Автоматизированная программа оценки совместимости старых и новых участков трубопроводной сети

12 мая 2016 г.

Специальная автоматизированная компьютерная программа оценки степени гидравлической совместимости позволяет проводить гидравлический расчет безнапорных трубопроводов с учетом работы трех последовательно расположенных участков сети, выполненных из различных материалов, где второй по ходу течения воды участок является ремонтным, а два соседствующих с ним — старыми. С помощью программы решается ряд задач, в которых рассчитываются гидравлические показатели (расход, скорость, коэффициент Шези, коэффициент гидравлического трения и т. д.), а также протяженность зон дестабилизации скоростей после восстановленного (второго) участка на невосстановленном (третьем) при их проектных (или реальных) уклонах и диаметрах. 

Диалоговое окно автоматизированной программы представлено на рисунке ниже.

Общий вид диалотового окна автоматизированной программы для восстанавливаемого полимерной трубой участка трубопровода

3.41

Весь комплекс производимых автоматизированными программами гидравлических расчетов выполняется с использованием четырех наиболее распространенных формул, описывающих режимы течения безнапорного потока по водоотводящим трубопроводам, выполненным из различных материалов:

  • формула Павловского: С = (1 / n)Ry,

где y = 2,5√n - 0,13 - 0,75√R (√n - 0,1)

       •   формула Маннинга: С = (1 / n)R1/6,
  • формула Миловича (Гридука, Карпинского): С = (1 / n)Ry,

где у = 0,29 - 0,0021С;

  • формула Альтшуля: C = 201g (R / (ε + 0,004 / √Ri)),

где ε — приведенная линейная шероховатость, мм.

Используемые в формулах показатели (коэффициенты, критерии) адаптированы к реальным материалам трубопроводов и соответствуют рекомендациям А. Я. Добромыслова по гидравлическому расчету пластмассовых труб и справочным данным по величинам шероховатости труб из различных материалов.

Меню автоматизированной программы включает следующие этапы работы:

  • ввод исходной информации по участкам: Участок № 1 (предыдущий), Участок № 2 (ремонтный, т. е. подлежащий восстановлению или реконструкции), Участок № 3 (следующий);
  • выполнение расчета;
  • распечатка выходной формы для анализа результатов гидравлических расчетов на трех участках сети, а также итоговой формы для изучения результатов проверки на гидравлическую совместимость ремонтного (восстановленного или реконструированного) и следующего (невосстановленного) участков водоотводящей сети;
  • выход из программы.

Подменю представляет собой набор пустующих ячеек, куда вносится информация, которую можно охарактеризовать как паспортные данные участков № 1-3 (рисунок выше), в частности, по материалу изготовления трубы, уклону трубопровода, его диаметру, расходу протекающей сточной жидкости (фиксированному или ограниченному определенными рамками — соответственно при нажатии кнопок Фиксированный или Перебор). Также вносится информация по коэффициентам шероховатости, эквивалентной шероховатости, приведенной линейной шероховатости, степени сходимости скоростей и величине эмпирического параметра (для гидравлического расчета труб из различных материалов по соответствующим формулам Павловского (в том числе модифицированной Добромысловым), Альтшуля, Маннинга и др.).

В отношении термина «сходимость скоростей» необходимо представить некоторые пояснения. Как говорилось выше, при расчете трубопроводов диаметром d используются формулы равномерного движения, выраженные для значений скорости Vq как функции от аргументов q (расхода) и ω (живого сечения), а для скорости VR — как функции от коэффициента Шези, гидравлического радиуса (R) и уклона (i), т. е. Vq = q/ω и VR = С·√Ri.

Метод нахождения скоростей Vq и VR заключается в следующем. При исходном значении расхода (q) и уклона трубы (i) программой производится перебор в широком диапазоне величин наполнения h/d (h — высота слоя воды в трубе), например, с шагом 0,01. При этом автоматически производится подсчет взаимосвязанных величин гидравлического радиуса (R) и живого сечения (ω), а также параллельно коэффициента Шези, через исходные значения шероховатостей, введенные в паспорта участков. Здесь же подсчитывается величина коэффициента гидравлического трения λ путем преобразования известной формулы: λ = 8g/C2.

В момент тождественности скоростей (Vq = VR), или их близости (термин «сходимости скоростей», выраженный через численный показатель, например, 0,01) при исходных значениях диаметра, расхода и уклона определяется широкая гамма гидравлических показателей (V, С, λ, h/d, h, S), которые являются базовой информацией для принятия проектировщиками окончательного решения, а также интересным материалом для интерпретации результатов научными работниками.

Выход из подменю производится с помощью кнопки Ок. Наличие в программе перечисленных формул для гидравлического расчета обусловлено стремлением настроить исследователя на анализ результатов счета и возможностью использования формул для следующих задач, связанных с научным анализом и оценкой изменения гидравлических характеристик системы, включающей разнородные исходные показатели (гидравлические и др.). 

Программа предоставляет исследователю широкий спектр возможностей, в частности, проектировщику — производить анализ ситуации на сети в результате рассмотрения альтернативных решений по замене (реновации) одного из участков трубопровода и отслеживать изменения гидравлических характеристик при изменении диаметров, расходов, уклонов и т. д. Конечной целью данного исследования является поиск оптимального варианта проектирования, т. е. определения условий, когда зона дестабилизации скоростей становится наименьшей или отсутствует полностью, что исключит случаи возможного подтопления на отдельных участках трубопровода. 

Работа пользователя программы заключается в последовательном выполнении следующих операций.

  1. Ввод данных и определение длины зоны дестабилизации скоростей на последнем (третьем) участке.
  2. Анализ расчетных данных по вариантам с корректировкой исходных параметров для обеспечения условий гидравлической совместимости старых и новых участков трубопровода и описанием альтернативных мероприятий по устранению явлений гидравлического дисбаланса (при его наличии).
  3. Обоснование наиболее предпочтительного варианта ремонтно-восстановительных работ из числа предложенных к рассмотрению.

Программа позволяет производить распечатку как промежуточных, так и итоговых таблиц с информацией по гидравлическим расчетам водоотводящей сети и выявлением наличия (отсутствия) гидравлической совместимости на смежных участках водоотводящей сети (ремонтный и следующий).

Ниже с целью наибольшей наглядности представлен расчетный пример выполнения показательной задачи и анализа полученных при этом результатов для двух случаев.

Случай I

Объектом исследований (проектирования) является требующая замены одного из участков система трубопровода «керамический (старый) + полиэтиленовый (новый) + керамический (старый)». В проекте ремонтно-восстановительных работ предлагается использовать стандартные полиэтиленовые трубы ПНД наружным диаметром 160 мм (толщина стенки 0,0062 м), которые укладываются в траншею традиционным методом. Внутренние диаметры трубопроводов на участках практически одинаковы 150/147/150 мм.

В первую очередь, анализу подлежит ситуация при неизменном минимально допустимом уклоне труб на всех трех участках (0,0066) и при одинаковом расходе транспортируемой сточной воды (8 л/с), а затем — ситуация с изменением уклона на последнем участке с анализом динамики изменения длины зоны дестабилизации скоростей. После введения исходной информации на всех участках, в том числе данных из справочной литературы, степени сходимости скоростей, приведенной линейной шероховатости и коэффициента шероховатости, производится расчет и распечатка выходных форм. 

Анализ гидравлической совместимости участков водоотводящей сети заключается в изучении динамики изменения величины зоны дестабилизации скоростей на третьем участке, а также формул Павловского и Альтшуля для определения коэффициентов Шези. 

В качестве образца (таблица ниже) приведены распечатки расчетных значений гидравлических показателей для двух участков (второго и третьего).

Анализ расчетных данных (таблицы ниже) показывает следующее:

  • достаточно сильная тенденция уменьшения скоростей течения между вторым и третьим участками сохраняется во всем диапазоне исследуемых значений, причем результаты расчета при использовании формул Павловского и Альтшуля весьма близки;
  • длина зоны дестабилизации скоростей имеет слабую тенденцию к уменьшению из-за увеличения уклона на третьем участке, оставаясь в среднем вблизи значений 4 м; при значительном изменении уклона, например, с 0,0066 до 0,011 в данном конкретном случае проектирования, зона дестабилизации наблюдаться не будет, но это требует перекладки участков, не предусмотренной в первоначальном варианте проектирования ремонтно-восстановительных работ;
  • исчезновение зоны дестабилизации скоростей происходит при равенстве значений скоростей на третьем и втором участках (соответственно 1,058 и 1,074 м/с при расчетах по формулам Павловского и Альтшуля);
  • при расчете по формуле Павловского критическим уклоном, при котором зона дестабилизации исчезает, является величина 0,0154, а по формуле Альтшуля — 0,0169, что в целом указывает на высокую сходимость результатов по обеим формулам.

Итоговые данные по расчету гидравлических параметров и длины зоны дестабилизации скоростей при идентичных диаметрах старых участков трубопровода и нового участка

Формула для определения коэффициента Шези

Ремонтный (восстановленный) участок № 2

Следующий (не восстановленный) участок № 3

уклон

расход,

л/с

скорость,

м/с

уклон

расход,

л/с

скорость,

м/с

длина зоны дестабилизации скоростей, м

Павловского

0,0066

8,0

1,058

0,0066

8,0

0,767

4,58

Альтшуля

0,0066

8,0

1,074

0,0066

8,0

0,753

4,53

Павловского

0,0066

8,0

1,058

0,008

8,0

0,826

4,29

Альтшуля

0,0066

8,0

1,074

0,008

8,0

0,811

4,27

Павловского

0,0066

8,0

1,058

0,009

8,0

0,863

4,23

Альтшуля

0,0066

8,0

1,074

0,009

8,0

0,848

4,16

Павловского

0,0066

8,0

1,058

0,01

8,0

0,898

4,10

Альтшуля

0,0066

8,0

1,074

0,01

8,0

0,883

4,06

Павловского

0,0066

8,0

1,058

0,011

8,0

0,931

3,95

Альтшуля

0,0066

8,0

1,074

0,011

8,0

0,915

3,59

Павловского

0,0066

8,0

1,058

0,0154

8,0

1,058

0

Альтшуля

0,0066

8,0

1,074

0,017

8,0

1,074

0

Изменение расходов на третьем участке не влечет особых изменений в протяженности зоны дестабилизации скоростей, например, при расходе 10 л/с длина зоны увеличивается до 5,08 м по сравнению с 4,58 л/с, а при 12 л/с до 5,33 м (при расчете по формуле Павловского). Такие же тенденции наблюдаются при расчете по формуле Альтшуля (соответственно 4,97 и 5,14 м по сравнению с 4,53 м).

Общий вывод: зона дестабилизации скоростей S неизбежна при использовании в качестве ремонтных материалов полимерных труб, имеющих практически идентичный диаметр со старыми трубами из других материалов, а абсолютное значение S зависит от ряда факторов (диаметров сети, шероховатости труб, расходов, уклонов на участках трубопровода).

Ранее проведенные расчеты и натурные исследования на водоотводящих сетях показали, что уменьшение расходов сточных вод приводит к уменьшению длины зоны дестабилизации скоростей. В случае образования уплотненных осадков на лотковой части трубопровода поверхность воды в нем приобретает форму кривых подпора, что негативно отражается на гидравлическом режиме работы сети.

Случай II

Здесь в качестве объекта исследований рассматривается альтернативный вариант проведения ремонтно-восста- новительных работ, когда ремонтный участок подлежит реновации бестраншейным методом без разрушения старого трубопровода путем протягивания в него новой трубы ПНД меньшего диаметра (наружный 0,125 м, внутренний 0,1152 м, толщина стенки 0,0049 м). Таким образом, внутренние диаметры трубопроводов на участках составляют соответственно 150/115/150 мм, минимально допустимый уклон труб на всех трех участках (0,0066), расход транспортируемой сточной воды 8 л/с.

В таблице ниже приведены распечатки расчетных значений гидравлических показателей для двух участков (второго и третьего).

Анализ расчетных данных таблиц показывает следующее: установленные в первом случае закономерности практически идентичны второму случаю. Объяснением этому может служить исследование характера изменения соотношения «наполнение/скорость», где при постоянном расходе и сужении трубопровода на ремонтном участке при явном увеличении наполнения наблюдается незначительное уменьшение скорости течения (1,321 и 1,303% при расчетах соответственно по формулам Павловского и Альтшуля).

Полученные данные свидетельствует о том, что при замене старого участка трубопровода новым, из полимерного материала, независимо от его диаметра будет наблюдаться наличие зоны дестабилизации скоростей.

Если протяженности зон незначительны, например, порядка 1-1,5 м, т. е. соизмеримы с длиной открытого лотка смотрового колодца, или достаточно велики, т. е. превышают длину следующего участка трубопровода, то, очевидно, не требуется каких-либо мероприятий по исправлению ситуации.

Если зона дестабилизации не превышает длины следующего участка трубопровода, т. е. сопоставима с ней, то явления подтопления в местах, где скорость течения будет равнозамедленной, исключаться не будут. Одним из выходов в такой ситуации может являться проведение восстановительных работ на более протяженном интервале сети (на нескольких участках) до ближайшего пере- падного колодца или вплоть до места сопряжения с трубопроводом, имеющим такие диаметр и уклон, которые обеспечивают условия гидравлической совместимости при пропуске расчетного расхода.

Итоговые данные по расчету гидравлических параметров и длины зоны дестабилизации скоростей при разных диаметрах старых участков трубопровода и нового участка

Формула для определения коэффициента Шези

Ремонтный (восстановленный) участок № 2

Следующий (не восстановленный) участок № 3

уклон

расход,

л/с

скорость,

м/с

уклон

расход,

л/с

скорость,

м/с

длина зоны дестабилизации скоростей, м

Павловского

0,0066

8,0

1,044

0,0066

8,0

0,767

4,57

Альтшуля

0,0066

8,0

1,06

0,0066

8,0

0,753

4,49

Павловского

0,0066

8,0

1,044

0,008

8,0

0,826

4,31

Альтшуля

0,0066

8,0

1,06

0,008

8,0

0,811

4,24

Павловского

0,0066

8,0

1,044

0,009

8,0

0,863

4,23

Альтшуля

0,0066

8,0

1,06

0,009

8,0

0,848

4,17

Павловского

0,0066

8,0

1,044

0,01

8,0

0,898

4Д0

Альтшуля

0,0066

8,0

1,06

0,01

8,0

0,883

4,06

Павловского

0,0066

8,0

1,044

0,011

8,0

0,931

3,94

Альтшуля

0,0066

8,0

1,06

0,011

8,0

0,915

3,57

Павловского

0,0066

8,0

1,044

0,0154

8,0

1,044

0

Альтшуля

0,0066

8,0

1,06

0,017

8,0

1,06

0