Противоударная защита напорных трубопроводов с применением обратных клапанов

Проблематика транспортных систем

Заключение

При использовании метода построения генераторов тестеров кодов с суммированием на мультиплексорной основе целесообразно выбрать мультиплексоры с двумя управляющими выходами.

Данное устройство совместно с компаратором, реализованным с использованием стандартных модулей сравнения [2], позволяет дополнить все множество элементной базы для построения указанного класса контрольных схем.

Библиографический список

1. А note on error detecting codes for asymmetric channels / J. M. Berger // Information and Control. - 1961. - № 3. - Р. 68-73.

2. Самопроверяемые дискретные устройства / В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников. - СПб. : Энергоатомиздат, 1992. - 224 с. - ISBN 5-283-04605-Z.

3. Salf-checking and Fault-tolerant Digital Design. Т. 1 / Parag K. Lala. - University of Arkansas, 2001. - 216 p. - ISBN 0124343708.

4. Синтез быстродействующих тестеров для кодов с суммированием /

М. К. Бимуканов, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников // Труды по теории синтеза и диагноза конечных автоматов и релейных устройств. - СПб. : Элмор, 2009. - С. 528536. - ISBN 5-7399-0149-9.

5. New Self-Checking Circuits by Use of Berger-codes / A. Morozov, V. V. Saposhnikov, Vl. V. Saposhnkov, M. Gossel // Труды по теории синтеза и диагноза конечных автоматов и релейных устройств. - СПб. : Элмор, 2009. - С. 761-769. - ISBN 5-7399-0149-9.

6. Синтез самопроверяющихся тестеров для кодов с суммированием /

А. Г. Мельников, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников // Труды по теории синтеза и диагноза конечных автоматов и релейных устройств. - СПб. : Элмор, 2009. - С. 489503. - ISBN 5-7399-0149-9.

7. Теория дискретных устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи / В. В. Сапожников, Ю. В. Кравцов, Вл. В. Сапожников. - М. : УМК МПС России, 2001. - 312 с. - ISBN 5-89035-051-X.

8. Самодвойственные дискретные устройства / М. Гёссель, В. В. Сапожников, Вл. В. Сапожников - СПб. : Энергоатомиздат, 2001. - 331 с. - ISBN 5-283-04748-Z.

Статья поступила в редакцию 26.01.2010;

представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.

УДК 631.672.46

О. Г. Капинос, Н. В. Твардовская

ПРОТИВОУДАРНАЯ ЗАЩИТА НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОБРАТНЫХ КЛАПАНОВ

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

32

Организация мероприятий по защите напорных трубопроводов от опасных изменений давления при гидравлических ударах должна основываться на многовариантных гидравлических расчетах с учетом характеристик всех регулирующих, предохранительных и запорных устройств, установленных на трубопроводе. Достоверное выявление характеристик регулирующих органов (насоса, задвижки, противоударного и обратного клапанов) приводит к более точному определению параметров неустановившегося движения жидкости во всем трубопроводе.

гидравлический удар, противоударная защита, характеристика регулирующего устройства, разрыв сплошности потока, обратный клапан.

Введение

В настоящее время существует большое разнообразие способов защиты от последствий разрушительных гидравлических ударов на трубопроводах. При выборе противоударного оборудования нужно руководствоваться обеспечением надежности работы всей системы в процессе эксплуатации [1]. Для достижения наибольшего эффекта от проведения таких мероприятий необходимо определять изменение параметров напорной системы при гидравлическом ударе по всей длине напорного трубопровода с учетом различных вариантов противоударной защиты.

Гидравлический удар является одним из характерных случаев неустановившегося движения жидкости в напорном трубопроводе, которое описывается системой дифференциальных уравнений [2]:

дР тгдР 2 8V Л V— + рж-с2-----------= 0;

дх

д P + pw-g-z Х-р

дх

+

2-D

•V-V =0

ж

где P - давление в рассматриваемом живом сечении, Па; t - время, с;

V - средняя скорость движения потока в рассматриваемом живом сечении, м/с;

-5

рж - плотность напорного потока, кг/м ; с - скорость распространения ударной волны, м/с;

Л

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с ;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

z - высотная отметка оси трубы, м;

D - внутренний диаметр трубопровода, м;

X - коэффициент гидравлического трения.

Используя метод характеристик, из уравнений (1) можно получить зависимости, позволяющие определить значения давления P и скорости движения жидкости V в каждом расчетном узле xj по длине напорного трубопровода для каждого расчетного момента времени tj. Для моделирования процесса гидравлического удара необходимо, чтобы были определены граничные условия, определяющие взаимосвязь между давлением и скоростью в течение всего переходного процесса.

Характер срабатывания обратного клапана при изменении направления движения жидкости в трубопроводе влияет на величину ударного давления при возможном гидравлическом ударе.

1 Основные мероприятия по защите трубопроводов от возможных гидравлических ударов

Все мероприятия по защите трубопроводов от возникающего при гидравлическом ударе повышения давления в трубах можно разделить на четыре основные группы [2]. Первая группа мероприятий связана с установкой устройств для сброса части воды из трубопровода в какую-либо емкость. Некоторые из них (такие как использование разрывных мембран) относятся к аварийным, так как предотвращают поломку оборудования на сети, но при их применении может возникать перерыв в работе напорной системы, а иногда и потери воды (в системах очищенной природной воды), поэтому данные мероприятия требуют большего вложения средств.

Второй способ - это использование специальных устройств для впуска воздуха или воды в местах возможных разрывов сплошности потока, так как возникновение таких кавитационных пустот при гидравлических ударах обычно приводит к большему увеличению возможного максимального давления в напорной системе.

Одним из способов противоударной защиты является также увеличение продолжительности переходного периода, то есть времени регулирования потока жидкости посредством увеличения времени снижения оборотов рабочего колеса у насосов или закрытия запорной арматуры. Однако этот способ в большей степени эффективен при плановых запусках и остановках напорной системы, в то время как причиной гидравлических ударов чаще является внезапное изменение состояния потока (например, прекращение подачи электропитания к оборудованию).

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

34

Согласно [1], еще одним из основных способов борьбы с последствиями гидравлического удара в напорных трубопроводах большой длины и сложного профиля является разделение потока на части с помощью установленных по длине трубопровода обратных клапанов.

Такой вариант противоударной защиты является эффективным способом гашения гидравлического удара, но при соблюдении определенных условий. Обычно установка обратных клапанов, разделяющих трубопровод на отдельные участки, предусматривается в местах возможного возникновения разрывов сплошности потока. А при расчетах гидравлического удара с учетом действия этих клапанов следует принимать во внимание то, что эти устройства в большинстве случаев перекрывают сечение трубопровода с некоторым запаздыванием и тем самым дают возможность развиться обратным скоростям течения воды, что может привести не к уменьшению, а к увеличению возможных значений ударных давлений.

2 Характер срабатывания обратного клапана при нестационарном движении жидкости в напорном трубопроводе

В 70-80-е годы прошлого века в нашей стране проводились обширные исследования по изучению влияния обратных клапанов на

неустановившееся движение воды в напорных трубопроводах и на создание обратных клапанов с задаваемыми характеристиками. В Москве во ВНИИ ВОДГЕО такие известные ученые, как А. Н. Рожков, Е. М. Глазунов, Д. Н. Смирнов, проводили исследования по изучению влияния инерционных характеристик обратных клапанов на величину

возникающего ударного давления при возможном гидравлическом ударе вследствие остановки насоса [3], [4].

В настоящее время для использования в напорных системах промышленностью предлагается широкий выбор обратных клапанов различных конструкций: клапаны с гидротормозом, с противовесом и комбинированные обратные клапаны. Данные клапаны предусматривают плавное закрытие поперечного сечения (30%, 70%) в отличие от обычных поворотных обратных клапанов, в которых, как показывают исследования, полное перекрытие поперечного сечения осуществляется в конечный момент времени закрытия клапана (10%, 90%). Плавное срабатывание обратного клапана снижает величину максимального ударного давления при гидравлическом ударе, по-видимому, вследствие постепенного гашения энергии обратного потока жидкости у регулирующего органа -обратного клапана. Однако необходимо, чтобы время срабатывания обратных клапанов при изменениях направления движения жидкости не увеличивалось. Увеличение времени захлопывания обратного клапана

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

обычно ведет к возрастанию величины возможного максимального ударного давления.

2.1 Зависимости, определяющие взаимосвязь между давлением

и скоростью потока в трубопроводе при срабатывании обратного клапана

Для водоводов больших диаметров обратные клапаны имеют большие размеры, в этом случае необходимо учитывать, что их закрытие отстает по времени от изменения скорости потока. Движение тарели такого клапана начнется только тогда, когда величина момента от массы тарели Mg превзойдет сумму гидродинамического момента Мг, добавочного момента М& и момента трения в опорах М^. Такое отставание в определенных случаях приводит к значительному повышению давления и резкому механическому удару тарели обратного клапана о седло. Для учета отставания во времени сначала определяется средняя для интервала времени At величина углового ускорения е тарели

[3]:

8 =

Мв±Мт-Ма-Мтр / + /

где I +1 - сумма момента инерции тарели и присоединенного момента

инерции воды, кг-м2.

Затем определяется угловая скорость сок для конечного момента времени:

сок = + 8' А*-

Величина угла, который займет тарель к конечному моменту времени, определяется по формуле:

ак =ан-

ю +сон -ДМ800

к н

2-л

В зависимости от ак определяется коэффициент сопротивления клапана А:клап, тогда напор у клапана НК1ап будет отличаться от напора у насоса Ннас на величину kK VdU  V}2, то есть

= // ± к

нас клал

у<

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

36

где V\ - средняя скорость движения потока в живом сечении, в котором установлен обратный клапан в момент времени, соответствующий началу его срабатывания, м/с.

Значение коэффициентов, необходимых для определения величин

Мтр, Мг и Мю, и зависимость для определения величины А:клап от ак нужно определять опытным путем для каждой марки обратного клапана. В случае предварительных расчетов можно учитывать характер срабатывания клапана по приближенной зависимости с учетом интервала времени срабатывания.

2.2 Влияние инерционности обратного клапана на величину

максимального ударного давления

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования как у нас в стране, так и за рубежом показывают, что инерционность (немгновенность) срабатывания обратных клапанов, установленных за насосом и по длине магистральных трубопроводов, обычно приводит к возрастанию величины максимального ударного давления при возможном гидравлическом ударе. Замедленность срабатывания клапанов особенно ярко проявляется на водоводах большого диаметра, где возможные гидравлические удары приводят к наихудшим последствиям.

Для примера рассмотрим исследования неустановившегося режима движения жидкости, проведенные Хр. Христовым [5] на водопроводной насосной станции Чомаковци в Болгарии. Профиль водовода от этой станции до наполнительной системы представлен на рис. 1. На насосной станции установлены четыре насоса 24 НДС (два рабочих и два резервных). Статический напор равен 53,6 м вод. ст. Напорная линия каждого насоса оборудована многодисковым обратным клапаном диаметром 800 мм. Насосы работают параллельно на два трубопровода. Общая длина водовода составляет 1400 м, трубы стальные диаметром 1,15

-5

м с толщиной стенок 6 мм. Общий расход составляет 6,06 м /с. Скорость распространения фронта ударной волны равна 850 м/с [5].

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

Рис. 1. Профиль водовода от насосной станции Чомаковци до наполнительной

системы Бяла Слатина

На рис. 2 представлены осциллограммы неустановившегося движения жидкости в данном водоводе, вызванного постепенной остановкой насоса в результате отключения питания электродвигателя.

Первый график построен на основании экспериментальных данных. Второй и третий графики определены по расчетной методике, которая использует зависимости, полученные при интегрировании дифференциальных уравнений (1) на основе метода характеристик [6], [7], которые позволяют учесть как возможность возникновения разрывов сплошности потока по его длине, так и особенности продольного профиля напорного трубопровода.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

38

Рис. 2. Диаграмма изменения напора у обратного клапана: 1 - график, построенный по экспериментальным данным [5]; 2 - график, полученный исходя из предположения

о немгновенности срабатывания обратного клапана, установленного у насоса;

3 - график, полученный исходя из предположения о мгновенном действии клапана

Хр. Христов в работе [5] отмечает, что максимальная величина давления в данном трубопроводе при гидравлическом ударе равна 123 м вод. ст. и это очевидно связано с большой инерционностью обратного клапана.

Сравнивая графики, можно сделать вывод, что инерция обратного клапана приводит к увеличению максимального ударного давления, а с уменьшением временного интервала срабатывания обратного клапана величина ударного давления уменьшается.

3 Оптимальные места установки обратных клапанов для уменьшения негативных последствий гидравлического удара

На магистральных водоводах для разделения потока воды на части и тем самым смягчения последствий гидравлического удара на практике

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

достаточно часто устанавливают обратные клапаны в колодцах по длине трубопровода. При этом обычно места установки обратных клапанов не определяют расчетом, а устанавливают их равномерно по длине трубопровода во всех запроектированных колодцах. Однако такой подход приводит лишь к неоправданному удорожанию строительства водовода, ведь при правильном расчете установка даже одного обратного клапана обеспечивает достаточное гашение гидравлического удара.

При выборе такого метода противоударной защиты нужно принимать во внимание инерционность действия обратных клапанов и определять места их установки расчетом, так как в определенных случаях пренебрежение этими условиями может привести не к уменьшению, а к увеличению значения максимально возможного давления при гидравлическом ударе. Поэтому для определения количества и мест установки обратных клапанов необходимо проводить многовариантные расчеты, учитывающие рельеф местности, время остановки насоса, характер срабатывания установленных обратных клапанов, возможность возникновения разрывов сплошности потока жидкости по длине трубопровода в различные моменты времени в процессе гидравлического удара.

3.1 Влияние разрывов сплошности потока жидкости на величину

максимального ударного давления

Одним из сложных случаев гидравлического удара является случай удара, сопровождающегося разрывом сплошности потока в одной или нескольких точках по длине трубопровода. Разрывы сплошности потока жидкости возникают в определенные моменты времени, когда давление во всем трубопроводе или в какой-либо его части падает ниже атмосферного давления, почти до абсолютного нуля, и в трубах образуется вакуум. Экспериментальные исследования [2], [4] показывают, что место разрыва сплошности зависит от профиля трубопровода.

В процессе гидравлического удара при изменении давления происходит схлопывание разрывов, которое приводит к появлению значительного результирующего давления в этом месте трубопровода, а из-за интерференции волн - и во всем трубопроводе [3]. Это явление можно наглядно проследить по диаграмме, представленной на рис. 3.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

40

Рис. 3. Диаграммы изменения напора у задвижки, v0 = 0,5 м/с : 1 - график, построенный по экспериментальным данным; 2 - график, построенный по результатам расчета

Первый график построен по результатам экспериментов, проводимых Д. Н. Смирновым на опытной установке, собранной из стальных труб диаметром 52 мм и общей длиной 306 м [4]. Для возникновения наиболее значительных разрывов сплошности потока изучался гидравлический удар в горизонтальном трубопроводе в случае быстрого закрытия задвижки. Расчет производился при скорости распространения ударной волны 1250 м/с [3]. Второй график построен по результатам расчета по методике [6], [7].

Из диаграмм видно, что величина давления достигает своего максимального значения во втором периоде после схлопывания возникающего разрыва сплошности потока жидкости у задвижки.

3.2 Выбор мероприятий по предотвращению последствий

гидравлического удара в напорном трубопроводе

Ниже рассмотрен проект водовода от насосной станции четвертого подъема до нагорных резервуаров в городе Находка. Этот напорный трубопровод интересен в первую очередь тем, что при длине водовода 2748 м разность отметок в начале и в конце составляет 150 м (рис. 4).

В здании насосной станции установлены четыре насоса ЦН 400-210а (два рабочих и два резервных). Водовод был запроектирован из стальных труб диаметром 530 мм, рассчитанных на давление 250 м вод. ст. Скорость движения жидкости 1,2 м/с, скорость распространения фронта ударной волны 1082 м/с.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40

Отметки м 5 4_| 7 6 94 92 10 4 11 11 0 8 12 129 7 144 146 1 16 169 7 18 1 3 86 1 19- 19: 1 1 189 3 > 18 20 9 2 20’ 206

Расстояния , м2 2 54 ot 191 8 : V 92 $0 2 3 241 42 306 4 270 67183!?„ ,196 0 719810 82

I Ьлл 1/МЛО тт» ' 1 rtf*/» 904 ОП4 а fl Ol 2 4 V С* С 0 113 1 1 п л 1 лв а 7 £ с 1 4 'КГ. 1 1

Номера то 1 1 АЛJPnQ ТГГЛ тгглп МАр О 1615 i ил и ШШ-. 100 О ил ) 17 6 в— 1 лтг 1 111 г

Рис. 4. Профиль водовода г. Находки от насосной станции до нагорных резервуаров

В этом случае наиболее неблагоприятные последствия для данной напорной системы будут в случае возможного гидравлического удара, возникающего при остановке одновременно двух насосов.

Как показал расчет, в этом случае давление в трубопроводе достигает максимального значения у насосной станции. Диаграмма изменения напора по времени при гидравлическом ударе у насосной станции, составленная по результатам расчетов, представлена на рис. 5.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

42

Рис. 5. Диаграмма изменения напора у насосной станции (по расчету): 1 - без устройства противоударной защиты; 2 - при установке обратного клапана в колодце 14

Максимальный напор в трубопроводе по расчету будет составлять

322,1 м вод. ст. и наблюдаться в виде кратковременного пика. Очевидно, что превышение напора относительно статического будет равно 146,1 м. В результате такого повышения напора возможны разрывы труб, выход из строя установленной арматуры и вероятность затопления насосной станции и установленных на ней агрегатов.

В верхних точках трубопровода (№ 1-10) при снижении давления ниже атмосферного возможно возникновение разрывов сплошности потока жидкости, которые при их схлопывании вызывают увеличение ударного давления по всей длине трубопровода.

Для данного водовода в качестве защиты от последствий гидравлического удара следует установить в какой-либо точке по длине напорного трубопровода обратный клапан, который при неустановившемся режиме будет разделять столб жидкости на две части. Однако для нахождения оптимального места установки клапана необходимо произвести многовариантный расчет, учитывающий различные места установки обратного клапана, а также запаздывание его срабатывания вследствие инерционности. В данном случае немгновенность перекрытия обратным клапаном трубопровода при уже возникших обратных скоростях течения потока жидкости приводит при волновом процессе к увеличению давления как в месте установки обратного клапана, так и по всей длине трубопровода. Результаты расчета с учетом мгновенного и медленного закрытия обратного клапана представлены в таблице.

ТАБЛИЦА. Сравнение напоров в случае мгновенного и замедленного закрытия обратного клапана, установленного в различных точках трубопровода

Номера точек установки клапана на профиле Значение напора, м

при мгновенном закрытии клапана при медленном закрытии клапана

у станции у клапана у станции у клапана

5 231,6 64,8 236,5 135,5

6 231,6 65,3 236,5 136,5

7 231,6 67,0 236,5 138,5

8 184,7 116,3 209,5 158,5

9 183,5 143,5 291,4 216,4

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

10 153,3 157,6 201,0 165,2

11 153,3 158,0 235,0 163,0

12 110,0 183,0 218,0 183,0

13 92,8 159,9 240,1 184,7

После анализа приведенных в таблице результатов расчета было принято решение: для защиты трубопровода от последствий

гидравлического удара установить обратный клапан в точке № 7 (колодец № 14). Для предотвращения возможного затопления насосной станции также предусматривается установка на её территории противоударного клапана гасителя конструкции ЛИИЖТа [2].

Заключение

Расчеты показывают, что применение противоударных устройств, даже комбинированных (например, обратных и противоударных клапанов или сочетание обратных клапанов с разрывными мембранами), с целью увеличения надежности работы напорной системы обходится гораздо дешевле, чем замена поврежденных труб, ликвидация размывов вытекающей водой, потеря очищенной воды и т. д. Поэтому использование одного или комбинация нескольких способов противоударной защиты напорных трубопроводов в большинстве случаев целесообразно и экономически эффективно.

При применении обратных клапанов с гидротормозом, с противовесом или комбинированных обратных клапанов необходимо учитывать следующие моменты.

• Такие типы обратных клапанов снижают величину максимального ударного давления в напорных трубопроводах только при определенных условиях.

• Как указывают производители, масса противовеса и величина гидротормоза таких клапанов должна подбираться индивидуально, в зависимости от местных условий.

• Для использования обратных клапанов в качестве средств противоударной защиты плавность срабатывания обратного клапана не должна приводить к увеличению времени его срабатывания.

Таким образом, появление большого ряда современных новых предохранительных устройств не исключает, а наоборот поднимает проблему необходимости и обязательности расчета напорных трубопроводов на случай возможного гидравлического удара.

Библиографический список

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Проблематика транспортных систем

44

1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР. - М. : ЦИПТ Госстроя СССР, 1986. - 72 с.

2. Водоводы : монография / В. С. Дикаревский // ТРУДЫ РААСН.

Строительные науки. Том 3. - М. : РААСН, 1997. - 200 с.

3. Исследование работы обратных клапанов при переходных процессах / А. Н. Рожков, Е. М. Глазунов // Труды ВНИИ ВОДГЕО. Водоснабжение. - 1976. - № 60. - С. 130-134.

4. Гидравлический удар в напорных водоводах / Д. Н. Смирнов, Л. Б. Зубов. -М. : Стройиздат, 1975. - 122 с.

5. Резултати от натуралните изледвания на хидравличния удар в някои наши помпени станции / Хр. Христов // Изв. На института по водни проблеми БАН. Отд. За техн. науки. Том. 10. - 1969. - С. 121-185.

6. Расчет гидравлического удара с учетом регулирования потока в водоводах, уложенных на пересеченной местности / В. С. Дикаревский, О. Г. Капинос // Доклады на академических чтениях РААСН на тему «Системы водоснабжения, водоотведения и охраны водных ресурсов в начале XXI века». - СПб. : ПГУПС, 2001. - С. 18-23.

7. Гидравлический удар в напорных трубопроводах водоотведения / В. С. Дикаревский, О. Г. Капинос, Н. В. Твардовская // Вестник РААСН. - 2004. - Вып. 8. -С. 152-156.

Статья поступила в редакцию 28.01.2010;

представлена к публикации членом редколлегии В. И. Штыковым.

УДК 541.427.6

К. К. Ким, А. В. Корнух, О. В. Евсюкова, О. В. Бурлаков, Я. В. Петров СВАРКА ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСА

Исследована возможность получения путем электрогидроимпульсного нагружения сварки в твердом состоянии соединений из разноименных металлов на большей части площади контактной поверхности.

электрогидроимпульсный эффект, электрогидравлический эффект, сварка.

Введение

Сварка является одним из ведущих технологических процессов современной промышленности, от степени развития и совершенствования которого во многом зависит уровень технологии на железнодорожном транспорте, в машиностроении, строительстве и в ряде других отраслей.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1