Формы поперечного сечения и внутренней поверхности труб

Сечения трубопроводов должны удовлетворять гидравлическим, технологическим, строительным и др. требованиям. На практике используется широкая гамма поперечных сечений труб: круглое, полукруглое, шатровое, банкетное, овоидальное (яйцевидное), эллиптическое ит. д. Наибольшее распространение получили трубы круглого сечения, которое обеспечивает оптимальные прочностные условия работы стенок. Воздействие внешних нагрузок от грунта и транспорта приводит лишь к сжатию стенок, на которое хорошо работают многие материалы, используемые для изготовления труб. Круглое сечение позволяет легко реализовать индустриальные методы строительства протяженных трубопроводов. Кроме того, круглая форма труб наиболее удобна для их профилактической чистки.

Вытянутые сечения труб целесообразно применять при больших колебаниях расходов и наполнений. Кроме того, при укладке таких труб нужны узкие траншеи, что облегчает выполнение строительных работ в стесненных условиях насыщенной городской инфраструктуры. Сжатые сечения применяют при небольших колебаниях рас* ходов воды. При их использовании заглубление труб минимально при прочих равных условиях с другими типами труб.

Окончательный выбор того или иного сечения трубопровода производится на основании технико-экономиче- ского сравнения вариантов на стадии выполнения технического проекта.

В отношении структуры внутренней поверхности трубопроводов (в частности, безнапорных водоотзодя- щих, независимо от формы их поперечного сечения) можно констатировать следующее.

Исследователи долгие годы отстаивали позицию, что внутренняя поверхность труб должна быть как можно более гладкой, что обеспечивает в постоянно работающей безнапорной водоотводящей сети отсутствие или минимальное количество осаждающихся и накапливающихся компонентов загрязнений различного происхождения (например, песка). Однако в последние годы накопленные знания в области создания самоочищающихся поверхностей и обеспечения самоочищающих скоростей течения жидкости позволили выдвинуть идею создания такой структуры внутренней поверхности трубопровода, при которой количество осаждающихся отложений было бы минимальным независимо от скоростей и наполнений в трубопроводе. Импульсом к целенаправленной работе по обеспечению эффективной транспортировки жидких и твердых веществ по трубопроводам послужили примеры из живой природы, такие как устройство кровеносных сосудов крыльев насекомых и система транспорта воды и питательных растворов минеральных солей от корней к листьям в тканях высших растений. Выполнялись структурированные защитные покрытия с различного рода рифлениями (выступами), например, по образцу акульей чешуи и т. д.

Ученым сообществом на повестку дня был поставлен вопрос проведения исследований в каналах с плоским дном с созданием завихрения в пристеночной области за счет геометрической формы и расположения выступов (препятствий), обеспечивающих эффект местной турбулентности. Проводимые в Германии эксперименты показали, что лучший результат по перемещению осевших взвешенных частиц и их закручиванию (турбулентности) с интенсивным выносом с потоком воды наблюдается в трубах с гофрированными поверхностями в виде угольчатых прямоугольных выступов (препятствий) в лотковой части, расположенных в определенном порядке. При такой структурной поверхности лотка значительно укорачивается время, необходимое для отрыва песчаных наносов от его донной части за счет местной турбулентности потока воды в пристеночной области между препятствиями, подъем наносов и их транспортировка водой.

Результаты экспериментов явились научно-обоснованной базой для разработки самоочищающихся трубопроводных систем (SelfCleaning Systems), которые были внедрены в практику бестраншейной реновации по методуTrolining, где применяются внутренние полимерные защитные покрытия с внутренними гофрированными профилями.

Немецкие ученые в своих разработках по повышению эффективности работы трубопроводов пытаются использовать так называемый «эффект лотоса» (lotus effect), т. е. эффект практически полной несма- чиваемости (супергидрофобности) жидкостью внутренней поверхности трубопровода (защитного покрытия) из-за особенностей ее рельефа на микро- и даже наноуровне, приводящих к снижению площади контакта жидкости с внутренней поверхностью трубы. Как установлено, гидрофобные поверхности имеют особый рельеф в виде совокупности рифлений по типу «шишек» или «шипов», поэтому капли воды при наличии незначительного уклона поверхности самопроизвольно скатываются с нее. Одним из таких материалов является полипропилен. Это дало импульс для разработки материалов и защитных покрытий на основе «эффекта лотоса» в различных областях техники, включая инженерные сети.

При всех положительных результатах проведенных исследований для более широкого внедрения их в теорию и практику строительства, реновации и эксплуатации трубопроводных систем требуется совершенствование теории пограничного слоя, в частности, описания границ областей ламинарного и турбулентного потока, механизма сопротивлений, оказываемых гидрофобной стенкой движущейся жидкости, и выбора на основе эксперимента наиболее оптимальных ремонтных материалов, гарантирующих минимальные потери напора при транспортировке жидких сред.