Введение к работе
Актуальность проблемы.
Трубопровод является неотъемлемой частью практически любой мелиоративной системы. При этом доля трубопровода в стоимости всей системы (как по капитальным, так и по эксплуатационным расходам), как правило, бывает решающей и достигает 70% и выше. Отсюда следует, что существенно увеличить долговечность и снизить стоимость мелиоративной системы невозможно без совершенствования конструкции и технологии монтажа трубопровода.
Исследованиями... и оптимизацией различных параметров трубопроводов, их, элементов, технологией монтажа, ремонта, эксплуатации, разработкой новых конструкций занимались в различное время такие научные, производственные организации, вузы, как ВНИИСТ, СевНИИГиМ, Ленгипроводхоз, СтавНИИГиМ, Росгипроводхоз, ВодоканалНИИпроект, ВНИИВодГЕО, ВНИИГ, ВНИИГиМ, Оргтехводстрой, СибНИИГиМ, МГМИ, ЛПИ, НИМИ, УИИВХ, ЛИСИ, отечественные и зарубежные ученые Агапкин В.М., Альтшуль А.Д., Дикаревский B.C., Дмитриев А.Ф., Зегжда А.П., Калицун В.И., Киселев П.Г., Комаров А.А., Кс^мерштййн В.Г., Краснянский И.И., Кузьмин С.А., Левкоєва Н.В., Лойцянский Л.Г., Мирцхулава Ц.Е., Михалев М.А., Никурадзе К., Староверов И.Г., Харитоновский В.В., Чугаев P.P., Шевелев Ф.А., Шиллер Ю.И., Штеренлихт Д.В., Штыков В.И., Якубчик П.П., Ялышко Г.Ф., Бартоломей Д., Галлей В., Коикэ К., Ланге X., 0,Киф В., Плант Ж., Чиверс Т. и другие.
В отраслевых программах научно-технического прогресса мелиорации и водного хозяйства всегда присутствовали разделы по совершенствованию и созданию экономичных и долговечных конструкций трубопроводов. При этом усилия были направлены,. в. основном на повышение долговечности лишь одного из элементов трубопровода (казавшегося главным) - трубы.В 80-е годы в системе Минводхоза РФ были созданы новые производства (в г.г. Пензе, Набережных Челнах, Омске и др.), основной задачей которых являлось освоение технологии и выпуск новых конструкций груб для мелиорации и водоснабжения.
Однако после создания и освоения долговечных труб с
защитными покрытиями (лаком КОРС, стеклоэмалью, полиэтиленом и
др.) выявилась новая проблема - традиционно применявшиеся в
мелиоративном строительстве способы соединения труб (втулочно-
раструбные, муфтовые, сварные) оказались непригодными для
высоконапорных труб с защитными покрытиями. Во-первых, из-за
значительных макро- и микро дефектов таких труб, не устраняемых
традиционными уплотнениями, во-вторых, из-за того, что
долговечность самих уплотнителей значительно ниже долговечности
труб, в-третьих, из-за выгорания покрытий в зоне сварки и по другим причинам.
Таким образом возникла проблема, состоящая в реализиции производства долговечных труб и отсутствии надлежащей технологии их соединения. Этому способствовало и то, что многочисленные научные данные по трубопроводам и соединению труб охватывают отдельные элементы системы (конструкции, технологию, гидравлику, прочность, долговечность и т.д.) без их взаимного влияния, относятся к трубопроводам самых различных отраслей народного хозяйства и не всегда учитывают специфику мелиоративного строительства (полевые и климатические условия монтажа, сезонность эксплуатации и т.п.). Это приводит к тому, что создание и применение стыковых соединений базируется, в основном, на интуиции специалиста, а, следовательно, требует высокой квалификации и не всегда технически и экономически оптимально.
Для решения возникшей проблемы автором была сформулирована основная цель и определены задачи исследования.
Работа выполнялась в рамках "Плана работ по созданию и освоению новой техники Минводхоза РСФСР на 1987 г.", "Программы научно-технического прогресса Минводхоза РСФСР на 1989-90 г.г.(основные направлетія)" и бюджетной НИР ЧитПИ, входящей в план Госкомитета РФ по высшему образованию "Соединения мелиоративных трубопроводов (систематизация, инженерные расчеты, выбор оптимальной конструкции)" на 1992-95г.г.
Таким образом, тема работы представляется актуальной, тесно связанной с отраслевыми целевыми программами, направленными на решение'проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение . Исследования позволили существенно укрепить лабораторную базу института, а также внедрить результаты в учебный процесс.
Цели и задачи исследования:
На основе системного подхода к проблеме автором были поставлены основная цель и подцель исследований.
Основная цель:
Разработать научно-обоснованные технические и технологические решения по конструкции соединений труб и технологии их монтажа в мелиоративном строительстве, которые позволили бы создавать значительно более долговечные трубопроводы и, тем самым внести значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в отрасли, играющей важную роль в народном хозяйстве страны.
Подцель:
Использование процесса разработки соединений и его результатов для решения смежных научных задач и повышения качества учебного процесса.
Для достижения поставленных целей автором сформулированы следующие задачи:
1. Предложить методологическую основу выбора и создания
соединений труб для мелиоративного строительства.
-
С использованием этой основы разработать конструкцию соединения для труб с защитным покрытием и технологию ее монтажа и ремонта в зависимости от определяющих факторов.
-
Создать лабораторную и полупромышленную базы для всестороннего научного исследования соединений.
-
Провести комплексное научное исследование разработанной конструкции с учетом группы влияющих факторов и их взаимосвязи.
-
Разработать методику выбора и расчета стыкового соединения по данным, определяемым назначением и условиями работы трубопровода. : ..
-
Произвести расчет, изготовление, полупромышленные и производственные испытания соединения.
-
Разработать рабочую документацию для серийного ..освоения соединения и технологии его изготовления и монтажа.
-
Использовать процесс исследования и полученные результаты для решения смежных научных .задач и внедрить их в учебный процесс подготовки инженеров-гидротехников.
Методы исследования и достоверность результатов.
Для достижения поставленных целей применялся комплексный подход к проблеме, включавший теоретические и эмпирические решения, базирующиеся на использовании методов системного анализа для достижения в совокупности, максимально возможных научных, методологических и методических результатов.
При создании новых конструкций и технологий привлекались элементы теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).
Решения частных теоретических задач исследования базировались на методах сопротивления материалов и строительной, механики, гидромеханики, теплотехники, химической технологии полимеров, теории машин и механизмов, экономики и др.
При выполнении экспериментальных работ использовались методы теории планирования эксперимента и стандартные методики
соответствующих отраслей науки. Измерения в опытах выполнялись с помощью приборов, прошедших метрологические испытания.
Достоверность исследований подтверждается -сходимостью расчетных и экспериментальных результатов с данными полупромышленных и производственных испытаний, а также использованием стандартной измерительной аппаратуры.:..
Научная новизна.
1. Впервые сформулирована методологическая основа создания и исследова ния трубных соединений в мелиоративном строительстве, базирующаяся на концептуальной структуре понятий "трубопровод" , "соединение" и факторной модели соединения. Показано, что соединение является центральным элементом системы трубопровода, от обоснованности выбора которого зависит качество и долговечность последнего.
2.Создано самоуплотняющееся соединение трубопровода, защищенное авторскими свидетельствами.
-
Проведено комплексное исследование стыкового соединения с учетом основных факторов модели: герметичности, прочности, долговечности, гидравлических характеристик и др., получены соответствующие зависимости.
-
Предложены новые способы монтажа соединения, защищенные авторскими свидетельствами,созданы механизмы и приспособления, разработаны способы ремонта соединения.
-
Дана методика расчета ниппельного соединения, учитывающая весь комплекс факторов.
-
Показано, что в ряде случаев вместо разработки соединения "под трубу" выгоднее создать новую конструкцию трубы. Предложена новая технология производства слоистых полимерных труб и устройство для ее осуществления, защищенные патентом и авторским свидетельством на изобретение.
Практическая ценность.
1. Предложена классификация трубных соединений, позволяющая в
совокупности с созданной базой данных выбрать оптимальную
конструкцию соединения или создать новую с наперед заданными
свойствами.
2. Разработана' методика расчета ниппельного соединения
трубопроводов, позволяющая произвести комплексный инженерный
расчет для различных условий работы трубопроводов.
3. Разработана и апробирована оснастка, технология, механизмы и
приспособления для серийного выпуска и применения предложенного
соединения.
-
Создан авторский курс "Проектирование и строительство трубопроводов", лабораторная база для его изучения студентами, написано и издано учебное пособие по данному курсу.
-
В процессе исследования создан высококвалифицированный научно- педагогический коллектив, позволивший на базе кафедры водного хозяйства и инженерной экологии ЧитПИ организовать Восточный филиал Российского НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов.
Личный вклад автора заключается в следующем:
1. Осуществлена постановка проблемы, определены цели
исследования.
-
Сформулирована научно-методологическая основа работы, включающая концептуальную структуру, факторную модель, классификацию и базу данных по соединениям.
-
Обоснованы общая конструкция ниппельного самоуплотняющегося соединения, принципы ее работы, материалы ниппеля и герметика, а также основные принципы технологии строительства мелиоративных трубопроводов с такими соединениями, механизмы и приспособления.
-
Определены задачи комплексного исследования соединения по 11 факторам с учетом их взаимосвязи.
-
Сформулированы общие принципы создания лабораторной базы для всестороннего научного исследования, предложены конструкции ряда лабораторных установок.
-
Обоснована программа научного поиска с учетом поставленных в п.4 задач, непосредственно выполнен ряд исследований.
-
Произведено обобщение результатов комплексного исследования, разработана методика выбора и расчета соединений труб для мелиоративного строительства.
8.Под научным руководством автора разработаны методики полупромышленных и производственных испытаний.
-
Осуществлен авторский надзор за разработкой технической документации, изготовлением оснастки и выпуском опытной партии ниппелей.
-
Обоснованы основные принципы деверсификации исследовании-конструкции устройств по смежным вопросам, разработан учебный план и программа авторского курса "Проектирование и строительство трубопроводов", написаны основные „главы и . выполнено научное редактирование учебного пособия. .,-,
Апробация работы:
Основные научные и методологические положения диссертации и результаты докладывались: на Всесоюзной конференции "Процессы и
аппараты производства полимерных материалов, методы и <
оборудование переработки их в изделия", Москва, 1986 г.; Всесоюзной
конференции "Применение полимерных материалов в сельском
строительстве", г.Челябинск, 1988 г.; Всесоюзном семинаре
"Особенности проектирования, строительства и эксплуатации
мелиоративных и водохозяйственных объектов", г.Пенза, 1989 г.;
Международной конференции "Повышение долговечности и
эффективности работы конструкций сельскохозяйственных зданий и
сооружений", г.Челябинск, 1992 г.; Всероссийской научно-
практической конференции по гидромелиоративному и
водохозяйственному строительству в Сибири, г.Омск, 1989 г.; Региональном совещании по развитию производительных сил Читинской области в 13 пятилетке и на период до 2000 г., г.Чита, 1989 г.; Всесоюзных конференциях "Интенсификация тепло- и массообменных процессов химической технологии", г.Казань, 1987 г. и "Строительство и обеспечение строительства", г.Томск, 1989 г.; Научно-технической конференции Восточного Сибирского технологического Университета, г. Улан-Удэ, 1991г. и Читинского политехнического института в 1987-1995 г.г.; Технических совещаниях ГНТУ Минводхоза РСФСР в 1987-1989 г.г.; Технических Советах объединения "Пензаводмелиорация" в 1989 г., "Читаводмелиорация" в 1990 г. и а/о "Читаводстрой" в 1994 г.
Методические вопросы работы докладывались на Всероссийских научно-методических конференциях в Пермском политехническом институте, г.Пермь, 1992 г., Алтайском Государственном Техническом Университете, г.Барнаул, 1994 г. и Российском НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов, г.Екатеринбург, 1994 г.
Диссертационные положения и результаты обсуждены на расширенном научно-техническом Совете Читинского политехнического института 06.04.95 г. и совместном научном семинаре кафедры инженерных мелиорации, гидрологии и охраны окружающей среды и кафедры гидротехнических сооружений Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета 19.04.95 г.
Реализация работы.
В процессе исследования создана рабочая документация на ниппельное^ соединение для трубопровода из труб "ТЭГО-300" без обечайки, рабочие чертежи механизмов для монтажа трубопровода с ниппельными стыковыми соединениями, технологическая карта на производство работ по монтажу. При участии автора на НПО "Пластик" (Москва) разработана документация на прессформу? для литьевой машины фирмы "Энгель" (Австрия) и технический регламент выпуска ниппелей. По этой документации была изготовлена прессформа на ПО "Авиационный завод" (г.Улан-Удэ), выпущена опытная партия ниппелей на ПО "Оргсинтез" (г.Казань). В n^onuupuMu "Прнчяпппметтиппяііия" изготовлены механизмы и
приспособления для монтажа и смонтирован участок водовода на Махалинской оросительной системе Кузнецкого района Пензенской области. Производственные испытания показали соответствие трубопровода расчетным данным и техническим требованиям. Согласно справке УООС ПО "Пензаводмелиорация" в течении 4 лет эксплуатации нарушений в работе водовода не отмечено.
Аналогичные испытания из опытной партии ниппелей проведены на специальных участках трубопровода в ПО "Пензаводпром" и "Читаводстрой".
По результатам испытания разработана калькуляция на выпуск ниппелей ПО "Оргсинтез" и технические условия на ниппель соединительный.
База данных по соединениям и методика расчета применяется в институтах ."Забайкалводпроект" и "Пензаводпроект" при проектировании трубопроводов, что подтверждено справками.
Созданная в процессе исследований лабораторная база используется в учебном процессе кафедры водного хозяйства и инженерной экологии ЧитГТУ, а методические материалы - приняты к использованию в учебном процессе института и других вузов.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 46 работ, в т.ч. 1 учебное пособие, 13 научных статей в журналах и сборниках трудов, 11 тезисов докладов и трудов научных и 4 - научно-методических Всесоюзных, Всероссийских и Международных конференций, 1 патент и 3 авторских свидетельства на изобретения, 13 научно-технических отчетов, депонированных в ВНТИ-центре.
Структура диссертации. '
Диссертационная работа состоит из введения, семи глав,
заключения (основные выводы и предложения), списка
использованных источников и приложений.
Основной текст диссертации изложен на 224 страницах, включает 70 рисунков и фотографий, 11 таблиц. Список использованных источников включает 358 наименований. Диссертация содержит 7 приложений на 73 страницах. Всего в ней 297 страниц.
