Новый подход к гидравлическому расчету металлических трубопроводов водоснабжения с отложениями на их внутренних стенках

О. А. Продоус,  генеральный директор ООО «ИНКО-эксперт», Санкт-Петербург

П. П. Якубчик, профессор  ФГБОУ ВО ПГУПС Императора Александра I , Санкт-Петербург

Предложена структура таблиц для гидравлического расчета металлических трубопроводов из стали и серого чугуна с внутренними отложениями. Показано, как и с помощью чего определяется фактическая толщина слоя внутренних отложений в трубах. На основе проведения статистического анализа данных по разным регионам страны установлен диапазон значений толщины слоя отложений, по которому составлены таблицы для гидравлического расчета металлических труб. Приведен уточненный вид расчетных формул.

Ключевые слова: трубы из стали и серого чугуна, внутренние отложения, гидравлический расчет, структура формул.

Металлические трубы из стали и серого чугуна в процессе жизненного цикла «Эксплуатация» способны покрываться внутренними отложениями в зависимости от качества транспортируемой к нам питьевой воды.

На рис. 1 представлен фрагмент внутренних отложений в стальных а) и чугунных  трубах б).

Рис. 1. Фрагмент внутренних отложений в стальных и чугунных трубах

а) стальные трубы

б) трубы из серого чугуна

d_{p = dn — 2Sp}, м,     (1)

где:

 _dn — наружный диаметр труб по стандарту, м;

 S_p— расчетная толщина стенки трубы по стандарту, м;

 S_ф — фактическая толщина стенки трубы с отложениями, м;

σ — фактическая толщина слоя внутренних отложений, м;

 d_p — расчетный внутренний диаметр труб по ГОСТ, м;

— фактический внутренний диаметр труб с отложениями, м.

Оценка значений толщины фактического слоя внутренних отложений σ, полученных из разных регионов страны, показала, что эти значения зависят от физико-химического состава воды, режима движения потока и возраста водопровода [1].

Исследованиями авторов установлено, что толщина слоя внутренних отложений на стенках металлических труб существенно влияет на гидравлические потери в водопроводах по их длине [2]. Толщина фактического слоя отложений σ приводит к уменьшению внутреннего диаметра труб

и увеличению средней скорости V_ф движения воды.

Следует отметить, что применяемые в настоящее время таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб, составленные авторами Ф. А. Шевелевым и А. Ф. Шевелевым [3], учитывают фиксированную толщину слоя внутренних отложений, равную σ = 1,0 мм. Вместе с тем опытом эксплуатации металлических водопроводов подтверждено увеличение толщины слоя фактических внутренних отложений до 35 мм и более. Поэтому использование указанных таблиц для гидравлического расчета неновых металлических труб недопустимо, так как при других значениях σ_ф, отличных от σ = 1,0 мм, расхождение значений i_табл.  может превышать i_ф в 12 и более раз.

Авторами на основании многочисленных исследований [4, 5] предложены новые зависимости для определения фактических значений гидравлического уклона i_ф, учитывающие фактическую толщину слоя внутренних отложений на стенках труб. По этим зависимостям составлены новые таблицы для гидравлического расчета водопроводов из неновых (стальных и чугунных) труб [6], структура которых имеет следующий вид:

В разработанных таблицах экспертно принято значения σ:

• для стальных водопроводных труб по ГОСТ 3262-75 в диапазоне значений

σ = 1÷30 мм;

• для стальных электросварных труб по ГОСТ 10704-91 в диапазоне значений σ = 1÷30 мм;
• для чугунных труб из серого чугуна по ГОСТ 9583-75 в диапазоне значений σ = 1÷30 мм;

Для новых труб из стали и серого чугуна расчетный внутренний диаметр определяется по формуле (1) (рис.1).

Расчетные значения толщины слоя внутренних отложений приняты с учетом информации, полученной от предприятий из разных регионов страны, эксплуатирующих водопроводные сети из металлических труб.

Новые таблицы составлены по расчетным формулам профессора Ф. А. Шевелева [7], уточненным за счет введения в расчет значений фактической толщины слоя внутренних отложений на стенках труб, изменяющегося в процессе эксплуатации сетей водоснабжения из стали и серого чугуна, измерения которого производятся сертифицированным толщиномером [8].

Для гидравлического расчета водопроводных труб применяется формула:

       (2)

где:

i_ф — фактический гидравлический уклон, мм/м (м/м);

λ — безразмерный коэффициент гидравлического сопротивления;

 — фактический внутренний диаметр труб, м;

V_ф — средняя фактическая скорость движения воды, м/с;

q — ускорение свободного падения, м/с²;

(3)

где:

σ = S_ф – S_р — толщина фактического слоя внутренних отложений, м;

S_ф — толщина слоя трубы с отложениями, м (рис 1а, б).

С учетом формулы (3) формула (2) приобретает вид:

(4)

где:

λ для неновых стальных и чугунных труб определяется по формуле [3];

Vср_ф— средняя скорость движения воды с учетом фактической толщины слоя отложений на стенках труб, м/с, определяется по формуле:

где:

q — заданный (измеренный) расход, м³/с

Ф. А. Шевелевым на основании экспериментальных данных для неновых стальных и чугунных труб с толщиной слоя фактических внутренних отложений σ = 1,0 мм, были выведены расчетные формулы, имеющие вид:

где:

V_ф — фактическая средняя скорость движения воды, м/с;

d_ф — фактический внутренний диаметр труб с внутренними отложениями

σ = 1,0 мм.

Исследования труб с другой толщиной слоя внутренних отложений Ф. А. Шевелевым и другими авторами не проводились.

Авторами разработаны уточненные расчетные зависимости для определения фактического гидравлического уклона i_ф, учитывающие толщину слоя внутренних отложений на стенках труб:

По формулам (7) и (8) составлены новые таблицы для гидравлического расчета неновых металлических (стальных и чугунных) труб [6] для всего диапазона диаметров, регламентированных ГОСТ 3262-75, ГОСТ 10704-91 и ГОСТ 9583-75.

Таким образом, новый подход к расчету металлических трубопроводов водоснабжения сводится к использованию при гидравлическом расчете труб расчетных формул, учитывающих значение фактической толщины слоя их внутренних отложений σ.

Использование этих таблиц в практических расчетах приводит к высокой точности определения потерь напора в водопроводах из стали и серого чугуна, что позволит принять к установке более эффективные насосные агрегаты, обеспечивающие требуемые значения параметров системы водоснабжения по расходу и напору у потребителя.

Литература

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: МИСИ-МГСУ, 2020. — С. 113–117.
2. Продоус О. А., Шипилов А. А., Терехов Л. Д., Якубчик П. П. Анализ погрешностей при гидравлическом расчете металлических трубопроводов водоснабжения с использованием справочных пособий Ф. А. Шевелева // Журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение», 2021/2 (158). — С. 50–55.
3. Шевелев Ф. А., Шевелев А. Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. Справочное пособие. 11-е издание — дополнение // М.: «Издательский Дом и Бастет». 2016. — 428 с.
4. Продоус О. А., Терехов Л. Д., Якубчик П. П., Черных А. С. Техническое регулировании 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.
5. Продоус О. А., Шипилов А. А., Якубчик П. П. О необходимости разработки таблиц для гидравлического расчета измененных металлических трубопроводов водоснабжения с разной толщиной слоя внутренних отложений // Журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение», 2021/3 (159). — С. 48–52.
6. Продоус О. А., Шипилов А. А., Якубчик П. П. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб из стали и серого чугуна с внутренними отложениями. Справочное пособие. 1-е издание // М. Издательство «Перо», 2021. — 238 с. ил.
7. Шевелев Ф. А. Исследование основных гидравлических закономерностей турбулентности движения в трубах // М.: Госстройиздат; 1953. — 208 с.
8. Портативный расходомер жидкости Transport РТ 878. Руководство по эксплуатации // http://portaflow.ru/wp-content/uploads/2013/04/pt878_manual_rus.pdf

Скачать PDF-версию статьи «Новый подход к гидравлическому расчету металлических трубопроводов водоснабжения с отложениями на их внутренних стенках»

Взаимосвязь экологичности, безопасности и энергоэффективности при использовании ЭВМ в системах водотеплоснабжения

М. Н. Торопов, к. т. н., заведующий лабораторией «Электропоезда и локомотивы» Российского университета транспорта (РУТ МИИТ)

А. С. Селиванов, старший преподаватель кафедры «Теплоэнергетика железнодорожного транспорта» Российского университета транспорта (РУТ МИИТ)

И. Е. Перков, технический эксперт АО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (АО «ВНИИЖТ»)

Н. В. Васильев, инженер Российского университета транспорта (РУТ МИИТ)

Проанализирована взаимосвязь технологических и технических параметров, в том числе экологичности, безопасности и энергоэффективности при использовании энергетического метода водоподготовки (ЭМВ) на объектах тепловодоснабжения транспортного комплекса (ремонтные предприятия, подвижной состав) на основе обширного материала, полученного от применения перспективной технологии в течение последних 12—15 лет.

Если оценивать традиционные способы водоподготовки в системах водотеплоснабжения (а в основном это способы очистки систем от накипно-коррозионных отложений), то можно отметить, что при их использовании достигается некоторое уменьшение расхода ТЭР, но при постоянном применении реагентов, адсорбентов, энергии, оборудования. Зачастую для достижения положительных результатов требуется использовать не одну, а несколько технологий [1, 2].

При этом возникают и нерешаемые проблемы (табл. 1), а именно:

• отсутствие длительной защиты, безнакипного режима;
• невозможность устранения утечек, тепловых потерь, уменьшения объема сточных вод и концентрации вредных компонентов в выбросах в атмосферу, приведения параметров водно-химического режима (ВХР) к требованиям нормативных документов [3].

Таблица 1. Нерешаемые проблемы при использовании традиционных методов водоподготовки в системе водотеплоснабжения

Причем неукоснительное соблюдение нормативных параметров определяет как безопасность, так и экономичность работы системы (рис. 1).

Рис. 1. Безопасность определяет экономичность

К тому же длительное их несоблюдение обуславливает нарушение безопасной эксплуатации и получение низких экономических показателей. Отчетливо прослеживается следующая технологическая цепочка: отложения — температурные напряжения — исчерпание упруго-пластических свойств материалов — коррозия — разрушение. В данном случае и низкие экономические показатели, а именно — 18% перерасхода ТЭР.

Это приводит к выходу из строя теплоэнергетического оборудования (котлов, ЦТП, трубопроводов), к возможности травм и увечий (сквозное коррозионное повреждение деаэратора (рис. 2) [4]).

Рис. 2. Состояние теплоэнергетического оборудования при несоблюдении нормативных параметров ВХР

Как это отразится на энергоэффективности, показано на рис. 3.

Рис. 3. Влияние несоблюдения параметров ВХР на энергоэффективность работы теплоэнергетических систем

В данном случае из 104 дымовых труб первого хода — заглушено 35. При этом экономичность уменьшается на 18,5%. При толщине отложений порядка 2 мм на поверхности, контактирующей с жидкостью, это еще 18%. Итого налицо перерасход ТЭР на 36,5%.

На практике следует также учитывать, какая вода залита в оборудование. На рис. 4–5 представлена география распространения наших технологий как в РФ, так и за рубежом (системы заправки вагонов водой).

Рис. 4. География распространения ЭМВ на ремонтных предприятиях транспортного комплекса

Рис. 5. География распространения ЭМВ на системах водотеплоснабжения и калориферных ветвях пассажирских вагонов

При этом оценивались коррозионная агрессивность воды и ее интенсивность накипеобразования (рис. 6–7).

Рис. 6. Коррозионная агрессивность воды, используемой в системах водотеплоснабжения ремонтных предприятий и подвижного состава в различных регионах РФ

Рис. 7. Интенсивность накипеобразования воды, используемой в системах водотеплоснабжения ремонтных предприятий и подвижного состава в различных регионах РФ

Причем из девяти существующих классов воды мы встретились и работали с семью. Скорость коррозии превышала аварийные значения (0,2 мм в год) в 1,3–8,0 раза, интенсивность накипеобразования — в 2,0–6,0 раза. Толщина отложений варьировалась от 2,0 до 12,0 мм. Состояние системы, а точнее, водной среды до обработки, определяет и индивидуальный подход к применению водоподготовки для того или иного объекта, тем самым гарантируя качество обработки.

При этом следует учитывать, что электрохимическая коррозия сопровождается биокоррозией, вызываемой целым рядом бактерий, в том числе и железопродуцирующими и грибами. По данным Института микробиологии РАН, она присутствует в тепловых сетях до температур 80–85 °С [5-6]. Так выглядит биокоррозия на металлических конструкциях (рис. 8).

Рис. 8. Вид биокоррозионного повреждения металлических конструкций в системе охлаждения дизелей тепловозов

Причем биокоррозия устраняется только окислителями, а не ингибиторами, как электрохимическая коррозия. Ингибиторами она только усиливается и вызывает разрушение конструкции вследствие появления отложений и температурных напряжений при перегреве. Есть ли она на пластике? Да, есть. Приведем сравнительные технологические характеристики трубопроводов из черных металлов и пластика (табл. 2).

Таблица 2. Некоторые сравнительные технологические характеристики трубопроводов из черных металлов и пластмассы

* В. Н. Бернадский, О. К. Маковецкая. ИЭС им. Патона. «Сталь и алюминий, основные конструкционные материалы сварочного производства». Технология машиностроения, 2005 г., № 2, стр. 5–21 (стр. 7). В статье, в том числе, представлены расчеты японских специалистов по определению затрат при использовании трубопроводов из черных металлов и пластмасс.

** М. Н. Менча. «Формирование биообрастаний на традиционных материалах оборудования системы питьевого водоснабжения». Сборник докладов 7-го международного конгресса «Вода: экология и технологии», часть 1, стр. 591.

Обращает на себя внимание довольно высокое биообрастание пластика. Вид разрушения пластиковых конструкций приведен на рис. 9.

Рис. 9. Вид разрушений пластиковых конструкций в системах теплоснабжения ремонтных предприятий

А так выглядит биообрастание на пластиковых конструкциях (рис. 10) [7].

Рис. 10. Биообрастание металлопластовых трубопроводов в системе теплого пола

Это образование обнаружено на 12-миллиметровых трубах металлопласта протяженностью порядка 3 км, заполненного низкозамерзающей жидкостью, в теплом полу одного из храмов подмосковного монастыря [7]. Продукты жизнедеятельности продуцирующих в нем железовосстанавливающих бактерий представлены на рис. 11.

Рис. 11. Вид продуктов жизнедеятельности продуцирующих в трубопроводе железовосстанавливающих бактерий

Это скоагулированный магнетит, образовавшийся в пластиковых и металлопластовых трубопроводах, переносимый жидкостью с одного места системы в другое.

Магнетит образовался из низших оксислов железа в результате применения ЭМВ, что выявило возможность существования окислов низшего порядка в жидкости, транспортируемой по металлопласту (пластику), то есть возможность возникновения биокоррозии в пластике.

Справиться со всеми вышеперечисленными проблемами в рамках единой технологии на сегодняшний день может только наш метод. Суть: введение в систему с единым циклом на срок до семи лет химически нейтральных составов (энергентов) ,разрешенных для применения в питьевой воде и прошедших активацию в зависимости от состояния объекта (ВХР, коррозионность среды, склонность ее к накипеобразованию, степень износа) [8]). На рис. 12 приведена структура энергента при сильном его увеличении.

Рис. 12. Структура энергента при сильном его увеличении под электронным микроскопом

Установлено, что за счет перемещения дислокаций в кристаллической решетке энергента образуется электрическое поле, которое накладывается на двойной электрический слой, на границе фаз «металл-пластик», меняя направленность физико-химических процессов на границе раздела. Частицы энергента к тому же обладают магнитострикционным эффектом, вследствие чего происходит разрушение отложений. Процесс удаления разрушенных отложений представлен на рис. 13.

Рис. 13. Механизм удаления разрушенных отложений в результате применения ЭМВ

В результате на поверхности образуется тонкая прочная пленка, состоящая из окислов ряда металлов (рис.14).

Рис. 14. Образование защитной пленки на поверхностях теплоэнергетического оборудования после применения ЭМВ

Для сравнения на рис. 15 приведено состояние теплоэнергетического оборудования до применения ЭМВ.

Рис. 15. Состояние теплоэнергетического оборудования до применения ЭМВ

Обработано более 1000 км тепловых, водопроводных сетей, более 200 паровых, водогрейных котлов, систем водотеплоснабжения и калориферных ветвей более 1500 пассажирских вагонов отечественного производства и фирмы Siemens, работающих как на воде, так и на низкозамерзающей жидкости (рис. 16), системы охлаждения дизелей тепловозов и судов (рис. 17) [9–10].

Рис. 16. Поточная обработка систем водотеплоснабжения пассажирских вагонов в условиях эксплуатационного депо с применением ЭМВ

Рис. 17. Применение ЭМВ на системах теплоснабжения морских судов

Во всех случаях отмечено приведение ВХР в соответствие нормативам, улучшение качества воды, уменьшение объема сточных вод. Резко сокращена скорость коррозии, в некоторых случаях более чем в 250 раз (рис. 18). Срок наблюдения за некоторыми объектами — порядка девяти лет.

Рис. 18. Динамика уменьшения скорости коррозии в системе теплоснабжения одного из московских вокзалов в результате применения ЭМВ

Метод применим для уменьшения скорости коррозии на затопленных объектах, в морской и пресной воде, о чем было доложено в Институте океанологии РАН [11].

Что касается выбросов в окружающую среду. Они были сокращены в результате применения ЭМВ в 1,5–2,0 раза (табл. 3).

Таблица 3. Результаты анализов отходящих газов в одной из мазутных котельных до и после применения ЭМВ

Некоторые результаты по уменьшению выбросов после применения ЭМВ приведены на рис. 19.

Рис. 19. Уменьшение выбросов после применения ЭМВ

А вот так выглядят качественные импортные котлы при недостаточной водоподготовке (рис. 20).

Рис. 20. Состояние внутренней поверхности парового котла в случае недостаточной водоподготовки

Отказ от традиционных способов водоподготовки с ионным обменом исключает расходы химикатов на регенерацию, уменьшает сброс сточных вод. Проверить это было несложно на тех котлах, которые и без того работали без химводоподготовки.

И, наконец, тот самый теплый пол. После обработки температура воздуха в храме увеличилась на 10 °С. Произошла полная очистка системы (рис. 21–22).

Рис. 21. Средняя температура теплого пола до применения ЭМВ

Рис. 22. Средняя температура теплого пола после применения ЭМВ

В первом случае температура теплоносителя была 47 °С, во втором 37 °С, что свидетельствует об энергоэффективности обработки.

Заключение

1. Метод применим для всех видов конструкционных материалов, всех видов жидкости, транспортируемых по системам.
2. В рамках единой технологии уменьшаются электрохимическая, микробиологическая, внутрикристаллическая коррозия, в том числе и нержавеющих сталей.
3. Уменьшается на 9–30% расход ТЭР, на 10–20% — расход электроэнергии на транспортировку жидкости, на 10–15% — расход теплоты. Ресурс стальных трубопроводов увеличивается до 50–70 лет.
4. В 1,5–2,5 раза уменьшается выброс веществ в атмосферу, количество сточных вод. Возможна работа без использования солей, сильных кислот на регенерацию ионообменных фильтров.

Скачать PDF-версию статьи «Взаимосвязь экологичности, безопасности и энергоэффективности при использовании ЭВМ в системах водотеплоснабжения»