Гидравлические особенности канализационных сетей с участками из полимерных труб, уложенных бестраншейно взамен ветхих трубопроводов из традиционных труб

В. А. Харькин, член-корр. Академии коммунального хозяйства, лауреат премии Правительства РФ, генеральный директор ООО «Прогресс»

 

При выборе для замены полимерных труб с D_э (табл. 9 в [1]) очень редко соблюдались принятые для самотечных сетей правила:

D_i-1^c < D_i^н < D_i+1^c и V_i-1^c < V_i^н < V_i+1^c , (1) и (2)

где D_i^н и V_i^н – диаметр и скорость движения стоков на восстанавливаемом участке;

D_i-1^c и V_i-1^c , D_i+1^c  и V_i+1^c – то же на предыдущем и последующем участках самотечной сети, считая по движению стоков.

Натурные испытания проводились на канализационных сетях, т. к. водосточные трубопроводы обладают лучшей самоочищающей способностью (рис. 1) из керамических труб, являющихся преобладающими по протяженности (до 50 %) с наиболее часто засоряющимися (до 70 %) диаметрами. Это были сети, в которых замена трубопроводов из керамики диаметром 200 мм произведена новыми из полимерных труб и трубных модулей диаметрами 180 мм (160 мм), 225 мм (184 мм) и 280 мм (D_в = 284,2 мм).

Рисунок 1. (подробнее) Самоочищающая способность полимерных труб в сетях водоотведения

В натурных испытаниях наблюдалась следующая картина. При малых наполнениях сети (0,1–0,3) в новых трубопроводах появлялся осадок. Затем, по мере увеличения наполнения, осадок полностью исчезал. Такое происходило на всех участках независимо от диаметра полимерных труб. Получается так, что трубы с расчетным диаметром D_р как меньшим, так и большим эквивалентного D_э нормально справляются с транспортировкой бытовых стоков в безнапорном режиме.

Это можно интерпретировать следующим образом.

Восстанавливаемые старые канализационные трубопроводы при строительстве сопрягались на смежных участках в смотровых колодцах «шелыга в шелыгу» с соблюдением правил (1) и (2) независимо от их диаметров. Пластмассовый трубопровод при замене старого трубопровода, имея, как правило, внутренний диаметр меньший, чем у заменяемого трубопровода, сопрягается также в смотровых колодцах, но теперь уже «по воде», причем указанные правила (1) и (2) соблюдаются редко. Получается так, что полимерный трубопровод, имея меньший диаметр, должен принимать на себя значения расхода стоков Q и гидравлического уклона l для расчетного режима заменяемого трубопровода из традиционного материала. Очевидно, что это возможно либо за счет большей скорости течения стоков в новом трубопроводе, либо за счет увеличения наполнения полимерного трубопровода.

Скорость течения стоков при Q=const и I=const для труб из разных материалов определяется их гидравлической шероховатостью.

До 1956 года расчет безнапорных трубопроводов производился согласно действующим в то время строительным нормам и правилам по формулам постоянства расхода:

(3)

и скорости течения:

(4)

где w – живое сечение трубопровода, м²;

V – средняя скорость течения стоков, м/с;

R – гидравлический радиус, равный отношению w к c (смоченный периметр трубопровода), м;

С – коэффициент Шези, м^1/2.

Коэффициент Шези принимался по формулам академика Н. Н. Павловского, которые справедливы только для шероховатых труб для квадратичного закона сопротивления турбулентного режима течения в зависимости от коэффициента шероховатости n (0,013; 0,014 и 0,012 соответственно для керамических, бетонных и асбестоцементных труб; для полимерных труб значения n не были установлены – такие трубы в канализации еще не применялись).

В дальнейшем гидравлические расчеты безнапорных трубопроводов проводились также согласно СНиПу, но уже с использованием других формул, справедливых для всех режимов движения стоков:

Дарси – Вейсбаха

(5)

и профессора Н. Ф. Федорова

(6)

где g – ускорение свободного падения, м/с²;

l – коэффициент гидравлического сопротивления;

Dэ – абсолютная эквивалентная шероховатость, м;

а₂ – коэффициент;

Re – число Рейнольдса.

(7)

где n – коэффициент кинематической вязкости стоков, м²/с.

Для керамических, бетонных и асбестоцементных труб Dэ = 1,35; 2,0; 0,6 и а₂ = 90; 100; 73 соответственно. Для полимерных труб их значения не приводились по той же причине.

В работе [2] установлены для труб из полиэтилена одни величины, из полипропилена – другие, а из поливинилхлорида – третьи. НИИМосстрой (канд. техн. наук А. А. Отставнов) рекомендует принимать [3] значение Dэ = 0,00006 м и а₂ = 20 для труб из всех термопластов.

В своде правил (СП 40-102-2000 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие положения») приводятся формулы для гидравлического расчета проектируемых вновь безнапорных трубопроводов из полимерных труб. Они получены (канд. техн. наук А. Я. Добромыслов) путем аппроксимации формулы Прандтля – Кольбрука, пользующейся широкой популярностью за рубежом при расчете как напорных, так и безнапорных трубопроводов из любого материала, в том числе и из полимеров. Эта формула описывает закономерности для переходной области гидравлического сопротивления и теоретически обоснована В. Н. Евреиновым еще в тот период, когда в соответствии со СНиПом расчет сетей водоотведения производился по формулам академика Н. Н. Павловского.

В практике гидравлических расчетов полимерных трубопроводов систем водоотведения до сих пор используются гидравлические формулы, описывающие области и гидравлически гладких труб (профессор А. Я. Карелин с коллегами [4]), и гидравлически шероховатых труб (степенные формулы: Хазен – Вильямса (С_Н-W = 140 – США, 150 – Япония), Маннинга – Стриклера (С_M-S = 120 – Франция, 115–125 – Австрия). С использованием указанных формул за рубежом запроектировано, построено и успешно работают по всему миру тысячи километров трубопроводов водоснабжения и водоотведения.

Сравнение гидравлических таблиц, рассчитанных с использованием различных методик по профессору Н. Ф. Федорову [2, 3], по Блазиусу [4] и по канд. техн. наук А. Я. Добромыслову [5, 6], показало, что для канализационных трубопроводов из полимерных труб при одних и тех же величинах I, расхождения в значениях как по V, так и по Q (табл. 1) не превышают 2–3%.

Таблица 1

Наполнение H/D = 1 H/D = 0,6 H/D = 0,75/0,8* Авторы Q, л/с V, м/с Q, л/с V, м/с Q, л/с V, м/с А. А. Отставнов [3] 32,22 1,03 21,26 1,09 30,13 1,14 А. Я. Добромыслов [5] 32,19 1,03 21,80 1,11 31,93 1,19 А. Я. Карелин [4] 31,95 1,01 21,79 1,11 - - Энергопромполимер [6] 32,13 1,03 21,69 1,11 - - Ю. М. Константинов [2] 32,77 1,05 19,44 0,99 - -

* 0,73 – А. А. Отставнов; 0,8 – А. Я. Добромыслов.

Это справедливо только для полного заполнения трубопровода. Для других наполнений имеются некоторые расхождения.

Расчетное наполнение канализационных трубопроводов из традиционных материалов с исследуемыми диаметрами, согласно СНиП, принимается равным 0,6.

В работе [7] обосновывается расчетное наполнение пластмассовых труб. Для этого вводится коэффициент g_j (рис. 2а).

Этот коэффициент равен отношению средних кинетических энергий потока сточной жидкости при частичных и полном  заполнениях:

(8)

Действительная кинетическая энергия потока жидкости, проходящей за время t через живое сечение wj:

(9)

где r – объемная масса жидкости, кг/м³;

u_kj – действительная скорость в разных k точках живого сечения j, м/с.

После замены действительной скорости u_kj на среднюю  и соответствующих преобразований

выражения (9) соотношение средних кинетических энергий для любых наполнений:

(10)

где  – поправочные коэффициенты, учитывающие отличие действительных скоростей от средних для полного и частичных наполнений.

При известном допущении = выражение (10) преобразовывается в выражение (8).

Коэффициент g_j достигает значения равного 1 практически уже при наполнении 0,75 (рис. 2а) и в дальнейшем существенно не изменяется (отклонения в значениях g_j при наполнениях от 0,75 до 1 не превышают 5 %). Следовательно, поток сточной жидкости при достижении заполнения трубопровода 75 % начинает обладать уже практически максимальной кинетической энергией. Для полного использования кинетических возможностей потока стоков поэтому и рекомендовано [8] производить гидравлический расчет самотечных канализационных трубопроводов при наполнениях не ниже 0,75 для всех диаметров. Это позволяет использовать на 25 % большую кинетичность потока по сравнению с наполнением равным 0,6 согласно СНиПу для традиционных труб.

Рисунок 2. a) подробнее б) подробнее в) подробнее Графические зависимости отношений расходов aj, скоростей bj и кинетичности потока стоков gj (а), расходов aj (б) и при частичном и полном наполнениях H/D (в)

И как следствие этого, изменяется соотношение эквивалентных диаметров канализационных трубопроводов из традиционных материалов с расчетным наполнением 0,6 и новых из полимерных труб с расчетным наполнением 0,75 (рис. 3). C учетом этого становится возможным использовать для замены пластмассовые трубы с меньшим (табл. 2) расчетным диаметром на 25 % (вместо керамических), 12,2 % (асбестоцементных напорных) и 19,1 % (асбестоцементных канализационных).

Рисунок 3. (подробнее) Зависимости пропускной способности Q трубопроводов от уклона I для труб из разных материалов и различного диаметра при разных наполнениях H/D канализационных сетей: Dу – условный диаметр керамических и асбестоцементных труб; Dпв – внутренний диаметр пластмассовых труб; 1 – асбестоцементные канализационные трубы; 2 – то же напорные; 3 – то же керамические

Для полимерных трубных модулей с меньшей в 6–12 раз длиной (0,5–1 м) эти показатели будут другими, т. к. их сопротивление будет большим, чем у труб стандартной длины. Согласно ВСН 478 (п. 2.6) при определении проектного гидравлического уклона I_n безнапорного трубопровода его расчетное значение I следует умножить на коэффициент потерь напора на стыковых соединениях труб К_мс = 1,07 (диаметры 110–160 мм) и 1,06 (225–630 мм) – сварных встык; 1,015 (110–225 мм) и 1,01 (диаметры 225–630 мм) – раструбных. Для резьбовых соединений значения не приводятся. Да их и не могло быть, т. к. пластмассовые трубы с резьбовыми соединениями в период разработки указанного норматива (1980 год) в самотечных сетях канализации не применялись. Они стали применяться для этих целей в массовом масштабе впервые в рамках работы на сетях. Метрологические исследования показали, что в месте стыковки полимерных модулей имеются выступы. Они образуются из-за несоосности нарезанных внутренней резьбы на одном модуле и наружной резьбы на другом. Выступы высотой 1,5–2 мм имеются практически по всему периметру стыка свернутых на резьбе модулей. Это позволило принять для резьбовых соединений конструкции фирмы «Прогресс» значения коэффициентов местного сопротивления, как для сварных встык.

С учетом длины полимерных трубных модулей потери напора на канализационном трубопроводе возрастут по сравнению с табличными данными в 1,63 раза. Значения эквивалентных диаметров для модулей будут большими (знаменатель табл. 2) на 10 %.

Таблица 2 Соотношение эквивалентных диаметров канализационных трубопроводов

Условный проход Dу, мм 150 200 250 300 Dэ, мм, для керамических 120/132 160/176 200/220 240/264 асбесто- цементных напорных 115/127 155/171 195/215 230/253 безнапорных 118/130 158/174 197/217 236/260 Уменьшение диаметров, %, относительно керамических 25 25 25 25 асбесто- цементных напорных 12,3 12,2 12 12,1 безнапорных 19,7 19 18,9 18,9

Примечание. Это (цифры в числителе табл. 2) справедливо для полимерных труб стандартной длины (5,5–6 м), местное гидравлическое сопротивление которых учитывалось в рассмотренных исследованиях.

При проведении этих гидравлических исследований соотношение скоростей и расходов при частичных и полном наполнениях канализационных трубопроводов принималось по графическим зависимостям, так называемой «рыбке» (рис. 2а). Они используются за рубежом и в таблицах НИИМосстроя. По этим зависимостям максимальное значение расхода приходится на полное заполнение трубопровода. По нашему мнению, это правильно. Применяются и другие зависимости [4] как для традиционных труб (рис. 2б), так и для пластмассовых [5].

Канд. техн. наук А. Я. Добромыслов, ссылаясь на свои опытные данные, считает, что максимальный расход будет при заполнении 0,9. Если это так, то наши выкладки изменятся на 2–3 % в сторону увеличения полученных значений. Это может пойти в запас.

По мнению авторов гидравлических таблиц [2], использование существующей методики определения пропускной способности трубопроводов, работающих неполным поперечным сечением, приводит к завершению результата в среднем на 12 %. Ссылаясь на экспериментальные данные (рис. 2в), они утверждают, что при неполном наполнении трубопровода над свободной поверхностью стоков образуется воздушный поток, который вместе с волнистостью свободной поверхности жидкости и влиянием угловых зон приводит к изменению распределения касательных напряжений, образованию вторичных поперечных течений и изменению положения линий равных осредненных продольных скоростей в сечении. И делают заключение о том, что в гидравлических расчетах безнапорных круглых труб гидравлический радиус должен умножаться на эмпирический коэффициент (0,83 для HD = 0,4–0,8). Если это так, то и тогда на наших выкладках такой вывод не отразится, т. к. эмпирический коэффициент должен быть применен не только для полимерных трубопроводов, но также и для трубопроводов из традиционных материалов.

При использовании полимерных труб (модулей) с меньшим, чем D_э, расчетным диаметром D_р кинетичность потока стоков в полимерном трубопроводе (в условиях работы керамического трубопровода в расчетном режиме) остается практически без изменения. Объясняется это тем, что расход не зависит от D_р, а изменяется только скорость. При постоянстве уклона она даже несколько увеличится из-за увеличения наполнения. Насколько допустимо увеличение наполнения полимерного трубопровода? Это будет зависеть от конкретных условий для канализационной сети. По-видимому, в большинстве случаев сложившихся микрорайонов наполнение 0,9 можно считать допустимым. Это позволяет считать вполне приемлемым уменьшение значений эквивалентных диаметров на 5–6 %.

Полимерные трубы с внутренним диаметром меньше эквивалентного на 10–15 %, наверное, также смогут обеспечивать удовлетворительную работу восстановленных трубопроводов, если будет использоваться аккумулирующая способность канализационной сети [9]. В этом случае диаметр самотечного трубопровода должен быть рассчитан исходя из суммы величин живого сечения потока жидкости, аккумулирующего сечения и свободного сечения трубопровода, ограничивающего предел его заполнения. К сожалению, провести расчет диаметра полимерных труб с учетом такого подхода не представляется возможным, т. к. разработка (канд. техн. наук А. Я. Добромыслов) такой методики еще не завершена.

Применение полимерных труб (модулей) с внутренним диаметром, значительно меньшим эквивалентного, не желательно, т. к. при этом существенно нарушается правило, по которому D_i-1≤D_i. Это может привести к нарушению работы канализационной сети и в конечном случае – к засору колодца и вышележащего i-1 трубопровода, т. к. сечение лотка на входе в пластмассовый трубопровод зажимается либо там образуются заплечики (в этом убеждают натурные наблюдения, а это, как известно, явные причины засоров, потому что именно в этих местах задерживаются крупные предметы, которых в стоках предостаточно).

По-другому будет происходить в случае использования полимерных труб (модулей) с большим расчетным диаметром D_р, чем D_э. При постоянстве расхода при большем диаметре произойдет уменьшение наполнения. При неизменном уклоне это приведет к уменьшению скорости. Кинетичность потока стоков в новом трубопроводе снизится. Насколько – будет зависеть от фактического диаметра полимерных труб. Значение внутреннего диаметра можно принять на 8–10 % больше D_э, т. к. расчетное наполнение меньше 0,3 по требованию СНиП использовать нельзя. Дальнейшее увеличение диаметра может привести к негативным последствиям. Есть полные основания ожидать, что такие участки засорятся. Еще доктор техн. наук Г. Г. Шигорин заметил, что при малых наполнениях канализационной сети в трубах из традиционных материалов образуется сухое течение, в результате чего на дне трубопровода накапливается осадок. И как следствие этого, происходит засорение трубопроводов, несмотря на их большой внутренний диаметр 300–400 мм [9]. Произойдет это, наверное, не скоро, т. к. полимерные трубы индеферентны практически ко всем веществам, присутствующим в бытовых стоках, и на их внутренних поверхностях осадок долго не удерживается.

Применение моделей с внутренним диаметром значительно большим эквивалентного диаметра также нежелательно, т. к. нарушается правило, по которому D_i>D_i-1. Это также будет приводить к засорам колодца и вышележащих трубопроводов по причине, изложенной выше, только защемление лотка или образование заплечиков будет не на выходе из пластмассового трубопровода, а на входе в i+1 керамический трубопровод.

Не у всех полимерных труб, выпускаемых отечественной промышленностью, внутренний диаметр укладывается в какой-либо из указанных (табл. 3) диапазонов, полученных с учетом проведенных гидравлических исследований. Имеются расхождения в 5–15 % в ту или иную сторону.

Таблица 3 Диапазоны внутренних диаметров полимерных изделий для замены, мм

Старый трубопровод из труб Условный проход Dу, мм 200 300 керамических Трубы Модули Трубы Модули 152–176 167–194 228–264 251–290 асбестоцементных напорных 147–170 162–188 218–253 240–278 безнапорных 150–174 165–191 224–260 247–286

Новый трубопровод, получаемый при бестраншейной замене традиционных труб на полимерные в сетях водоотведения, независимо от используемой технологии, будет отличаться своим расчетным диаметром от эквивалентного на какую-то величину. Имеется возможность минимизации этого расхождения. Во-первых, на 10 % за счет использования вместо модулей труб стандартной длины (табл. 3). Во-вторых, на 2–3 % за счет труб большей длины (11–12 м). И наконец, еще на 5–10 % за счет использования труб, сматываемых с кассет, барабанов. Это нужно использовать на этапе выбора технологии бестраншейной замены ветхих трубопроводов.

Литература

1. Харькин В. А. Отечественные полимерные трубы для замены канализационных трубопроводов. Бестраншейные технологии // Сантехника. 2003. № 1. С. 31–35.

2. Константинов Ю. М., Василенко А. А., Сапухин А. А., Батченко Б. Ф. Гидравлический расчет сетей водоотведения. Расчетные таблицы. Киев: Будiвельник, 1987.

3. Сладков А. В., Отставнов А. А. Методика гидравлического расчета самотечных канализационных трубопроводов из пластмасс. Расчетные таблицы / ЦИНИС Госстроя СССР. М., 1976.

4. Карелин А. Я., Яромский В. Н., Евсеева О. Я. Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей из пластмассовых труб круглого сечения. М.: Стройиздат, 1986.

5. Добромыслов А. Я. Таблицы для гидравлических расчетов напорных и безнапорных трубопроводов из полимерных материалов. Пособие к СНиП и СП / Под ред. В. С. Ромейко. М.: ТОО «Изд-во ВНИИМП», 2000.

6. Рекомендации для гидравлического расчета напорных и безнапорных трубопроводов из полиэтиленовых труб / СКТБ «Энергопромполимер». М., 1983.

7. Дубровкин С. Д., Отставнов А. А. К гидравлическому расчету канализационных пластмассовых трубопроводов // Водоснабжение и санитарная техника. 1980. № 1. С. 7–9.

8. Отстанов А. А. Определение размеров труб из термопластов для подземных трубопроводов среднего диаметра // Передовой опыт в строительстве Москвы. 1984. № 4. С. 11–14.

9. Храменков С. В., Орлов В. А., Харькин В. А. Оптимизация восстановления водоотводящих сетей. М.: Стройиздат, 2002.