Апробация экспериментального стенда для определения гидравлического сопротивления шероховатой трубы

ANALYSIS OF THE IMPACT OF INTERNAL CORROSION IN THE OPERATION OF PIPELINES

© 2015

S. A. Antsiferov, master

E. A. Usmanova, assistant professor of the chair «Heat, gaz supply, ventilation, water supply and sanitation»

Togliatti State University, Togliatti

Annotation. Welds made with low quality pipes and significant deviations from the specified dimensions and geometrical form, when connected, form ledges which increase the hydraulic resistance of pipelines. Internal corrosion contributes to the decrease in throughput of pipelines and makes it necessary to boost up the pressure created by the pump station. Caused by the changes in hydraulic resistance, the pressure boost depends on the fluid flow rate and affects on the value of the dynamic component of the pump unit thrust, as well as changes the slope of the pipeline. The article describes the scheme and the results of the test stand to determine the hydraulic resistance of the pipeline when using rough pipes. The theoretical basis of hydraulic calculations for rough pipes are presented. On the test bench, we performed a series of measurements to build an experimental network using steel pipes with a length of 5 m, nominal diameter of 25 mm, which had been in operation in the cold water pipeline in a residential home for 30 years. The graphs plotted on the results of experiments and their match in most of the range of measurements with theoretical, allow to draw a conclusion about the possibility of using this stand to determine the actual pressure loss in the selected sample tubes.

Keywords: accident rate, water supply, internal corrosion, hydraulic resistance, corrosion protection, calcareous sediments, oxygen corrosion, mode of operation, pipeline, roughness.

УДК 628.179.34

АПРОБАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ ШЕРОХОВАТОЙ ТРУБЫ

© 2015

С. А. Анциферов, магистрант В. М. Филенков, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция,

водоснабжение и водоотведение» Тольяттинский государственный университет, Тольятти

Аннотация. Основными причинами значительного увеличения гидравлического сопротивления являются внутренняя коррозия, низкое качество материала труб, небрежный монтаж трубопроводов, особенности эксплуатации в агрессивных средах. Например, сварочные швы, выполненные с низким качеством трубы, изготовленные со значительными отклонениями от установленных размеров и геометрической формы, при соединении образуют уступы, которые увеличивают гидравлическое сопротивление трубопроводов. При этом возникают структурные изменения в металле, подвергшемся значительному температурному воздействию. Это, в свою очередь, может явиться предпосылкой к образованию фрагментов поверхности, благоприятной для дальнейшего образования коррозионных повреждений. Внутренняя коррозия способствует снижению пропускной способности трубопроводов, необходимости повышения напора, создаваемого насосной станцией. Повышение напора в результате изменения гидравлического сопротивления зависит от расхода жидкости и влияет на значение динамической составляющей напора, развиваемого насосной установкой, изменяет крутизну характеристики трубопровода. В статье описана схема и результаты испытаний стенда для определения гидравлического сопротивления сети при использовании шероховатых труб. Представлены теоретические основы гидравлического расчёта шероховатых труб. На испытательном стенде проведена серия замеров для построения экспериментальных характеристик сети с использованием стальных труб длиной 5 м, условным диаметром 25 мм, находившихся в эксплуатации в системе холодного водоснабжения жилого дома в течение 30 лет. Построенные по результатам опытов кривые и совпадение их в большей части диапазона измерений с теоретической позволяют сделать вывод о возможности использования данного стенда для определения фактических потерь давления на выбранных образцах труб.

Ключевые слова: гидравлическая характеристика, гидравлическое сопротивление, гидроизоляция, защита от коррозии, испытательный стенд, коррозия, коэффициент трения, режим эксплуатации, центробежный насос, шероховатость.

Проблема. Одной из причин увеличения гидравлического сопротивления труб является их внутренняя коррозия, в результате которой снижается пропускная способность трубопроводов и возникает необходимость в повышении напора, создаваемого насосной станцией, чтобы при повышенном гидравлическом сопротивлении обеспечить подачу того же количества жидкости. Наряду с коррозией источником дополнительного гидравлического сопротивления является низкое качество труб и небрежный монтаж трубопроводов, особенности эксплуатации в агрессивных средах [2, 10, 11]. Сварочные швы, выполненные с низким качеством трубы, изготовленные со значительными отклонениями от установленных размеров и геометрической формы, при соединении образуют уступы, которые увеличивают гидравлическое сопротивление трубопроводов [5].

Цель. Сравнение экспериментальных и теоретических характеристик сети на испытательном стенде для определения гидравлического сопротивления шероховатых труб.

Для реализации цели поставлены научно-технические задачи:

1. Построить экспериментальные характеристики сети.

2. Рассчитать теоретическую характеристику сети.

3. Провести анализ целесообразности использования данного стенда для дальнейших исследований образцов шероховатых труб.

Теоретические сведения. Потери энергии по длине трубопровода вызваны наличием сил вязкости (внутреннего трения) жидкости, на преодоление которых необходимо затрачивать энергию [8, 9]. Потери энергии в местных сопротивлениях обусловлены тем, что жидкости в гидравлической сети приходится менять как направление своего движения, так и скорость этого движения [20].

Численно потерю энергии движущейся жидкости можно выражать как в виде потери напора к (метры столба перекачиваемой жидкости), так и в виде потери давления АР (Па). Между давлением жидкости Р и высотой её столба к существует связь:

Р = рgh,

где р - плотность перекачиваемой жидкости,

кг/м3,

g - ускорение свободного падения, g = 9,8 м /с2.

Для вычисления потерь давления используются эмпирические формулы, полученные обобщением большого числа опытных данных:

М2 р

арм =е

р

2

где АР\ - потеря давления на трение, Па; X - коэффициент трения; I - длина трубопровода, м; й - внутренний диаметр трубопровода, м; w - средняя скорость движения потока, м/с; АРм - потеря давления в данном местном сопротивлении, Па;

р - плотность жидкости, кг/м3; £ - коэффициент данного местного сопротивления.

Гидравлическое сопротивление всей сети вычисляют по формуле (3,а), которая получается при суммировании уравнений (2) и (3):

ар = ГД + м!р

^ ) 2 Из формул (2), (3) и (3,а) следует, что потеря энергии на трение и на местные сопротивления пропорциональна скоростному давлению ^2р)/2, которое является мерой кинетической энергии потока, отнесённой к единице объёма жидкости [17].

Значение средней скорости потока жидкости в трубопроводе связано с сечением, а значит и с диаметром трубы, известным соотношением, которое называется уравнением расхода:

где - площадь сечения потока (живое сечение потока), м2.

Если известны значения объёмного расхода V и диаметра трубопровода й, то из уравнения расхода (4) можно найти значение средней скорости потока w

Состояние стенки трубы можно охарактеризовать средней величиной выступов и неровностей е. Но эта величина не даёт ответа на вопрос о том, гладкая труба или нет. Поэтому для характеристики состояния поверхности трубы вводится относительная шероховатость е:

е =е/й.

Трубы, для которых значением шероховатости можно пренебречь, называются гидравлически гладкими [12]. На рисунке 1 представлены обобщённые результаты уравнений (2) и (4) в диапазоне чисел Рей-нольдса Re > 105, который достаточен для описания всех реальных случаев течения жидкости в гидравлически гладких трубах.

ар, =а-

2й

Рисунок 1 - Зависимость X - lg

Шероховатость стенки трубы влияет на гидравлическое сопротивление только при турбулентном потоке, из-за наличия ламинарного пограничного слоя заметно сказывается при числах Рейнольдса, превышающих некоторое значение, зависящее от относительной шероховатости £/D, где £ - расчетная высота бугорков шероховатости, м.

Параметры шероховатой поверхности. Если высота выступов шероховатости А меньше, чем толщина ламинарной пленки (А < ¿), то в этом случае шероховатость стенок не влияет на характер движения и, соответственно, потери напора не зависят от шероховатости, а стенки называются гидравлически гладкими [18, 19].

Если высота выступов шероховатости превышает толщину ламинарной пленки (А < ¿), то потери

напора зависят от шероховатости, и такие трубы называются гидравлически шероховатыми. Для гидравлического расчёта применяются два вида шероховатости: абсолютная и относительная.

Абсолютной шероховатостью называется среднее значение размеров выступов DH внутренней поверхности трубы. Шероховатость зависит от материала трубы, качества ее изготовления и условий эксплуатации. Абсолютная шероховатость сама по себе не оказывает влияния на величину потерь, т. к. потери по длине зависят от поперечных размеров потока. По этой причине вводят понятие относительной шероховатости [6].

Относительной шероховатостью называется отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубы, т. е.

е = Dt/d

Рисунок 2 - Профиль и параметры шероховатости поверхности

На рисунке 2 схематично показаны параметры шероховатости, где I - базовая длина; т - средняя линия профиля; - средний шаг неровностей профиля; 8 - средний шаг местных выступов профиля; И, тах -отклонение пяти наибольших максимумов профиля; И тп - отклонение пяти наибольших минимумов профиля; Н тах - расстояние от высших точек пяти наибольших максимумов до линии параллельной средней и не пересекающей профиль; Н, тп - расстояние от низших точек пяти наибольших минимумов до линии параллельной средней и не пересекающей профиль; Ятт - наибольшая высота профиля; у, - отклонения профиля от линии т; р - уровень сечения профиля; Ьп - длина отрезков, отсекаемых на уровне р.

Высотные параметры:

Яа - среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины;

Яг - сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины;

Ктах - наибольшая высота профиля;

Шаговые параметры:

- средний шаг неровностей;

8 - средний шаг местных выступов профиля;

tp - относительная опорная длина профиля, где р - значения уровня сечений профиля.

Яа, Я2 и Ятах определяются на базовой длине I.

Насосные установки работают с повышенным напором из-за увеличения гидравлического сопротивления системы трубопроводов, колебаний уровня жидкости в приемных и напорных резервуарах, а также из-за несоответствия режиму работы насосов режима притока или потребления жидкости [15, 16].

Повышение напора в результате изменения гидравлического сопротивления зависит от расхода жидкости и влияет на значение динамической составляющей напора v2/(2g), развиваемого насосной установкой, изменяет крутизну характеристики трубопровода (рисунок 3, 1 - характеристика Q-Н насоса при номинальной частоте вращения; 2 - то же при уменьшенной частоте вращения; 3 - характеристика «гладкого» трубопровода; 4 - характеристика шероховатого трубопровода; Н1 - напор, соответствующий номинальной подаче Q1; Нст - статичесткая составляющия напора).

Изменение напора в результате колебаний уровня не зависит от расхода жидкости и влияет только на значение статической составляющей напора Нст, развиваемого насосной установкой. При этом крутиз-

на характеристики Q-H не меняется, а меняется ее положение в координатах Q и Н. При увеличении статической составляющей характеристика трубопровода перемещается вверх, при уменьшении - вниз [13, 14].

0> 01 о

Рисунок 3 - Регулирование режима работы центробежного насоса

Относительная шероховатость оказывает влияние на потери давления [7]. Таким образом, коэффициент трения зависит от рассмотренных условий движения жидкости. Он определяется опытным путем. На испытательном стенде (рисунок 4) проведена серия замеров для построения экспериментальных характеристик сети с использованием стальных труб длиной 5 м, условным диаметром 25 мм (ГОСТ 10704-91), находившихся в эксплуатации в системе холодного водоснабжения жилого дома в течение 30 лет. На рисунке 5 показаны характеристики сети: 1 - теоретическая; 2 - усреднённая характеристика; 3, 4 - усреднённые граничные характеристики диапазона.

напор мвст.

0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00

^ /

/ /\э

.У

1

1,5

раскоп Л мин

Рисунок 5 - Характеристики сети

0

0,5

1

2

напр-ый бак

пьезометры

ихщдеый тр/борозд 1

ихщдеый тр/борозд 2

мерный бак

циркугщиныи насос

Рисунок 4 - Испытательный стенд

Вывод: из рисунка 5 видно, что теоретическая и усреднённая характеристики практически совпадают в диапазоне расходов 1-1,5 л/мин (около 75 % диапазона). При больших расходах наблюдается их расхождение и искривление усреднённых граничных характеристик, что связано с возрастающей погрешностью измерений. Таким образом, испытательный стенд можно использовать для определения гидравлического сопротивления шероховатых труб в диапазоне расходов 1-1,5 л/мин с относительной погрешностью до 15 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шарапов А. А., Родионова И. Г., Бакланова О. Н. Повышение коррозионной стойкости сталей для труб тепловых сетей путем обеспечения чистоты по корро-зионно-активным неметаллическим включениям // Новости теплоснабжения. 2005. № 9. С. 41-45.

2. Анциферов С. А., Филенков В. М. Влияние нефтепродуктов на коррозионную активность грунта // Вестник НГИЭИ, № 12 (43). 2014. С. 9-13.

3. Горланов С. Ф. Смирнов Н. И. Методы испытаний отдельных узлов насосной установки. М, 2009.

4. Межгосударственный стандарт «Насосы динамические. Методы испытаний» // ИСО 9906: 1999 (MOD) ГОСТ 6134-2007. М. : Стандартинформ. 2008. С. 95.

5. Одокиенко Е. В., Усманова Е. А. Состояние и перспективы теплоснабжения г. о. Тольятти // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции. Оренбург, 2013. С. 120-123.

6. Томашов Н. Д., Чернова Г. П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы М. : Металлургия, 1986. 359 с.

7. Ротинян А. Л. Тихонов К. И., Шошина И. А. Теоретическая электрохимия Л. : Химия, 1981. 424 с.

8. Улиг Г. Г., Реви Р. У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику пер. с англ. Л. : Химия, 1985. 456 с.

9. Чирсков В. Г. и др. Строительство магистральных трубопроводов: Справочник. М. : Недра, 1991. С. 442.

10. Глазов Н. П. и др. Методы контроля и измерений при защите подземных сооружений от коррозии. М. : Недра, 1978. С. 215.

11. Герасименко А. А. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: справочник. М. : Машиностроение, 1987. Т. 1-2.

12. Маттисон Э. Электрохимическая коррозия / М. : Металлургия, 1991. 157 с.

13. Ивакина А. А., Чапаев Д. Б. Пример расчёта скорости внутренней равномерной коррозии городских теплопроводов, протекающей с кислородной деполяризацией // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения. Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Новокузнецк, 2014. С.161-164.

14. Чапаев Д. Б., Оленников А. А. Расчёт скорости внутренней коррозии трубопроводов водяных тепловых сетей из углеродистых сталей // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2012. № 4. С. 33-36.

15. СП 61.13330.2010 СНиП 41.03.2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. / Госстрой России. М. : ГУП ЦПП, 2011. 38 с.

16. СП 41-101-95 Проектирование тепловых пунктов. / Госстрой России. М. : ГУП ЦПП, 1996. 114 с.

17. РД 153-34.1-17.405-00. «Методические указания по оценке интенсивности процессов внутренней коррозии в тепловых сетях».

18. РД 153-34.0-20.507-98. «Типовая инструкция по технической эксплуатации систем транспорта и распределения тепловой энергии (тепловых сетей)».

19. МУ34-70-171-87. «Методические указания по определению готовности систем теплоснабжения к прохождению отопительного сезона».

20. Жук Н. П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М. : Металлургия. 1976. 472 с.

TESTING OF EXPERIMENTAL STAND TO DETERMINE THE HYDRAULIC RESISTANCE

OF THE ROUGH PIPE

© 2015

S. A. Antsiferov, master

V. M. Filenkov, candidate of technical sciences, associate professor, of the chair «Heat, gaz supply, ventilation, water

supply and sanitation»

Togliatti State University, Togliatti

Annotation. Welds made with low quality pipes made with significant deviations from the specified dimensions and geometrical form, when connected, form ledges which increase the hydraulic resistance of pipelines. Internal corrosion contributes to the decrease in throughput of pipelines necessary to increase the pressure created by the pump station. The increase of pressure changes in the hydraulic resistance depends on the fluid flow and affect the value of the dynamic component of the pressure developed by the pump installation, changes the slope of the pipeline. The article describes the scheme and the results of the test stand to determine the hydraulic resistance of the network when using rough pipes. The theoretical basis of hydraulic calculations rough pipes. On the test bench, we performed a series of measurements to build an experimental network features using steel pipes with a length of 5 m, nominal diameter of 25 mm, were in operation in the cold water residential home for 30 years. Based on the results of experiments curves and match them in most of the range of measurements with theoretical, allow to draw a conclusion about the possibility of using this stand to determine the actual pressure loss on the selected sample tubes.

Keywords: hydraulic characteristics, hydraulic resistance, waterproofing, corrosion protection, test bench, corrosion, friction coefficient, mode of operation, centrifugal pump, roughness.