина слоя внутренних отложений ∆, при транспортировании воды одного и того же качества за один и тот же период времени, изменяется на 20 % (∆ст = 0,020 м   ∆чуг = 0,025 м) или в 1,25 раза.

Поэтому фактические значения dфвн для стальных и чугунных труб будут также отличаться (табл. 2);

– обоснование необходимости разработки проектов реконструкции металлических трубопроводов систем водоснабжения производится по расчетному (по формуле (1)) значению величины коэффициента эффективности их использования Кэф, позволяющей прогнозировать остаточную продолжительность использования трубопроводов Тисп  на стадии их жизненного цикла «Эксплуатация», а также планировать очередность замены изношенных металлических труб на трубы из полимерных материалов, не подверженных образованию отложений на внутренней поверхности.

– анализ характеристик гидравлического потенциала стальных и чугунных труб, приведенных в таблице 2, показывает, что в соответствии с рекомендациями работы [1] стальные и чугунные трубопроводы диаметром 200 мм в городе «П» достигли своего запредельного состояния, так как Кстэф=3,17 и Кчугэф= 4,44, то есть трубопроводы этого диаметра использовать – недопустимо, и требуется разработка проектов их реконструкции.

Таким образом, приведенные значения величин гидравлического критерия Кэф для стальных и чугунных труб подтверждают необходимость их замены на трубы из полимерных материалов, выбор которых должен производиться по разработанным критериям выбора материалов труб [7].

 

Список литературы

  1. Продоус О.А. Зависимость продолжительности использования металлических трубопроводов систем водоснабжения от толщины слоя отложений на внутренней поверхности труб. // Сборник докладов XV Международной научно-технической конференции «Яковлевские чтения» 2020. Москва: Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. – С. 113–117.
  2. Продоус О.А., Мурлин А.А., Иващенко В.В. Системный подход при замене       изношенных трубопроводов водоснабжения и водоотведения. // «Водоочистка.       Водоподготовка. Водоснабжение». 2018/11 (131). – C. 36-40.
  3. Статистика утечек из металлических сетей водоснабжения по стране. // https://www.xn--80aadbki6adhshb.xn--p1ai/8-aboutcompany/3-benchmarking
  4. Воинцева И.И., Новиков М.Г., Продоус О.А. Продление периода эксплуатации трубопроводов систем водоснабжения из стальных и чугунных труб. // НТ журнал «Инженерные системы «АВОК – Северо-Запад», 2019, № 1. – С. 44–47.
  5. Дикаревский В.С., Якубчик П.П., Продоус О.А., Смирнов Ю.А. Резервы экономии электроэнергии при транспортировании воды по водоводам из железобетонных труб. // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара «Рациональное использование воды и топливно-энергетических ресурсов в коммунальном водном хозяйстве», (Алма-Ата, 6-8 августа 1985 г.) - М.: КСМ ВСНТО, 1985. – С. 90–92.
  6. Шевелев Ф.А. Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. Справочное пособие. –10-е изд., дополненное. // М.: ООО «Издательский Дом «Бастет», 2014. – 384 с.
  7. Продоус О.А. Мурлин А.А., Иващенко В.В. Критерии выбора материалов труб для напорных трубопроводов коммунального и промышленного водоснабжения. // Материалы X Юбилейной Международной научно-практической конференции «ТЕХНОВОД-2017» «Технологии очистки воды», 5-6 октября 2017, Астрахань. –  С. 101–105.