Коэффициент шероховатости стальных труб

Notice: Undefined index: HTTP_USER_AGENT in /var/www/u0242856/data/www/nektonnasos.ru/func/desc_or_mobile.php on line 5

Твердые стенки, ограничивающие поток жидкости, всегда в той или иной степени обладают известной шероховатостью. Шероховатость стенок характеризуется величиной и формой различных, порой самых незначительных по размерам, выступов и неровностей, имеющихся на стенках, и зависит от материала стенок и их обработки.

Шероховатость — это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине. Измеряется в микрометрах (мкм).

Обычно с течением времени шероховатость изменяется от появления ржавчины, коррозии, отложения осадков и т.д.

Абсолютная шероховатость

В качестве основной характеристики шероховатости служит так называемая абсолютная шероховатость – κ, представляющая собой среднюю величину указанных выступов и неровностей, измеренную в линейных единицах.

Некоторые значения шероховатости стенок трубопровода приведены в таблице ниже

Трубы	κ, мм
Чистые цельнотянутые из латуни, меди и свинца	0,01
Новые цельнотянутые стальные	0,05-0,15
Стальные с незначительной коррозией	0,2-0,3
Новые чугунные	0,3
Асбоцементные	0,03-0,8
Старые стальные	0,5-2,0

В случае когда величина выступов шероховатости стенки трубы меньше, чем толщина вязкого (ламинарного) подслоя неровности стенки полностью погружены в этот слой.

При этом турбулентная часть потока не будет входить в непосредственное соприкосновение со стенками и движение жидкости, а следовательно, и потери энергии не будут зависеть от шероховатости стенок, а будут зависеть только от свойств самой жидкости.

Если величина выступов такова, что они превышают толщину вязкого подслоя, то неровности стенок будут выступать в турбулентную область, увеличивая беспорядочность движения и существенным образом влиять на величину потерь энергии.

В этом случае каждый отдельный выступ можно сравнить с плохо обтекаемой поверхностью, находящейся в окружающем её потоке жидкости и являющейся источников образования вихрей.

В соответствии с написанным выше поверхности условно разделяют на гидравлически гладкие (первый случай) и шероховатые (второй вариант).

На самом деле, толщина вязкого подслоя непостоянна и уменьшается с увеличением числа Рейнольдса. У гидравлически гладких стенок с возрастанием числа Рейнольдса тоже начинает проявляться шероховатость, так как вязкий подслой становиться тоньше и выступы шероховатости, которые первоначально полностью располагались в этом слое, начинают выходить из него, выступая в турбулентную зону.

Следовательно, одна и та же стенка в зависимости от величины числа Рейнольдса может вести себя по разному:

в одном случае – как гладкая

в другом – как шероховатая.

Поэтому абсолютная шероховатость стенок трубопровода не может полностью характеризовать влияние стенок на движение жидкости. Естественно, что стенки с одной и той же абсолютной шероховатостью в потоках небольших поперечных размеров должны будут вносить большие возмущения в поток жидкости и оказывать большее сопротивление движению, чем в потоках большого сечения.

Относительная шероховатость и относительная гладкость.

Для характеристики влияния шероховатости на величину гидравлических сопротивлений, а так же исходя из условий соблюдения подобия, в гидравлике вводится понятие относительная шероховатость – ε.

Под термином относительная шероховатость понимают безразмерное отношение абсолютной шероховатости к некоторому линейному размеру, характеризующему сечение потока(например, к радиусу трубы r, к глубине жидкости в открытом потоке h и т.п.).

Таким образом

ε = κ / r

В некоторых случаях вводят понятие относительной гладкости ε^/ как величины обратной относительной шероховатости

ε^/ = r / κ

В действительно, как показали исследования, на величину гидравлических сопротивлений влияет не только абсолютное значение шероховатости (высота выступов), но также в значительной степени их форма и густота. Учесть влияние этих факторов непосредственными измерениями шероховатости практически невозможно.

Видео о шероховатости

В настоящее время для того, чтобы охарактеризовать шероховатость стенки трубы при гидравлических расчетах обычно пользуются понятием – эквивалентной шероховатости. Этот эквивалент представляет собой такую величину выступов однородной абсолютной шероховатости, которая дает при подсчетах одинаковую с действительной шероховатостью величину потерь напора.

Notice: Undefined index: HTTP_USER_AGENT in /var/www/u0242856/data/www/nektonnasos.ru/func/desc_or_mobile.php on line 5

Вместе со статьей «Шероховатость стенок трубопровода: типы и влияние» читают:

Источник: www.nektonnasos.ru

Как определить коэффициент шероховатости труб

Рисунок 415. Шероховатость и зарастание трубопровода

Пропускная способность трубопроводов в период эксплуатации снижается, вследствие коррозии и образования отложений на трубах. При этом происходит изменение шероховатости трубопровода и его зарастание (уменьшение поперечного сечения). Увеличение шероховатости и зарастание приводит к уменьшению диаметра трубопровода и как следствие к увеличению потерь напора. Меньше всего этому явлению подвержены асбоцементные, стеклянные и пластмассовые трубы. Сложность физических, химических и биологических явлений, определяющих изменение шероховатости труб и их зарастание, приводит к необходимости ориентироваться на некоторые средние показатели, которые в первом приближении можно оценить по формуле [5]:

Рисунок 416. (19)

— коэффициент эквивалентной шероховатости для новых труб в начале эксплуатации, мм; — коэффициент эквивалентной шероховатости через
t лет эксплуатации, мм; — ежегодный прирост абсолютной шероховатости, мм в год, зависящий от физико-химических свойств подаваемой по ним воды.
По А.Г. Камерштейну, природные воды разбиваются на пять групп, каждая из которых определяет характер и интенсивность снижения пропускной способности трубопровода:

Коррозионное

воздействие

Зарастание трубопровода можно измерять при выполнении реконструкции трубопроводов или ежегодных ремонтах при помощи обычной линейки (рисунок выше), а увеличение шероховатости определять по выше изложенной методике.

Значения коэффициента эквивалентной шероховатости для новых труб приведены в таблице ниже.

Тип трубы	Состояние трубы	Коэффициент эквивалентной шероховатости трубы, мм	Среднее значение коэффициента эквивалентной шероховатости трубы, мм
Бесшовные стальные трубы	Новые и чистые	0.01 – 0.02	0.014
Стальные сварные трубы	Новые и чистые	0.03 – 0.1	0.06
Чугунные трубы	Новые асфальтированные	0 – 0.16	0.12
Чугунные трубы	Новые без покрытия	0.2 – 0.5	0.3
Асбестоцементные	Новые	0.05 – 0.1	0.085
Железобетонные	Новые виброгидропрессованные	0 – 0.05	0.03
Железобетонные	Новые центрифугированные	0.15 – 0.3	0.2
Пластмассовые	Новые, технически гладкие	0 – 0.002	0.001
Стеклянные	Новые, технически гладкие	0 – 0.002	0.001
Алюминиевые	Новые, технически гладкие	0 – 0.002	0.001

Общие потери в трубопроводе, с учетом потерь в местных сопротивлениях могут быть определены по формуле:

Источник

Материал

В наибольшей степени свойства любого предмета определяются тем, из чего он сделан. Полиэтиленовые трубы не исключение.

Полиэтиленовые трубы не боятся ни света, ни непогоды

А сделаны они из материала, который является самым распространенным из существующих пластиков.

Его физические свойства таковы:

Полиэтилен не вступает в реакцию с кислотами, щелочами и спиртами. Зато его могут разрушить жидкие хлор и фтор. Впрочем, бдительному владельцу полиэтиленового водопровода это обычно не грозит: вероятность встретить фтор и хлор в свободном состоянии куда меньше, чем вероятность встретить в уборной автовокзала Жмеринки британскую королеву.
Полиэтилен несколько легче воды. Его плотность примерно 0,94-0,96 г/см3. Заметьте: тот факт, что он не тонет в воде, не характеризует его с плохой стороны. Это всего лишь легкий пластик. Вес полиэтиленовой трубы малого и среднего диаметра покажется посильным даже человеку, далекому от мирового рекорда в силовом троеборье.
Размягчаться и утрачивать начальную форму полиэтилен начинает при температуре 80 С.
Он боится света. В естественных условиях полимеризованный этилен примерно за год превращается в пыль. Не спешите оплакивать свою новую канистру: чтобы этого не произошло, промышленность использует специальные модификаторы, делающие полиэтилен почти вечным. Экологи в этом месте рыдают.

Насколько было бы чище вокруг, если бы весь полиэтилен разлагался за год…

Наконец, полиэтилен крайне эластичен. Его максимальное растяжение при разрыве достигает 600 процентов, а раз так — образовавшаяся ледяная пробка не разорвет полиэтиленовую трубу, лишь немного растянет. Это делает, кстати, полиэтиленовые трубы наряду с неармированным полипропиленом идеальным выбором для водопровода загородного дома.

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ: Фитинги для капельного полива

Полиэтилену это не грозит

Совет: все-таки ввод в дом желательно заглубить ниже точки промерзания грунта. Если внутренний водопровод отогреется, едва температура в помещении поднимется выше нуля, то отогревать пластиковую трубу в сугробах при -30 на улице — удовольствие то еще.

Кроме того, на время зимнего отсутствия воду из труб желательно сбросить еще по одной причине: трубам лед не страшен, а вот смесители он порвет.

h t = λ(L/d)(v 2 /2g).

где L –длина трубопровода.
d -диаметр участка трубопровода.
v — средняя скорость перемещения жидкости.
λ -коэффициент гидравлического сопротивления, который в общем случае зависит от числа Рейнольдса (Re=v*d/ν), и относительной эквивалентной шероховатости труб (Δ/d).

Значения эквивалентной шероховатости Δ внутренней поверхности труб разных типов и видов указаны в таблице 2. А зависимости коэффициента гидравлического сопротивления λ от числа Re и относительной шероховатости Δ/d указаны в таблице 3.

В случае, когда режим движения ламинарный, то для труб некруглого сечения коэффициент гидравлического сопротивления λ находится по персональным для каждого отдельного случая формулам (табл. 4).

Если турбулентное течение развито и функционирует с достаточной степенью точности, то при определении λ можно использовать формулы для круглой трубы с заменой диаметра d на 4 гидравлических радиуса потока Rг (d=4Rг)

Свойства труб

Габариты, вес и маркировка

Сортамент изделий достаточно обширен

Одним из преимуществ описываемых изделия является достаточно обширная размерная секта.

Сортамент деталей включает в себя разновидности диаметром от 10 до 1200 мм:

Самые тонкие модели применяются для обустройства водопроводов. К примеру, полиэтиленовая труба 32 мм вполне может быть использована для прокладки основной системы водоснабжения в частном доме, а вот разводку к точкам водозабора удобнее делать из элементов сечением около 20 мм.
Более толстые трубы (до 100 – 150 мм) используют для монтажа канализационных систем. При этом чаще всего подобные коммуникации проектируются по напорному типу, поскольку для безнапорной канализации можно применять более дешевые полипропиленовые или поливинилхлоридные модели с фасонным соединением.
Полиэтиленовая труба 300 – 1200 мм – отличный выбор для прокладки водонесущих коммуникаций. Главной сложностью в данном случае будет обустройство стыков, потому обычно для решения этой задачи используют профессиональное оборудование.

Схема, демонстрирующая отношение диаметра к толщине стенки

Еще один параметр, который нужно принимать во внимание помимо сечения – это SDR. Данная величина показывает отношение диаметра изделия к толщине его стенки. Чем меньше SDR, тем выше прочность трубопровода, но в то же время, выше нагрузка на несущее основание.

Вес полиэтиленовой трубы 1 м во многом зависит именно от этого параметра. Несколько примеров мы приведем в таблице ниже:

SDR -11, давление до 1МПа			SDR – 21, давление до 0,5 МПа
Диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Удельный вес, кг	Диаметр, мм	Толщина стенки, мм	Удельный вес, кг
20	2	0,12	40	2	0,23
32	3	0,28	50	2,4	0,42
40	3,7	0,43	75	3,6	0,81
50	4,6	0,67	90	4,3	1,19
75	6,8	1,49	160	7,7	3,79
90	8,2	2,15	280	13,4	11,52
160	14,6	6,79	400	19,1	23,38
280	25,4	20,7	500	23,9	36,5

Маркировка полиэтиленовых труб, которая наносится на наружную поверхность изделий, обязательно включает в себя такие обозначения:

Марку использованного полиэтилена.
Значение SDR.
Наружный диаметр.
Толщину стенок.
Также может указываться стандарт, по которому труба была изготовлена, и ее назначение.

Нанесение маркировки при производстве

К примеру, изделие с маркировкой «ПЭ80 – SDR11 – 45,4 питьевая ГОСТ 18599-2001» представляет собой трубу для питьевого водоснабжения, изготовленную из полиэтилена ПЭ80. Наружный диаметр составляет 500 мм при толщине стенки 45,4 мм и соответствующем SDR.

Температура и давление

Важнейшими параметрами, на которые специалисты-сантехники рекомендуют обращать самое пристальное внимание, являются температурные показатели и величина выдерживаемого давления.

Что касается температуры, то здесь все зависит от того, какая разновидность материала использовалась:

Полиэтилен низкого давления, из которого производится большинство продукции, можно применять в диапазоне от 0 до +400С. При охлаждении до -100С материал становится хрупким, а перегрев приводит к деформации.

Изделия из сшитого полиэтилена можно применять и в отопительных системах

Сшитый полиэтилен более прочен, потому трубы из данного материала могут выдерживать рабочую температуру до +90-950С.

Обратите внимание! Для большинства марок характерно плавление при 1300С, но использовать изделия при столь экстремальных температурах не стоит: в первую очередь пострадают узлы соединения.

Что касается давления, то здесь в качестве основного параметра вступает уже упоминавшееся выше соотношение SDR. Как правило, массовые модели способны работать в диапазоне от 0,25Мпа (SDR – 41) до 2Мпа (SDR-6).

Чем меньше отношение сечения к толщине стенки, тем большее давление выдержит система

Другие параметры

Выбирая изделия для обустройства водопровода или канализации, нужно учитывать и другие параметры.

К важнейшим в данном случае отнесем такие:

Коэффициент шероховатости полиэтиленовых труб обычно составляет не более 0,005 мм. Столь гладкая внутренняя поверхность позволяет достичь необходимой пропускной способности при значительно меньшем диаметре. Вот почему при замене стальных труб на ПЭ-изделия обычно используют сечения на шаг меньше (например, вместо 40 мм устанавливают 32 мм).

Для коммуникаций, проложенных на глубине (на фото), кольцевая жесткость имеет первостепенное значение

Для подземных канализационных сетей и водопроводных магистралей ключевое значение имеет кольцевая жесткость полиэтиленовых труб. Эта величина определяет, насколько эффективно изделие сопротивляется сжимающей нагрузке грунта. Данный параметр обозначается индексом SN и в нашем случае может находиться в пределах от 2 до 8. Трубы с SN8 вполне выдерживают давление в 6 м грунта, потому их можно применять в наиболее сложных условиях, например, под автомагистралями.

h м = ζ v 2 /2g.

где ζ – коэффициент местного сопротивления, который зависит от конфигурации местного сопротивления и числа Рейнольдса.

При развитом турбулентном режиме ζ = const, что позволяет ввести в расчеты понятие эквивалентной длины местного сопротивления Lэкв. т.е. такой длины прямого трубопровода, для которого ht = hм. В данном случае потери напора в местных сопротивлениях учитываются тем, что к фактической длине трубопровода добавляется сумма их эквивалентных длин

где Lпр – приведенная длина трубопровода.

Зависимость потерь напора h1-2 от расхода называется характеристикой трубопровода.

В случаях когда движение жидкости в трубопроводе обеспечивает центробежный насос, то для определения расхода в системе насос – трубопровод выстраивается характеристика трубопровода h =h(Q) с учетом разности отметок ∆z (h1-2 + ∆z при z1 z2) накладывается на напорную характеристику насоса H=H(Q), которая приведена в паспортных данных насоса (смотреть рисунок). Точка пересечения таких кривых указывает на максимально возможный расход в системе.

Особенности монтажа полипропиленовых труб

Ни один объект в современном мире, от однокомнатной квартиры до крупного промышленного комплекса, не обходится без инженерных коммуникаций – в частности, без системы трубопроводов. Все известные трубы промышленного и бытового назначения можно разделить на две группы: металлические и неметаллические. Главная отличительная особенность первых – прочность, вторых – долговечность. Предлагаемые на сегодняшний день неметаллические трубы позволяют удовлетворить требования надежности в эксплуатации, стойкости к колебаниям температуры и механическим воздействиям. С учетом растущих цен на металл полимерные трубопроводы оказываются существенно выгоднее традиционных металлических. Как показывает мировой опыт, полимерные системы более надежные, долговечные, дешевые и экологически чистые, чем металлические.
Емкость российского рынка труб из полипропилена, 2004–2008 гг.

Показатель	2004 г.	2005 г.	2006 г.	2008 г.
Внутреннее производство, т	20 689	27 558	38 206	44 625
Импорт, т	11 485	20 046	30 262	54 904
Экспорт, т	263	128	137	265
Объем рынка, т	31 910,9	47 475,7	68 331	99 264
Доля импорта, %	36	42,2	44,3	55,3
Доля экспорта, %	1,3	0,5	0,4	0,6

При строительстве современных зданий и реконструкции старых в системах горячего и холодного водоснабжения, а также в системах отопления все чаще находят применение полипропиленовые трубы. Они отличаются пониженным уровнем шума, легкостью транспортировки и простотой монтажа. Начало применения полипропиленовых труб в России относится к 1960-м гг., а уже в середине 80-х был разработан статический сополимер пропилена с этиленом (PPR-random copolymer, тип 3). Особенностью сополимера PPR является большая стойкость к воздействию горя¬чей воды, благодаря чему он стал применяться в системах горячего водоснабжения и отопления, вытесняя сталь. Фитинги и трубы из полипропилена могут подвергаться периодическому или длительному воздействию различных агрессивных сред (в частности, кислот и щелочей), а при транспортировке питьевой воды не нарушают ее вкус, цвет и запах посторонними добавками.

Монтаж трубопроводов из полипропилена имеет свои особенности, и ему обязательно должен предшествовать расчет в соответствии с нормативными документами (СНиП 2.04.01-85, СНиП 41-01-2003, СП 40-102-2000 и СП 40-101-96). Трубы выбирают в зависимости от назначения и режима работы трубопро¬водной системы (холодное или горячее водоснабжение, отопление или технические цели), рабочих давлений и температуры транспортируемых веществ с учетом специфики полипропиленовых труб.

Тепловое удлинение

При проектировании и проведении монтажных работ необходимо учитывать тепловое удлинение трубопроводов. Неармированные полипропиленовые трубы имеют значительное тепловое расширение. У полипропиленовых труб, армированных алюминием или стекловолокном, коэффициент линейного расширения в пять раз меньше по сравнению с неармированными трубами. Об этом нужно помнить всегда, приступая к монтажу той или иной системы.
Сравнительная таблица линейного расширения труб из различных материалов

Материал трубопровода	Коэффициент линейного расширения, мм/м °С
Чугун	0,0104
Сталь нержавеющая	0,011
Сталь чёрная и оцинкованная	0,0115
Медь	0,017
Латунь	0,017
Алюминий	0,023
Металлопластик	0,026
Поливинилхлорид (PVC)	0,08
Полибутилен (PB)	0,13
Полипропилен (PR-R 80 PN10 и PN20)	0,15
Полипропилен (PR-R 80 PN25 алюминий)	0,03
Полипропилен (PR-R 80 PN20 стекловолокно)	0,035
Сшитый полиэтилен (PEX)	0,024

Вопрос теплового расширения во многом решается правильным использованием опор и выбором конфигурации трубопровода. Одним из общих правил монтажа является стремление создать как можно более гибкую эластичную систему с минимумом жестких коротких узлов, имеющих малую способность к деформации. Игнорирование указаний по компенсации линейных расширений трубопровода вызывает высокие продольные напряжения в стенках труб и тем самым существенно сокращает срок службы системы. Неверно выбранные расстояния между креплениями трубопровода также негативно сказываются на сроке службы. Произвольное увеличение расстояния между опорами может повлечь увеличение прогиба трубы и защемление ее на опорах, что исключает прямолинейность и возможность свободного удлинения или укорочения трубопровода в период эксплуатации, а также создает дополнительные усилия на конструкцию опор. На рис. 1 виден результат игнорирования нормативных требований по проведению монтажных работ полипропиленовых труб.

Рис. 1. Монтаж полипропиленовых труб в переходе у метро «Павелецкая кольцевая»

Тепловое удлинение/укорочение трубопровода Δl, мм, независимо от его диаметра определяют по формуле Δl = α/Δt, где α – коэффициент линейного удлинения, Δt – разность между температурами при эксплуатации и при монтаже.

Если температура трубопровода при эксплуатации выше температуры монтажа, то длина трубопровода увеличивается, и наоборот.

Чтобы исключить появление ошибки в расчетах, целесообразно обозначать удлинение со знаком плюс (+Δl), а укорочение со знаком минус (-Δl).

Продольное усилие, возникающее в жестко закрепленном участке трубопровода, не зависит от его длины, поэтому необходимо учитывать влияние тепловых напряжений в любом закрепленном участке трубопровода.

Трубопровод должен свободно удлиняться или укорачиваться без перенапряжения материала труб, соединительных деталей, шва трубопровода, а также подвижных (скользящих) и неподвижных (мертвых) опор. Это обеспечивается благодаря компенсирующей способности элементов трубопровода (самокомпенсация) и компенсаторов, а также правильной расстановки подвижных и неподвижных опор.

Неподвижные опоры должны направлять линейное тепловое удлинение трубопровода в сторону компенсирующих элементов. Расстояния между опорами рассчитываются на основании нормативных документов (СП 40-101-96, СП 40-102-2001 и технический каталог «Система трубопроводов для водоснабжения и отопления», часть 1) в зависимости от материала, наружного диаметра, толщины стенок трубы, температуры и массы транспортируемых веществ. При этом должно обеспечиваться сохранение прямолинейности трубопровода на весь расчетный период эксплуатации. Если расчет произведен неверно или же он совсем не производился, то негативный результат не заставит себя ждать. На рис. 2 наглядно представлен итог такого игнорирования.

Рис. 2. Деформация полипропиленовой трубы из-за неправильного монтажа

Шероховатость и диаметр

При проектировании напорных трубопроводных систем определяющее значение имеют их гидравлические расчеты. Они служат основой для вычисления диаметра труб и подбора насосного оборудования, которые обеспечивают требуемый режим работы этих систем в течение всего срока эксплуатации. Качество выполненных гидравлических расчетов определяет экономичность как самого трубопровода, так и всего комплекса связанных с ним сооружений. Полимерные трубы имеют очень гладкую внутреннюю поверхность и малые гидравлические потери, что позволяет использовать трубы меньшего диаметра, чем стальные. Монтаж становится более компактным и экономичным. Из приведенной ниже таблицы видно, что коэффициент эквивалентной шероховатости полипропиленовой трубы на два порядка ниже по сравнению со стальной трубой. Поэтому, когда у заказчика появляется вопрос: «Почему при замене стальной трубы на полипропиленовую был выбран меньший диаметр?», можно привести данную таблицу, даже если у вас нет под рукой гидравлического расчета системы.
Коэффициент эквивалентной шероховатости трубопроводов в зависимости от материала труб

Трубопроводы	Коэффициент эквивалентной шероховатости К, мм
Стальные новые трубы	0,2
Медные трубы	0,0015
Полипропиленовые трубы	0,003-0,005

Изоляция

Для предотвращения возникновения избыточных напряжений и повреждения полипропиленовых труб о строительные конструкции, их необходимо замоноличивать в изоляции. Чтобы избежать появления конденсата на трубах в системах холодного водоснабжения, монтаж трубопроводов также необходимо производить в изоляции. Изоляция трубопроводов системы горячего водоснабжения обеспечивает снижение тепловых потерь в окружающую среду.

Сварка и крепеж

В трубопроводах из полипропилена сварное соединение практически не снижает надежности системы, количество соединительных и установочных элементов при соблюдении всех правил сварки не имеет значения. При сварке полипропиленовых труб и фитингов необходимо соблюдать рекомендации и требования, изложенные в «Руководстве по монтажу напорных трубопроводных систем из полипропилена».

Коэффициенты сопротивления полипропиленовых фитингов ниже, чем у чугунных. Запорная арматура отличается высокой надежностью, усилия от затяжки резьбы отсутствуют. При размещении труб на стенах и потолках не рекомендуется использовать неподвижные опоры. Неподвижные опоры, как правило, фиксируют тяжелые трубные узлы или тяжелые элементы трубопровода, не имеющие собственных креплений (например, фильтры или краны).

При проведении монтажных работ не допускается использование трубного (газового) ключа для затяжки комбинированных полипропиленовых фитингов. Использование данного ключа приводит к разрушению фитингов. Соблюдение всех этих нормативных правил обеспечит надежную и безаварийную эксплуатацию системы трубопроводов в течение всего расчетного периода ее эксплуатации.

Ю. Д. Олейников, к. т. н., , руководитель направления «Отопление»

Источник: turbo-tex.ru

Благодаря региональным программам газификации ПАО «Газпром», потребители в России получают сетевой газ по разветвленные системам газоснабжения городов и населенных пунктов. Большинство из них имеют тупиковую схему распределения, в силу своего экономического преимущества при строительстве. Тупиковые сети представляют собой газопровод, разветвляющийся по различным направлениям к потребителям газа (рис. 1). По мере удаления от источника газоснабжения или пункта редуцирования давление газа в тупиковых сетях падает, и потребители, находящиеся в конце системы, в моменты пикового потребления могут получить газ с меньшим давлением [1].

Рис. 1. Пример тупиковой схемы газоснабжения

Одной из причин потери давления при транспорте газа являются потери на преодоление гидравлического сопротивления,
которое характеризуется коэффициентом гидравлического сопротивления

Анализ методов расчета коэффициента гидравлического сопротивления.

Общие положения расчета потерь напора при движении жидкостей в трубах описаны многими авторами в базовом курсе гидравлики и гидромеханики [2-3]. Основы газовой динамики и примеры расчета газопроводов были изложены А.Д. Альтшулем и П.Г. Киселевым [2, с. 206-213] и Н.З. Френкелем [3, с. 439-451].

Н.З. Френкель, рассматривая основные вопросы газовой динамики и руководствуясь работами Н.Е. Жуковского и С.А. Чаплыгина, для изотермического состояния газа (n=1) получил выражение для определения квадратичного перепада давления газа по длине трубопровода:

(1)

где p₁ и p₂ – давления газа в начале и конце трубопровода соответственно, Па;

g – ускорение свободного падения, g=9,81 м/с²;

λ – коэффициент гидравлического сопротивления (коэффициент Дарси);

l – длина трубопровода, м;

d – внутренний диаметр трубопровода, м;

R – универсальная газовая постоянная

T – температура газа, К;

Q – объемный расход газа, м³/с.

В действующем СП 42-101-2003 [4] падение давления на участке газовой сети среднего и высокого давления можно определять по формуле:

(2)

для сети низкого давления:

(3)

где p₀ = 0,101325 МПа;

ρ – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

Коэффициент гидравлического сопротивления определяется в зависимости от режима движения газа по газопроводу, характеризуемого числом Рейнольдса:

(4)

где v – коэффициент кинематической вязкости газа, м²/с, при нормальных условиях.

Помимо числа Рейнольдса, коэффициент сопротивления зависит от гидравлической гладкости внутренней стенки газопровода, определяемой по условию

(5)

где К_э – эквивалентная абсолютная шероховатость внутренней поверхности стенки трубы, принимаемая равной для новых стальных – 0,01 см, для бывших в эксплуатации стальных – 0,1 см, для полиэтиленовых независимо от времени эксплуатации – 0,0007 см.

В соответствии с СП 42-101-2003 коэффициент гидравлического сопротивления определяется по таблице 1:

Таблица 1

Формулы расчета коэффициента гидравлического трения по СП 42-101-2003

В соответствии с опытами И.И. Никуразде в трубах с искусственной шероховатостью коэффициент λ в зависимости от числа Рейнольдса Re находится по таблице 2.

Формулы расчета коэффициента гидравлического трения по И.И. Никурадзе

Таблица 2

На основе формул Колбрука для гидравлически шероховатых труб и Прандтля–Никурадзе для вполне шероховатых труб А.Д. Альтшулем была получена обобщенная зависимость
действительная для всей области турбулентного течения [5]:

(12)

где C – константа, в дальнейшем примем C=1.

Анализ полученных зависимостей коэффициента гидравлического сопротивления от логарифма числа Рейнольдса

На рисунке 1 представлены зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от логарифма числа Рейнольдса на примере полиэтиленового газопровода диаметром d=50 см и коэффициентом эквивалентной шероховатости K_Э=0,0007 см, полученные по таблицам 1, 2 и формуле (12).

Рис. 2. Зависимости λ(Re) для полиэтиленовых труб в соответствии с СП 42-101-2003, И.И. Никурадзе и А.Д. Альтшулем

Из графика следует, что в целом формула (12) демонстрирует ту же зависимость, что и таблица 2. Также можно заметить, что в зоне критического режима (2000 < Re < 4000) значения, найденные по таблице 1 в соответствии со Сводом Правил представляют собой более плавную зависимость без явных экстремумов.

На рисунках 3-5 представлены зависимости коэффициента λ от логарифма числа Рейнольдса для труб с различной шероховатостью (см. формулу 5) для каждой из описанных методик.

Рис. 3. Зависимости λ(Re) для различных труб в соответствии с СП 42-101-2003

Рис. 4. Зависимости λ(Re) для различных труб по И.И. Никурадзе

Рис. 5. Зависимости λ(Re) для различных труб по А. Д. Альтшулю

Исходя из приведенных зависимостей можно сделать вывод, что не смотря на выбранную методику значение коэффициента гидравлического сопротивления снижается при уменьшении шероховатости стенок трубы, вследствие чего можно предположить, что полиэтиленовые трубы обладают наибольшей энергоэффективностью и производительностью.

На рисунках 6 и 7 приведены зависимости потерь давления в сетях высокого, среднего и низкого давлений от производительности (расхода) газопровода в соответствии с формулами (2-3) для различных типов труб.

Рис. 6. Зависимость потерь давления от расхода в сетях среднего и высокого давлений

Рис. 7. Зависимость потерь давления от расхода в сетях низкого давления

Полученные зависимости подтверждают предположение о том, что полиэтиленовые трубы вследствие малой шероховатости стенок заметно повышают производительность газопроводов и уменьшают потери по длине.

На базе дочерних предприятий ООО «Газпром Межрегионгаз» были сняты значения потерь давления на полиэтиленовых и стальных газопроводах различной категории давления — высокой, средней и низкой. Так же был проведен сравнительный анализ показателя удельных потерь давления по длине участка трубопровода, расчет которого производиться по следующей формуле

(13)

где — удельные потери давления по длине трубы, МПа/м;

Измерения давления производились в начале (P₁) и в конце (P₂) участка газопровода с применением цифрового манометра МО-05 с действующей поверкой их метрологических характеристик. Для того чтобы можно было пренебречь потерями давления на местных сопротивлениях и исследовать только гидравлическое сопротивление трубы, в качестве примера рассматривались участки трубопровода, которые не имеют запорной арматуры и не изменяют свое направление. Затем на основании практических данных рассчитаны коэффициенты гидравлического сопротивления по формулам, полученным из формул (2, 3). Для газопроводов низкого давления

(14)

для газопроводов высокого и среднего давления

(15)

Для анализа изменения шероховатости стенок трубопроводов в зависимости от времени эксплуатации, было взято три образца стальной и три образца полиэтиленовой трубы с различной степенью износа. Результаты измерения и расчета по формулам (12, 13) сведены в таблицу 3.

Материал трубопровода	Длина участка, , м	Категория газопровода	Условный диаметр газопровода, D, мм	Расход газа, Q, н. м³/ч	Давление в начале участка, , МПа	Давление в конце участка, P₂, МПа	Удельные потери давления по длине газопровода, ,	Коэффициент гидравлического сопротивления, 
ПЭ	95	Низкого давления (до 0,005 МПа)	25	34	0,005	0,003		0,0039
	310	Среднего давления (от 0,005 до 0,3 МПа)	80	760	0,28	0,271		0,0302
	1305	Высокого давления II категории (0,3 до 0,6 МПа)	225	1680	0,6	0,552		0,9437
Сталь	75	Низкого давления (до 0,005 МПа)	15	24	0,005	0,003		0,0100
	820	Среднего давления (от 0,005 до 0,3 МПа)	80	103	0,3	0,27		1,2653
	1560	Высокого давления II категории (0,3 до 0,6 МПа)	500	3560	0,4	0,33		2,8851

Результаты проведенного измерения давления

Рис. 8. График зависимости удельных потерь давления от категории газопровода и материала

По результатам измерений можно сделать вывод о том, что потери давления на газопроводах из полимерных материалов ниже по каждой категории давления. Так же видна зависимость потерь давления от категории газопровода. При низком давлении в трубе значение потерь наиболее низкие, при высоком – наиболее высокие. Значения коэффициента гидравлического сопротивления также ниже при транспорте газа по полимерным трубам, чем по стальным. При увеличении значения давления коэффициент увеличивается.

Для анализа изменения величины шероховатости стенок трубопроводов в зависимости от времени эксплуатации, было взято три образца стальной и три образца полиэтиленовой трубы с различной степенью износа.

Рис. 9. Образцы стального и полиэтиленового газопроводов

На базе кафедры транспорта и хранения нефти и газа с использованием профилометра HOMMEL Tester T1000 было выполнено измерение их шероховатости, результат которого обработан и записан в таблицу 4.

Образец		Результат визуального осмотра внутренней стенки трубопровода	Параметры шероховатости
Материал	Срок эксплуатации г-да		Rmax, мкм		Rz, мкм	Ra, мкм
ПЭ	новый (в эксплуатации не находился)	Видимая шероховатость стенки отсутствует, механические повреждения (сколы, царапины) отсутствуют	4,63		4,04	0,63
	7 лет	Видимая шероховатость стенки отсутствует, имеются незначительные царапины	5,46	4,4		0,678
	14 лет	Видимая шероховатость стенки отсутствует, механические повреждения отсутствуют	7,32	4,64		0,682
Сталь	новый (в эксплуатации не находился)	Видимая шероховатость стенки отсутствует, механические повреждения (сколы, царапины) отсутствуют	25,68	19,52		1,04
	10 лет	Имеется видимая шероховатость внутренней стенки трубопровода, вызванная в результате коррозии, имеются незначительные коррозионные каверны	30,31	19,52		2,452
	30 лет	Имеется видимая шероховатость внутренней стенки трубопровода, вызванная в результате коррозии, имеются коррозионные каверны и уменьшение толщины стенки трубопровода	62,22	36,61		5,211

Результат измерения шероховатости стенок трубопровода.

На основании полученных данных наглядно видно, что шероховатость стенок внутренней поверхности при монтаже новой полиэтиленовой трубы будет на порядок ниже, чем у стальной трубы. Износ стенок стального газопровода идет наиболее интенсивно вследствие коррозионных процессов. Таким образом шероховатость стенок внутренней поверхности стального трубопровода изначально выше и довольно интенсивно увеличивается в ходе эксплуатации в зависимости от режима и условий работы, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления.

Выводы:

В результате сравнения полученных зависимостей коэффициента гидравлического сопротивления от логарифма числа Рейнольдса (рис.2-5) можно сделать вывод, что полиэтиленовые трубы обладают большей энергоэффективностью и производительностью в сравнении со стальными трубами.
Полученные зависимости потери давления по длине от производительности трубопровода подтверждают, что полиэтиленовые трубы вследствие малой шероховатости стенок заметно повышают производительность газопроводов и уменьшают потери давления по длине.
По результатам производственного эксперимента, проводимого на стальных и полиэтиленовых газопроводах низкого, среднего и высокого давлений (таблица 3 рис.4) видно, что потери давления на трубопроводах из полимерных материалов ниже, чем на стальных.
По результатам измерения шероховатости, проводимых на базе лаборатории Горного университета (табл.4) видно, что шероховатость стенок полиэтиленовых труб на порядок ниже, чем стальных, также износ стальных газопроводов происходит интенсивнее, поэтому для уменьшения коэффициента гидравлического сопротивления и повышения эффективности транспортирования газа рекомендуется использование полиэтиленовых труб.

Литература:

М. А. Кондратенко, Т. В. Ефремова. Технико-экономическое сравнение тупиковых и кольцевых схем внутриквартального газопровода // Статья в сборнике трудов конференции: Потенциал интеллектуально одаренной молодежи — развитию науки и образования. Материалы V Международного научного форума молодых ученых, студентов и школьников. Под общей редакцией Д. П. Ануфриева. 2016 г. Астрахань Издательство: АГАСУ, с 164-166.
Альтшуль А.Д. Гидравлика и аэродинамика (основы механики жидкости) / А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселев. М.: Стройиздат, 1965. 275 с.
Френкель Н.З. Гидравлика / Н.З. Френкель. М.: Госэнергоиздат, 1956. 453 с.
СП 42-101-2003 Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб; введ. с 08.07.2003 М.: Полимергаз, 2006. 168 с.
Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления / А.Д. Альтшуль. – 2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1982. 224 с

Источник: magazine.neftegaz.ru