Руководство по расчету средств защиты водоводов от гидравлических ударов

Скачать Руководство по расчету средств защиты водоводов от гидравлических ударов

Дата актуализации: 01.01.2021

Руководство по расчету средств защиты водоводов от гидравлических ударов

Статус:	Справочные материалы, МП, ТПР
Название рус.:	Руководство по расчету средств защиты водоводов от гидравлических ударов
Дата добавления в базу:	12.02.2016
Дата актуализации:	01.01.2021
Область применения:	Документ предназначен для оказания помощи проектным и производственным организациям в освоении расчетов гидравлических ударов, что необходимо для широкого внедрения в практику средств защиты, обеспечивающих уменьшение стоимости строительства водоводов за счет снижения расчетных давлений
Оглавление:	Введение 1 Причины гидравлических ударов 2 Первичные и отраженные волны изменения давления 3 Оценка опасности гидравлических ударов в водоводах 4 Выбор средств защиты водоводов от гидравлических ударов 5 Подготовка расчетной схемы водовода 6 Печать результатов расчета 7 Подготовка исходных данных для проведения расчета 8 Задание на подготовку перфоленты и на проведение расчета 9 Инструкция по подготовке перфоленты исходных данных 10 Инструкция по записи программы на магнитную ленту 11 Инструкции по работе за пультом при проведении расчета Приложение 1. Таблица I. Исходные данные по массивам А1 и А2 Приложение 2. Таблица II. Исходные данные по массиву А3 Приложение 3. Таблица III. Исходные данные по массиву А4 Приложение 4. Таблица IV. Исходные данные по массиву А5 Приложение 5. Таблица V. Исходные данные по массивам А6, А7, А8 Приложение 6. Таблица VI. Задание на подготовку перфоленты Приложение 7. Таблица VII. Задание на проведение расчета
Разработан:	ГПИ Союзводоканалпроект ВНИИ ВОДГЕО
Утверждён:	ВНИИ ВОДГЕО (VODGEO VNII )
Расположен в:	Техническая документация Экология ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО Сооружение гидротехнических объектов Строительство Справочные документы Директивные письма, положения, рекомендации и др.
Список изменений:	опечатки

Текстовое изменение опечатки

Главное управление по строительному проектированию предприятий зданий н сооружений

Всесоюзное объединение Союзвидоканалннмпроект

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии

„В О Д Г Е 0“

1970

РУКОВОДСТВО ПО РАСЧЕТУ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ВОДОВОДОВ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРОВ

Москва

ГОССТРОЙ СССР

ГЛАВНОЙ УПРАВЛЕНИЕ ПО СТРОИТЕЛЬНОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРЕДПРИЯТИЙ, ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ВСЕСОЮЗНОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ СОВЗВОДОКАНАЛПИИПРОЕКТ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ВОДОСНАБЖЕНИЯ, КАНАЛИЗАЦИИ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОГЕОЛОГИИ ВОДГЕО

шрщсщ.

ПО РАСЧЕТУ СРЕДСТВ 8ЩИИ ВОДОВОДОВ

si тшш шва

МОСКВА, 1970 г.

вают» ноток.Волны же повышения давления, распространяющиеся против направления первоначального движения воды, снижают скорость этого движения: они «тормозят» поток. Волны понижения давления действуют противоположным образом: их распространение по направлению первоначального движения приводит к снижению онорости движения воды, распространение в противоположном направлении — к возрастанию ее.

3.Оценка опасности гидравлических ударов в водоводах и выбои сиеастн защиты

В данной случае рассматриваются гидравлические удары в водоводах, вызываемые «внезапным” выключением насосов вследствие прекращения электропитания при открытых задвижках (затворах) на их напорных линиях.

Прекращение электропитания приводит к сравнительно быстрому снижению числа оборотов насоса, что вызывает уменьшение развиваемого насосом напора и снижение подачи воды. Возникшая у насоса волна понижения давления распространвется по направлению к концевоИ точке водовода, вызывая уменьшение скорости движения воды и снижение давления в водоводе.

Процесс возникающего э водоводе гидравлического удара зависит от скорости движения воды и величины потерь напора в водоводе до выключения, характеристики насоса, инерционности насосного агрегата, наличия обратных клапанов у насосов, длины и профиля водовода, отметки подачи воды, типа присоединения водовода к резервуару (башне), площади зеркала воды i резервуаре ( если вода подается непосредственно в резервуар) или кармане резервуара ( если вода поступает в резервуар черев карман), конструкции и размеров сифона ( если вода поступает в резервуар через сифон). Кроме того процесс удара зависит от принятых мер защиты. Использованием соответствуюаи^ ыоп защиты как понижение, так и повышение давления может быть ограничено любой заданной величиной-. При этом следует учитывать, что мерь защиты должны применяться лишь в тех случаях, когда

10-

эатраты на их осуществление конденсируются уиеньшением стоимости строительства! определяемой снижением расчетных давлений, применительно к которым производится выбор материала и класса прочности труб. Поэтому прежде вемга нужно оценить, какова может быть величина повышения давления при отсутствии мер защиты.

Рассмотрим водовод, схема которого приведена ра рис.2.

Подача воды производится насосом, расположенным в начале водовода ( точка I) в водонапорную башню ( точка 5). Предположим сначала, что потери напора в водоводе малы и ими можно пренебречь ( пьезометрическая линия — линия П). Мала также и инерция насосного агрегата, вследствие чего насос останавливается мгновенно и волна понижения давления мгновенно достигает значения, определяемого формулой (I). При этом могут быть три случая:

I ?тй

Скорость движения воды в водоводе V₀ была сравнительно мала, при остановке насоса уменьшается до нуля (д V= Vо ) и величина падения давления &h* ф< ^6 В этом случае волна понижения давления без отражения в промежуточных точках достигает конца водовода (точка 5).

Если площадь зеркала воды в башне велика и изменением уровня можно пренебречь, то для того, чтобы давление в точке 5 оставалось неизменным необходимо, чтобы отраженная волна у₍ компенсировала подошедшую к Оашне волну понижения давления. Следовательно волна должна быть полной повышения давления, равной по абсолютной величине подошедшей волне понижения давления vf, :

V. = Н\

Распространение этой волны повышения давления по направлению к началу водовода будет сопровождаться восстановлением давления, соответствующего Нет (см.рис.2), т.е. повышением давления на величину Ah =.Согласно формуле (1^а) для повышения давления на &h необходимо, чтобы образовалась скорость движения воды.

Д V^s -яг

Так как

направленная от башни.    ^u

л    ,

О

то получим

Д If: £ Ah : i • Л У_о z Vo Следовательно восстановление в водоводе давления вызовет движение воды в обратном направлении с той же скоростью Vo > с которой происходило движение воды в прямом направления до выключения насоса.

дЬ = -OAY ;-ja 9    9

Vo

(2)

При подходе волны повышения давления к обратному клапану, расположенному в начале водовода, эта скорость будет погашена до нуля (aV= Vo ), что в соответствии с формулой (I) вызовет повышение давления на величину

Таким образом,повышение давления сверх статического оказывается равным понижению давления относительно статического, произошедшему при выключении насоса.

2 случай

начальная скорость движения води в водоводе Vo больше, чем в 1-ом случае, но все же недостаточна для того, чтобы

— 12 —

при мгновенной остановке насоса давление в начале водовода упало до нуля. Поэтому при выключении насоса скорость движения воды в начале водовода падает до нуля (a V«Vo ). Величина падения давления составляет в этом случае

дЬ* Ф, ; A-YS- > Mem — Z i

¹    9    (см.рис.2).

Предположим, что в точке 8 (расположенной на отметке Z₉ ) установлен клапан для впуска воздуха (аэрационный клапан), открывающийся при падении давления £0 атмосферного ( т.е. при онижении напора до Z* ).В этом случав волна понижения давления, возниквая р начале водовода, не может беспрепятст-г нно дойти до конца водовода: происходит отражение волны изменения давления в то^че 3. В результате этого на участке водоводв за точкой 8 Оудет распространяться волна понижения давления

VHem-Z,<4>Z

Величина отраженной волны повышения давления    нахо

дится иэ того условия, ч*о при ее суммировании с волной понижения давления напор в точке 3 оказывается равным Z* , т.е.    Нет    ~    ^    *    Z    в

Следовательно

Yi-‘ft-lHem-Zjl.’k-‘P,

(А )

Волна понижения давления    распространяется    по

направлению первоначального движения воды, а волна повышения давления — прот: в этого направления. Поэтому обе эти волны снижают начальную ск рость Vo движения воды в прямой направлении яа участке до точки 3 до величины

— 13 —

V ^s Ve-j-lfi♦ Ч»|)«    +

Так как

VrV₀-|    Afs    =    V₀-2V_e + -|vf₅ ,-V₀*A»P_s

(B)

Поскольку f₃ < ^    .TO-^rfs    <    Vo

Следовательно скорость V, противоположна no направлению скорости V₀ , т.е. после образования отраженной волны повышения давления    вода начнет двигаться от точки 8 ж

точке I ( см. рис.2).

На участке за точкой 3 распространяется водна понижения давления vf , снижающая начальную скорость Vo до вежичи-

Поскольку Н < Vo , то скорость Vi совпадает по направлению со скоростью V₀ , т.е. на этом участке водовода вода отходит от точки 3 по направлению к баше»

Согласно (Б) и (Г) разность скоростей VJ в в точке 3 оказывается равной:

vv;—v-f-uv*.)*

^W)

Под воздействием разности скоростей в течке 3 образуется

разрыв сплошности потока.

Этот разрыв будет нарастать до тех пор,пока скорость Vt

не окажется меньше скорости V,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение…………. I

1. Причины гидравлических ударов…………….. 2

2. Первичные и отраженные водны изменения давления.» 6

3.Оценка опасности гидравлических ударов в водоводах ……………………………………… 9

4. Выбор средств ааотты водоводов от гидравлических

ударов …………………………………… 20

5. Подготовка расчетной схемы водовода …………. 26

6. Печать результатов расчета………………•    •••    38

7«Подготовка исходных данных для проведения раочета 42

8.Задание на подготовку перфоленты и на проведение расчета ………………………… 65

9 .Инструкция по подготовке перфоленты исходных данных …………………………………… 70

10. Инструкция по записи программы на магнитную ленту 72

11. Инструкции по работе за пультом при проведении

расчета ……….. 72

Приложения:

1. Таблица I. Исходные данные по массивам Aj и Ag

2. Таблица П. Исходные данные по массиву А₃

3. Таблица Ш. Исходные данные но массиву

4. Таблица ХУ.Исходные данные по массиву А^

5. Таблица У..Исходные данные по массиву A_g, А_?, Ад

6. Таблица У1.Задание на подготовку перфоленты

?•’Гаоляна УХ* Задание    про регенте расчета

Введение

В соответствии с планом работ ВНИИ ВОДГЕО в 1969-1970 г.г. на основе обобщения опыта проектирования средств защиты от гидравлических ударов должно быть разработано Руководство по расчету этих средств с использованием ЭЦВМ.

Целью работы является оказание научно-технической помощи проектным и производственным организациям в освоении расчетов гидравлических ударов, что необходимо для широкого внедрения в практику средств защиты, обеспечивающих уменьшение стоимости строительства водоводов за счет снижения расчетных давлений.

Первым этапом в выполнении этой работы является данное Руководство, предусматривающее использование ЭЦВМ Минск-22 с выполнением расчетов по программе ГУ-7-МИ. Большая часть приводимых в нем материалов может быть использована и при проведении расчетов по другим программам.

По мере отработки новых программ в Руководство будут вносится дополнения, учитывающие их спесифические особенности с тем, чтобы в 1970 г. подготовить новое издание Руководства, предусматривающее использование всех трех программ, которые к этому времени будут ртраоотаиы.

Руководство разработано совместно ВНИЛ ВОДГЕО и ГПИ Союзво-доканалпроект.

Разделы I.-б и 7 написаны Л.Ф.Моыииным (ВИЛЛ ВОДГЕО), разделы 6,8-11 — Л.А.Обуховым (ГИИ Союзводоканьлнроект).

— 2 —

I. Причины гидравлических.ударов

Рассмотрим отсек трубопровода длиною д I ограниченный двумя произвольными сечениями I-I и П-П (рис. 1).

При постоянном (стационарном) режиме подачи воды расход Qj , поступающий в отсек через сечение I-I, равен расходу выходящему через сечение П-П, и количество воды, содержащееся в этом отсеке, остается неизменным.

Постоянный режим работы системы может нарушаться изменением:

а)    отбора воды из сидтемы;

б)    степени открытия задвижек (затворов);

в)    режима работы насоса, которым вода подается в данную систему.

При любом нарушении посгояннои режима работы системы возникает «разбаланс» притока и отто:.а воды в отсеке, примыкающем к тому месту, где произошло с дно из указанных выше изменений. Предположим, что нарушение постоянного режима возникло на границе I-I отсена и вызвало увеличение или уменьшение расхода Q, • До тех пор, пока это нарушение не достигнет границы П-П отсека, расход останется неизменным.Следовательно приток воды Q, не будет равен о-току Чг и за промежуток времени д t , в течение которого нарушение распространится на весь отсек и достигает сечения П-П, масса воды в отсеке изменится на    \    р    —    плотность    жидкооти).

Есл« Q,»lfc ,т.е. приток превышает отгок, то происходит сжатие воды, что приводит к повышению давления. Если Ч|<Чг * т.е. отток превышает приток, то вода расширяется, что приводит к снижению давления.Очевидно, что повышение давления сопровождается расширением труо, ^н/.*ение — ;;х сжатием.

— 3 —

Так как давление при этом изменяется резко, то явление названо » гидравлическим ударом».

Согласно теории гидравлического удара, разработанной Н.В.Жуковским, взаимозависимость между изменением скорости движения воды д V и изменением давления Д h определяется выражением;

_й h;.4-aV    (X)

или

а Vt-4-bh,

( х^а)

О

где а м/сек — скорость распространения изменения состояния потока по длине трубопровода ( так называемая скорость распространения волы изменения давления);

^ в 9,81 м/сек² — ускорение силы тяжести.

Скорость а зависит от плотности жидкости, жеоткости труб и наличия в трубопроводе нерастэоренного в жидкости воздуха.

При подаче воды по абсолютно жестким трупам и отсутствии нерастворенного в воде воздуха а ■ 1425 м/сек.

Практически для металлических и железобетонных труб значения а лежат в пределах 300*1300 м/сек, для асбестоцементных труб со стыками на резиновых уплотнителях — в пределах 200*800 м/сек.

Расчеты гидравлического удара в водопроводах рекомендуется, как правило, выполнять для двух расчетных значение а , принимаемых равными;

— для металлических и железобетонных труб — С1тсл »500 м/сек.

0L гг»аж * 1000 ц/сек;

— 4 —

— для асбестоцементных труб со стыками на резиновых уплотнителях — CXmin« 300 м/сек, Птах * 600 ц/сек.

Рекомендация производить расчеты для двух значений связана с тем, что в некоторых случаях уменьшение скорости CL приводит не £ уменьшению, а к увеличению повышения давления при гидравлических ударах ( см. раздел 3 «Оценка опасности гидравлических ударов в водоводах»).

При рассмотрении процесса гидравлического удара необходимо учитывать, что падение давления ограничено, так как давление в трубопроводе не может быть ниже нуля ( точнее — упру-гост! водяных паров). Поэтому при превышении оттока над притоком падение давления ь h не может быть больше величины абсолютного давления до возникновения гидравлического удара.

В результате этого прекращение поступления воды через сечение I-I ( см. рнс.1) не означает, что через промежуток времени обязательно прекратится отток воды через сечение П-П. Может оказаться, что давление в етсеке упадет до предела и это не прекратит оттока вод** из него. Так, например, если до прекращения поступления воды через сечение I-I скорость ее движения в трубопроводе составляла Vo =1 м/сек,избыточное давление было равно 20 м (т.е. абсолютное — 30 м) и скорость распространения волн изменения давления равна а =1000 м/сек, то д h не может превысить 20+10 ** ‘JO м и согласно формуле (1^а)

^AV£-a-^ah‘^:w-³⁰ = ^М/сек

Следовательно после падения давления на 30 м и снижения скорости на д V =0,3 м/сек отток через сечение П-П будет

5

продолжаться с остаточной скоростью Voem « V₀— flV* i-0,3»0,7 ^м|с*и.

Продолжающийся отток через сечение П-П не будет компенсирован ни за счет притока ( поскольку поступление воды черев сечение I-I прекращено), ни за счет сжатия труб и расширения воды (поскольку давление упало до предела и дальнейшее его снижение невозможно). В результате этого некомпенсированного оттока часть рассматриваемого отсека окажется заполненной не жидкостью, а парами воды и выделевшимоя воздухом, который до снижения давления был растворен в воде. Измерения давления при гидравлических ударах показали, что оно в таких случаях оказывается близким к соответствующему упругости водяных паров. Поэтому приближенно можно считать, что образовавшиеся каверны заполнены только параии воды. Такое предположение приводит к некоторому завышению деличины давления, определяемой расчетом гидравлического удара.

Отток воды через сечение П-П будет продолжаться до тех лор,пока он не прекратится под воздействием внешних сил.Если отсек не горизонтален и сечение Л-П расположено выше сечения 1,то торможение потока будет вызываться силой тяжести. Если же отсек горизонтален или сечение П-П расположено ниже сечения 1-1,то торможение потока начнется лишь пооле торо, как давление в сечении П-П окажется выше давления в сечении I-I.Такое возрастание давления может проивойти в результате подхода к сечению отсаженной волны изменения давления.

2.Первичные и отраженные волны изменения давления

Волны изменения давления. Возникающие в результате нарушения постоянного режима поступления воды в трубопровод или отбора воды из него (а также при открытии или закрытии задвижек, установленных на трубопроводе) называются первичными волнами изменения давления. Если нарушение постоянного режима возникло в начале водовода, то эти волны распространяются по направлению к его концу, если в конце — по направлению к началу.Если нарушение возникло в промежуточной точке ( изменился отбор воды,изменилась степець открытия затвора),то первичные волны изменения давления распространяются в обе стороны — как по направлению к началу, так и пг направлению к концу трубопровода.При подходе прямых волн к начальной я концевой точкам водовода, а также к промежуточным по длине точкам,в которых изменяются условия течения жидкости, возникают отраженные волны изменения давления.Такими промежуточными по длине водовода точками могут быть места иоменения диаметра труб, отборы воды, места присоединения к трубопроводу резервуаров и пневматических котлов, места установки клапанов для впуска воздуха,обратных клапанов и др.Отраженные волны с той же скоростью а как и прямые волны,также распространяются по трубопроводу.При подходе к местам, в которых возникли первичные волны, они взаимодействуют с ними и изменяют их значение.

Особо следует отметить отраженные волны, возникновение которых связано с гидравлическими сопротивлениями трубопровода, потерями напора в нем.

В качестве расчетной может бкть принята схема,предусматриваемая, что гидравлическое сопротивление груб сконцентриро-

— 7 —

вано в «диафрагмах⁰.расположенных в нескольких точках по длине водовода.Тогда отраженные водны изменение давления будут возникать в местах установки диафрагм.

Разделение волн изменения давления на первичные и отраженные введено лишь для того, чтобы рассмотреть существо процесса гидравлического удара. При выполнении же расчета этого процесса такое подразделение волн изменения давления не нужно. С точки зрения техники выполнения расчета как первичные следует рассматривать волны изменения давления, подошедшие к данной точке, и как вторичные — новые значения волн,определяемые в зависимости от условий их отражения.Этими условиями могут быть постоянство давления(о?ражение от постоянного уровня воды), постоянство расхода, в частности, равенство его нулю (отражение от закрытых задвижек), заданная зависимость давления от расхода (скорости движения) воды (отражение от насоса, точки отбора,резервуара с изменяющимся уровнем воды) или зависимость расхода (скорости движения воды) от перепада давления (диафрагма-сопротивление, предохранительный клапан,частично закрытая задвижка и др.).

Для упфрядочения подсчетов волны изменения давления, распространяющиеся по направлению первоначального движения воды, обозначены ^ , в обратном направлении — у ,волнам повышения давления придан знак «плюс”, волнаи понижения давления — знак «минус».

Следует отметить, что волны повышениг давления, распро-стуанйк&исс*: ас направлен «г перпокачальгогг движевшя воды, вызываю: увеличение скорости Этого движения: они » подтелки-

Мошнин, Лев Федорович — Руководство по расчету средств защиты водоводов от гидравлических ударов [Текст]

1.
Гидравлический удар в трубопроводной
системе возникает при быстром закрытии
или открытии арматуры, пуска и останова
насосов, заполнении трубопровода
жидкостью, разрыва трубопровода и т.п.

2.
Повышение давления ∆P_VM= (Па) при гидравлическом ударе вследствие
монотонного полного прекращения движения
жидкости при условии τ < 2L/ α (прямой гидравлический удар) следует
вычислять по формуле Жуковского Н.Б. :

∆P_VС
=ω₀ρα , (1)

где ω₀– первоначальная скорость потока, м/с;ρ– плотность жидкости,
кг/м³;α– скорость
распространения ударной волны, м/с; τ_з– продолжительность закрытия или
открытия трубопроводной арматуры, с;L– длина трубопровода,
м.

3. Для
абсолютно жёсткой трубы скорость
распространения ударной волны:

,
(2)

где К
– модуль упругости жидкости, Па, т.е.
скорость распространения ударной волны
равна скорости звука в жидкости.

Скорость
звука в воде – 1450, бензине – 1115, керосине
– 1295, бензоле – 1325, масле – 1200
1400
м/с.

4. С
учётом работы деформации стенки трубы

,
(3)

где s– толщина стенки трубы; К – модуль
упругости жидкости, Па; Е – модуль
упругости материала трубы, Па.

Для
сталей при температуре до 100⁰С Е
≈ 2^.10⁰ МПа.

Модуль
упругости жидкости К при 20⁰С:

Жидкость	К, МПа	Жидкость	К, МПа
Вода	2060	Нефть	1300
Ацетон	790	Масло	1220
Бензол	1080	Этиловый спирт	850
Керосин	1220	Эфир	700

5. На
практике скорость распространения
ударной волны меньше скорости звука,
т.к. стенки трубопровода не являются
абсолютно жёсткими.

При
уменьшении скорости потока от начальной
ω₀до конечной ω_кповышение
давления в волне вследствие неполного
гидравлического удара при условии τ_з< 2L/ α :

∆Р_ym= (ω₀— ω_к )ρα. (4)

6. При
условии τ_з> 2L/ α
и линейном законе изменения давления
и скорости при закрытии арматуры
интенсивность непрямого гидравлического
удара :

∆Р_ym= 2 (ω₀— ω_к )ρL/ τ_з .
(5)

7. Для
снижения интенсивности гидравлического
удара увеличивают продолжительность
закрытия или открытия трубопроводной
арматуры; уменьшают скорость потока,
увеличивая диаметр трубопровода;
предусматривают у насоса байпасный
трубопровод с клапаном, что позволяет
жидкости перетечь из области высокого
давления в область низкого давления;
увеличивают продолжительность останова
насоса при его аварийном отключении
установкой махового колеса; применяют
гасители гидравлического удара с
демпфирующим элементом (эластичными
прокладками, муфтами, сильфонами),
обратные и предохранительные клапаны,
уравнительные резервуары и пр.

Приложение 6. Расчётно-экспериментальные методы и средства защиты трубопроводов от вибрации

1.
Технические решения по снижению пульсации
потоков, вибрации трубопроводов и
виброзащите окружающих объектов.

Снижение
вибрации ТТС производится путём
уменьшения или устранения возмущающих
воздействий и регулированием параметров
механической системы, — с целью устранения
резонансных колебаний.

При
этом необходимо в первую очередь
устранить резонансные колебания
пульсирующего потока и отстроить от
возможного совпадения резонансов потока
и механической системы.

Известны
следующие способы отстройки системы
от резонансных колебаний газа.

Изменение
длин и диаметров участков трубопроводной
системы, если это допускается компоновкой
системы.

Изменение
температуры и давления нагнетания
компрессора, если это возможно по
технологии работы. От этих параметров
зависит величина плотности продукта и
скорости звука, влияющих на частотный
спектр системы.

Установка
диафрагм рассеивает энергию колебаний
газа и изменяет амплитудно – частотный
спектр газа в трубопроводной системе.
Ориентировочно диаметр расточки диафрагм
должен быть равен ≈ 0,5 внутреннего
диаметра трубы. Оптимальный диаметр
расточки диафрагмы d,
обеспечивающий эффективное гашение
пульсации, может быть определён по
уравнению:

,
(1)

где V_cp– средняя скорость газа в трубопроводе.

Для
двухфазных потоков:

,
(2)

где ξ
– коэффициент сопротивления диафрагмы.

Установка
буферных ёмкостей уменьшает амплитуды
пульсации давления за счёт рассеивания
энергии колебания газа на возбуждение
массы газа в объёме буферной ёмкости и
изменяет спектр собственных частот
колебаний. Для наиболее эффективного
гашения колебаний буферная ёмкость
должна устанавливаться непосредственно
у источника возбуждения колебаний (у
цилиндра компрессора). На несколько
цилиндров одной ступени целесообразно
устанавливать общую ёмкость.

Установка
диафрагм на входе в ёмкость или на выходе
из ёмкости. При этом размеры ёмкости
могут быть уменьшены примерно на 30% по
сравнению с ёмкостью без диафрагмы.
Дополнительные потери давления при
установке диафрагмы меньше, чем
дополнительные потери при резонансных
колебаниях.

Акустический
фильтр устанавливается в тех случаях,
когда возникает необходимость в
значительном снижении колебаний;
требующиеся для этого габаритные размеры
буферной ёмкости превышают допустимые
из условий компоновки. Акустический
фильтр характеризуется чётким дискретным
спектром полос пропускания и гашения
частот колебаний газа.

Интерференционный
способ гашения пульсации эффективен в
очень узкой полосе частот колебаний.
Для этих целей применяются специальные
ответвления или петли (отводы), длину
которых выбирают равной нечётному числу
полуволн.

Сочетание
в одной трубопроводной системе различных
способов гашения пульсаций.

Последовательность
проведения отстройки от резонансных
колебаний, а также снижения колебаний
давления газа, представляет собой
итерационный процесс внесения изменений
в конструкцию трубопроводной системы
с последующей проверкой эффективности
изменений расчетом на ЭВМ.

Если
изменение параметров газа невозможно
или не дает желаемых результатов,
рассматривается возможность изменения
геометрических параметров системы, а
при наличии в схеме вспомогательных
технологических аппаратов
(масловлагоотделителей, сепараторов,
теплообменников и др.) рассматриваются
варианты компоновки этого оборудования.
При необходимости применяются гасители
пульсации (диафрагма, буферная ёмкость,
диафрагма с буферной ёмкостью,
акустический фильтр).

2.
Снижение вибрации ТС и виброзащита
окружающих объектов.

В
трубопроводных обвязках поршневых
машин максимальная энергия приходится
на низшие гармоники. Расчеты допустимо
проводить по нескольким первым (до 3 –
5) собственным частотам каждого пролёта
и реализовывать отстройку по этим
значениям.

2.1
Корректировка трубопроводной системы
для устранения механических резонансов.

Спектр
собственных частот любой механической
системы зависит от её объёмно-конструктивных
решений, условий закрепления и инерционно
– жесткостных параметров. Для
трубопроводных систем такими параметрами
являются:

• количество
  участков, расположенных между опорами,
  их конфигурация;

• наличие
  сосредоточенных масс и их величина;

• условия опирания;

• упругие опоры и
  их жесткостные параметры;

• инерционно –
  жесткостные параметры участков.

Сосредоточенные
массы – увеличивают инерционные
характеристики и снижают значения
собственных частот.

Практически
понижение значения собственной частоты
способом включения дополнительной
массы может быть эффективным при величине
массы, соизмеримой с массой участка.

В
реальных системах сосредоточенные
массы конечных размеров увеличивают
жёсткость системы.

В
большинстве случаев в реальных
трубопроводных системах сосредоточенные
массы имеют самостоятельные опоры и
могут рассматриваться как разделители
системы на две независимые с жёсткими
заделками в точках присоединения масс.

Ужесточение
системы включением массы – фактор
конструктивного увеличения собственной
частоты. Точный ответ о влиянии масс в
каждом конкретном случае конструктивного
решения может быть получен только
расчётом всей системы в целом.

2.2
Начальные условия зависят от условий
закрепления концевых и промежуточных
участков. Влияние их может быть
значительным. При применении скользящих,
односторонних опор необходимо
предварительно провести расчёт на
статическую прочность и убедиться в
нагруженности опор.

При
разгруженной односторонней опоре в
исходных данных для расчёта собственных
частот принимается суммарная длина
пролёта между двумя соседними опорами,
что может существенно снизить значение
собственной (парциальной) частоты
участка.

Целесообразность
применения упругих опор и необходимые
величины их жёсткости могут быть
определены только общим расчётом системы
на ЭВМ.

Упругие
опоры, уменьшая эквивалентную жёсткость
всей системы, снижают нижнюю границу
частотного диапазона участка и системы.

Применение
их – эффективно при отстройке от
резонанса в сторону уменьшения значений
собственных частот.

2.3
Необходимость отстройки трубопроводной
системы от резонансов определяется из
условия:

(2)

по
каждому из потенциально возможных
механизмов возбуждения вибрации.

Последовательно
по степени целесообразности и эффективности
применяются следующие способы изменения
длины пролёта.

Для
вывода системы за пределы резонанса
необходимо изменение длины участка на
15 – 20 %.

Рекомендуется
вначале проводить корректировку в
сторону увеличения f₀,
т.е. уменьшения длины пролётаL.

При
каждом вновь принятом значении Lпроверяется соотношение (2) по всем
возмущающим частотам.

В случае
вывода системы из зоны одного и входа
в зону другого резонанса, система
корректируется по новому резонансному
режиму.

При
невозможности корректировки в сторону
увеличения f₀,
корректировка проводится уменьшениемf₀, т.е. увеличением
определяющегоf₀участка.

2.4
Условия закрепления и упругие опоры.

При
ограничении возможностей варьирования
длиной пролёта, отстройка системы от
резонанса проводится выбором типа опор
и подбором их жёсткости.

Изменение
расположения сосредоточенных масс
задаётся расчётчиком только при наличии
в системе сосредоточенных масс.

При их
отсутствии специально вводить
сосредоточенные дополнительные массы
для изменения спектра частот рекомендуется
только при невозможности применения
других способов для отстройки от
резонанса.

Изменение
геометрии системы.

При
неэффективности способов, изложенных
в п.п. 2.1 – 2.4, необходимо изменить
геометрию системы, обеспечив свободу
вариации f_o,
максимально спрямив трассу, по возможности
избежать лишних поворотов.

При
этом способе необходимо проведение
проверочных расчётов на самокомпенсацию.

2.6
Изменение инерционно – жёсткостных
параметров трубопровода – варьируется
диаметром трубопровода.

При
наличии специальных инерционно –
жёсткостных гасителей, антивибраторов,
исходя из экономической и технической
целесообразности их применения,
просчитываются варианты частотных
спектров системы с гасителями, и по
формам колебаний проводится оценка их
эффективности.

Корректировка
трубопроводной системы для устранения
механического резонанса проводится по
каждому механизму возбуждения колебаний
не менее, чем по пяти гармоникам и
количеству собственных частот колебаний
системы, задаваемому расчётчиком, или
равному удвоенному значению числа
участков системы.

3.
Рекомендации по инструментальному
обследованию и мониторингу трубопроводных
систем и нагнетательных машин при пуске
и эксплуатации.

3.1
Инструментальные обследования вибрации.
Целью обследования является:

измерение
уровней вибрации трубопроводов, сравнение
их с допускаемыми (см. п.4.2);

определение
степени опасности вибрации;

анализ
спектров вибрации, диагностика частотных
спектров вибровозмущений и их
интенсивности;

оценка
уровней вибрации элементов нагнетательных
машин (4.3 – 4.9) как источников вибрации;

измерение
уровней пульсации давления, сравнение
их с допускаемыми, определение
необходимости их снижения;

определение
необходимости виброзащиты окружающих
объектов;

заключение
о необходимости периодического или
стационарного их мониторинга вибрации
трубопроводов и нагнетательных машин.

3.1.1
Измерения вибрации.

Измерения
в каждой намеченной точке проводятся
по трём осям.

Условно
принимаются направления осей:

Y– по оси вала машины,

X– в горизонтальной плоскости,

Z– нормально к плоскостиXY.

Направление
Yвыдерживается по всей
трассе для каждого участка.

3.1.2
Точки измерения:

нагнетательная
машина – на торцах цилиндров, нагнетательные
патрубки, фундаментные болты;

опоры
трубопровода;

середина
каждого пролёта между опорами, при
наличии в пролёте между опорами отводов
– на концах отвода.

Определяется
частотный спектр вибрации.

Измеряются
размахи виброперемещений:

общий
(суммарный) уровень;

на
каждой частотной составляющей спектра.

3.1.3 При
проведении измерений фиксируется
нагрузочный режим трубопровода:

состав
продукта;

температура
на каждом участке;

давление;

производительность;

время
и дата проведения измерений.

При
меняющихся режимах эксплуатации
необходимо проведение измерений на 3 –
4 – х режимах производительности.

Результаты
измерений протоколируются с указанием
исполнителей.

3.2
Мониторинг трубопроводных систем.

Вид
мониторинга: периодический или
постоянный, — определяется проектной
документацией или назначается по
результатам инструментальных обследований.

3.2.1
Периодический мониторинг.

Выполняются
все требования п.3.1. Периодичность
измерений вибраций при опорных уровнях
не выше 2 (п.4.2) назначается не реже одного
раза в месяц.

При
значениях вибрации приближающихся к
третьему уровню – не реже 1 раза в неделю.

При
стабилизации вибрации в районе 3-го
уровня в течение 4-х измерений (1 месяц)
допустимо увеличить периодичность до
одного месяца.

При
возрастании уровней от 3 и 4 необходим
ежедневный мониторинг и при достижении
размахов вибрации средних значений в
полосе 3 –4 уровней требуется срочная
остановка и реконструкция систем.

3.2.2
Стационарный мониторинг.

Необходимость
определяется по степени ответственности
и опасности проектов или заключением
– по инструментальным обследованиям.

При
стационарном мониторинге предусматривается:

на
нагнетательных машинах – не менее одной
точки (по X,Y,Z),

на
трубопроводных системах – не менее,
чем в трёх точках по трассе.

Допускается
фиксация уровней вибрации для каждой
точки по одному или двум наиболее
виброопасным направлениям.

По
максимальным уровням вибрации из всех
намеченных точек по трассе и координатам
выбираются не менее двух для включения
сигнализации аварийного уровня.

Рекомендуемые
инструментальные средства обследования
вибросостояния и мониторинга представлены
в приложении 8.

4.
Нормирование пульсации потока и вибрации
трубопроводов.

4.1
Пульсация потока продукта.

Неравномерность
потока ограничивается в зависимости
от рабочего давления:

P МПа	< 0,5	0,5 – 1,0	1,0 – 2,0	2,0 – 5,0	>5,0
δ %	4 – 8	4 – 6	3 – 5	2 – 4	2 – 3

Для
всасывающих линий и нефтяного газа
допускается большее значение пульсации
давления.

4.2
Вибрации трубопроводов.

Нормируются
по амплитуде виброперемещений в
зависимости от частоты вибрации.

Различаются
пять опорных уровней вибрации:

1 –
расчётный при проектировании,

2 –
допускаемый при эксплуатации,

3 –
требующий исправления, реконструкции
системы,

4 –
уровень появления аварийных ситуаций;

соответственно в диапазонах:

до
уровня 2 — удовлетворительное состояние
трубопроводов,

2 – 3
— допускаемое значение, контроль,

3 – 4
— повышенный контроль, возможны
отказы, необходимо

исправление, реконструкция;

выше 4
— экстренное исправление.

Общий
принцип построения норм – отличие
значений вибрации для каждых двух
смежных уровней при заданной частоте
колебаний – на 6 дБ.

В таблице
4.1 даны дискретные значения допускаемых
значений вибрации трубопроводов для
фиксированных частот.

Практически
для большинства трубопроводных обвязок
насосов и компрессоров главные амплитудные
составляющие процессов вибрации
определены в диапазоне с частотами до
60 – 70 Гц.

Таблица 4.1

Допускаемые значения амплитуд вибрации
трубопроводов,Saмкм

Диапазон	Частота, Гц
2	4	6	8	10	20	30	40	50	60
1	120	115	100	90	85	60	50	45	40	30
2	250	230	200	180	163	120	95	85	75	70
3	500	450	400	360	330	230	180	145	135	130
4	1230	1100	950	800	750	500	420	350	320	300

При
мониторинге вибросостояния трубопроводов
в условиях эксплуатации с целью оценки
и выделения причин повышенных уровней
вибрации, необходимо иметь кроме уровней
пульсации давления, информацию об
уровнях вибрации компрессоров, насосов,
фундаментов и т.д.

В данном
разделе даются нормативные данные по
уровням вибрации следующих узлов и
элементов нагнетательных машин.

1. Насосы.

2. Таблица 4.2

Допустимая вибрация насосовSa,
мкм

Частота вращения вала С-1	До 12,5	от 12,5 до 16,5	от 16,6 до 25,0	от 25,0 до 50,0	свыше 50,0
Допустимая амплитуда вибрации Sa, мкм	120	100	80	60	50

Таблица 4.3

Соседние файлы в папке ПРоект 2

• #

  29.03.20157.96 Mб33!Сборник расчеты 52857.tif

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

  29.03.201585.66 Кб20Лаб. работа №1.xmcd

Гидравлический удар – явление, связанное с резким изменением (повышением или понижением) давления в напорном трубопроводе при быстром изменении (торможении или ускорении) скорости движения жидкости в нем.

Причины возникновения

К возникновению гидравлического удара могут привести мгновенное закрытие или открытие запорных устройств, внезапная остановка и пуск насоса и т.д.

При торможении потока – положительный гидроудар.

При ускорении потока – отрицательный гидроудар.

На рисунке справа представлен график возрастания давления при гидравлическом ударе в трубопроводе при резком закрытии задвижки. Давление указано в кгс/см² (килограмм-сила на сантиметр квадратный, 1 кгс/см² = 10 м.вод.ст ([метры водяного столба]). На рисунке видно, что давление перед задвижкой составляло 2,5 кгс/см² , и достигло 11 кгс/см² при гидроударе, то есть выросло более чем в четыре раза.

Результат гидравлического удара

При повышении давления в трубопроводе выше критического (давления, на которое рассчитан материал трубопровода или арматуры) происходит повреждение наиболее уязвимого элемента трубопроводной системы

На рисунках ниже представлены фотографии разрыва трубопроводов в результате гидроудара, а также повреждения трубопроводной арматуры.

А) Разрыв фланцевого соединения; Б) Разрыв стенки задвижки; В) и Г) Разрушение обратного клапана

Как происходит гидроудар

Рассмотрим явление гидравлического удара на примере простого трубопровода, соединенного с резервуаром. По трубопроводу протекает вода со скоростью υ. На расстоянии L от входного сечения находится задвижка, которую можно мгновенно закрывать и открывать.

При мгновенном закрытии задвижки мгновенно остановятся те частицы жидкости, которые соприкасаются с поверхностью задвижки. Затем остановится ближайший к ним слой жидкости. Произойдет мгновенное сжатие этого слоя и, как следствие, повышение давления, которое называется ударным давлением ∆р.

В результате сжатия частицы жидкости в трубопроводе будут обладать большей энергией, чем частицы жидкости, находящиеся в резервуаре, и начнут перемещаться в сторону резервуара. Затем под действием давления жидкости в резервуаре начнется движение жидкости от резервуара к задвижке, т.е. пройдет новая волна сжатия. Таким образом, жидкость в трубопроводе будет совершать затухающее (вследствие трения, упругости стенок трубопровода и т. д.) колебательное движение.

Предотвращение гидроудара

Предотвратить гидравлический удар можно в первую очередь за счет медленного открытия и закрытия запорной арматуры. Это актуально как для больших трубопроводов (при диаметре более 400 мм обязательной является установка электропривода для открытия задвижки), так и для трубопроводов малых диаметров. Т.е. и смеситель у нас дома открывать и закрывать необходимо медленно.

Расчет величины гидравлического удара

Повышение давления, Па, при гидравлическом ударе (ударное давление) определяется по формуле Жуковского:

Для конкретной жидкости величина скорости распространения ударной волны зависит от внутреннего диаметра трубы, толщины ее стенок и коэффициента упругости материала трубы

Скорость распространения ударной волны может быть найдена по формуле:

Пример расчета величины гидравлического удара

ЗАДАЧА: Определить  величину давления на единицу площади внутренней поверхности чугунной водопроводной трубы диаметром 100 мм при быстром закрытии задвижки. Проанализировать, выдержит ли труба этот гидроудар. Скорость течения воды в трубе 1 м/с, толщина стенок трубы 8,5 мм. Гидростатическое давление в трубе, когда задвижка открыта, равно 4 атм (напор перед задвижкой – 40 м).

Найдем скорость распространения ударной волны

Определим повышение давления при гидравлическом ударе

Определим напряжение, испытываемое стенками трубы:

От гидростатического давления до удара

Непосредственно от самого гидравлического удара

Полное напряжение, возникающее в материале при гидравлическом ударе:

Это меньше, чем обычно допускаемое для чугуна напряжение в 250 кгс/см². Гидравлический удар при такой скорости течения жидкости (1 м/с) не угрожает целостности трубы.

Расчет с помощью компьютера

Историческая справка: изучение гидравлического удара

Николай Егорович Жуковский по инициативе руководства московского водопровода, возглавил  проведение в 1897–1898 гг. большого комплекса научных исследований вопроса гидравлического удара на базе Алексеевской водокачки.

Исследования проводились на чугунных трубах диаметром 2, 4 и 6 дюймов (50, 100 и 150 мм), проложенных по поверхности земли на территории водокачки. Они соединялись с трубой главного водовода диаметром 24 дюйма (600 мм), транспортирующего воду в Москву. При этом с помощью манометров и самописцев изучались  давление и гидродинамика в трубах, распределение давления вдоль труб во время быстрого перекрывания трубопроводов заслонкой в конце.

Выяснилось, что явление гидравлического удара объясняется возникновением и распространением вдоль труб ударных волн, вызванных сжатием воды и деформацией стенок труб. Благодаря исследованиям, выполненным инженерами Алексеевской водокачки: К.П. Карельских, В.В. Ольденбергером и И.Н. Березовским под руководством Н.Е. Жуковского, удалось создать довольно четкую теорию гидравлического удара и найти средства борьбы с этим явлением (использование воздушных колпаков и пружинных клапанов-гасителей давления).

Фильм о гидравлических ударах Киевской киностудии научно-популярных фильмов 1989 года.