§ 6. Расчет трубопроводов

При расчете трубопроводов насосов определяют: диаметр напорного и подводящего трубопроводов; потери напора в трубах от гидравлических сопротивлений; толщину стенки трубы.

Диаметр напорного трубопровода определяют исходя из эксплуатационных затрат, включающих: амортизационные отчисления, определяемые стоимостью труб; стоимость потребляемой активной электроэнергии; расходы на монтаж и ремонт. При определенном диаметре труб, называемом оптимальным в конкретных условиях, сумма указанных затрат будет минимальной. Впервые задача определения оптимального диаметра напорного трубопровода была решена в 1925 г. акад. М. М. Федоровым.

В настоящее время оптимальный определяют по формуле [11]

(1.16)

где Сэ = 0,0068 грн/кВт-ч — стоимость 1 кВт-ч активной электроэнергии (по тарифу системы в «Донбассэнерго»; Кэд= 0,1 — коэффициент эквивалентной длины, учитывающий необходимость увеличения напора, развиваемого насосом, в связи с потерями а местных сопротивлениях трубопровода; Qнп — нормальный приток, откачиваемый водоотливной установкой, м3/ч; Q — подача насоса в оптимальном режиме, м3/ч. В соответствии с ПБ расчетная подача насоса

(1.17)

Ктр— коэффициент, учитывающий резерв напорных трубопроводов; при одном рабочем и одном резервном трубопроводе Ктр = 2; при двух рабочих и одном резервном Ктр = 1,5, но подачу и приток необходимо уменьшить в два раза; Крд — коэффициент, зависящий от рабочего давления в трубопроводе и марки стали (см. ниже); η;ηд;ηс КПД соответственно насоса, двигателя и электрической сети, при расчетах в среднем можно принимать: η= 0,72; ηд= 0.9; ηс = 0,95.

Значения k_рд для трубопроводов из различных марок стали при определенном рабочем давлении

Рабочее давление, МПа	Ст. 3	Ст. 4	Ст. 5	Ст. 6
6,4	149	137	129	129
10,0	211	206	185	174
16,0	285	272	248	229

Подставив указанные величины в формулу (90) и выразив приток через подачу насоса Qн п = 16Q/24, получим при значениях k_рд =149 … 229, т.е. в диапазоне давлений 6,0 ... 16,0 МПа,

(1.18)

С достаточной степенью точности оптимальный диаметр напорного трубопровода

(1.19)

где к — коэффициент, зависящий от числа напорных трубопроводов (при двух трубопроводах к = 1, при трех — к = 0,752).

По найденному значению оптимального диаметра выбирают трубы стандартного диаметра. Диаметр подводящего трубопровода для большей надежности всасывания принимают на 25 ... 50 мм больше напорного.

Потери напора в трубопроводе определяются как сумма потерь от гидравлических сопротивлений на его прямых участках и местных сопротивлений в фасонных частях и арматуре трубопровода .

Потери напора от гидравлических сопротивлений на прямом участке трубопровода

(1.20)

где λ — коэффициент гидравлического трения; l — длина прямых участков трубопровода одинакового диаметра, d — внутренний диаметр трубопровода, м; v — скорость воды в трубопроводе, м/с.

По данным Ф. А. Шевелева для труб, бывших в эксплуатации,

(1.21)

Потери напора на местные сопротивления определяются по формуле

(1.22)

Значения коэффициентов местных сопротивлений в зависимости от типа арматуры и фасонных частей трубопровода принимают по приведенным ниже данным.

Коэффициенты местных сопротивлений.

Арматура или фасонные части трубопровода	Диаметры условного прохода dy, мм	Коэффициенты местного сопротивления
Задвижка клиновая с выдвижным шпинделем	80… 400	0,26
Клапан обратный поворотный	80…400	10
Приёмная сетка с клапаном	100 150 200 250 300	7,0 6,0 5,2 4,5 3,7
Колено сварное с углом загиба 90	80…300	0,6
Тройник равнопроходный	80…300	1,5
Диффузор	d1/d2=0,5…0,8	0,25
Конфузор	d1/d2=1,2…1,65	0,1

Общие потери напора в трубопроводе насосной установки

(1.23)

где hпп и hпн — потери напора па прямом участке соответственно подводящего и напорного трубопроводов, м; и — суммарные потери напора на местных сопротивлениях подводящего и напорного трубопроводов, м.

На основании формул (1.20), (1.22) и (1.23):

(1.24)

В правой части выражения (1.24) первый член представляет собой потери напора в подводящем трубопроводе, второй — в напорном.

Напор насоса

(1.25)

При ориентировочных расчетах ∑ h можно принять равными 8 ... 10 % от длины трубопровода.

Окончательно принимаемое значение напора должно быть на .5 ... 8 % больше расчетного, так как при эксплуатации живое сечение трубы уменьшается за счет отложения осадков на ее внутренних стенках.

Трубы на прочность рассчитывают исходя из условия, что их стенки испытывают по нормали к своей поверхности давление жидкости, находящейся в трубе в равновесии или движущейся в ней равномерно. Толщина стенки (мм) в зависимости от допустимого рабочего давления и материала труб:

(1.26)

где σ_о—толщина стенки, определяемая прочностными свойствами материала труб, вычисляется для нижней части колонны труб в зависимости от наружного диаметра их и давления; с достаточной точностью можно определитьσ_о =к1Dp причем для стали 20 k = 2,27 и для стали Ст.З k1 = 2,52; D — наружный диаметр трубы, м; р — давление в нижней части колонны труб, МПа; S_k — коррозионный износ, мм:

(1.27)

Здесь α1 — скорость коррозионного износа наружной поверхности труб (при ведении взрывных работ в шахте α1= 0,25 мм/год, при отсутствии взрывных работ α1 = 0,15 мм/год); α2 — скорость коррозионного износа внутренней поверхности труб (при нейтральных или щелочных водах α2 = 0,1; при кислотных водах с водородным показателем, рН = 6 ... 7, α2 = 0,2 и при рН = 5 ... 6 α2 = 0,4); Т — срок службы трубопровода, лет; kс — коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенки, %. По ГОСТ 8732—78 для труб обычной точности изготовления при толщине стенки до 15 мм и = 15 %, при толщине стенки от 15 до 30 мм kc = 12,5 %.