Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Оценка эксплуатационного состояния металлических водопроводов с внутренними отложениями

О. А. Продоус, независимый эксперт по водоснабжению и канализации

В статье приводятся критерии оценки эксплуатационного состояния металлических водопроводов из стали и серого чугуна, которые в процессе жизненного цикла «Эксплуатация» изменяют значения гидравлических характеристик труб, что приводит к росту энергопотребления насосных агрегатов.

Ключевые слова: металлические водопроводы, потери напора в трубах, эксплуатационное состояние, внутренние отложения.

Длительным опытом эксплуатации металлических водопроводов из стали и серого чугуна подтверждено, что их внутренняя (рабочая) поверхность труб покрывается слоем отложений, толщина которых изменяется вследствие протекания процессов электрокоррозии и биокоррозии труб, влияющих на эксплуатационное состояние металлических водопроводных труб.

В Терминологическом словаре по наружным сетям водоснабжения и канализации [1] установлен термин — эксплуатационное состояние водопроводной сети. Это состояние рабочей поверхности труб, характеризуемое значениями фактических характеристик и гидравлического потенциала:

То есть при наличии слоя внутренних отложений δ_ф (рис. 1) изменяется эксплуатационное состояние труб.

Рис. 1 Эксплуатационное состояние стального водопровода диаметром 300 мм: 1 — поверхностный слой отложений; 2 — плотное ядро; 3 — средний (плотный) слой отложений; 4 — плотная подошва отложений.

Из рис. 1 следует вывод — чем больше слой внутренних отложений в водопроводе, тем хуже его эксплуатационное состояние. Следовательно, требуется установить предельное значение характеристик гидравлического потенциала труб, превышение которых послужит сигналом к прекращению процесса эксплуатации водопроводной сети с заменой труб на новые [2] и предложить критерии для оценки эксплуатационного состояния изношенных водопроводных труб.

В работе [3] рекомендовано давать количественную оценку эффективности эксплуатации изношенных металлических водопроводных труб по безразмерному коэффициенту эффективности эксплуатации сети:

где:

 — значения расчетных (паспортных) характеристик гидравлического потенциала новых труб из стали и серого чугуна;

— фактические значения характеристик гидравлического потенциала изношенных труб на момент оценки.

В табл. 1 предлагается классификация диапазона значений К_эф, характеризующая эксплуатационное состояние изношенных металлических водопроводных труб.

Таблица 1. Классификация эксплуатационного состояния изношенных металлических водопроводных труб

Предложенная в табл. 1 классификация эксплуатационного состояния металлических водопроводных труб позволяет в полной мере оценивать по значению К_эф значения характеристик их гидравлического потенциала , V_ф, i_ф [формула (1)].

Таким образом, оценка эксплуатационного состояния изношенных металлических водопроводных труб должна производиться по значению гидравлического коэффициента эффективности эксплуатации сети К_эф с учетом фактической толщины слоя внутренних отложений в трубах δ_ф (рис. 1). Гидравлический расчет изношенных металлических водопроводных сетей подробно описан в работе [1] и требует для расчета гидравлических характеристик труб точного значения (замера) фактической толщины слоя внутренних отложений δ_ф в трубах конкретного диаметра и вида материала труб (сталь или серый чугун).

Для облегчения гидравлического расчета фактических значений металлических водопроводных труб с отложениями в 2021 году было выпущено специальное Справочное пособие [4], в котором на основе экспертного мнения специалистов из разных диапазонов страны установлен диапазон фактических значений толщины слоя внутренних отложений в трубах из стали и серого чугуна.

К_эф характеризует гидравлическую эффективность использования водопровода и является отношением расчетных значений характеристик гидравлического потенциала труб по проекту к значениям тех же характеристик для изношенных труб, находившихся длительное время в эксплуатации.

Изменение во времени толщины слоя внутренних отложений на стенках стальных труб δ_ф (рис. 1) приводит к изменению значений характеристик и гидравлического потенциала, то есть значений:

• d_{ф вн-} фактического внутреннего диаметра труб;
• V_ф – фактической скорости воды;
• i_ф – фактических потерь напора по длине за счет наличия толщины слоя отложений δ_ф, оказывающих дополнительное сопротивление движению потока.

Рис. 2 Эксплуатационное состояние стального водопровода

Основное влияние на значение величины фактических потерь напора iф оказывает структура слоя внутренних отложений на рабочей поверхности, по которой перемещается поток жидкости. Структура этого слоя оказывает доминирующее влияние на величину энергозатрат насосных агрегатов, подающих воду потребителям [2].

В работах [3] установлено, что при схожих условиях эксплуатации морфологическое строение исследованных авторами образцов труб характеризуется наличием (со стороны металла) четырех отдельных областей: рыхлого ядра на подошве, перекрытого твердым слоем «скорлупы» и тонкого поверхностного рыхлого слоя над «скорлупой» (рис. 1). Однако, до настоящего времени, исследований влияния морфологического строения слоя внутренних отложений металлических труб на потери напора и другие характеристики гидравлического потенциала – никем не проводились.

Фактические потери напора по длине i_ф для изношенных стальных и чугунных труб рекомендуется определять по формуле профессора Ф. А. Шевелева, имеющей вид:

С учетом [4], формула (2) приобретает вид:

где:

V_Ф – фактическая скорость потока в трубе с отложениями, м/с;

d_н – наружный диаметр трубы по ГОСТ, м;

S_р – толщина стенки трубы по ГОСТ, м;

δ_ф – фактический (измеренный) слой отложений, м.

Исследованиями Продоуса О. А. и других установлена зависимость остаточной продолжительности использования Т_исп металлических трубопроводов без покрытий от толщины слоя внутренних отложений δ_ф на стенках труб [1, 6].

Анализ разработанной методики прогнозирования периода остаточной продолжительности эксплуатации металлических водопроводов позволяет установить три зоны, характеризующие гидравлическую эффективность действующих водопроводов с учетом эксплуатационного состояния труб:

при 0,9 К_эф  1 – зона удовлетворительного использования металлических труб с периодом продолжительности до 5-ти лет;

при 0,8 К_эф  0,9 – зона энергозатратного использования труб, при которой их дальнейшая эксплуатация – нецелесообразна;

при 0,8 К_эф – зона недопустимой эксплуатации труб, при которой их износ достиг предельного состояния с гидравлической точки зрения.

Проведенный анализ эксплуатационного состояния металлических водопроводных труб с внутренними отложениями позволяет рекомендовать:

• в процессе использования стальных и чугунных труб без покрытий не реже одного раза в год производить контроль толщины слоя внутренних отложений δ_ф с помощью аттестованных переносных расходомеров в комплекте с толщиномером [7];
• определять (рассчитывать) значение величины коэффициента эффективности использования трубопровода К_эф. по величине которого прогнозировать остаточную продолжительность его дальнейшего использования, согласно разработанной методике [1, 6].
• На основе анализа характеристик гидравлического потенциала металлических трубопроводов с разной толщиной слоя внутренних отложений δ_ф разработать дополнение к справочному пособию [4] для гидравлического расчета металлических водопроводных труб с внутренними отложениями, с учетом значений К_эф;
• Предложить Минстрою РФ и «Росстандарту РФ» разработать в 2024 году новый стандарт ГОСТ Р Качество воды. Оценка технологической безопасности и гидравлической эффективности водопроводных труб.

ЛИТЕРАТУРА

1. Продоус О. А., Якубчик П. П., Шлычков Д. И. Особенности гидравлического расчета водопроводов из металлических, полимерных и металлополимерных труб. Терминологический словарь по наружным сетям водо-снабжения и канализации. Научное издание. // Издательство «Перо». Санкт-Петербург. 2023. – 288 с. ил.
2. Продоус О. А., Якубчик П. П., Балашов С. С. Предельно допустимая толщина слоя внутренних отложений в металлических водопроводах для прекращения их дальнейшей эксплуатации. // Инженерные системы АВОК Северо-Запад № 3 2023. – С. 46-50.
3. Продоус О. А., Шлычков Д. И., Якубчик П. П. Причины и последствия изменения значений гидравлических характеристик металлических сетей водоснабжения и водоотведения в процессе их эксплуатации. // «Градостроительство и архитектура». Самара. 2023. Т.13, № 3. – С. 42-49.
4. ПродоусО. А., Шипилов А. А., Якубчик П. П. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб из стали и серого чугуна с внутренними отложениями. Справочное пособие I-е издание. // Издательство ООО «Перо», Санкт-Петербург, Москва. 2021. – 238 с. ил.
5. Шевелев Ф. А., Шевелев А. Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. Справочное пособие. //Издательский дом «Бастет», М.: 2020. – 428 с. ил.
6. Продоус О.А., Шлычков Д.И., Якубчик П.П., Пархоменко С.В. Влияние толщины слоя внутренних отложений в трубопроводах систем водоснабжения и водоотведения на продолжительность периода их остаточной эксплуатации. //Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 6. – С. 738-746.

Скачать статью «Оценка эксплуатационного состояния металлических водопроводов с внутренними отложениями»