В книге излагаются современные методы расчета элементов ледового режима трубопроводов земснарядов и гидротранспортных установок, водоводов ГЭС и водоводов, работающих в системе с насосами. Рассматриваются вопросы борьбы с оледенением при эксплуатации трубопроводов, а также способы контроля оледенения и автоматизации работы трубопроводов. Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, строительством и эксплуатацией трубопроводов различного назначения, а также будет полезна студентам гидротехнических специальностей.

Предисловие

Глава первая. Общие сведения о ледотермическом режиме трубопроводов
1. Виды оледенения трубопроводов и задачи тепловых расчетов
2. Учет климатических условий при ледотермических расчетах трубопроводов

Глава вторая. Ледовый режим водоводов в гидравлической системе с насосами
3. Существующие методы расчета ледового режима водоводов
4. Математическое моделирование ледового режима водоводов на ЭВМ

Глава третья. Ледовый режим водоводов гидроэлектрических станций
5. Водоводы с постоянным расходом воды
6. Водоводы с переменным расходом воды

Глава четвертая. Ледовый режим трубопроводов земснарядов и гидротранспортных установок
7. Тепловые расчеты трубопроводов в рабочем состоянии
8. Цикличная работа трубопроводов
9. Заполнение трубопроводов большой протяженности
10. Основные требования к прокладке и эксплуатации трубопроводов

Глава пятая. Контроль оледенения и автоматизация работы трубопроводов
11. Способы встроенного контроля
12. Способ автономного контроля
13. Автоматическое устройство конструкции А.В. Лютова
14. Контроль оледенения подземных водоводов

Список литературы
Приложение 1. Скорость ветра при расчетных температуре воздуха и обеспеченности
Приложение 2. Температурный перепад при движении гидросмеси по неутепленным трубам при различных температуре окружающего воздуха и скорости ветра
Приложение 3. Предельная дальность гидротранспортирования грунта по неутепленным трубам при различных температуре окружающего воздуха и скорости ветра
Приложение 4. Номограмма для расчета времени опорожнения трубопроводов

Предисловие

Трубопроводы являются важным элементом многих гидротехнических сооружений, земснарядов, гидротранспортных установок и систем водоснабжения. Наибольшие трудности при их эксплуатации, как правило, возникают в зимний период, особенно в районах с суровым климатом. Это обусловлено промерзанием трубопроводов во время движения по ним жидкости (в рабочем состоянии) или во время перерывов в работе (в нерабочем состоянии). При промерзании повышаются удельные энергетические затраты на пропуск заданных расходов жидкости. Кроме того, внутреннее оледенение, увеличивая гидравлическое сопротивление трубопроводов, снижает их производительность. Из практики известны случаи серьезных ледовых затруднений, которые возникли при эксплуатации трубопроводов, входящих в систему деривационных ГЭС, земснарядов, гидромониторно-землесосных установок, гидрошахт, магистрального водоснабжения городов.

Чтобы устранить внутреннее оледенение, нарушающее нормальные условия эксплуатации трубопроводов, производят подогрев жидкости (попутный или локальный), утепление трубопроводов (или их прокладку в грунте), изменение режима эксплуатации трубопроводов или автоматическую защиту их от замерзания. Наиболее правильно необходимость проведения защитных мероприятий и их объём устанавливать еще на стадии проектирования. Это можно сделать только на базе ледотермических расчетов или модельных исследований.

Большую роль в развитии теоретических методов исследования ледотермического режима трубопроводов сыграли работы советских, ученых и инженеров: М.М. Андрияшева, С.Н. Аронова, Д.Н. Бибикова, H.Н. Петруничева, П.А. Богословского, А.М. Естифеева, H.Н. Зенгера, С.Н. Крицкого, М.Ф. Менкеля, Л.С. Лейбензона, А.В. Лютова, В.П. Стеганцева и др. Наиболее обширным и систематизированным трудом по вопросам ледотермических расчетов трубопроводов является книга П.А. Богословского «Ледовый режим трубопроводов гидроэлектрических станций», опубликованная в 1950 г.

Большое число публикаций отечественных и зарубежных авторов (например, Р.М. Каменского, Г.В. Порхаева, Д.Г. Болла и И.X. Колла, Л.Е. Джансона) посвящено тепловому расчету трубопроводов, проложенных в слое сезоннопромерзающего грунта. В последнее время при эксплуатации подземных трубопроводов широко применяют греющий электрический кабель. Теоретическое обоснование этого прогрессивного метода обогрева трубопроводов приводится в работах.

Совершенствуются способы автоматической защиты трубопроводов от аварийного замерзания. В этом большую роль сыграли конструкторские проработки А.А. Вершинина, А.В. Лютова и др.

За последние годы разработаны методические рекомендации и указания, оказывающие существенную помощь проектировщикам и эксплуатационникам.

Большинство зарубежных публикаций по перечисленным выше вопросам носят характер частнорецептурных рекомендаций применительно к одному объекту. Как правило, такие рекомендации разрабатываются на основе обобщения опыта эксплуатации отдельных трубопроводов.

В настоящее время накоплены обширные материалы теоретических и экспериментальных исследований теплового режима трубопроводов различного назначения. Однако имеется целый ряд практически важных задач, решать которые известными способами и приемами затруднительно или даже невозможно. Затруднения большей частью вызваны, во-первых, малой изученностью влияния внутреннего оледенения трубопроводов на режим их работы с учетом технических данных питающих насосов, а во-вторых, большой трудоемкостью многих расчетов. По указанным причинам в настоящее время отсутствуют способы оперативного прогноза ледового режима трубопроводов, что затрудняет обоснованный выбор типа и объема защитных мероприятий. Поэтому целью настоящей книги является разработка таких способов расчета ледового режима трубопроводов (с применением безразмерных комплексов и быстродействующих ЭВМ), которые позволят оперативно решать практические задачи, наиболее часто встречающиеся при проектировании и эксплуатации трубопроводов.

При изложении расчетных методик авторы большое внимание уделили пояснению физической сущности тепловых и гидравлических явлений. Для решения наиболее простых практических задач расчета ледового режима трубопроводов (например, при постоянном расходе жидкости и неизменных климатических условиях) в книге приведены графоаналитические способы с применением безразмерных комплексов. Решение более сложных задач основывается на применении ЭВМ. При этом в книге имеются в полном объеме сведения расчетно-методического и справочного характера, необходимые для составления программ и проведения практических расчетов. С целью облегчения ледотермических расчетов трубопроводов земснарядов и гидроустановок в книге приводятся таблицы и номограммы.

Излагаемые расчетные методики иллюстрируются примерами решения конкретных практических задач (расчет ледового режима трубопроводов Гюмушской ГЭС и канала Иртыш—Караганда, магистрального трубопровода промышленного водоснабжения и трубопроводов земснарядов). Это позволит читателю более полно понять особенности ледотермического режима трубопроводов различного назначения.

Большая часть расчетов, выполненных в приведенных примерах, проводилась с помощью ЭВМ по программам, составленным Ю.А. Поповым на алгоритмическом языке «АЛГОЛ-60». Исключение составляют примеры, расчеты в которых выполнены с помощью приведенных в книге номограмм и таблиц.

В книге рассматриваются трубопроводы, предназначенные для перекачки воды насосами, трубопроводы ГЭС и трубопроводы, по которым транспортируются сыпучие материалы с помощью водного потока. При описании их ледотермического режима авторами применен единый системный подход, при котором трубопровод рассматривается не как обособленное инженерное сооружение, а как составной элемент сложной подвижной системы с обратной связью. Поэтому исследование ледотермического режима проводится в книге в последовательности логических связей между элементами указанной системы:

1) статистическое моделирование параметров, характеризующих тепловое воздействие окружающей среды на трубопровод;
2) математическое моделирование гидравлической связи между нагнетателем (насосом или движущим напором ГЭС) и трубопроводом;
3) описание ледотермического режима собственно трубопровода с учетом всех перечисленных связей.

Только при таком методическом подходе впервые оказалось возможным проводить практические расчеты ледотермического режима трубопроводов, работающих в сложных условиях, например при изменяющихся во времени климатических условиях.

Объем и конечная цель ледотермических расчетов, а также состав задач, решаемых с их помощью, различны для трубопроводов, по которым движется вода, и для трубопроводов, по которым транспортируются сыпучие материалы. Поэтому многие расчетные положения, общие для первых двух групп трубопроводов, не пригодны для трубопроводов третьей группы и наоборот. Учитывая данное обстоятельство, авторы объединили трубопроводы ГЭС и трубопроводы, по которым перекачивается вода с помощью насосов, одним термином — водоводы. Третья группа трубопроводов определена в книге понятием трубопроводы. Этот же термин применяется авторами, когда речь идет о всех группах трубопроводов одновременно.

§ 1 первой главы и § 5 третьей главы написаны совместно В.М. Жидких и Ю.А. Поповым, пятая глава написана авторами совместно с инженером Н.Д. Юша. Остальные разделы написаны Ю.А. Поповым.

К глубокому сожалению, настоящая книга выходит в свет после смерти В.М. Жидких. Те разделы, которые авторы написали совместно, были подготовлены к изданию при жизни В.М. Жидких. Обладая широкой эрудицией и являясь признанным специалистом в области ледотермики, В.М. Жидких разработал перспективный расчетный метод в критериальной форме, изложенный в пятом параграфе третьей главы.