Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристики судовых трубопроводов систем пресной и забортной воды и их влияние на скорость проникновения коррозии. Задачи исследования 10
1.1. Возможности повышения безотказности трубопроводов конструктивными методами 10
1.2 Зависимости интенсивности коррозионного процесса в элементах трубопроводов от их геометрических и гидравлических характеристик 13
1.3. Конструктивный состав судовых трубопроводов и геометрические характеристики отводов 23
1.4. Обзор результатов исследований гидравлических характеристик потока в отводах трубопроводов 33
1.4.1. Поток жидкости в одиночных отводах 33
1.4.2. Гидравлические характеристики потока при взаимодействии отводов 41
1.4.3. Изменение гидравлических характеристик отводов при их взаимодействии с другими элементами трубопроводов 43
1.4.4. Выводы по разделу 44
1.5. Выводы. Задачи исследования 45
2 Исследование зависимостей между геометрическими и гидравлическими характеристиками отводов в судовых трубопроводах 48
2.1Определение коэффициента местного сопротивления отводов 48
2.1.1. Зависимость гидравлических потерь в отводах гладких трубопроводов от характеристик
поперечного течения 48
2.1.2. .Учет влияния коэффициента Я и сопротивления вторичному течению на величину шероховатых отводах 56
2.2. Определение коэффициента кинетической энергии потока в сечениях отводов 63
2.2.1. Определение коэффициента кинетической энергии потока в прямой трубе 63
2.2.2. Характер деформации потока в отводах и его влияние на величину N 68
2.2.3. математическая модель для оценки значений коэффициента Кориолиса в сечениях отводов 70
2.3. Гидравлические характеристики потока при взаимодействии отводов 78
2.4. Выводы 81
3. Экспериментальное исследование гидравлических характеристик потока в отводах судовых трубопроводов и при их взаимодействии 83
3.1. Определение объема экспериментальных исследований и выбор геометрических характеристик отводов и их сочетаний 83
3.2. Экспериментальные образцы и оборудование ст'Энда 86
3.3. Методика проведения экспериментов 98
3.4. Оценка погрешности и воспроизводимости эксперимента 97
З.5. Результаты эксперимента и их анализ 105
3.5.1. Характер деформации поля скоростей при взаимодействии отводов 105
3.5.2. Изменение коэффициента кинетической энергии 113
3.5.3. Коэффициенты местных сопротивлений 123
3.6. Выводы ... 129
4. Разработка методики оценки безотказности трубопроводов морской воды. Использование методики для повышения безотказности трубопроводов 132
4.1. Уточнение математических моделей для расчета гидравлических характеристик потока в отводах. Оценка параметров моделей 132
4.1.1. Определение коэффициента кинетической энергии 132
4.1.2. Изменение гидравлического сопротивления при взаимодействии двух отводов 147
4.1.3. Взаимосвязь между скоростью вторичного течения и величиной коэффициента кинетической энергии в отводах 154
4.2. Оценка показателей безотказности трубопроводов 158
4.2.1. Вероятностный характер коррозионного процесса в элементах судовых трубопроводов 158
4.2.2. Определение вероятности безотказной работы элементов трубопроводов 161
4.2.3. Учет осредненных характеристик деформаций потока в 'зоне вероятного изнашивания трубопровода 167
4.2.4. Корректировка параметра формы распределения с учетом эксплуатационных факторов 170
4.2.5. Зависимость для оценки безотказности элементов стальных оцинкованных трубопроводов 177
4.2.6. Расчет показателей безотказности отводов 179
4.3. Методика оценки показателей безотказности судовых трубопроводов 189
4.3.1. Характеристика методики 189
4.3.2. Использование результатов оценки безотказности трубопроводов для ее конструктивного повышения... 191
4.4. Выводы 202
Заключение 204
Литература 207
Приложение
- Зависимости интенсивности коррозионного процесса в элементах трубопроводов от их геометрических и гидравлических характеристик
- Определение коэффициента кинетической энергии потока в сечениях отводов
- Экспериментальные образцы и оборудование ст'Энда
- Оценка показателей безотказности трубопроводов
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение эффективности эксплуатации флота является важной задачей, решение которой должно быть обеспечено на всех этапах проектирования, постройки и эксплуатации судов. При этом особое внимание должно быть уделено сокращению объемов ремонта, которые в настоящее время очень велики, что приводит не только к значительным материальньм и трудовым затратам, но и к потерям эксплуатационного времени и, вследствие этого, к большим убыткам.
Затраты на ремонт судовых систем и систем СЭУ составляют до 15...205 от общих расходов по судну при заводских ремонтах и до 50% - при междурейсовых профилактических ремонтах. Около 40% трудоемкости ремонта судовых систем составляет доля работ по трубопроводам пресной и забортной воды, подверженным местной язвенной коррозии.
Наиболее интенсивно корродируют и чаще всего отказывают элементы трубопроводов в зонах деформации потока различными местными сопротивлениями. Скорость проникновения коррозии всегда выше там, где деформация потока больше. Особенно страдают от местной коррозии трубопроводы забортной воды, агрессивность которой в несколько раз выше пресной.
Одним из путей сокращения объемов ремонта трубопроводов является совершенствование проектирования, направленное на повышение безотказности их элементов.
Для обеспечения рационального проектирования необходимо уметь оценить уровень безотказности трубопроводов в зависимости от их конструкции, т.е. от геометрических характеристик и взаимного расположения их элементов. Однако действующие сейчас в судостроении нормативные документы позволяют выполнить это лишь частично. Актуальность вопроса возрастает с усложнением конструкций судов, увеличением степени их насыщенности различного рода оборудованием, широким применением агрегатно-модульных методов его монтажа, что ведет к усложнению судовых систем, пространственному сближению трубных элементов, которое также может оказывать влияние на их безотказность.
Реальные перспективы повышения безотказности судовых трубопроводов открываются с разработкой и внедрением систем автоматизированного проектирования (САПР), которые также необходимо обеспечить алгоритмами для оценки безотказности элементов трубопроводов на стадии проектирования.
Особого внимания заслуживают наиболее распространенные трубные элементы - отводы, отказы которых в процессе эксплуатации трубопроводов появляются чаще, чем в других элементах.
Целью настоящей работы является обеспечение совершенствования проектирования судовых трубопроводов систем забортной воды путем разработки и использования методов оценки безотказности их элементов, в первую очередь отводов и их сочетаний, с учетом влияния геометрических характеристик и их взаимного положения на изменение гидравлических потерь и величины деформации потока, связанных со скоростью местной коррозии. Для этого оказалось необходимым выполнить исследование характеристик отводов и потока в них, влияющих на локализацию и скорость изнашивания, а также разработать математические модели для оценки безотказности элементов трубопроводов.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использованы теоретические и экспериментальные методы. Теоретическое исследование движения жидкости в отводах выполнено на основе применения упрощенной модели, аппроксимирующей поперечное течение колебательным движением ее конечного объема в сечении схема газированного потока. Для оценки показателей безотказности элементов трубопроводов использовано представление коррозионного процесса в виде случайной функции времени. Экспериментальные исследования гидравлических характеристик потока в отводах выполнено на гидростенде Отраслевой лаборатории судовых систем Мин-рыбхоза СССР.
Основные научные результаты исследований:
- разработаны упрощенные математические модели схематизированного турбулентного потока в криволинейных участках трубопроводов, использованные для расчета коэффициентов местного сопротивления и кинетической энергии потока в сечениях отводов и их сочетаний;
- получены новые экспериментальные данные об изменении кинетической энергии поступательного движения жидкости и характере деформации поля осевых скоростей, значения коэффициентов местного сопротивления при взаимодействии отводов;
- предложена методика оценки показателей безотказности трубопроводов, основанная на математических моделях коррозионного изнашивания трубопроводов забортной воды, разработанных в Отраслевой лаборатории судовых систем Минрыбхоза СССР, учитывающая вероятностный характер коррозионного процесса и конструктивные особенности отводов, их сочетаний и других элементов.
Практическая ценность. Результаты исследований использованы при разработке "Методики оценки показателей безотказности судовых трубопроводов забортной и пресной воды", предназначенной для расчета показателей безотказности трубопроводов с учетом геометрии их элементов и особенностей их трассировки, позволяющей оценить уровень конструктивных решений при проектировании судовых трубопроводов и способствующей выбору рациональной их конструкции. Апробация работы. По теме диссертации з 1975-82 гг. сделаны доклады и сообщения на конференциях вузов Минрыбхоза СССР в Калининграде, областных конференциях НТО и общества "Знание" в Севастополе, на НТК Горьковского института инженеров водного транспорта (1975) и Севастопольского приборостроительного института (1982 г.), на кафедре конструкции корпуса судов ЛКИ, на совещаниях в ЦКБ (1978-82 гг.), У Всесоюзной конференции по судоремонту (г. Ленинград, 1982 г.), Всесоюзной конференции по надежности трубопроводов (г. Клайпеда, 1982 г.).
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 135 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 22 таблицы, список литературы из 123 наименований и приложение.
Работа выполнена в 1974-81 гг. в Отраслевой лаборатории судовых систем промысловых судов Минрыбхоза СССР при кафедре архитектуры корабля Калининградского технического института рыбной промышленности и хозяйства.
Зависимости интенсивности коррозионного процесса в элементах трубопроводов от их геометрических и гидравлических характеристик
В соответствии с /60/ для изготовления трубопроводов пресной и забортной воды на морских судах применяются в основном медно-никелевые и стальные оцинкованные трубы. Процесс коррозии в различных элементах трубопроводов проходит с-неодинаковой интенсивностью, вследствие чего частота повторяемости отказов различных элементов трубопроводов заметно отличается. В табл. І.2.І приводятся характеристики повторяемости отказов в элементах трубопроводов по данным /31/. Видно, что наиболее часто наблюдаются отказы отводов судовых трубопроводов, что также подтверждается наблюдениями других авторов /27, ПО/. Это обусловлено не только величиной деформации потока в отводах, но и тем, что они являются наиболее многочисленными элементами в составе трубопроводов судовых систем (см. раздел 1.3).
В трубопроводах судовых систем пресной и забортной воды преобладает турбулентное течение жидкости. Это вызвано стремлением разработчиков систем при проектировании к минимизации веса и габаритов трубопроводов, поэтому расчетные скорости движения -воды в них в большинстве случаев близки к максимально допустимым, определяемым, например, по /79/. Так, для труб условного прохода Ьу 32 при значении максимально допустимой скорости 2,5 м/с число Рейнольдса будет около 0,75.10 , т.е. соответствует полностью развитому турбулентному течению. При увеличении диаметра трубопровода число Ке. увеличится до 2.10 ...2,5.10 . Таким образом, интерес представляет прежде всего турбулентный режим течения в трубопроводе, тем более, что именно применение больших скоростей является причиной интенсификации коррозионного разрушения. Поэтому в настоящей работе будет рассматриваться турбулентный режим движения жидкости.
Опыт показал /45/, что закономерности изнашивания трубопроводов пресной и забортной воды в основном общие, и отказы наблюдаются в тех же районах. Однако для трубопроводов морской воды, из-за ее высокой агрессивности характерна значительно большая скорость коррозии /60,63/. Поэтому в дальнейшем целесообразно рассматривать в первую очередь трубопроводы систем забортной воды.
Проблемой коррозии металлов, ввиду ее большого значения для всех областей техники, занимались многие отечественные и зарубежные ученые. В работе Л.Я. Цикермана /104/ выполнен достаточно подробные анализ существующих в настоящее время математических моделей кинетики электрохимического разрушения металлов. Рассмотренные им 26 типов моделей пригодны, правда, в основном для оценки показателей атмосферной коррозии и, в отдельных случаях, коррозия в неподвижной морской воде. Очевидно, что такие модели без существенных изменений и дополнений не могут быть использованы для исследования коррозии трубопроводов в потоке морской воды. Исследованием коррозии металлов в морской воде, в том числе при ее движении, занимались Г.В. Акимов, Ю.Р. Эванс, Н.Д. Томашов и др. /3,96,107/. В качестве факторов, влияющих на интенсивность коррозии, ими рассматривались скорость движения жидкости, интенсивность турбулентности, характер потока вблизи поверхности металла и т.п.
Изучению механизма коррозионного разрушения стенок судовых трубопроводов при турбулентном движении забортной воды также по « священы работы ряда авторов. Подробная библиография по данному вопросу приведена в работе В.А. Зюбана /40/.
Как было сказано выше, причиной локализации отказов судовых трубопроводов в районах местных сопротивлений является изменение гидравлических характеристик потока. В качестве таковых, влияющих на интенсивность коррозионного процесса, рассматривались различные величины. Так, например, М.И. Апямовский и Г.В. Ковалева /7/ предположили, что скорость проникновения коррозии в районах местных сопротивлений зависит от толщины диффузионного подслоя, которая, в свою очередь, связана с интенсивностью поперечных пульсаций скорости и давления.
В работе В.В. Кудряшова- /65/ отмечается, что на интенсивность коррозии оказывают влияние степень турбулентности и величины осредненных местных скоростей потока.
На наличие зависимости скорости коррозии от толщины диффузионного подслоя указывали также С.В. Коркош /62/, К.В. Яндуш-кин /Ю9/, С.С. Золотов /36/. Т.В. Еременко /32,33/ показала экспериментально, что одним из факторов, влияющих на интенсивность коррозии, является внутренний диаметр трубопровода, при этом отмечено, что с увеличением диаметра скорость коррозии уменьшается. К.В. Дризен /29/, выполнив анализ влияния различных гидравлических" характеристик потока на интенсивность коррозионного про цесса в трубах из меди и медных сплавов, предположил возможность использования коэффициента местного сопротивления J для оценки ожидаемой скорости проникновения-коррозии в элементах трубопроводов. Этот коэффициент является характеристикой энергетической и учитывает потери напора в элементах трубопроводов при деформации поля осевых скоростей, вихреобразовании, возможной интенсификации турбулентности потока и др., и таким образом, позволяет учесть суммарное влияние всех этих факторов. В качестве другой возможной гидравлической характеристики потока им была предложена интенсивность турбулентности.
Однако в указанных работах не приводятся, как правило, количественные зависимости между перечисленными величинами и интенсивностью коррозионного разрушения. О влиянии коэффициента местного сопротивления на скорость коррозии говорится также в работе В.Л. Этина и др. /108Д в которой предложена дискретная модель для оценки показателей коррозии. В соответствии с этой моделью все элементы трубопроводов в зависимости от величины коэффициента разбиты на ряд групп, и в пределах каждой из них параметры модели считаются постоянными. Такая модель не позволяет полностью учесть влияние непрерывного изменения характеристик элементов трубопроводов на интенсивность коррозии. М.Ґ. Гуськовым, Л.С. Ситченко /27,28,92/ предложено в качестве основной гидравлической характеристики потока, определяющей интенсивность коррозии, считать величину продольных турбулентных пульсаций скорости. Зависимость для оценки показателей коррозии в районе диафрагмы ищется ими в виде
Определение коэффициента кинетической энергии потока в сечениях отводов
Рассмотрим вначале, как меняется значение коэффициента кинетической энергии (коэффициенты Кориолиса) N в прямой трубе в случае нормального установившегося турбулентного потока жидкости в ней при возможных изменениях профиля осевых скоростей. Здесь, как и ранее, воспользуемся выводом А.Д. Альтшуля о том, что профиль осевых скоростей в трубе однозначно определяется величиной коэффициента сопротивления трения X . Предположим, что осевые скорости в прямой трубе распределяются по степенному закону, который запишем в виде Здесь Ц - ордината, отсчитываемая от стенки трубы; Г - радиус трубы; (Л - средняя скорость потока; 1Г - местное значение осевой составляющей скорости в любой точке сечения, Vmay - максимальное значение на оси трубы. Для степенного закона распределения осевых скоростей определяется по формуле /86/ так: Величину коэффициента А/0 с учетом (2.45), можно представить следующим образом: г Здесь Q - угловая координата; - площадь поперечного сечения трубы. Проинтегрировав выражение (2.47) с учетом (2.46), получим Приняв, как и раньше ҐІ = 0,9\/Х можно рассчитать значения Д/0 при разных значениях X На рис. 2.2.1 показаны результаты такого расчета в сравнении с данными различных экспериментов (значения А/ ПО данным экспериментов Никурадзе и Нуннерта получены графическим интегрированием кривых Vі- /(- -) построенных по представленным в работе /67/ кривым распределения осевых скоростей). Расчетный график удовлетворительно согласуется с данными опытов. На графике зависимость (2.48) практически не отличается от прямой и может быть аппроксимирована выражением и — Полученная зависимость несколько отличается от формулы, предложенной в /6/: Однако соответствие данным экспериментов и теоретической зависимости, полученной путем интегрирования степенного распределения осевых скоростей (.48), позволяет сделать вывод о достоверности формулы (2.49). При прохождении жидкости через различные местные сопротивления поток деформируется и величина коэффициента А/ увеличивается по сравнению с Д4 при этом можно выделить две основные формы появляющихся полей осевых скоростей - осесимметричную и не-осесимметричную. При осесимметричной форме максимум местной скорости остается на оси трубы, поперечное, поступательно-вращательное течение практически отсутствует. Такая форма характерна для потока за диафрагмами и за другими подобными элементами трубопроводов. При неосесимметричной форме поля осевых скоростей максимум (или несколько максимумов) местных их значений смещены от оси и, как правило, при этом в трубе возникают вторичные поступательно-вращательные течения. Такая деформация потока характерна для большинства элементов трубопроводов, в том числе и отводов. В последнем случае можно выделить в потоке элементы некоторой симметричной деформации и иное нарушение осевой симметрии поля скоростей в части сечения потока. Предположим, с учетом этого, что величина коэффициента кинетической энергии А/ характеризующая степень неравномерности распределения только осевых скоростей в отводе, может быть условно представлена зависимостью Здесьпервый член суммы соответствует значению А/ в равномерном потоке по сечению; А/\1С- учитывает приращение N за счет осесимметричной части деформации потока; &А/Ц- ТО же, за счет имеющегося нарушения осевой симметрии. Имеющиеся данные по замерам полей осевых скоростей /15,17, 55/ позволяют предвидеть характер деформации потока в отводах и на прямых участках труб за ними. Так, при наличии прямого участка достаточной длины перед отводом форма поля осевых скоростей на входе в него при больших числах Re. будет близка к осесимметричной, соответствующей установившемуся турбулентному течению в прямой трубе. При прохождении жидкости через отвод поле осевых скоростей в его сечениях приобретает неосесимметричный характер, степень деформации его значительно изменяется, а на прямом участке за ним происходит, как правило, выравнивание поля скоростей, и при достаточном удалении от отвода распределение скоростей становится практически равномерным и осесимметричным. При дальнейшем увеличении длины прямого участка осесимметричность сохраняется и форма поля скоростей приближается к первоначальной. Так как на входе в отвод поток близок к осесимметричному, то в данном случае неравномерность профиля осевых скоростей может быть определена только величиной А А/с значение которой должно быть близко к А А/о , А А/с = д А/а = А/0 / Как указано выше, осесимметричная форма профиля скоростей имеет место также в сечении за.отводом, достаточно удаленном от него. При этом неравномерность распределения скоростей обычно незначительна, т.е. /J Д/с Сд/Vo При увеличении расстояния между рассматриваемым сечением и отводом величина Ап/с будет приближаться к АА/0 Можно думать, что в пределах отвода и на близких расстояниях за ним соотношение между дЛ/си А А/о будет сохраняться, т.е. дМ: дМ} Результаты экспериментов /15,55/ по определению коэффициента кинетической энергии потока АІ в сечениях трубы за отводами показывают, что величина A/V //- 1 изменяется в пределах от. 0,1 до 0,2, в то время как AN о в соответствии с (2.49) для этих же случаев равна не более чем 0,04. Учитывая (2.51) и условие А А/с /\/о можно сделать вывод, что величина АА/Х превышает А А/о в 1,5...4 раза, а по сравнению с А А/с это соотношение будет еще больше. Следовательно, можно принять, что степень неравномерности деформированного поля осевых скоростей в отводах в первую очередь определяется величиной А А/к Приняв, что АА/К А/К-і » можно записать для общего случая выражение (2.51) следующим образом: коэффициента кинетической энергии, учитывающая неосесимметричную деформацию поля скоростей в отводе, которая может быть принята в качестве основной характеристики степени его деформации. 2.2.3. Математическая модель для оценки значений коэффициента Кориолиса в сечениях отводов При течении жидкости через отвод одновременно с появлением двойного симметричного вихря и участием зоны максимальньк скоростей в поперечном течении наблюдается смещение центра секундных масс потока жидкости от оси трубы, и чем интенсивнее поперечные поступательно-вращательные движения и выше степень неосесиммет-ричной деформации потока, тем должна быть больше величина ука занного смещения. Поскольку поперечное движение жидкости в отводе имеет колебательный характер /2,15,113/, очевидно, что центр секундных масс потока также должен совершать колебательные движения. Сказанное можно отнести и к схематизированному потоку, а в качестве величины, зависящей от степени неосесимметричной деформации его рассматривать смещение центра масс ядра потока. С другой стороны, характеристикой такой деформации принята А/ , следовательно, между двумя этими величинами должна существовать взаимосвязь, и можно предположить, что она является однозначной. Предположим, что поперечное движение центра масс ядра схематизированного потока может быть приблизительно описано уравнением колебаний материальной точки Здесь ІЇЇ - масса объема жидкости, участвующего в колебательном движении; S - величина смещения; о - коэффициент сопротивления (демпфирования); С () - восстанавливающая сила; Ри, - центробежная сила. Уравнение записано в предположении, что сопротивление движению пропорционально первой степени скорости. В общем случае коэффициенты уравнения являются также функциями переменной . Кроме того, ввиду наличия стенки трубы величина не может превышать определенного значения, близкого радиусу трубы. Это условие может быть выражено соотношением
Экспериментальные образцы и оборудование ст'Энда
С учетом сказанного выше, для проведения эксперимента были заказаны два комплекта отводов со следующими характеристиками: R Экспериментальные образцы изготавливались из медно-никеле-вых труб ф 55x2,5 и стальных труб ф 57x3 на судостроительном заводе с учетом существующих в судостроении технологических требо- . ваний. Для обеспечения стыковки отводов и прямых участков труб без перекосов и смещений применялись самоцентрующиеся фланцы типа выступ-впадина.
После изготовления экспериментальные образцы были тщательно обмерены. Подтверждено из соответствие заказанным размерам. Исключение составили отводы Я = 2,5 с двумя углами: вместо оС- = 45 оказались отводы с Ж 40, а вместо сС = 60 - ?6 в 65;
Исследования выполнялись на гидростенде Отраслевой лаборатории судовых систем промысловых судов Калининградского технического института рыбной промышленности и хозяйства (ОЛС). Принципиальная схема гидростенда ОЛС показана на рис. 3.2.1. Вода из расходной емкости центробежным насосом подавалась в напорный бак, в котором демпфировались возможные колебания расхода и напора, возникающие при работе центробежного насоса. Далее она поступала в рабочий участок, проходила диафрагменный расходомер, и, при необходимости, массовый расходомер, и по сливному трубопровода возвращалась в расходную емкость . Расход в трубопроводе измерялся обычно с помощью диафрагменного расходомера, показания которого снимались с водо-воздушного пьезометра, снабженного шкалой с це-вой деления I мм. Этот расходомер периодически проходил тарировку с использованием массового расходомера. Последний был оборудован мерной емкостью, динамометром системы Токаря, электромагнитным перекидным устройством с автоматическим включением секундомера. Перед диафрагменным расходомером был установлен прямой участок трубы длиной 2500 мм. Отбор статического давления в сечениях трубы осуществлялся через 4 отверстия ф 2 мм, высверленные с равными интервалами по периметру сечения трубы. Отбор полного давления при замерах осевых скоростей в сечениях за элементами трубопроводов выполнялся гребенкой трубок полного напора (рис. 3.2.2), состоящей из 13 трубок, причем средняя (седьмая) трубка была выполнена в виде трубки Пито-Прандтля, т.е. позволяла осуществить также отбор статического давления на оси трубы. Подробное описание этого устройства приведено в /16/.
Разности статического давления в двух сечениях трубопровода, разности между значениями полного давления в разных точках сечения трубопровода и между полным и статическим давлением определялись с помощью водо-воздушных пьезометров, оборудованных шкалами с ценой деления I мм.
Длина прямого участка трубопровода от клапана за напорным баком до первого сечения отбора давления была не менее 60 внутренних диаметров трубы. При измерении потерь энергии в местных сопротивлениях длина прямого участка за местным сопротивлением равнялась 50 диаметрам трубы. Материал прямых участков труб соответствовал материалу испытываемых отводов. Для измерения температуры воды использовался ртутный термометр с ценой деления 0,5С.
При выполнении экспериментальных работ принимались меры для уменьшения случайных ошибок. Внутренний диаметр трубопровода определялся объемным способом, т.е. измерением объема наливаемой внутрь трубы воды и последующим вычислением диаметра. До начала работы проверялась установка уровня воды в пьезометрах и отсутствие в подводящих трубках воздуха при нулевом расходе. Перед каждой серией экспериментов производилась тарировка диафрагменного расходомера с использованием массового метода измерения расхода. По результатам тарировки строиласьтарировочная кривая, а также была подобрана зависимость где А п. - разность уровней воды в трубках пьезометра расходомера; di} ОІ - коэффициенты, определенные по результатам тарировки с использованием метода наименьших квадратов. Были найдены следующие значения коэффициентов:
В процессе исследований периодически проводилась проверка тарировочной кривой и коэффициентов в формуле (3.1) с использованием массового расходомера.
При определении потерь энергии в местных сопротивлениях предварительно производились замеры потерь энергии в прямолинейном трубопроводе и вычислялся коэффициент Л , а затем эти данные использовались при исследовании местных сопротивлений. Коэффициент гидравлического трения Я определялся на прямом участке длиной 50...70 CL . Было принято, учитывая однородность поверхности труб, что его величина, замеренная на прямых участках, будет равна среднему значению Л в отводах. Для проверки влияния наличия стыковых соединений на величину коэффициента Л , замеры производились несколько раз на прямых участках с разным количеством стыковых соединений. Полученные результаты позволили сделать вывод, что изменение количества стыковых соединений на величину Л. практически не влияет. Значения коэффициента -А были вычислены по формуле Здесь Л Нт - разность уровней воды в пьезометре, присоединенном к устройствам для отбора статического давления, установленным в начале и конце прямого рабочего участка. Внутренний диаметр трубопровода при этом определялся по формуле
Оценка показателей безотказности трубопроводов
В соответствии с /24/ основными показателями безотказности в технике являются: - вероятность безотказной работы Р (t) ; - средняя наработка до отказа tcp. . Очевидно, что этими же показателями необходимо пользоваться при оценке безотказности трубопроводов и их элементов, в том числе отводов. Основным показателем безотказности элементов трубопроводов является вероятность безотказной работы РЩ . При известной P(t] средняя наработка до отказа определяется по формуле /60/: Поэтому основное внимание следует уделить определению вероятности безотказной работы РЩ . При проектировании судовых систем основной задачей является оценка безотказности различных участков трубопроводов, работающих при разных режимах и отличающихся количеством элементов в их составе. Очевидно, что наилучшей является конструкция трубопроводов, обеспечивающая равную и достаточно высокую безотказность их участков. Здесь участком трубопровода называется совокупность последовательно соединенных прямых труб и трубных элементов (имеющая в своем составе необходимую арматуру, аппараты и др.), используемых одновременно при одинаковом расходе воды. В настоящей работе рассматривается в первую очередь безотказность участков трубопроводов, которая определяется безотказностью их элементов: Здесь rftjm - вероятность безотказной работы участка трубопровода; г [і] 1 _ вероятность безотказной работы L -того элемента. При оценке безотказности трубопроводов расходы по участкам и геометрические характеристики элементов считаются заданными. В работе /60/ сформулировано определение отказа элементов трубопроводов, обусловленного коррозией стенок труб. В соответствии с ним отказом трубопровода (элемента трубопровода) считается сквозное разрушение стенки трубы (свищ), приводящее к потери герметичности, или достижение элементом трубопровода предельного состояния, т.е. утонение стенки трубы до или свыше предельно допустимой величины. Формулы (1.5), (1.6), (1.7), (1.8), зависимости./40/» а также результаты исследований гидравлических характеристик потока, приведенных в гл. 2,3,4 и в работе /40/, позволяют вычислить ожидаемые глубины коррозионных язв в районе элементов судовых трубопроводов, в первую очередь отводов и их сочетаний, в зависимости от их геометрических характеристик и особенностей взаимного влияния. Для определения наработки до отказа достаточно определить время, за которое глубина язвы достигает максимально допустимого значения (с учетом интенсивности изнашивания стенок труб в периоды отсутствия движения морской воды. Однако в выражениях (1.5), (1.6), (1.7), (1.8) учтены далеко не все факторы, влияющие на интенсивность коррозионного процесса. В числе не принятых во внимание оказались характеристики солености воды, наличия в ней взвешенных частиц, вибрации, концентрации механических напряжений в стенках труб, воздействия биологических факторов, производственных дефектов, нарушений структуры материала и многие другие. Степень их влияния может быть различной, но общим является то, что в основном все они являются неуправляемыми, а величины их - непредсказуемыми. С другой стороны, значения этих факторов сосредоточены в определенном диапазоне, характерном для условий эксплуатации судовых трубопроводов и представляют собой случайные величины, т.е. обеспечены определенными вероятностями/88,90/ . Очевидно, что влияние случайных факторов в каждом конкретном случае может изменить показатели коррозионного процесса по сравнению с величинами, найденными расчетом по формулам, дающим их осредненные значения, поэтому процесс роста коррозионных язв в общем случае необходимо рассматривать как случайный процесс. На необходимость этого указывалось многими исследователя-ми. Л.С. Ситченко /91/ предлагал учитывать случайный характер коррозионного процесса, связывая его показатели с величиной дисперсии параметров в математической модели для определения глубинных коррозионных язв. В.Л. Этин и др. /108/ рассматривает коррозионный процесс как сумму двух процессов - детерминированного, определяющего средние показатели коррозионного изнашивания, и стационарного - случайного процесса с нулевым математическим ожиданием. С.В. Коркош /60/ применил для оценки безотказности элементов трубопроводов вероятностные методы и рекомендовал использовать аппарат линейных случайных процессов для равномерной, или близкой к равномерной, коррозии. Известно (например, /88/), что случайным процессом называется функция вещественного аргумента t , значения которой являются случайными величинами. Неслучайная функция от , равная при каждом t математическому ожиданию указанной случайной величины, называется математическим ожиданием случайного процесса. Зависимость роста максимальных коррозионных язв от времени в элементах трубопроводов обладает указанными свойствами, т.к. в каждый момент времени, в силу воздействия ранее названных факторов, значение максимальной глубины язвы в некотором элементе трубопровода является случайной величиной, а при рассмотрении множества однотипных элементов эти значения будут группироваться, с различными отклонениями вокруг определенной величины -математического ожидания. Таким образом, процесс роста максимальных коррозионных язв в трубных элементах является случайным процессом, и нет основания полагать, что им является только равномерное коррозионное изнашивание /60/, а также нет необходимости в искусственном разделении его на детерминированные и стационар-, ные случайные составляющие, как это сделано в /108/. Поскольку математическое ожидание осредненное глубины максимальных коррозионных язв изменяется с течением времени, рассматриваемый случайный процесс является нестационарным. Очевидно, что его нельзя считать также квази-стационарным, т.к. характеристики распределения максимальных глубин язв должны меняться с изменением математического ожидания. В этом легко убедиться, рассматривая случай малых язв при небольших наработках, и сравнивая его со случаем больших язв и больших наработок. В первом случае, ввиду малости язв их дисперсия будет меньше, чем во втором случае. Аналогичное явление имеет место в процессах роста живых организмов и др. 4.2.2. Определение вероятности безотказной работы элементов трубопроводов Рассмотрим множество элементов трубопроводов морской воды (например, отводов), находящихся в одинаковых эксплуатационных условиях. Изменение глубины максимальных коррозионных язв во времени в каждом элементе будет реализацией случайного процесса, другой его характеристикой можно считать распределение глубин (fi) максимальных коррозионных язв в рассматриваемых элементах в фиксированный момент времени. Предположим, что максимальные глубины коррозионных язв в различные моменты времени распределены по одному и тому же закону, с точностью до параметров. Предположим также, что скорость роста коррозионных язв в каждом элементе может быть малой, но всегда положительной, т.е.
Похожие диссертации на Оценка безотказности судовых трубопроводов, включающих сочетания отводов, при проектировании систем морской воды
