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

Влияние колебаний значений параметров, входящих в нормативную зависимость СП 40-102-2000, на величину потерь напора в трубах из разных полимерных материалов

О. А. Продоус, генеральный директор ООО «ИНКО-инжиниринг»

В зависимости от технологий производства труб из разных полимерных материалов изменяется шероховатость их внутренней поверхности, что приводит к изменению коэффициента эквивалентной шероховатости, входящего в нормативную зависимость СП 40-102-2000 для гидравлического расчета труб из полимерных материалов. Следствием этого является изменение величины потерь напора по длине трубопроводов.

Предложено разработать в нормативную зависимость СП 40-102-2000 значения величин коэффициентов эквивалентной шероховатости для труб из разных полимерных материалов.

Ключевые слова: шероховатость труб из полимерных материалов, гидравлический расчет, потери напора.

Целью гидравлического расчета трубопроводов из разных видов полимерных материалов является определение величин потерь напора на трение по длине для последующего выбора характеристик насосов, транспортирующих жидкость на расстояние [1, 3].

Эксплуатационной характеристикой любого трубопровода, транспортирующего воду, является его гидравлический потенциал или совокупность значений фактического расхода при заданном давлении q_ф, л/с, фактической скорости потока жидкости V_ф, м/с и фактических потерь напора на трение по длине трубопровода i_ф , мм/м [2].

Значения характеристик гидравлического потенциала трубопроводов из разных видов труб из полимерных материалов зависят от технологий производства труб и от значений технологических допусков на толщину стенок e и допусков на номинальный наружный диаметр d_{н ,} предусмотренных стандартами на выпускаемые трубы из разных полимерных материалов [2, 3].

Поэтому величины фактических значений q_ф , V_ф и i_ф определяют точность гидравлического расчета труб из разных полимерных материалов. Фактическая средняя скорость потока V_ф определяется по заданному расходу q по формуле:

, м/с, (1)

где:

  — площадь живого сечения труб, м².

q — заданный расход жидкости, м³/с;

 — фактический внутренний диаметр труб, м;

Так как величины фактических внутренних диаметров труб зависят от величин технологических допусков на толщину стенок труб e и допусков на их номинальный наружный диаметр d_н, поэтому значения величин допусков и определяют фактическую толщину стенки трубы e_ф и величину их номинального фактического наружного диаметра . На рис. 1 приведены геометрические характеристики труб из полимерных материалов.

Рис. 1. Геометрические характеристики труб

м. (2)

Гидравлический расчет трубопроводов из полимерных материалов в соответствии с требованиями норматива [1] производится по двум критериям: фактическому числу Рейнольдса и фактическим удельным потерям напора 1000i_ф по длине.

Фактическое число Рейнольдса определяется по формуле:

  (3)

где:

V_ф — фактическая средняя скорость потока, м/с;

  — фактический внутренний диаметр, зависящий от величин значений технологических допусков на толщину стенок труб и их номинальный наружный диаметр, м [4];

υ — коэффициент кинематической вязкости воды, зависящий от температуры, м²/с [2].

Действующими стандартами на трубы из разных видов полимерных материалов также установлены технологические допуски на толщину стенок труб и их номинальный наружный диаметр. Поэтому фактический внутренний диаметр труб, произведенных по разным технологиям,  должен учитывать значения этих допусков, так как его величина повлияет на величину фактически транспортируемого расхода q_ф и фактические потери напора по длине трубопровода [4] i_ф.

Фактические удельные потери напора на трение по длине трубопровода 1000i_ф определяются по формуле Дарси-Вейсбаха [2]:

  мм/м, (4)

где:

λ — коэффициент гидравлического сопротивления трения по длине, зависящий от значения фактического числа Рейнольдса Re_ф и от значения измеренного прибором высотного параметра шероховатости стенок труб Ra [3, 4];

g — ускорение свободного падения, м/с².

Расчет значения λ производится по нормативной зависимости [1], имеющей упрощенный вид [1, 5]:

 , (5)

где:

  — некоторое число подобия режимов движения жидкости.

 При условии b>2, значение b принимают равным b = 2;

lg Re_ф — фактическое число Рейнольдса;

 — число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной

области гидравлических сопротивлений;

К_э — коэффициент эквивалентной (гидравлической) шероховатости, м, со значением

К_э ≥ 0,00001 м, рекомендованным нормативом [1], зависящим от значения величины шероховатости стенок труб, характеризуемой значением высотного параметра шероховатости Ra, м [2, 3];

 — число подобия параметров трубопровода, отражающее изменение значений фактического внутреннего диаметра труб и изменение значений высотного параметра шероховатости стенок труб Ra;

 — фактор, характеризующий изменение фактического расхода q_ф, в зависимости от изменения значений фактического внутреннего диаметра  , связанного с влиянием технологических допусков на толщину стенок e и номинального наружного диаметра труб d_н

 , м, (6)

где:

d_н — номинальный наружный диаметр по стандарту, м;

e — толщина стенок труб по стандарту, с учетом допусков.

Таким образом, расчет значения λ сводится к определению значений трех параметров: b, m и n, определив которые по формуле (5), подсчитывают значение λ и далее по формуле (4) фактические удельные потери напора 1000 i_ф.

Между К_э и Ra экспериментально установлена математическая зависимость, имеющая вид [2, 3]:

  м. (7)

Доказано, что, измерив с помощью приборов значение высотного параметра шероховатости Ra, можно без проведения трудоемких гидравлических экспериментов рассчитать по формуле (5) значение величины коэффициента гидравлического сопротивления λ. Затем, подставив его в формулу (4), произвести расчет удельных потерь напора 1000 i_ф.

В настоящее время в стране и за рубежом серийно выпускаются трубы из следующих видов полимерных и металлополимерных материалов:

— полиэтиленовые ПНД по ГОСТ 18599-2001,
Ra = 0,410 мкм;

— поливинилхлоридные ПВХ по ГОСТ 52134-2013 и из молекулярно-ориентированного ПВХ по ГОСТ 56927-2016, Ra = 0,350 мкм;

— стеклопластиковые по ГОСТ 32415-2013, Ra = 0,370 мкм;

— — стальные электросварные прямошовные с внутренним полимерным покрытием «Амеркот-391» по ГОСТ 20295-85, Ra = 0,298 мкм;

— чугунные раструбные из высокопрочного чугуна ВЧШГ с шаровидным графитом с внутренним и наружным полиуретановым покрытием по EN545-2010, Ra = 0,304 мкм.

Для приведенных материалов по 30 исследованным образцам труб разного диаметра были установлены (измерены) значения высотной характеристики шероховатости стенок труб Ra и по формуле (7) рассчитаны значения коэффициента эквивалентной шероховатости К_э. Результаты исследований и расчетов представлены в таблицах 1 и 2.

Из табл. 1 и 2 следует, что для труб из разных полимерных материалов, в зависимости от технологий их производства, изменяется значение величин параметров Ra в диапазоне от Ra = 0,25÷0,43 мкм, то есть на 41,86%, или в 1,72 раза.

Это приводит к изменению значений величин коэффициентов эквивалентной шероховатости в диапазоне К_э = 0,316÷0,650 мкм, то есть на 51,38%, или в 2,06 раза.

Следствием этого является изменение значений величин потерь напора в трубах из разных полимерных материалов.

В табл. 3 представлены результаты расчета характеристик гидравлического потенциала труб при фактических значениях К_э с учетом влияния технологических допусков на толщину стенок труб и их номинальный наружный диаметр.

Покажем это на примере. По трубам диаметром 630 мм транспортируется заданный расход q = 0,300 м³/с при t = 10 °C (υ = 0,00000131 м²/с). В табл. 3 представлены результаты гидравлического расчета труб диаметром 630 мм из разных полимерных и металлополимерных материалов.

Приведем для сравнения аналогичный гидравлический расчет труб при условии, что значение К_э соответствует нормативному   м. Результаты сравнения сведем в табл. 4.

Сравнение значений удельных потерь напора 1000 i (табл. 4), рассчитанных с использованием нормативного значения   и фактического   показывает, что для труб из разных полимерных материалов, при одних и тех же фактических значениях i_ф условия сравнения, процент расхождения стремится в меньшую сторону в диапазоне значений меньших (3,09 ÷5,76) %. То есть фактические удельные потери напора 1000 i_ф для сравниваемых труб всегда больше, чем потери напора, рассчитанные с использованием нормативного значения К_э = 0,00001 м.

Поэтому при выборе характеристик насосного оборудования для трубопроводов из разных полимерных материалов это обстоятельство необходимо обязательно учитывать.

Вывод

Требуется разработать и внести изменения в действующий стандарт СП 40-102-2000, касающиеся значений величины коэффициента эквивалентной шероховатости К_э для труб из разных полимерных материалов, влияющего при гидравлическом расчете на величину значений потерь напора по длине и на выбор характеристик насосного оборудования для транспортирования воды на расстояние.

Литература

1. СП 40-102-2000 Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования. // М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2001.
2. Продоус О. А. Прогнозирование потерь напора в трубопроводах из разных полимерных материалов // Журнал «Водоснабжение и санитарная техника», № 11, 2018. — С. 60–64.
3. Продоус О. А. Таблицы для гидравлического расчета труб напорных из полиэтилена. Справочное пособие. Издание 3-е — дополненное. // СПб.: ООО «Свое издательство», 2017. — 240 с. ил.
4. Продоус О. А., Терехов Л. Д. Пропускная способность напорных трубопроводов из полимерных материалов // Журнал «ВВВ», № 2019/5 (137). — С. 52–56.
5. Продоус О. А., Васильева М. А. Упрощенный вид нормативной зависимости для проведения гидравлических расчетов трубопроводов из полимерных материалов // Журнал «Водоснабжение и санитарная техника», № 9, 2017. — С. 53–55.

Скачать PDF версию Статьи «Влияние колебаний значений параметров, входящих в нормативную зависимость СП 40-102-2000, на величину потерь напора в трубах из разных полимерных материалов»