ВЛИЯНИЕ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НАПОРНЫХ ВОДОВОДОВ
При проектировании напорных водоводов обычно предполагается, что их гидравлическое сопротивление в течение всего срока эксплуатации остается постоянным. Практика показывает, однако, что во многих случаях пропускная способность водоводов (в частности, стальных) в процессе их эксплуатации постепенно снижается, доходя в некоторых случаях до 50% расчетной и даже ниже. Поэтому погрешности в назначении начальной шероховатости невелики по сравнению с возможным изменением шероховатости в процессе эксплуатации. Так, принимая для новых стальных труб среднее значение шероховатости kэ (при kэмакс/kэмин=10), получаем при определении скорости отклонение от среднего ± 6%, а при определении потерь ±12 %.
В результате снижения пропускной способности водовода приходится увеличивать напор или возникает необходимость в прокладке новых магистралей; иногда рекомендуется увеличивать расчетные потери напора в зависимости от срока службы водовода, но при этом не учитываются свойства транспортируемой воды и материала трубопровода.
Как показывают исследования [2], образование отложений в напорных водоводах представляет собой комплексный процесс, зависящий от физико-химических свойств транспортируемой воды (с учетом метода и масштаба ее очистки), материала водовода и характеристики покрытия, а также от гидравлических параметров - средней скорости течения, давления жидкости и диаметра водовода.
Для металлических трубопроводов водоснабжения, учитывая способность воды образовывать отложения в трубопроводах, можно (по А.Г. Камерштейну) разбить различные природные воды на пять групп, каждая из которых определяет характер и интенсивность процесса понижения пропускной способности трубопроводов:
Группа I. Слабоминерализованные некоррозионные воды с показателем стабильности от -0,2 до +0,2; воды с незначительным содержанием органических веществ и растворенного железа.
Группа П. Слабоминерализованные коррозионные воды с показателем стабильности до -1,0; воды, содержащие органические вещества и растворенное железо в количестве, меньшем 3 мг/л.
Группа Ш. Весьма коррозионные воды с показателем стабильности от -1,0 до 2,5, но с малым содержанием хлоридов и сульфатов (меньше 100—150 мг/л); воды с содержанием железа больше 3 мг/л.
Группа IV. Коррозионные воды с отрицательным показателем стабильности, но с большим содержанием сульфатов и хлоридов (больше 500—700 мг/л); необработанные воды с большим содержанием органических веществ.
Группа V. Воды, характеризующиеся значительной карбонатной и малой постоянной жесткостью с показателем стабильности более 0,8; сильно минерализованные и коррозионные воды с остатком более 2000 мг/л.
На основании обследования трубопроводов ряда систем водоснабжения в СССР, а также использования литературных данных о производительности зарубежных водоводов на рис. 18 нанесены опытные точки, показывающие зависимость потери пропускной способности водоводов (стальных и чугунных) от срока их службы. Несмотря на разброс точек, можно обнаружить определенную закономерность в их расположении. На графике (рис. 18) нанесено шесть кривых, ограничивающих пять зон, каждая из которых соответствует определенной группе воды. График устанавливает зависимость между свойствами воды и уменьшением пропускной способности трубопроводов; используя указанный график можно с известным приближением прогнозировать это уменьшение.
На основании этого графика была получена зависимость высоты выступа шероховатости kt, мм, от срока эксплуатации t
kt = k0 + at, (43) где k0 — начальная высота выступа, мм; а — скорость увеличения выступа шероховатости (мм/год), зависящая от физико-химических свойств транспортируемой воды. Значения а приведены в табл. 6. [2].
Югославский ученый Л. Левин [56] в развитие работы [1] представил формулу (43) в виде диаграммы, изображенной на рис. 19, на которую нанесены также опытные точки, полученные при исследовании напорных водоводов ГЭС Западной Европы и США. Из рис. 19 видно, что формула (43) и табл. 6 в общем правильно отражают процесс старения водоводов.
Рис. 18. Зависимость потери пропускной способности трубопроводов водоснабжения от срока их службы:
1-9, 14, 15 - трубопроводы СССР; 10-13, 16 - трубопроводы США; I-V - группы природных вод
Рис. 19. Зависимость абсолютной шероховатости от срока службы напорных трубопроводов Западной Европы и США:
1 - ГЭС Пасси; 2 - бетонный туннель Неверсинк (США); 3 - напорные трубопроводы (США); 4 - ГЭС Кавалья; 5 - бетонный водовод (США); 6 - бетонный сифон Уматилла (США); 7 - ГЭС Розаленд; 8 - бетонный водовод (США)
Таблица 6. Значения параметра а
Примечание. Значения параметра а в формуле (43) возрастают с уменьшением диаметра трубопровода. В числителе приведены пределы изменения а, а в знаменателе - наиболее вероятное среднее значение а.
По вопросу о влиянии времени эксплуатации на пропускную способность бетонных водоводов до сих пор нет единой точки зрения. По данным Ц. Цочева и других расчетная пропускная способность бетонных труб сохраняется и они могут служить до ста лет, по данным В.Б. Дульнева возраст бетонных труб и условия их эксплуатации могут сильно влиять на шероховатость трубы и, следовательно, на изменение ее пропускной способности.
Изменение шероховатости бетонных водоводов в результате коррозии происходит в основном за счет:
растворения составных частей бетона протекающей водой с малой временной жесткостью;
растворения продуктов взаимодействия воды и составных частей гидратированного цемента потоком, имеющим определенный солевой и кислотный состав;
образования малорастворимых солей и роста кристаллов солей в порах бетона под действием сульфатов, растворенных в воде и вызывающих разрушение цементного камня.
Так, для портландцемента в лабораторных условиях за 50 лет эксплуатации вследствие эрозии бетонная поверхность разрушилась на глубину 1,8 см. От степени эрозии бетона зависит интенсивность обрастания. В бетонных туннельных и трубчатых сооружениях наблюдаются следующие виды обрастаний [22]:
карбонатные — при транспортировании воды, пересыщенной карбонатом кальция;
железистые — при наличии в воде большого количества растворенного железа;
биологические — за счет продуктов жизнедеятельности микроорганизмов;
механические — в результате кристаллизации на бетонной поверхности выделенных из потока взвешенных частиц.
Толщина отложений на стенке трубы, как показывает опыт, не зависит от ее диаметра. Однако пропускная способность труб меньших диаметров (100-200 мм) снижается значительно быстрее (при прочих равных условиях), чем пропускная способность труб больших диаметров (более 300 мм).
При высоких скоростях течения воды бетонные облицовки водосбросных гидротехнических сооружений могут подвергаться воздействию как кавитации, так и взвешенных наносов (абразивных песков), что приводит к возрастанию шероховатости, а в ряде случаев и к серьезным повреждениям вследствие кавитационной или абразивной эрозий [35,53].
Бетонные водоводы, подвергшиеся воздействию обрастания и эрозии, не могут рассматриваться как трубопроводы с естественной шероховатостью. Для учета возрастания шероховатости поверхности бетонных водоводов можно рекомендовать пользоваться формулой (43) при значении коэффициента а = 0,001-0,02, где большие значения относятся к высоким скоростям течения и агрессивным водам [31].
С увеличением сопротивления водоводов во времени можно бороться, используя различные методы: механическую очистку поверхности от обрастания скребками, щетками; промывку потоком с большими скоростями. При скоростях более 5—6 м/с происходит смыв рыхлых и вновь образовавшихся биологических обрастаний, при скоростях потока 10-12 м/с происходит смыв прочных отложений, при скоростях 20—25 м/с происходит смыв любых обрастаний, но возникает опасность появления кавитационных явлений. Наиболее целесообразно проводить систематические промывки водоводов потоком со скоростями 5-6 м/с, чтобы не происходило уплотнения рыхлых образований. Эффективной мерой защиты бетонных и металлических облицовок безнапорных туннельных водосборов от кавитационной эрозии является аэрация потока; выравнивание неровностей водопропускных трактов (например, шлифовкой дефектов бетонных поверхностей алмазной шлифовальной машиной) . Использование современных методов обработки воды и нанесение защитных покрытий (стальных, асфальтированных, полимерных) позволяют уменьшить влияние продолжительности эксплуатации на пропускную способность водоводов [35].
Пример 1. Стальной новый водовод диаметром d = 0,25 м с абсолютной эквивалентной шероховатостью 0,0001 м имеет пропускную способность 0,052 м3/с. Вода в водоеме слабо минерализованная, некоррозионная. Исследования, проведенные через два года после начала эксплуатации, показали, что абсолютная шероховатость водовода возросла до k2=0,2 мм. Требуется определить, какая будет пропускная способность водовода через 15 лет эксплуатации.
Решение. По табл. 6 находим, что для воды с указанной характеристикой коэффициент возрастания шероховатости а = 0,0054-0,055 мм/год. Из формулы (43) найдем более точное значение а:
и, следовательно,
т.е. пропускная способность водовода уменьшится на
Чтобы предотвратить это уменьшение, необходимо или применить обработку воды, или принять водовод с увеличенным диаметром.
