Справочное руководство по трубам ПВХ. Часть 18

Как правило, импульсное давление – это любое отклонение от обычного установившегося гидростатического давления в трубопроводной системе. Обычно беспокойство вызывают положительные скачки напряжения, однако могут возникнуть отрицательные скачки давления паров в трубе. В обоих случаях скачки напряжения могут быть доведены до приемлемого уровня с помощью подходящих защитных устройств или рабочих процедур. Скачки давления (обычно называемые «гидроударами») возникают в любой системе трубопроводов под давлением, где текущая жидкость меняет скорость. При изменении скорости потока часть или вся кинетическая энергия движущейся жидкости должна быть преобразована в потенциальную (накопленную) энергию и в конечном итоге рассеиваться за счет потерь на трение в жидкости или в стенке трубы, если жидкость должна вернуться к своему исходному давлению. Некоторые из наиболее частых причин скачков давления: открытие и закрытие (полное или частичное) клапанов, запуск и остановка насосов, изменения объема потока, изменения высоты резервуара, волновое действие коллектора, разделение жидкости, захваченный воздух. Захваченный воздух можно контролировать с помощью установки выпускных клапанов или комбинированных выпускных и воздушно-вакуумных клапанов. Без этих клапанов воздух может скапливаться в высоких точках и значительно снижать пропускную способность. В результате могут возникнуть большие скачки давления. Руководства по воздушным выпускным, воздушно-вакуумным и комбинированным воздушным клапанам обычно содержат рекомендации по размещению воздушных клапанов вдоль трубопровода.

Скачки давления делятся на две категории: случайные (переходные) всплески и повторяющиеся (циклические) всплески. Случайные скачки давления – это промежуточные условия, которые существуют в системе при ее переходе от одного устойчивого состояния к другому. Закрытие единственного клапана – типичный пример. Расчетные уравнения, анализирующие случайные скачки напряжения, представлены в специальной литературе. Повторяющиеся (циклические) скачки – это состояние, которое регулярно повторяется с течением времени. Пульсация этого типа часто связана с работой такого оборудования, как поршневые насосы и редукционные клапаны. Любой материал трубопроводов, в том числе ПВХ, может в конечном итоге «устать», если будет подвергаться непрерывным циклическим скачкам с достаточно высокой частотой и амплитудой напряжения. Если циклическая усталость ограничивает конструкцию, часто более экономично установить устройства защиты от перенапряжения, чем увеличивать толщину стенки трубы.

Усталостное разрушение из-за циклических пульсаций обычно не вызывает беспокойства в системах распределения воды, поскольку такие системы редко испытывают обычные циклические пульсации с частотой и величиной достаточно высокими, чтобы повлиять на конструкцию труб. Однако конструкция некоторых систем трубопроводов (например, магистральных канализационных сетей, систем орошения и систем защиты от замерзания) может регулироваться сильными циклическими перепадами. Если циклические перенапряжения не контролируются или проектируются вне системы, тогда все трубы, фитинги и вспомогательное оборудование должны быть спроектированы с достаточным допуском на циклические перепады, чтобы предотвратить усталостное разрушение. Цикл определяется как изменение рабочего давления. Например, в режиме форсирования запуск насоса считается циклом, а последующая остановка насоса также считается циклом. Эмпирические методы проектирования учитывают влияние циклических скачков давления на трубы из ПВХ. Исследования, проведенные Мозером, установили две независимые переменные для циклического анализа: среднее кольцевое напряжение и амплитуда напряжения.

В Европе анализ на циклическую усталость пластиковых труб основан исключительно на амплитуде напряжения. Европейский подход дает менее консервативные прогнозы. Хотя амплитуда напряжения является более важной из двух переменных, концепция, к которой пришел Мозер, учитывает влияние как амплитуды, так и среднего напряжения. Типичная регрессия данных о разрушении под напряжением для трубы из ПВХ с точки зрения этих двух влияний принимает форму трехмерной поверхности разрушения. Двумерная проекция (например, вид сверху) показывает экспоненциальные кривые спада, причем каждая полоса представляет назначенное количество циклов до отказа. Такие кривые могут быть представлены в более удобной форме, когда они построены на полулогарифмических осях, со средним напряжением, указанным в линейном масштабе, и циклами до отказа в логарифмическом масштабе. Результирующие прямые линии диаграммы представляют различные амплитуды кольцевых напряжений. Отрицательные давления возникают тогда, когда амплитуда напряжения превышает среднее напряжение. В этих ситуациях сопротивление продольному изгибу стенки трубы из ПВХ обычно достаточно велико, чтобы выдерживать вакуум. Успешное циклическое проектирование приведет к сроку службы, превышающему общее количество циклов, которые происходят в течение всего расчетного срока службы. Используя общее число циклов за день, можно учитывать как тяжелые, так и легкие периоды потока. Наихудшее проектное условие будет основано на расчетном количестве пусков и остановок в час, что является частью процесса выбора насоса и проектирования. Количество пусков в час следует ограничить, чтобы предотвратить перегрев двигателя насоса.