автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Влияние устройств для впуска воды и воздуха и обратных клапанов на гидравлические характеристики переходных процессов в трубопроводах

, / < '

/

Московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

На правах рукописи

ХАМО МУХАМЕД АМИН

ВЛИЯНИЕ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВПУСКА ВОДЫ И ВОЗДУХА И ОБРАТНЫХ КЛАПАНОВ НА ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБОПРОВОДАХ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная

гидрология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.М. Апышев

Москва 1998

£

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ И ТРУБОПРОВОДНЫХ

СИСТЕМ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА (АНАЛИТИЧЕСКИЙ

ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ)..............................7

1.1. Общие положения.............................................................................................7

1.2. Аналитический обзор существующих

гасителей гидравлического удара............................................................... 8

Выводы по главе 1............................................................................................... 40

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ

ТРУБОПРОВОДОВ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА....................................... 42

2.1. Экспериментальная установка для

исследования гидравлического удара....................................................... 42

2.2. Методика проведения экспериментов........................................................44

2.3. Экспериментальные исследования комбинированной системы защиты, состоящей из резервуара для

впуска воды и обратного клапана с отверстием.......................................46

ГЛАВА 3. ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ

ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБОПРОВОДАХ,

ОБОРУДОВАННЫХ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ

ЗАЩИТЫ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ВПУСКА

ВОДЫ ИЛИ (И) ВОЗДУХА И ОБРАТНЫХ КЛАПАНОВ

С ОТВЕРСТИЯМИ В ДИСКЕ...................................................................................49

Выводы по главе 3...............................................................................................73

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................,....75

4.1. Анализ результатов экспериментальных исследований.........................75

4.1.1. Серия исследований переходных гидравлических

процессов без гасителей удара............................................................................78

4.1.2. Серия с обратным клапаном без отверстия..............................................78

4.1.3. Серия с резервуаром для впуска воды......................................................82

4.1.4. Серия с обратным клапаном с отверстием...............................................85

4.1.5. Серия с резервуаром для впуска воды

и обратным клапаном с отверстием....................................................................85

4.1.6. Серия с воздушно-гидравлическим колпаком

без воздуха и обратным клапаном.....................................................................101

4.2. Графический метод расчета переходных гидравлических

процессов в трубопроводе с предлагаемой

комбинированной системой защиты

трубопроводов от гидравлического удара...............................................107

Задачи дальнейших исследований....................................................................107

Выводы по главе 4.............................................................................................118

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ...................................................................................120

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................122

s

ВВЕДЕНИЕ

Трубопроводные системы, по которым транспортируются различные жидкости и газ, получили широкое распространение в большинстве стран мира, в том числе и в Сирии.

Трубопроводные системы применяются в водоснабжении, гидроэнергетике, мелиорации и водном хозяйстве, горнодобывающей промышленности, при гидротранспорте нефти, газа и различных гидросмесей, в химической промышленности и в других отраслях.

При закрытии и открытии задвижек, включении и отключении насосных агрегатов, регулировании гидротурбин и других гидравлических установок, а в общем случае при изменении режима работы регулирующих органов, установленных на трубопроводных системах, возникает гидравлический удар (ГУ), одной из основных причин аварийных ситуаций, возникающих на трубопроводных системах.

Для защиты трубопроводов от гидравлического уцара применяются различные способы и средства защиты.

Одним из самых перспективных направлений борьбы с гидравлическим ударом является применение комбинированных систем защиты.

Поэтому тема данной диссертационной работы, посвященной экспериментальному и теоретическому исследованию комбинированной системы защиты трубопроводов, состоящей из резервуара для впуска воды и воздуха и обратных клапанов с отверстиями в диске, установленных в различных сечениях водоводов, является актуальной. Актуальность темы также подтверждается простотой оборудования трубопроводов и исследованной комбинированной системы.

Основная цель работы - изучение влияния устройств для впуска воды и воздуха и обратных клапанов на гидравлические характеристики переходных процессов в трубопроводах и проверка работоспособности и эффективности исследованной комбинированной системы зашиты трубопроводов от «отрицательного» гидравлического удара (ОГУ).

Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведены экспериментальные исследования характеристик переходного гидравлического процесса при ОГУ:

- в трубопроводе без средств защиты;

- в трубопроводе, оборудованном обратным клапаном с отверстием в диске различного диаметра;

- в трубопроводе с комбинированной системой защиты от ОГУ, состоящей из резервуара для впуска воды и обратного клапана с отверстием в диске различного диаметра;

- в трубопроводе, в начале которого установлен резервуар для впуска воды одностороннего «направленного» действия;

- в трубопроводе с комбинированной системой защиты от ОГУ, состоящей из воздушно-гидравлического колпака без воздуха (полностью заполненного водой) и обратного клапана с отверстием в диске различного диаметра.

2. Разработаны:

- основы теории переходных гидравлических процессов в трубопроводах, оборудованных предлагаемой комбинированной системой защиты;

- численный и упрощенный графический методы расчета переходных гидравлических процессов в трубопроводах, на которых установлена исследованная система защиты.

3. Выполнены расчеты переходных гидравлических процессов в напорном горизонтальном трубопроводе, оборудованном предлагаемой системой защиты при начальных и граничных условиях лабораторной установки МГУП, в результате которых:

- доказана достоверность разработанных теории и методики расчета;

- теоретически доказана справедливость существующей идеи о том, что обратные клапаны с отверстием в диске, устанавливаемые в качестве гасителей ГУ на трубопроводе, должны быть малоинерционными с практически мгновенным закрытием диска;

- сформулированы задачи дальнейших исследований, одной из которых является разработка конструкций малоинерционных быстродействующих

обратных клапанов, в том числе с отверстием в диске, обеспечивающих оптимальную работку комбинированных систем защиты трубопроводов от ОГУ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

получены опытные данные, подтверждающие работоспособность и эффективность исследованной комбинированной системы защиты;

экспериментально доказано, что воздушно-гидравлический колпак даже при полном растворении в нем воздуха и установке на трубопроводе обратных клапанов с отверстием в диске с — (0,06...0,01)^/ практически ликвидирует

последствия ОГУ;

теоретически доказано, что обратные клапаны, которые установлены на предлагаемой и аналогичных комбинированных системах защиты трубопроводов от ОГУ, должны быть малоинерционными с практически мгновенным закрытием диска.

Следовательно, в результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований доказана работоспособность и эффективность исследованной комбинированной системы защиты трубопроводов от ОГУ, что также определяет практическую ценность настоящей работы.

Предлагаемая комбинированная система защиты трубопроводов может быть применена на практике, в том числе в Сирии и в других странах. С помощью разработанных методик на стадии проектирования можно оценить возможность ее применения на конкретных проектируемых системах. Практическое значение имеет также доказанный теоретически вывод о том, что обратные клапаны, установленные на трубопроводах и входящие в качестве основных элементов в состав предлагаемой и аналогичных комбинированных систем защиты, должны быть малоинерционными с практически мгновенным закрытием диска.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в диссертации, подтверждается сопоставлением результатов расчетов по предлагаемой методике с экспериментальными данными, применением электронной аппаратуры большим объемом выполненных лабораторных экспериментов и достаточной степенью их точности.

Эффективность исследованной комбинированной системы защиты доказана экспериментально и теоретически.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на научно-технической конференции МГУП (1996 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и содержит 132 страницы машинописного текста, 5 J, рисунка и список литературы (всего 111 источников, из них 4 иностранных).

ГЛАВА 1. ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ И ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ОТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ)

1.1. Общие положения

Проведенный анализ работ и исследований предшественников [1, 2, 4...47, 49...75, 77...96, 98... 111] показывает, что неустановившееся движение жидкости и гидравлический удар (ГУ) в напорных трубопроводах и трубопроводных системах возникают при внезапном (аварийном) отключении насосных агрегатов, при закрытии или открытии запорной регулирующей трубопроводной арматуры (задвижка, гидрант, обратный клапан и др.), а также при пуске насосов. Гидравлический удар может привести к разрыву и выводу из строя трубопроводов и трубопроводной арматуры, нарушению герметизации стыковых соединений и т.д.

Гидравлический удар в трубах при движении невязкой жидкости был впервые (1898 г.) теоретически исследован великим русским ученым Н.Е.Жуковским [66], под руководством которого также были выполнены обширные экспериментальные исследования этого опасного процесса на московском водопроводе.

В дальнейшем исследованиями гидравлического удара в трубах занимались И.А. Чарный, М.А. Мостков, И.В. Егиазаров, H.A. Картвелишвили, Д.Н. Смирнов, Г.И. Кривченко, Л.Ф. Мошнин, А.Ф. Мостовский, Б.Л. Буниатян, B.C. Дикарев-ский, В.М. Усаковский, И.Ф. Ливурдов, А.Г. Джваршейшвили, В.М. Овсепян, Г.И. Мелконян, Б.Ф. Лямаев, Д.Н.Попов, В.М. Алышев, К.П. Вишневский, Г.Д. Розен-берг, Л.И. Махарадзе, Н.Т. Мелещенко, В.М. Папин, Л.М. Тарко, И.П. Гинзбург, A.A. Гриб, Ю.Н.Гризодуб, М.М. Андрияшев, М.А. Гусейнзаде, В.А. Юфин, Ал-лиеви, Шнидер, Л. Бержерон, Леви, Егер, Еванжелисти, Стритер, Мартин, Фокс, Людевиг, Х.Христов и многие другие исследователи [13].

Наряду с изучением физики процесса ученые разрабатывали теорию и методы расчета гидравлического удара в трубопроводах и сложных трубопроводных системах, внедряли разработанные алгоритмы на ЭВМ, а также конструировали и исследовали гасители гидравлического удара различных конструкций.

В данной главе приводится краткий аналитический обзор некоторых гасителей гидравлического удара. В результате выполненного анализа сформулированы цель и задачи настоящей диссертационной работы.

1.2. Аналитический обзор существующих

гасителей гидравлического удара

Для надежной защиты напорных трубопроводных систем от гидравлического удара Л.Ф. Мошнин предлагает устанавливать средства защиты непосредственно у каждого источника гидравлических ударов [94...96 и др. ].

Мероприятия для защиты трубопроводов от резкого повышения давления при гидравлическом ударе делятся на методы (способы) и конструкции [13, 29, 31,49, 63, 64, 67,70, 74...76, 81...86, 94, 95, 98,101,103 и др.].

К методам защиты относятся:

1. Впуск воды (жидкости) в сечение трубопровода, где при гидравлическом ударе возникает разрыв сплошности потока.

2. Впуск в трубопровод при гидравлическом ударе с разрывом сплошности потока газа (воздуха) или газожидкостных смесей, имеющих более низкий приведенный модуль упругости, чем транспортируемая рабочая жидкость.

3. Выброс рабочей среды из трубопровода при повышении давления при гидравлическом ударе.

4. Уменьшение давления при гидравлическом ударе за счет применения специальных местных сопротивлений и лабиринтов.

5. Установка на трубопроводе у источника гидравлического удара специальных демпфирующих устройств (уравнительные резервуары, воздушно-гидравлические колпаки и т.д.).

Гасители гидравлического удара классифицируют по следующим конструктивным признакам [49,101]:

1) устройства для уменьшения (поглощения) пульсации давления при ГУ;

2) предохранительные клапаны для сброса рабочей жидкости-в атмосферу при повышении давления выше допустимого;

3) предохранительные клапаны с разрушаемыми рабочими органами;

4) устройства, включающие гидравлические и пневматические объемы;

5) амортизаторы гидравлического удара, включающие поршни, профилированные эластичные упругие элементы и баллоны;

6) устройства, работающие как при "положительном", так и при "отрицательном гидравлическом ударах;

7) уравнительные резервуары, воздушно-гидравлические колпаки, воздушно-гидравлические колонны с демпфирующими сопротивлениями и разделительными диафрагмами, в том числе воздушно-гидравлические колпаки различных конструкций с автоматическим введением воздуха (демпфирующего элемента);

8) комбинированные системы защиты, в которых применены комбинации различных методов и средств защиты трубопроводов от ГУ.

Гасители гидравлического удара, устанавливаемые на трубопроводах и трубопроводных системах, должны удовлетворять следующим основным требованиям [47, 74, 101 и др.]:

1) простота конструкции и технологии изготовления; гаситель также должен быть несложным в эксплуатации и автономным в работе, чтобы при необходимости его можно было подключить к трубопроводу в любое его сечение;

2) безинерционность и надежность работы;

3) по возможности широкая область применения; гаситель удара должен одинаково работать как при "положительном", так и при "отрицательном" гидроударе; работа гасителя должна быть эффективна при широком диапазоне изменения начальных расходов и напоров и не должна зависеть от параметров установившегося движения жидкости;

4) возможность работы на загрязненной оросительной воде;

5) многократность действия;

6) износостойкость и антикоррозийность;

7) гаситель по возможности не должен нарушать герметичность трубопровода;

8) низкая себестоимость.

Для гашения гидравлического удара, повышения надежности работы трубопроводных систем при изменении режима их работы, а, следовательно, работы систем без аварий, как уже отмечалось выше, необходимо применять специальные меры защиты.

Рассмотрим, в частности, способ защиты трубопроводов от гидравлического удара, при котором происходит сброс части воды из трубопровода при повышении давления выше допустимого [1, 2, 29, 42, 46, 48, 49...52, 54, 56, 58...60, 63, 64, 67, 70, 74...76, 81...84, 86, 94, 95]. К этой группе можно отнести такие средства защиты, как предохранительные клапаны, разрывные мембраны и переливные колонны. Их работа заключается в обеспечении сброса жидкости в атмосферу, специальные резервуары или сбросные трубопроводы при повышении давления выше расчетного.

Можно отметить, что на практике для защиты магистральных трубопроводов применяются различные клапаны-гасители ГУ, разработанные в УкрНИИ-ГиМ, УкрВОДГЕО, ВНИИМиТП, ЛИИЖТ, МГМИ (МГУП) и других организациях, а за рубежом разработаны гасители фирм Траве", "Гульде", "Зингер", "Арми" и т.д. [49, 59,64, 67, 70, 81 и др.].

Эти гасители хорошо снижают давление при ГУ. Поэтому при выборе гасителя для защиты конкретного трубопровода необходимо выполнить сопоставительную оценку их надежности, универсальности и простоты в эксплуатации и изготовлении.

Гасители гидравлического удара со сбросом избыточного давления обеспечивают сброс части воды в атмосферу, в отводящий трубопровод или специальный резервуар [13, 49].

К этому типу гасителей следует отнести предохранительные клапаны различных конструкций.

В работе [49] В.А. Гурин приводит описание предохранительных клапанов для гашения гидравлического удара, имеющих различное конструктивное использование.

Принцип их действия заключается в следующем: при повышении давления в трубопроводе выше допустимого рабочий орган открывает отверстие в корпусе, из которого жидкость выливается в атмосферу, отводящий трубопровод или специальный резервуар.

Рабочими элементами в этих конструкциях являются клапаны, металлические пружины, поршни и другие конструктивные элементы (рис. 1.1).

Применяются пр