Пропускная способность ПС труб при прокладке водопроводных и отопительных линий, а также газовых магистралей, является важным критерием, подлежащим расчёту. Расчёт данного показателя представляет собой сложную задачу, без выполнения которой невозможно начать работу.

Какие имеются методы расчёта ПС труб

ПС труб – это немаловажный параметр, представляющий собой возможность трубы проводить соответствующее количество воды за определённый отрезок времени. ПС трубопровода зависит от такого технического показателя, как диаметр. Чем выше данный параметр, тем соответственно большее количество воды проходит по ней за принимаемое во внимание значение времени.

Диаметр хотя и является главным фактором, но не единственным. ПС зависит также от давления напора в системе, а также от типа жидкости. Чем выше показатель давления, тем больше будет значение рассматриваемого показателя. Для выявления рассматриваемого параметра известно несколько методов, которые называются:

1. Физический метод.
2. Табличный способ.
3. Определение с применением программы.

Рассмотрим подробно, что же представляет собой каждый вариант.

Физический вариант определения ПС

Физический способ определения пропускной способности включает в себя проведение расчётов по специальным формулам. В зависимости о того, какой тип системы проектируется, формулы расчётов будут различаться. Для проведения самостоятельного (физического) расчёта ПС трубопровода, во внимание принимаются следующие показатели:

• Шероховатость.
• Внутренний диаметр.
• Уклон трубопровода.
• Значение сопротивления.
• Степень зарастания.

По устаревшей формуле во внимание принимались только три основных параметра: диаметр, давление и шероховатость. Самостоятельно произвести расчёт человеку, который с этим никогда не сталкивался, будет достаточно проблематично.

Табличный вариант расчёта

Имеются табличные значения, которые были созданы для того, чтобы облегчить выявление ПС трубопровода внутриквартирной разводки. Зачастую при монтаже внутриквартирной разводки не требуются показатели высокой точности. Это значение используется, чтобы избежать сложных математических вычислений. Однако немаловажен такой фактор, как осадочные наросты, формирующиеся внутри труб с течением времени. Эти негативные последствия способствуют снижению диаметра трубы, что отражается на показателях ПС.

Представленные табличные данные ПС трубы не учитывают образование наростов, поэтому для устаревших магистралей эти показания являются не актуальными.

Была разработана специальная таблица ПС водопроводных труб, которая впоследствии получила название своего создателя Шевелева. Особенность этой таблицы в том, что в ней принимается во внимание материал трубы, и прочие дополнительные критерии. Эти данные являются очень полезными тогда, когда проводится водопроводная система частного дома с применением нестандартных видов стояков.

Определение ПС специальными программами

Чтобы упростить и ускорить процедуру расчёта пропускной способности труб, в сантехнических организациях устанавливаются специализированные компьютерные приложения. В интернете имеются специальные онлайн-калькуляторы, используя которые, можно сделать приблизительный расчёт.

Одними из популярных приложений определения ПС трубопроводов являются: «TAScore» и «Гидросистема». Первая программа была разработана западными специалистами, а вторая — отечественными инженерами.

Как рассчитать ПС для газовых трубопроводов

К определению пропускной способности газопроводов предъявляются особые требования. Это связано с тем, что природный газ относится к сложным и опасным видам. Формула расчёта ПС для газовых трубопроводов имеет следующий вид:

Qmax=0,67Ду2*р;

где, Ду – диаметр условного прохода;

р – давление в газопроводе + 0,10 мПа.

Для расчёта ПС газопровода при использовании труб стандартных диаметров, была разработана специальная таблица. Если же необходимо узнать рассматриваемые величины для нестандартных размеров трубопроводов, то для этого проводятся соответствующие инженерные расчёты.

Особенности ПС водопроводных систем

К монтажу водопровода в доме приходится прибегать в частых случаях. Расчёт ПС труб для водопровода не менее важен, чем для газопровода, ведь они выдерживают высокие нагрузки. Чем больше диаметр трубопровода, тем выше не только показатель проходимости, но ещё и ниже вероятность образования застоев. При определении ПС для водоснабжения немаловажно учитывать такой параметр, как степень трения жидкости о стенки трубопровода.

Чем больше показатели температуры воды в магистрали, тем ниже ПС трубопровода. Это связано с тем, что вода при нагревании расширяется, поэтому возникает дополнительный коэффициент трения. Для водопроводных систем это не столь важно, в отличие от системы отопления. Таблица ПС труб для водопровода в зависимости от диаметра и давления воды представлена ниже.

На основании данных таблицы Шевелева можно произвести расчёты ПС водопровода.

ПС для канализации

ПС для канализации зависит от системы отведения стоков используется: напорный или самотёчный. В основе определения ПС вовлечены законы науки гидравлики. Чтобы высчитать ПС канализационной системы, понадобятся не только сложные формулы для расчёта, но ещё и табличные сведения.

Для выявления объёмного расхода жидкости берётся формула такого вида:

q=a*v;

где, а – площадь потока, м2;

v — скорость движения, м/с.

Площадь потока a — это сечение, перпендикулярное в каждой точке скорости частиц потока жидкости. Это значение еще известно под таким названием, как живое сечение потока. Для определения указанной величины применяется формула: a = π*R2. Величина π постоянная, и равняется 3,14. R — радиус трубы в квадрате. Чтобы узнать скорость, с которой движется поток, понадобится воспользоваться формулой следующего вида:

v = C√R*i;

где, R – гидравлический радиус;

С – смачивающий коэффициент;

I – угол уклона.

Для расчёта угла уклона понадобится рассчитать I=v2/C2*R. Чтобы определить смачивающий коэффициент, нужно воспользоваться формулой следующего вида: C=(1/n)*R1/6. Значение n – это коэффициент шероховатости труб, равняющийся 0,012-0,015. Для определения R используется формула:

R=A/P;

где, A – площадь поперечного сечения трубопровода;

P – смоченный периметр.

Смоченным периметром именуется линия, по которой происходит соприкосновение потока в поперечном сечении с твердыми стенками русла. Чтобы выявить значение смоченного периметра в круглой трубе, потребуется воспользоваться формулой следующего вида: λ=π*D.

В таблице ниже представлены параметры для проведения расчёта ПС сточных канализационных трубопроводов безнапорного или самотёчного способа. Сведения выбираются в зависимости от диаметра трубы, после чего подставляются в соответствующую формулу.

Если нужно произвести расчёт ПС канализационной системы для напорных систем, то данные берутся из таблицы ниже.

Влияние материалов на пропускную способность

На снижение диаметра трубы влияет такой фактор, как образование налёта во внутренней полости трубопровода. Если используется стальной материал для сооружения водопровода, то уже через 15-20 лет пропускная способность трубопровода будет снижена в несколько раз.

Если в системе отопления применяется вода плохого качества, что случается чаще всего, то это также негативно отразится на пропускной способности. Ведь вода с засорениями способствует снижению потока или напора, что влияет на скорость транспортировки теплоносителя. Особенно часто снижается ПС металлических трубопроводов в местах некачественного выполнения стыковок, или при переходе от одного диаметра трубы на другой. Эти места требуют периодической профилактики, иначе в скором времени могут возникнуть посторонние звуки в виде гула водопровода при открытии крана. Трубопроводы из полиэтилена лишены такого негативного последствия, как возникновение налёта.

В завершении следует отметить, что для сооружения водопровода в частном доме подойдут табличные данные или же значения, которые можно получить, воспользовавшись специальными онлайн-калькуляторами. Произвести расчёт с помощью калькулятора не составит труда. Для получения данных при сооружении трубопровода в многоэтажном доме понадобится провести сложные математические расчёты. Однако такие расчёты требуют много времени, поэтому сегодня все большей популярностью пользуются специальные компьютерные программы, которые упоминались в материале.

Поток в трубе

Средняя скорость потока жидкости и диаметр трубы для известного расхода

Скорость жидкости в трубе неодинакова по всей площади сечения. Поэтому используется средняя скорость, и она рассчитывается Уравнение неразрывности для стационарного потока как:

Калькулятор диаметра трубы

Рассчитать диаметр трубы для известных расхода и скорости.Рассчитайте скорость потока для известного диаметра трубы и скорости потока. Преобразовать из объемного в массовый расход. Рассчитайте объемный расход идеального газа при различных условиях давления и температуры.

Диаметр трубы можно рассчитать, когда объемный расход и скорость известны как:

где: D — внутренний диаметр трубы; q — объемный расход; v — скорость; A — площадь поперечного сечения трубы.

Если известен массовый расход, диаметр можно рассчитать как:

где: D — внутренний диаметр трубы; w — массовый расход; ρ — плотность жидкости; v — скорость.

Рассчитать диаметр трубы простым способом

Ламинарный и турбулентный режим течения жидкости в трубе, критическая скорость

Если скорость жидкости внутри трубы мала, линии тока будут проходить прямыми параллельными линиями. Как скорость жидкости внутри труба постепенно увеличивается, линии тока будут оставаться прямыми и параллельными стенке трубы, пока не будет достигнута скорость когда линии тока будут колебаться и внезапно распадаться на рассеянные образцы.Скорость, с которой это происходит, называется «критическая скорость». При скоростях, превышающих «критические», линии тока рассеиваются случайным образом по всей трубе.

Режим потока, когда скорость ниже «критической», называется ламинарным потоком (или вязким или обтекаемым потоком). При ламинарном режиме скорости потока на оси трубы самая высокая, а на стенке скорость равна нулю.

Когда скорость больше «критической», режим потока является турбулентным. В турбулентном режиме потока наблюдается нерегулярность случайное движение частиц жидкости в направлениях, поперечных к направлению основного потока. Изменение скорости в турбулентном потоке более равномерный, чем в ламинарном.

В турбулентном режиме потока на стенке трубы всегда имеется тонкий слой жидкости, движущийся в ламинарном потоке.Этот слой известен как пограничный слой или ламинарный подслой. Для определения режима потока используйте калькулятор числа Рейнольдса.

Число Рейнольдса, турбулентный и ламинарный поток, скорость потока и вязкость трубы

Характер потока в трубе, согласно работе Осборна Рейнольдса, зависит от диаметра трубы, плотности и вязкости. текущей жидкости и скорость потока.Безразмерное число Рейнольдса используется, и является комбинацией этих четырех переменные и могут рассматриваться как отношение динамических сил массового потока к напряжению сдвига из-за вязкости. Число Рейнольдса:

где: D — внутренний диаметр трубы; v — скорость; ρ — плотность; ν — кинематическая вязкость; μ — динамическая вязкость;

калькулятор числа Рейнольдса

Рассчитайте число Рейнольдса с помощью этого простого в использовании калькулятора.Определить, является ли поток ламинарным или турбулентный. Применимо для жидкостей и газов.

Это уравнение может быть решено с помощью и калькулятор режима потока жидкости.

Поток в трубах считается ламинарным, если число Рейнольдса меньше 2320, и турбулентным, если число Рейнольдса больше 4000Между этими двумя значениями находится «критическая» зона, где поток может быть ламинарным или турбулентным или в Процесс изменений и в основном непредсказуем.

При расчете числа Рейнольдса для эквивалентного диаметра некруглого сечения (четырехкратный гидравлический радиус d = 4xRh) используется и гидравлический радиус может быть рассчитан как:

Rh = площадь поперечного сечения потока / смоченный периметр

Это относится к квадратному, прямоугольному, овальному или круглому каналу, когда не течет с полным сечением.Из-за большого разнообразия жидкостей, используемых в современных промышленных процессах, одно уравнение который может использоваться для потока любой жидкости в трубе, предлагает большие преимущества. Это уравнение является формулой Дарси, но один фактор — коэффициент трения должен быть определен экспериментально. Эта формула имеет широкое применение в области механики жидкости и широко используется на этом сайте.

Уравнение Бернулли — консервация потока жидкости

Если пренебрегают потерями на трение и энергия не добавляется или не берется из системы трубопроводов, общий напор, H, которая представляет собой сумма головки подъема, головка давления и скоростной напор будет постоянной для любой точки потока жидкости.

Это выражение закона сохранения головы для потока жидкости в трубопроводе или линии тока и известно как Уравнение Бернулли:

где: Z _1,2 — высота над контрольным уровнем; p _1,2 — абсолютное давление; v _1,2 — скорость; ρ _1,2 — плотность; г — ускорение свободного падения

Уравнение Бернулли используется в нескольких калькуляторах на этом сайте, как калькулятор падения давления и расхода, Измеритель расхода трубки Вентури и калькулятор эффекта Вентури и калькулятор калибровки диафрагмы и расхода.

Поток в трубе и падение давления на трение, потеря энергии напора | Формула Дарси

Из уравнения Бернулли выводятся все другие практические формулы с модификациями из-за потерь энергии и выигрышей.

Как и в реальной системе трубопроводов, потери энергии существуют, и энергия добавляется или извлекается из жидкости (с использованием насосов и турбин) они должны быть включены в уравнение Бернулли.

Для двух точек одной линии тока в потоке жидкости уравнение можно записать следующим образом:

где: Z _1,2 — высота над контрольным уровнем; p _1,2 — абсолютное давление; v _1,2 — скорость; ρ _1,2 — плотность; ч _L — потеря напора из-за трения в трубе; H _p — напор насоса; H _T — головка турбины; г, — ускорение свободного падения;

Поток в трубе всегда создает потери энергии из-за трения.Потери энергии могут быть измерены как падение статического давления в направлении потока жидкости с двумя датчиками. Общее уравнение для перепада давления, известное как формула Дарси, выраженная в метрах жидкости это:

где: ч _L — потеря напора из-за трения в трубе; f — коэффициент трения; L — длина трубы; v — скорость; D — внутренний диаметр трубы; г, — ускорение свободного падения;

Чтобы выразить это уравнение как падение давления в ньютонах на квадратный метр (Паскали), замена соответствующих единиц приводит к:

Калькулятор перепада давления

Калькулятор на основе уравнения Дарси.Рассчитать падение давления для известного расхода или рассчитайте расход для известного падения давления. Расчет коэффициента трения включен. Применимо для ламинарного и турбулентного потока, круглых или прямоугольных труб.

где: Δp — перепад давления из-за трения в трубе; ρ — плотность; f — коэффициент трения; L — длина трубы; v — скорость; D — внутренний диаметр трубы; Q — объемный расход;

Уравнение Дарси может быть использовано как для ламинарного и турбулентного режима потока, так и для любой жидкости в трубе.С некоторыми ограничениями, Уравнение Дарси может быть использовано для газов и паров. Формула Дарси применяется, когда диаметр трубы и плотность жидкости постоянны и труба относительно прямая.

Коэффициент трения для шероховатости трубы и числа Рейнольдса в ламинарном и турбулентном течении

Физические значения в формуле Дарси очень очевидны и могут быть легко получены, когда свойства трубы известны как внутренняя D-труба диаметр, L — длина трубы, и когда скорость потока известна, скорость можно легко рассчитать с помощью уравнения неразрывности.Единственное значение что необходимо определить экспериментально, это коэффициент трения. Для режима ламинарного потока Re <2000 коэффициент трения можно рассчитать, но для режима турбулентного течения, где Re> 4000, используются экспериментально полученные результаты. В критической зоне, где находится Рейнольдс число между 2000 и 4000, может возникнуть как ламинарный, так и турбулентный режим течения, поэтому коэффициент трения является неопределенным и имеет более низкий пределы ламинарного потока и верхние пределы, основанные на условиях турбулентного потока.

Если поток ламинарный и число Рейнольдса меньше 2000, коэффициент трения может быть определен из уравнения:

где: f — коэффициент трения; Re — число Рейнольдса;

Когда поток турбулентный и число Рейнольдса больше 4000, коэффициент трения зависит от относительной шероховатости трубы а также на число Рейнольдса.Относительная шероховатость трубы — это шероховатость стенки трубы по сравнению с диаметром трубы e / D . Поскольку шероховатость внутренней трубы фактически не зависит от диаметра трубы, трубы с меньшим диаметром трубы будут иметь более высокую относительная шероховатость, чем у труб с большим диаметром, и поэтому трубы с меньшим диаметром будут иметь более высокие коэффициенты трения чем трубы с большими диаметрами из того же материала.

Наиболее широко принятыми и используемыми данными для коэффициента трения в формуле Дарси является диаграмма Муди.На диаграмме Муди коэффициент трения может быть определено на основе значения числа Рейнольдса и относительной шероховатости.

Падение давления является функцией внутреннего диаметра с пятой степенью. Со временем в работе, интерьер трубы становится инкрустированным грязью, окалиной, и часто разумно учитывать ожидаемые изменения диаметра. Также можно ожидать, что шероховатость будет увеличиваться при использовании из-за коррозии или инкрустации со скоростью, определяемой материалом трубы. и природа жидкости.

Когда толщина ламинарного подслоя (ламинарный пограничный слой δ ) больше, чем шероховатость трубы e , поток называется потоком в гидравлически гладкой трубе, и можно использовать уравнение Блазиуса:

где: f — коэффициент трения; Re — число Рейнольдса;

Толщина пограничного слоя может быть рассчитана на основе уравнения Прандтля как:

где: δ — толщина пограничного слоя; D — внутренний диаметр трубы; Re — число Рейнольдса;

Для турбулентного потока с Re <100 000 (уравнение Прандтля) можно использовать:

Для турбулентного потока с Re> 100 000 (уравнение Кармана) можно использовать:

Наиболее распространенным уравнением, используемым для расчета коэффициента трения, является формула Колебрука-Уайта и он используется для турбулентного потока в калькуляторе перепада давления:

где: f — коэффициент трения; Re — число Рейнольдса; D — внутренний диаметр трубы; к _р — шероховатость труб;

Статическое, динамическое и общее давление, скорость потока и число Маха

Статическое давление — это давление жидкости в потоке.Общее давление — это давление жидкости, когда оно останавливается, то есть скорость уменьшается до 0.

Общее давление можно рассчитать с помощью теоремы Бернулли. Представляя, что поток в одной точке линии потока остановлен без потери энергии теорема Бернулли может быть записана как:

Если скорость в точке 2 v ₂ = 0, давление в точке 2 будет больше, чем всего p ₂ = p _t :

где: р — давление; р _т — общее давление; v — скорость; ρ — плотность;

Разница между общим и статическим давлением представляет собой кинетическую энергию жидкости и называется динамическим давлением.

Динамическое давление для жидкостей и несжимаемого потока, где плотность постоянна, может быть рассчитано как:

где: р — давление; р _т — общее давление; п _д — динамическое давление; v — скорость; ρ — плотность;

Если динамическое давление измеряется с помощью таких инструментов, как датчик Прандтля или трубка Пито, скорость можно рассчитать в одна точка линии потока как:

где: р — давление; р _т — общее давление; п _д — динамическое давление; v — скорость; ρ — плотность;

Для газов и больших чисел Маха, чем 0.1 эффекты сжимаемости не являются незначительными.

Для расчета сжимаемого потока можно использовать уравнение состояния газа. Для идеальных газов скорость для числа Маха M <1 рассчитывается по следующему уравнению:

где: M — число Маха M = v / c — связь между локальной жидкостью и локальной скоростью звука; γ — коэффициент изэнтропии;

Следует сказать, что для M> 0.7 дан е

/ Методы для бесшовных и сварных труб Процесс изготовления бесшовных труб

Труба бесшовная является самой прочной среди всех типов труб, так как имеет однородную структуру по всей длине трубы.

• Бесшовные трубы производятся в размерах и графике. Однако существует ограничение на изготовление труб большого диаметра. Бесшовные трубы широко используются при изготовлении фитингов, таких как колена, колена и тройники.
• Различные производственные процессы объясняются подробно;

Процесс Mandrel Mill

В процессе производства труб Mandrel Mill стальная заготовка нагревается до высокой температуры во вращающейся печи. Цилиндрическая полость, которая также известна как маточная полость, изготавливается с помощью роторного пробойника и набора роликов, который удерживает пробойник в центре заготовки.

Наружный диаметр пробойника приблизительно равен внутреннему диаметру готовой трубы.С помощью этого достигается вторичный наружный диаметр и толщина роликов.

Процесс оправки оправки

Процесс производства труб для гибкой трубы Маннесманна

Маннесманн был немецким инженером, который изобрел этот процесс изготовления трубы. Единственное различие между процессом станка со штоком и процессом станка с оправкой состоит в том, что в способе оправки внутренний диаметр достигается за один проход, тогда как в Mannesmann возможно многоступенчатое сокращение.

Процесс изготовления кованой бесшовной трубы

В процессе изготовления кованой трубы заготовка с подогревом помещается в ковочную матрицу, диаметр которой немного больше, чем у готовой трубы.Гидравлический пресс ковочного молота с соответствующим внутренним диаметром используется для создания цилиндрической ковки.

Как только эта ковка сделана, труба подвергается механической обработке для достижения окончательного размера. Процесс изготовления кованой трубы используется для изготовления бесшовных труб большого диаметра, которые невозможно изготовить традиционными методами. Кованые трубы обычно используются для парового коллектора.

Методы производства кованых бесшовных труб

Процессы экструзии

При изготовлении экструзионных труб в матрицу помещается нагретая заготовка.Гидравлический таран прижимает заготовку к прокалывающей оправке, материал течет из цилиндрической полости между головкой и оправкой. Это действие производит трубы из заготовки.

Иногда изготавливаемые трубы производят трубы с большой толщиной, известной как матовая полость. Многие производимые вторичные трубы использовали эту материнскую полость для производства труб с различными размерами. Процесс экструзии

Процесс производства сварных труб

Сварные трубы

изготавливаются из листовой или непрерывной катушки или полос.Чтобы изготовить сварную трубу, первую пластину или рулон катят в круглом сечении с помощью листогибочного станка или с помощью ролика в случае непрерывного процесса.

После того, как круглое сечение прокатано из плиты, труба может быть сварена с присадочным материалом или без него. Сварные трубы могут быть изготовлены в больших размерах без каких-либо ограничений. Сварные трубы с присадочным материалом могут быть использованы при изготовлении колен большого радиуса и колена.

Сварные трубы дешевле, чем по сравнению со бесшовной трубой, а также слабые из-за сварного шва.

Для сварки труб используются разные способы сварки.

• ВПВ — электрическая сварка сопротивлением
• EFW — электрическая сварка плавлением
• HFW — высокочастотная сварка
• ПАВ — сварка под флюсом (длинный шов и спиральный шов)

ВПВ процесс производства стальных труб

в ВПВ / EFW / HFW процесс трубы, первая пластина сформирована в цилиндрической форме, и продольные края сформированного цилиндра сварены мгновенной сваркой, низкочастотной контактной сваркой, высокочастотной индукционной сваркой или высокочастотной контактной сваркой ,

Процесс изготовления труб erw

Процесс производства труб SAW

В процессе сварки SAW для соединения формованных пластин используется внешний присадочный металл (проволочные электроды). SAW трубы могут иметь один продольный шов, двойной продольный шов в зависимости от размера трубы.

Трубы SAW

также доступны в виде спирального шва, который непрерывно скатывается с одинарной катушки. Производительность спиральной трубы SAW очень высока по сравнению с прямой трубой SAW.Однако трубы Spiral SAW используются только в службах низкого давления, таких как водоснабжение, некритические технологические процессы и т. Д.

Spiral SAW pipe Manufacturing Process SAW pipe Manufacturing Process.

Проектирование для высокого давления: подземная труба большого диаметра

Engineering Challenge:
Для изготовителя, который еще не выбран, спроектируйте композитную трубу большого диаметра, устойчивую к коррозии и намотке, с достаточной прочностью, чтобы противостоять нагрузкам на грунт и осадки, а также внутреннему давлению и осевым нагрузкам из-за к сдержанному сокращению, без сбоев.
Проектное решение:
Дополните отраслевые руководящие указания по трубам расчетами и анализом конечных элементов, учитывающих специфические условия работы, а затем составьте графики сгибов как для обычных, так и для непрерывных процессов намотки нити, которые обеспечат сопоставимые характеристики готовой трубы.

Подземная труба может показаться обыденной и неприглядной, но когда эти заглубленные трубы очень большие и рассчитаны на композитные материалы, проектирование и изготовление являются большой проблемой. Хотя композитные трубы большого диаметра (диаметром 48 дюймов / 1200 мм и более) были определены в качестве альтернативы термопластичным, стальным, железным и бетонным трубам с 1960-х годов, несколько впечатляющих отказов в 1980-х вынудили промышленность принять Крис Рено, профессиональный инженер и генеральный директор Fiberglass Structural Engineering Inc.(FSE, Беллингхем, Вашингтон). «В нашей коррозионной промышленности произошел ряд сбоев по сравнению с другими композитными приложениями», — отмечает он. «Подземные композитные трубопроводы — растущее применение, отлично подходящее для многих секторов, но хороший дизайн имеет решающее значение для успеха».

FSE специализируется на разработке проектов и спецификаций для владельцев проектов, которые затем закупают трубы у сторонних производителей, объясняет Рено. Технологии изготовления, как правило, представляют собой стандартную спиральную намотку или «непрерывную» намотку (см. «Изготовление непрерывной композитной трубы» в разделе «Выбор редактора» справа), но могут включать укладку вручную.Размеры труб часто превышают 10 футов / 3 м в диаметре. Направления для больших труб, которые будут зарыты ниже уровня, включают энергетические и химические заводы, нефтеперерабатывающие заводы, проекты по опреснению воды и установки градирен.

Процесс проектирования подземных труб

Недавний конфиденциальный проект включал проектирование около 5000 линейных футов / 1540 м трубопровода диаметром 13 футов / 4000 мм для транспортировки морской воды для системы охлаждения процесса на нефтехимическом заводе на Ближнем Востоке. Главный инженер FSE Рэнди Рапоза объясняет, что композиты были данностью.Они предложили приемлемую стоимость установки, и ни стальная труба с покрытием, ни катодно-защищенная стальная труба, ни бетонная труба не могли соответствовать 50-летнему не требующему технического обслуживания сроку службы композитов в агрессивной среде, создаваемой морской водой, внутри и под землей, снаружи. А поскольку стеклопластиковая труба имеет более гладкую внутреннюю поверхность, чем другие материалы, и не накапливает накипи или отложений с течением времени, она может обеспечить больший поток воды в течение срока службы проекта.

Труба должна была быть похоронена 7 футов / 2.15 м ниже уклона и соединены прикладом. Поэтому соединяемая труба будет сдерживаться, то есть давление окружающего грунта будет блокировать трубу на месте с трением, ограничивая любое движение без необходимости использовать упорные блоки (фиксированные конструкции, которые удерживают трубы на одной линии). Рапоза подчеркивает, что силы грунта на заглубленной трубе не тривиальны.

«Вы должны принять во внимание всю ситуацию — родные условия почвы, глубину грунтовых вод, температуру жидкостей, которые трубопровод будет передавать, а также температуру окружающей среды во время монтажа, транспортные нагрузки и так далее.Нагрузки из-за захоронения, в том числе вызванные дифференциальным оседанием грунта, что приводит к изгибу трубы, значительно превышают типичные нагрузки на трубу в надземной установке ».

Основой для разработки послужило широко используемое руководство, предоставленное Американской ассоциацией водоснабжения. (AWWA), под названием Конструкция из стеклопластиковой трубы (a / k / a Руководство M45 ). В руководстве приводятся уравнения, которые учитывают скорость и давление транспортируемой жидкости, потерю напора из-за турбулентного потока, гидравлический удар, давление перегиба и перепад давления.Но, объясняет Рапоза, эта базовая концепция была дополнена другими расчетами, чтобы охватить целый ряд специфических проектных условий, которые не могут быть учтены руководством M45 , включая тип почвы и плотность, глубину покрытия и допустимую нагрузку транспортного движения. , Иногда FSE также должен учитывать при расчете серьезные живые нагрузки от кранов и строительного оборудования, которые должна поддерживать засыпка, а также средние и максимальные рабочие температуры, коэффициент формы (или прогиб из-за изгибающего напряжения от нагрузок на грунт) и многое другое.«Это довольно обширный процесс расчета», — сообщает он. В конечном счете, этот процесс привел к временному решению для толщины и жесткости стенки трубы, которое было необходимо для обработки нагрузок давления воды и для предотвращения любого изгиба или чрезмерного прогиба и напряжения в условиях проекта и в условиях захоронения.

Затем разработчики использовали методы анализа методом конечных элементов (FEA) для детального анализа напряжений, комбинируя кольцевые и осевые нагрузки, чтобы проверить конструкцию трубы. FSE использует ANSYS Inc.(Канонсбург, штат Пенсильвания) для программного обеспечения моделирования FE. В зависимости от моделируемой производительности трубы при расчетной толщине стенки в условиях проекта, Рапоза говорит, что дизайнерам, возможно, придется вернуться к расчетам, чтобы изменить конструкцию, оптимизировав толщину и конструкцию ламината или увеличив осевую жесткость для достижения целей производительности. «Анализ часто требует нескольких итераций», — говорит он.

Окончательная расчетная толщина стенки для трубы диаметром 13 футов / 4 м была значительной 1,8 дюйма / 46 мм для участков трубы длиной 39 футов / 12 м.Расчетное давление составляло 10 бар (манометр) / 145 фунтов на квадратный дюйм (рабочее давление было бы 8 бар / 116 фунтов на квадратный дюйм), а расчетная температура составляла 150 ° F / 66 ° C, хотя рабочие температуры, как ожидается, будут около 115 ° F. / 46 ° С.

Ключом к анализу и разработке графика армирования стекла было «сдержанное тепловое сжатие и сдержанное сжатие из-за эффекта Пуассона внутреннего давления», — говорит Рено, который указывает, что эти часто пропускаемые условия были причиной многих ранних композитных труб. неудачи.По его словам, когда труба погружается в жаркие условия окружающей среды и затем эксплуатируется (или отключается) при более низкой температуре, она хочет сжаться, но она ограничена в осевом направлении почвой и не может двигаться. Аналогичным образом, когда труба стремится расширяться в направлении пялец из-за давления, она пытается сжаться в осевом направлении, но не может, что приводит к значительным осевым усилиям. Композитная труба, в отличие от стали или бетона, имеет тенденцию быть самой слабой в осевом направлении, говорит Рапоза. «Растягивающее напряжение может буквально разорвать трубу на части.«Чтобы учесть эти ограниченные нагрузки, объясняет он, в конструкции было указано достаточное количество осевых волокон, чтобы обеспечить достаточную осевую прочность на растяжение в стенке трубы. Кроме того, в инструкциях по установке указывается максимальная температура во время захоронения для контроля разницы между температурой установки и минимальной температурой использования трубы (в данном случае 60 ° F / 15,5 ° C).

Композиты соответствуют условиям

Далее разработчики указали E-стекло и виниловый эфир от Ashland Performance Materials (Дублин, Огайо) с соотношением волокон к смоле около 60 процентов по массе.Старший менеджер проекта FSE Стив Габер говорит, что виниловый эфир обладает лучшей коррозионной стойкостью и «более гибок и обеспечивает лучшие деформационные свойства, чем полиэстер».

FSE разработал архитектуру ламината. Рапоза объясняет, что, поскольку производитель еще не был выбран, было неизвестно, будут ли использоваться стандартные методы винтовой или непрерывной намотки. «На самом деле мы разработали одну спецификацию, охватывающую оба метода, каждый примерно одинаковой по толщине и с… материалами, отрегулированными так, чтобы производительность трубы была одинаковой, независимо от того.”

Для стандартной намотки накаливания, в которой фиксированная охватываемая оправка, равная по длине каждой длине трубы, вращается шпиндельной бабкой и задней бабкой, начальная наплавка из C-стекла (толщиной 0,01 дюйма / 0,25 мм) позволила бы смолу богатая внутренняя поверхность, за которой следует один слой мата из рубленых прядей для создания химически стойкого и гибкого барьера, ограничивающего давление. Затем 35 циклов E-стекловолокна будут намотаны (от головы до хвоста и спины) под углом намотки ± 55 ° (с горизонтальной осью трубы в 0 °), чтобы максимизировать осевую прочность, говорит Рапоза.

Для труб, изготовленных в процессе непрерывной намотки, характеристики армирования значительно отличались. За той же завесой из C-стекла последовал слой случайного рубленого стеклянного мата, затем более 100 слоев чередующихся стеклянных волокон с обручами (угол наклона 90 °) и рубленого стекла с несколькими вкрапленными слоями однонаправленных (0 °) лент , Обручное волокно содержит внутренние нагрузки давления и обеспечивает жесткость, необходимую для противодействия прогибу или «овализации» из-за нагрузочных нагрузок. Универсальные ленты, нанесенные вручную или намоткой машины, увеличивают осевую прочность, чтобы противостоять ранее отмеченным ограниченным тепловым и пуассоновским нагрузкам и другим осевым нагрузкам.

Чтобы гарантировать, что длина труб будет соответствовать спецификациям, FSE разработала руководство по испытаниям и обеспечению качества для изготовителя. Образцы будут периодически отбираться и проверяться на толщину, содержание стекла (ASTM D2584), правильную последовательность слоев, прочность на растяжение обруча, модуль упругости на обруч, осевую прочность на растяжение и осевой модуль упругости и жесткости (в соответствии с указаниями, приведенными в AWWA C950). Основная спецификация FSE касалась соединения труб во время монтажа.Рапоза и Габер подчеркивают, что предпочтительным методом FSE для этого типа проекта является стыковое соединение с мокрым ламинированием, использующее ровинг из стекловолокна и коврик из рубленых прядей. «Если правильно завершить, соединение будет прочнее, чем сама труба», утверждает Габер. FSE предлагает своим клиентам возможность контроля качества на месте присоединения и может порекомендовать подрядчиков, имеющих опыт работы как в области столярного дела, так и ремонта.

Чтобы обеспечить последовательную, предсказуемую засыпку, FSE определил чистую, хорошо сортированную почву и засыпку с плотностью не более 120 фунтов / фут ³ , говорит Рапоза.Хотя некоторые расчеты неизбежны, он рекомендует инженерам проектировать не более 20 мм / 0,8 дюйма осадок на каждые 20 м / 65 футов длины трубы.

Заключает Рено: «Многие из этих этапов проектирования часто пропускаются инженерами проекта и дизайнерами. Все в отрасли выиграют, признав, что эти крупные конструкции должны быть тщательно спроектированы ».

,

Гидравлический диаметр

Гидравлический диаметр — d _ч — это «характерная длина», используемая для расчета безразмерного числа Рейнольдса для определения того, является ли поток турбулентным или ламинарным. Поток равен

• ламинарным, если Re <2300
• , переходный процесс для 2300
• турбулентный, если Re> 4000

. Обратите внимание, что скорость в уравнении Рейнольдса основана на фактической площади поперечного сечения воздуховода или трубы.

Гидравлический диаметр используется для расчета потери давления в каналах или трубах.

Примечание! — гидравлический диаметр не совпадает с геометрическим эквивалентным диаметром некруглых каналов или труб.

Гидравлический диаметр можно рассчитать с помощью общего уравнения

d _ч = 4 A / p (1)

где

d _ч = гидравлический диаметр (м, футы)

A = площадь сечения воздуховода или трубы (м ² , фут ² )

p = «смоченный» периметр воздуховода или трубы (м, футы)

Примечание! — дюймы обычно используются в системе единиц Imperial.

Гидравлический диаметр круглой трубы или воздуховода

На основе уравнения (1) гидравлический диаметр круглого воздуховода может быть выражен как:

д _ч = 4 π r ² / 2 π r

= 2 r

= d (2)

, где

фута внутри трубы (или трубы) )

d = внутренний диаметр трубы или воздуховода (м, футы)

Как и следовало ожидать, гидравлический диаметр стандартной круглой трубы или воздуховода равен внутреннему диаметру или в два раза больше внутреннего радиуса.

Гидравлический диаметр круглой трубы с круглой трубкой внутри

Поток находится в объеме между внутренней и наружной трубой.

На основе уравнения (1) гидравлический диаметр круглого канала или трубы с внутренним каналом или трубкой можно выразить как

d _ч = 4 (π r _o ² — № _i ² ) / (2 № _o + 2 № _i )

= 2 (r _o — r _i ) (3)

, где

r _o = внутренний радиус внешней трубы (м, футы)

r _i = внешний радиус внутренней трубы (м, ft)

Гидравлический диаметр прямоугольных труб или каналов

На основе уравнения (1) гидравлический диаметр прямоугольного канала или трубы можно рассчитать как

d 9000 4 ч = 4 ab / (2 (a + b))

= 2 ab / (a ​​+ b) (4)

, где

a = ширина / высота воздуховода (м, футы)

b = высота / ширина воздуховода (м, футы)

Связанные мобильные приложения от EngineeringToolBox

— бесплатные приложения для автономного использования на мобильных устройствах устройства.

Калькулятор гидравлического диаметра воздуховода / трубы прямоугольного сечения

Приведенный ниже калькулятор основан на формуле (4) и может использоваться для расчета гидравлического диаметра прямоугольного воздуховода или трубы. Формула является общей и может использоваться любая единица.

Эквивалентный диаметр

Примечание! Гидравлический диаметр не совпадает с эквивалентным диаметром. Эквивалентный диаметр — это диаметр круглого канала или трубы, который дает такую ​​же потерю давления, как и прямоугольный канал или труба.