Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Перспективность бесканальных прокладок подземных теплопроводов доказана практикой их использования в течение нескольких десятков лет в условиях Санкт-Петербурга и других крупных городов, поэтому дальнейшее совершенствование технологии их сооружения, в том числе и в экологическом отношении, является актуальной проблемой, решение которой имеет важное народно-хозяйственное значение.
В настоящее время удельные затраты на транспортирование тепла, капитальные вложения в тепловые сети достигают 50-60 % стоимости сооружения теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), при этом темпы строительства и ввода новых тепловых сетей, а также темпы их реконструкции значительно отстают от темпов ввода новых тепловых мощностей на ТЭЦ, что объясняется высокой стоимостью теплопроводов, большими затратами на стройматериалы, трубы, технологическое оборудование, издержками на экологическую реабилитацию территорий, отводимых для трасс подземных, в том числе и бесканальных, теплопроводов.
Важность и актуальность совершенствования технологии строительства и экологического контроля при эксплуатации бесканальных теплопроводов подчёркивается и тем, что их использование позволяет на 30-40 % снизить капитальные затраты на теплоснабжение, особенно в условиях плотной городской застройки.
Актуальной задачей при сооружении и эксплуатации бесканальных теплопроводов, требующей своего решения в настоящее время, остаётся задача повышения коррозионной стойкости, механической прочности и надёжной гидро-теплоизоляции теплопроводов, в частности, при включении в них участков самокомпенсирующихся труб. Задача повышения коррозионной стойкости бесканальных теплопроводов может быть решена на основе применения специальных сталей, например, ферритного состава, а также пластиковых труб с пенополиуретановой теплоизоляцией, что вызывает необходимость проведения соответствующих исследований. Актуальной остаётся и задача оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) всех составных частей теплопроводов при их эксплуатации. При этом рассмотрение компенсационных температурных задач, в частности, при использовании самокомпенсирующихся труб, в том числе и с вакууммированными секциями, также является важным и актуальным, что позволит упростить технологию прокладки и повысить надёжность эксплуатации бесканальных теплопроводов.
Актуальность названных выше исследований подчёркивается включением их в постоянно действующие планы тематических и опытно-конструкторских работ технологической службы АОЗТ «Ленгазтеплострой» и организаций – смежников и подрядчиков.
Цель работы: повышение эффективности индустриальных методов сооружения, надёжности, устойчивости и экологической безопасности эксплуатации подземных бесканальных теплопроводов путём решения геоэкологических и технологических задач.
Идея работы: сочетание технико-технологических и экологических направлений повышения коррозионной стойкости, механической прочности, температурной устойчивости подземных бесканальных теплопроводов за счёт совершенствования технологии прокладки и эксплуатации, выбора современных материалов, новых конструктивных решений и механико-математических методов контроля надёжности, стабильности и экологической безопасности при их работе.
Научная новизна работы состоит в разработке:
научно-практических основ оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) бесканальных теплопроводов с учётом температурных деформаций труб, внутреннего давления и внешней нагрузки с построением соответствующей математической модели;
методики оценки НДС самокомпенсирующихся участков трубопроводов (СК-труб) с винтовыми гофрами с различными геометрическими характеристиками и наличием вакууммированных секций типа «труба в трубе»;
методов повышения коррозионной стойкости подземных бесканальных теплопроводов в условиях повышенной влажности грунтов и заражённости их микробиотой погребенных болот (плакирование труб аустенит-ферритными сталями; использование газотермических и термохимических покрытий; предупреждение трещинообразования в стальных трубах; замена в определённых условиях стальных труб на пластиковые; организация дренажа траншей и использование незаражённых микробиотой песчано-гравийно-глинистых смесей для засыпки теплопроводов в траншеях при обеспечении требуемой степени уплотнения засыпного грунта и т.п.)
методики оценки НДС и устойчивости кольцевой формы сечения пластиковых теплопроводов при совместной работе основных полипропиленовых труб, пенополиуретановой теплоизоляции и полиэтиленовой гидрозащитной оболочки с целью обеспечения их надёжности при эксплуатации и требуемой пропускной способности;
методов неразрушающего и экологически чистого контроля дефектов и течей в подземных бесканальных теплопроводах с обеспечением экологической безопасности и экономической эффективности при их эксплуатации.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
1. Высокая эффективность, экологичность и индустриальность сооружения бесканальных теплопроводов с различными видами тепло-гидроизоляции могут быть обеспечены за счёт применения поточно изготовляемых самокомпенсирующихся гофрированных секций стальных труб, в том числе с вакууммированными участками; при этом наиболее экономичной и надёжной в сложных геолого-технических условиях с повышенной влажностью и агрессивностью грунтов следует считать экологически чистую и безопасную теплоизоляцию из пенополиуретана в сочетании с полиэтиленовой наружной оболочкой, термокомпенсационными узлами и термоусаживающимися соединительными манжетами.
2. Температурные и механические напряжения и деформации в трубах бесканальных теплопроводов определяются изменениями внутреннего давления при прокачке теплоносителя, внешней нагрузки, перепада температур теплоносителя внутри труб и наружной среды, а также степенью уплотнения окружающего теплопровод грунта; при этом безотпорная теплогидрозащитная оболочка способствует выравниванию температурных напряжений и деформаций в элементах трубопровода и вместе с уплотнённым грунтом вблизи трубопровода играет роль упруго-податливого основания для центральной трубы.
3. Антикоррозионная и гидравлическая защита бесканальных теплопроводов, центральные трубы которых выполняются плакированными хромистыми ферритными и аустенитными сталями, не склонными к хлоридному растрескиванию, в комбинации с покрытиями различного рода обеспечивает повышение коррозионной стойкости труб до 30-35 % как на магистральных трассах, так и в местах соединения самокомпенсирующихся секций с неплакированными участками труб.
4. Радикальной мерой повышения коррозионной стойкости и эффективности бесканальных трубопроводов является применение пластиковых (полипропиленовых) труб в качестве основных, в частности, во внутренних и микрорайонных системах теплоснабжения. Применяемая для таких трубопроводов упругая пенополиуретан-полиэтиленовая тепло-гидрозащитная оболочка способствует снижению до 20 % напряжений в основной трубе, уменьшая степень овализации её при возможной потере устойчивости; нагрузки же на пластиковые трубопроводы воспринимаются как основной трубой, так и наружной полиэтиленовой оболочкой, исключая опасность действия продольного изгиба. При этом пластиковые трубы, в силу малой шероховатости стенок, способствуют снижению гидравлических сопротивлений при прокачивании через них жидкого теплоносителя. Пенополиуретановая теплоизоляция из-за её подверженности действию света, открытого пламени, а также из-за её относительно низкой прочности и температурной стойкости может эффективно заменяться новым композиционным материалом на основе латексов синтетических полимеров, например, техническим теплоизоляционным материалом (ТТМ), свободным от недостатков пенополиуретана.
5. Наиболее отвечающими условиям эксплуатации бесканальных теплопроводов методами определения течей в трубах, с экологической точки зрения, являются дистанционные и электромагнитные методы, например, метод двух панорамных приёмников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону частот излучения передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, что может обеспечить высокую точность обнаружения отверстий течей и приемлемую скорость обработки данных.
Достоверность научных положений и выводов обеспечивается системным характером исследований, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных данных, положительным опытом внедрения полученных разработок в практику подземного строительства бесканальных тепловых сетей.
Практическая ценность работы заключается в совершенствовании инженерной методики оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) бесканальных теплопроводов с учётом температурных напряжений и деформаций, направлений обеспечения надёжной антикоррозионной, гидравлической и тепловой защиты теплопроводов на основе использования современных материалов, в том числе пластиковых труб, экологически чистых технологий обнаружения и ликвидации течей при эксплуатации трубопроводов с применением дистанционных и электромагнитных методов.
Личный вклад автора при проведении исследований состоит в анализе и обобщении опыта прокладки бесканальных теплопроводов, постановке задач исследований, аналитической оценке НДС трубопроводов, разработке мероприятий по антикоррозионной, гидравлической и тепловой защите бесканальных теплопроводов, а также практических рекомендаций по эксплуатации тепловых сетей и внедрении их в производство.
Реализация результатов работы. Технико-технологические и экологические рекомендации используются в АОЗТ «Ленгазтеплострой» при инженерной подготовке территорий для массовой жилой застройки, в том числе при прокладке бесканальных теплопроводов, с целью теплоснабжения Санкт-Петербурга и других крупных городов. Для практической реализации полученных результатов разработан ряд нормативных документов, среди которых можно назвать следующие:
– Технические условия. Трубы стальные электросварные спирально-шовные с винтовыми гофрами (ТУ 14-3-123783);
– Временные рекомендации по строительству тепловых сетей из труб диаметром до 300 мм в оболочке на основе пенополиуретана (альбом 1 –484-1993-00.000);
– Тепловые решения прокладки трубопроводов тепловых сетей в изоляции из пенополиуретана диаметром 50-1000 мм. Конструкции и детали. Альбом 313.ТС-002.000;
– Прокладка тепловых сетей диаметром 50-1000 мм в изоляции из пенополиуретана. Прокладка трубопроводов (альбом 313.ТК-003000).
Основные разработанные рекомендации используются в учебном процессе при подготовке специалистов по освоению подземного пространства городов.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах АОЗТ «Ленгазтеплострой» (СПб., 1992-2007); международных семинарах по современным методам строительства тепловых сетей в России (СПб., 1996, 1997); симпозиуме «Энергетика-97» (СПб., 1997); научно-практической конференции «Научно-технические инновации в строительстве» (М.: МГСУ, 2004); научно-технической конференции «Механика. Геомеханика подземных сооружений» (Тула, 2006); ежегодных международных конференциях «Экология и развитие общества» (СПб., 1997-2007).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 29 научных трудах, в их числе 1 монография и 3 изобретения.
Объём и структура диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав и заключение, а также библиографический список из 66 наим. и приложение; изложена на 196 стр. машинописного текста, включает в себя 28 рис. и 24 табл.
