Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса в области бестраншейного восстановления трубопроводов 15
1.1. Анализ характеристик и состояния коммунальных трубопроводов водоснабжения и водоотведения 15
1.2. Классификация и анализ способов бестраншейного восстановления трубопроводов 19
1.3. Аналитический обзор и классификации оборудования и материалов для реализации способа комбинированного рукава 23
1.4. Анализ известных результатов исследования в области бестраншейного восстановления трубопроводов способами нанесения покрытий 42
Выводы по главе 1 и задачи исследования 46
2. Результаты теоретического исследования 49
2.1. Постановка общей задачи исследования, её формализация и обоснование возможных путей решения 49
2.2. Разработка математической модели прочности комбинированного торообразного рукава 53
2.3. Разработка математической модели процесса работы комплекса агрегатов при бестраншейном ремонте трубопроводов способом комбинированного рукава 60
2.4. Разработка алгоритма и компьютерной программы выбора оптимальных параметров рукавной технологии и оборудования 69
2.5. Результаты исследования математических моделей процесса ремонта трубопроводов 75
2.6. Совершенствование технологии применения комплексов оборудования при нанесении многослойных покрытий 80
2.7. Совершенствование комплексов оборудования для нанесения композиционых покрытий 90
Выводы по главе 2 96
3. Методика экспериментального исследования 98
3.1. Задачи, целевые функции, факторы и параметры эксперимента 98
3.2. Разработка технических требований к стендам для исследования процесса бестраншейного ремонта трубопроводов
3.3. Методика исследования влияния факторов покрытия на его прочность 100
3.4. Методика получения зависимости скорости пропитки тканевой оболочки комбинированного рукава полимерным составом от количества в ней слоев ткани и величины гидростатического давления состава в ванне... 104
3.5. Методика исследования тяговых свойств и проходимости комбинированного рукава в трубопроводах 107
3.6. Методика исследования зависимости утечек воздуха через центр
тора, отжатия полимерного состава из рукава и его тягового усилия от давления в торе 110
3.7. Методика исследования прочности элементов комбинированного рукава 114
3.8. Методика исследования зависимости адгезии покрытия к стенкам трубопровода от технологического давления воздуха 116
3.9. Определение основных параметров методического обеспечения экспериментального исследования 119
Выводы по главе 3 121
4. Результаты экспериментального исследования и оценка экономической эффективности результаторв работы 123
4.1. Влияние параметров покрытия на его прочность 123
4.2. Зависимости скорости пропитки тканевой оболочки комбинированного рукава от количества в ней слоев ткани и гидро статического давления полимерного состава в ванне 124
4.3. Результаты исследования тяговых свойств и проходимости комбинированного рукава в трубопроводах различной конфигурации 127
4.4. Результаты исследования зависимости утечек воздуха через центр тора, отжатия полимерного состава из рукава и его тягового усилия от давления в торе 132
4.5. Результаты исследования прочности элементов комбини рованного рукава 134
4.6. Зависимости адгезии покрытия к стенкам трубопровода от технологического давления воздуха 136
4.7. Оценка адекватности математических моделей 137
4.8. Оценка экономической эффективности результатов работы 140
Выводы по главе 4 143
Основные выводы и результаты работы 145
Список использованных источников
- Аналитический обзор и классификации оборудования и материалов для реализации способа комбинированного рукава
- Разработка математической модели процесса работы комплекса агрегатов при бестраншейном ремонте трубопроводов способом комбинированного рукава
- Разработка технических требований к стендам для исследования процесса бестраншейного ремонта трубопроводов
- Зависимости адгезии покрытия к стенкам трубопровода от технологического давления воздуха
Введение к работе
Актуальность темы исследования обусловлена значительным износом трубопроводов России, протяженность которых составляет более 2 млн км. Отдельному исследованию подлежат трубопроводы холодного водоснабжения и водоотве-дения, так как их ремонт осложнен следующими факторами: большим количеством отводов, сужений, смотровых колодцев, повышенной коррозионной агрессивностью среды и высокими санитарно-гигиеническими требованиями.
В настоящее время в России применяются преимущественно траншейные способы ремонта, недостатками которых являются большие сроки, стоимость и объемы работ по устройству траншей, удалению и восстановлению асфальтовых покрытий. Эти недостатки могут быть устранены использованием способов бестраншейного ремонта трубопроводов. Из них наиболее адаптированным для российских условий является технология пневмовыворота комбинированного торооб-разного рукава. Эта рукавная технология, в отличие от других, позволяет использовать остаточный ресурс изношенной сети, либо создавать независимую композиционную трубу при нанесении внутритрубных многослойных покрытий. Она имеет значительные резервы повышения эффективности за счет оптимизации параметров, применения новых схем, агрегатов и более дешевых материалов российского производства. Вместе с тем существует необходимость в дополнительных исследованиях тяговых свойств рукава, конструкции агрегатов, технологических схем нанесения многослойных покрытий и методики их проектирования. Выше сказанное определило цель, объект, предмет и задачи исследования.
Цель исследования - повышение производительности комплексов агрегатов для бестраншейного ремонта трубопроводов холодного водоснабжения и водоот-ведения при условии обеспечения необходимых показателей его качества.
Объект исследования - комплекс агрегатов и процесс бестраншейного ремонта трубопроводов холодного водоснабжения и водоотведения.
Предмет исследования - закономерности процесса, параметры технологии и оборудования для бестраншейного ремонта трубопроводов способом комбинированного торообразного рукава (ниже эти прилагательные могут быть опущены).
Задачи исследования. 1. Разработать математические модели прочности торообразного рукава и процесса бестраншейного ремонта трубопроводов рукавным способом, алгоритм и программное обеспечение для оптимизации параметров технологии и агрегатов.
Установить зависимости производительности комплекса агрегатов и прочности рукава от основных факторов системы «трубопровод - технология - оборудование» с учетом требований к качеству ремонта трубопроводов.
Разработать технические решения ремонтных агрегатов и усовершенствовать технологию нанесения внутритрубных многослойных покрытий.
Экспериментальным путем установить зависимости тяговых свойств и проходимости торообразного рукава, прочности его элементов и скорости пропитки полимерным составом, а также адгезии и прочности покрытия от основных факторов рассматриваемой системы.
Разработать, изготовить и применить комплект стендов для решения 4-й задачи.
6. Разработать методику проектирования комплексов оборудования и производства работ для бестраншейного ремонта трубопроводов холодного водоснабжения и водоотведения способом пневмовыворота комбинированного рукава.
Методы исследования. Методическую основу исследования составляют теоретические и экспериментальные методы: сравнительный анализ, системный подход, математическое моделирование и теория планирования эксперимента.
Научная новизна исследования. 1. Разработаны математические модели прочности торообразного рукава и процесса бестраншейного ремонта трубопроводов рукавным способом, алгоритм оптимизации параметров технологии и агрегатов, позволяющие, в отличие от существующих, учитывать влияние основных факторов системы «трубопровод - технология - оборудование» и требований к качеству ремонта на целевые функции процесса, рукава и комплекса агрегатов.
Получены зависимости производительности комплекса агрегатов, прочности элементов рукава, скорости пропитки его тканевой оболочки полимерным составом, адгезии и прочности покрытия от основных факторов рассматриваемой системы. На основе этих зависимостей определены оптимальные значения основных параметров процесса и оборудования.
Впервые установлены закономерности изменения тяговых свойств и проходимости торообразного рукава, на основании которых возможно его применение в оптимальных режимах, как при нанесении покрытий, так и при выполнении других операций по ремонту трубопроводов (удаление воды из трубопровода, протяжка фала и т. п.).
Практически значимые результаты исследования. 1. Методика проектирования агрегатов и процесса бестраншейного ремонта трубопроводов способом пневмовыворота комбинированного рукава.
Предложенные технические решения агрегатов комплекса оборудования, защищенные четырьмя патентами на изобретения, и усовершенствованная технология нанесения внутритрубных многослойных покрытий.
Комплект стендов для исследования тяговых свойств торообразного рукава, прочности его элементов, времени пропитки тканевой оболочки рукава полимерным составом, адгезии и прочности покрытия.
Достоверность полученных результатов обеспечена: проверкой полученных экспериментальных данных методами математической статистики с использованием пакета программ Microsoft Office-2007; адекватностью результатов теоретического и экспериментального исследований.
На защиту выносятся:
математические модели прочности торообразного рукава и процесса бестраншейного ремонта трубопроводов рукавным способом, алгоритм оптимизации параметров технологии и агрегатов;
зависимости производительности комплекса агрегатов и прочности рукава от основных факторов системы «трубопровод - технология - оборудование»;
закономерности изменения тяговых свойств и проходимости торообразного рукава, прочности его элементов и скорости пропитки полимерным составом, а также адгезии и прочности покрытия;
технические решения агрегатов, усовершенствованная технология ремонта
трубопроводов способом комбинированного торообразного рукава, конструкции стендов для их исследования, методика проектирования агрегатов и процесса.
Апробация работы. Результаты исследования рассмотрены в докладах на всероссийских и международных конференциях: III, V, VI Всероссийские научно-технические конференции студентов, аспирантов и учёных «Молодёжь и наука: начало XXI века» (г. Красноярск, 2007, 2009, 2010); V Всероссийская научно-техническая конференция «Политранспортные системы» (г. Красноярск, 2007); Международная научно-техническая конференция «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (г. Тюмень, 2008); VI Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Томск, 2008).
Основные результаты работы также прошли апробацию, будучи представленными в открытом конкурсе на соискание премии ГУЛ «МосводоканалНИИпро-ект» (г. Москва, 2008, благодарственное письмо), на Сибирском промышленном форуме (г. Красноярск, 2010, диплом) и в двух конкурсных инновационных проектах (г. Красноярск, СФУ, 2008, получены гранты).
Результаты исследования опубликованы в 7 научных статьях, 6 материалах докладов на конференциях, описаниях 4 изобретений и одной программы для ЭВМ. При этом 5 статей опубликованы в четырех журналах, рекомендуемых ВАК.
Практическое использование результатов диссертации:
1. Методика проектирования комплексов оборудования и производства работ
для ремонта трубопроводов способом комбинированного рукава передана ФГУП
«СибНИИГиМ» (г. Красноярск), где использована при разработке и создании опыт
ных образцов ремонтного оборудования (имеется акт внедрения).
2. Результаты исследования применяются в учебном процессе кафедры
«Транспортные и технологические машины» Политехнического института СФУ
при обучении студентов по направлению подготовки «Наземные транспортные сис
темы» (переданы кафедре стенды, методика проектирования агрегатов, программ
ное обеспечение расчета их параметров и технологии ремонта трубопроводов, что
подтверждено актом использования).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Объем работы 234 страницы, в том числе: 147 страниц основного текста; 63 рисунка; 18 таблиц; 251 наименование библиографических источников; 71 страница приложений.
Аналитический обзор и классификации оборудования и материалов для реализации способа комбинированного рукава
Достоинствами этой группы способов являются: возможность круглогодичного ремонта трубопроводов; увеличение диаметра отремонтированного трубопровода; ремонт трубопроводов с любым износом и, как правило, без их очистки. Недостатками являются: использование, как правило, импортных оборудования и материалов; значительная их стоимость; наличие динамических нагрузок и шума (в случае использования способов с динамической нагрузкой); возможность ремонта только прямолинейных трубопроводов круглого сечения.
Технологии БРТ с использованием рукавов (CIPP, КР, комплексный рукав, рукав из нержавеющей стали). Суть технологий CIPP (Cured-in-place pipe liner, в пер. с англ. «отверждаемый по месту полимерный рукав»), комбинированного или комплексного рукава заключается в продвижении через люки или приямки внутрь изношенного, предварительно очищенного трубопровода гибкой синтетической оболочки, пропитанной клеем [51, 64, 69, 79, 88, 94, 95, 99-103, 107, 109, 114]. Выворот и продвижение оболочки в трубопроводе можно осуществлять с помощью воды, вакуума, пара, сжатого воздуха или лебёдки [70, 72, 74, 75, 77, 86, 87, 92], а также комбинацией этих способов. При этом удаляются всевозможные отложения. После ввода в трубопровод оболочка затвердевает в среде горячей воды, пара, воздуха определенной температуры или облучается ультрафиолетовым, либо другим излучением, что обеспечивает на внутренней поверхности трубопровода прочное покрытие или новую композитную трубу. Толщина материала рукава, в зависимости от диаметра трубы и эксплуатационного давления, колеблется от 5 до 25 мм. Компания Per Aarsleff A/S разработала технологию использования этого метода для восстановления вертикальных трубопроводов (вентиляционных и т. п). Для выполнения работ по данной технологии необходимы: гидропромьтвочная машина; оборудование для механической очистки труб; TV-камера; подогреватель воздуха, либо парогенератор или ультрафиолетовый облучатель, специальное оборудование для подготовки и ввода оболочки в трубопровод давлением жидкости или воздуха.
Основные преимущества метода: высокое качество и долговечность защитного покрытия; возможность ремонта достаточно изношенных трубопроводов из различных материалов, диаметров, длин и геометрической формы; лёгкость транспортирования сложенной оболочки; возможность ремонта участков горизонтальных и вертикальных трубопроводов с отводами; отсутствие необходимости в ремонте зданий из-за ремонта трубопроводов. Недостатками метода являются: невозможность исправления структурных дефектов трубопровода; сложность ремонта участков с переходами; необходимость в предварительной подготовке внутренней поверхности (очистка, подогрев, телеинспекция и др.); потребность в рефрижераторах для транспортирования охлаждённого пропитанного клеем чулка к месту ремонта, в связи со сложностью пропитки па объекте и ограничения времени до начала затвердевания клея; сложная технология подготовки и смешивания компонентов полимерного состава; необходимость утилизации всего рукава в случае наличия в нем брака или его незапланированного затвердевания.
Способ ремонта трубопроводов путём нанесения металлических рукавов, по сравнению с нанесением полимерных покрытий, имеет ряд недостатков: большая стоимость и энергоемкость; сложность ремонта участков с углами поворота и сужениями. Поэтому этот способ ремонта можно отнести к менее прогрессивным и непервостепенным (в смысле проведения исследований).
Технология намотки ленты. Эта технология заключается в намотке профильной ленты на внутреннюю поверхность трубопровода с последующим или одновременным закачиванием в образующиеся неплотности полимерного или цементно-песчаного раствора [135]. Для восстановления безнапорных во-доотводящих трубопроводов могут применяться способы Ribloc и Expanda-Pipe, разработанные австралийскими фирмами Rib Loc и Interflow Ptg [33]. При этом внутренняя поверхность трубопроводов облицовывается профильной по-ливинилхлоридной лентой. Для чего в колодце устанавливается специальный станок, осуществляющий несколько функций: навивку бесконечной ленты по внутреннему диаметру трубопровода, ее крепление; заливку твердеющего состава; проталкивание образовавшейся трубы внутрь ремонтируемого участка трубопровода и расширение этого каркаса для его фиксации. Эту технологию отличает высокое качество покрытия и возможность ремонта участков без их очистки и освобождения от транспортируемой среды. Однако при этом имеются ограничения при восстановлении трубопроводов с отводами, а также происходит уменьшение диаметра трубопровода (на 5-10 %). В России этот способ ремонта широкого распространения не получил, поэтому в диссертации его исследование не предусматривается.
Технология нанесения покрытия в жидком виде. Эта технология основана на смачивании защитным составом внутренней поверхности ремонтируемого трубопровода с последующим отверждением. Её разновидностью является нанесение цементно-песчаных покрытий (ЦПП) на предварительно очищенную и промытую поверхность изношенного трубопровода. Нанесение ЦПП [33, 59, 63, 67, 111] может выполняться методами центрифугирования и центробежного набрызга с использованием разглаживающих устройств [110-112]. В России наиболее известна технология московской фирмы «Доркомтехника» [ПО], за рубежом - методы «Прелоуд» (США), «Стелворд» (Англия) и «Гидрозан» (Германия) [105]. К достоинствам метода ЦПП можно отнести: относительную простоту; низкую стоимость ремонтных работ (около 30 % стоимости нового строительства); возможность ремонта протяжённых участков из различных материалов с переходами и отводами. Покрытие сохраняется в течение длительного срока эксплуатации (50 лет). Недостатками метода в сравнении со способом КР являются: способность цемента корродировать в агрессивных средах; невозможность ремонта трубопроводов с большими углами поворота и геометрическими неровностями; в 2—4 раза большая толщина покрытия (до 4-7 и более миллиметров) и, вследствие этого, более существенное уменьшение поперечного сечения трубопровода; большая величина гидравлического сопротивления; увеличенная в 3-5 раз длительность простоя трубопровода в ремонте (до 3 - 5 и более суток), из-за медленного набора прочности цементно-песчаного раствора; более жесткие требования к отсутствию эллипсности, вмятин на трубопроводе и его возможным просадкам в процессе эксплуатации из за повышенной хрупкости покрытия.
Электрофорез. Технология заключается в нанесении защитного состава на внутреннюю поверхность трубопровода под действием электрического тока. Для осуществления этого способа через трубопровод, соединенный с положительным полюсом источника тока и заполненный защитным составом (полиэлектролитом, например разведённой эпоксидной смолой), протаскивают электрод, соединенный с отрицательным полюсом (метод «Эрик», США) [105]. Достоинствами метода является получение качественного тонкослойного, уда-ро и химостойкого покрытия на трубопроводах с отводами, углами поворота и любой длины, формы поперечного сечения при практически стопроцентном использовании защитного состава. Однако для его реализации необходимо достаточно сложное и дорогое оборудование. Кроме того, этот метод имеет ограничения по восстановлению трубопроводов со сквозными дефектами, неметаллических труб с негоризонтальными ответвлениями, требует тщательной очистки поверхности.
Технологии локального ремонта [33, 65, 71, 73, 78, 91, 97, 104, 113]. Эта подгруппа способов делится на два класса: нанесение или набрызг покрытия в жидком виде (технология Penetryn фирмы Insituform - Финляндия) [113]; установка уплотнителей. Уплотнители могут существенно отличаться по исполнению и выполняться в виде бандажей, вкладышей, манжет, гильз или оболочек [33, 113]. Последние отличаются по форме и бывают трёх видов: цилиндрические, для ремонта прямолинейных участков и Т-образные (T-Liner) [71, 74, 91, 97], для ремонта участков с ответвлениями, расположенными под разным углом. Такие технологии применяются фирмами Тарис (Россия), Link-Pipe (Канада), РМР (Великобритания), LMK Enterprises.Inc (США) [71, 97], Insituform Technologies Inc (США) [73, 91] и др. К отечественным разработкам относятся методы ремонта с использованием полиэтиленовых вставок, разработанных в ТюмГНГУ (Тюмень) [40]. Хотя локальный ремонт не снижает риск возникновения новых дефектов, тем не менее, находит применение как наиболее дешёвый способ ремонта. Его можно также использовать в качестве дополнения к существующим методам нанесения протяжённых покрытий, в случае возникновения местных дефектов на восстановленных трубопроводах.
Подводя итог, можно отметить, что согласно данным фирмы ООО "ИН-КО" (С.-Петербург) [42] технологии бестраншейного ремонта, по степени наибольшей распространенности в России, располагаются в следующем порядке:
1) протяжка полиэтиленовых труб без разрушения изношенного трубопровода;
2) ремонт с разрушением изношенного трубопровода; 3) санация внутренней поверхности трубопровода рукавом; 4) цементно-песчаная облицовка внутренней поверхности труб и локальный ремонт с помощью самоходных роботов.
Такое процентное соотношение использования технологий бестраншейного ремонта объясняется относительной простотой и ценовой доступностью этих технологий и способностью технологического оборудования протаскивать сваренные полиэтиленовые плети или рукав на значительную длину. В зависимости от диаметров эта длина составляет от 100 до 200 м в смену (день). Кроме того, из всех перечисленных технологий только использование рукава позволяет восстанавливать вертикальные трубопроводы. О приоритетности этой технологии указывается в работе [33], с учётом стоимостного, технического, технологического и эксплуатационного показателей. В США технология КР находит наибольшее распространение [123].
Выводы по параграфу: 1. Составлена дополненная и уточнённая классификация способов БРТ, использование которой позволит системно подходить к исследованию технологии и оборудования, учитывать всю совокупность способов и оборудования при их выборе, совершенствовании и разработке новых.
2. Выявлен перспективный способ БРТ (способ КР), который может быть использован в качестве базовой технологии для проведения планируемых исследований с целью его развития, оптимизации технологических параметров и режимов эксплуатации оборудования, создания на этой базе принципиально новых технических решений.
Разработка математической модели процесса работы комплекса агрегатов при бестраншейном ремонте трубопроводов способом комбинированного рукава
Аналитический обзор научно-исследовательских работ. В исследуемую область БРТ большой вклад внесли Р. М. Авдеев, В. Н. Белобородое, А. Р. Гимадутдинов, В. А. Григоращенко, В. И. Дрейцер, В. И. Емелин, В. В. Карпу-нин, А. М. Колесников, А. М. Корнопелев, А. П. Крупеник, Г. Ктон, А. Н. Ли, В. В. Новосёлов, В. А. Орлов, Е. В. Полякова, О. Г. Примин, О. А. Продоус, В. С. Ромейко, С. М. Султанмагомедов, В. А. Харькин, С. В. Храменков, А. А. Шай-хадинов, В. Н. Шихирин, F.T.Driver, I. D. Moore, М. Najafi, S. Т. Waring и др. Ниже дан анализ работ этих учёных.
Для анализа известных результатов научных исследований выбрана более широкая область, охватывающая всю совокупность способов нанесения покрытий, а не только способ ремонта путём нанесения композиционных покрытий, указанный в теме диссертации. Это вызвано теми обстоятельствами, что за пределами узкой области анализа также могут быть найдены решения, которые можно использовать в рассматриваемой работе и которые не следует выставлять в качестве задач исследования. С этой целью были проанализированы работы не только в области узкой специальности (05.02.13), но и за её пределами, по примыкающим к ней специальностям, 05.05.04 (строительные и дорожные машины), 05.02.02 (машиноведение, системы приводов и детали машин), 05.23.08 (технология и организация строительства), 05.15.13 (строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ), 05.17.06 (технология и переработка полимеров и композитов), 05.23.04 (водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов). Кроме этого, для реализации системного подхода, были проанализированы не только основные операции по нанесению покрытий, но также подготовительные (очистка трубопровода и т. п.) и заключительные (контроль качества).
В области БРТ способом КР прежде всего следует отметить работы [33, 125, 135, 192]. Так, в трудах В. Н. Белобородова и А. Н. Ли [192] обосновано и создано достаточно простое оборудование для нанесения внутритрубных тка-неклеевых покрытий, выбран наиболее технологичный КР, опытным путём определена часть рациональных, конструктивных и технологических параметров (движущее давление воздуха, наибольшая скорость движения рукава). Вместе с этим, в указанных работах отсутствуют закономерности изменения производительности оборудования и его тяговых усилий в зависимости от основных параметров трубопровода, конструктивных и технологических факторов, не обоснованы оптимальные значения скорости протяжки рукава, движущего давления воздуха и давления выдержки в процессе полимеризации клея.
В работах С. В. Храменкова, В. А. Орлова, В. А. Харькина, В. И. Дрейце-ра, О. Г. Примина и О. А. Продоуса [33, 134, 135] также значительное внимание уделяется БРТ способом КР. При этом, кроме технологических вопросов в них рассмотрены вопросы экологии и надёжности работы трубопроводов. В качестве технологической среды для привода КР этими авторами использована вода, которая имеет ряд достоинств в случае применения жестких рукавов, особенно при ремонте трубопроводов с отводами. В то же время использование воды удорожает ремонт и создаёт технологические неудобства в виде возможных замачиваний и замерзаний. Следует отметить диссертацию В. А. Орлова [165], в которой достаточно полно описывается состояние коммунальных сетей, раскрываются вопросы выбора способов БРТ, а также программа прочностного расчета трубных конструкций «материал трубопровода + полимерный рукав». Кроме того, этим автором было проведено исследование гидравлических характеристик рукавного покрытия. Во всех указанных работах также отсутствует методика оптимизации параметров оборудования и технологии БРТ способом пневмовыворота рукава с учётом основных факторов и ограничений процесса, позволяющая обосновано вести проектирование комплексов ремонтных агрегатов.
Практический интерес представляют обобщение зарубежного опыта БРТ [105, 115-117, 123, 128, 129, 130-133] по разработкам таких фирм как: PRS Rohrsanierung GmbH по методу «Феникс» (Германия), Per Aarsleff A/S (Дания), Easy Liner (США) и Insituform (Великобритания). В частности будут полезно использование в качестве базовой схемы нанесения многослойных покрытий при многопроходном вводе рукава, применяемом этими фирмами. Данные рукавные технологии, как и подобные им, базируются на нормах, указанных в стандартах США F 1216 и F 1743 [196, 227] и Германии ATV-M 127-2 [248]. В этих стандартах представляет практический интерес методика расчета толщины покрытия и рукава в зависимости от состояния трубопровода и действующих на него нагрузок, по аналогии с диссертацией В. А. Орлова. Вместе с тем определение конструктивных и технологических параметров по этим работам затруднено и нуждается в существенных дополнениях. Это замечание справедливо и в отношении стандарта предприятия [145], который содержит в основном только технические требования к данной рукавной технологии с применением зарубежных технических средств и материалов.
Представляют большой научный и практический интерес работы Р. М. Авдеева, В. Н. Белобородова, В. И. Емелина, А. Н. Ли по бестраншейному нанесению внутритрубных восстановительных и защитных покрытий окрасочным способом с использованием торообразных устройств [46, 139, 140, 192]. Тем не менее, ввиду большого износа российских трубопроводов и возможности нанесения этим способом только сравнительно тонких покрытий, область его применения ограничена нанесением защитных покрытий. В то же время основные положения этих работ по тяговым испытаниям, конструкции стенда, исследованию кинематики торообразного привода могут быть использованы и в рассматриваемой работе. Однако простой перенос результатов исследования торообразных механизмов на исследуемые в настоящей работе рукавные тороидные устройства не возможен, ввиду значительного количества принципиальных отличий в конструкции и принципе действия этих устройств.
Большой научный и практический интерес представляет работа В. В. Новосёлова [125], в которой получены результаты по исследованию армированных полимерных материалов для ремонта газопроводов высоко давления (до 10 МГТа), по расчёту на прочность и оценке надёжности бинарных конструкций полимер-сталь. Эти результаты несомненно подлежат учёту в диссертации. Однако в работе В. В. Новосёлова не рассматриваются математическая модель процесса нанесения полимерного покрытия, закономерности изменения производительности комплекса оборудования и тяговых свойств КР в зависимости от основных параметров агрегатов и трубопровода.
Интересны работы В. Н. Шихирина по торовым и рукавным преобразователям [126, 127] с позиций широкого, можно даже сказать, философского подхода по выявлению различных областей применения этих устройств, включая технику и даже космологию. Однако на данном этапе исследования эти работы пока что выполнены преимущественно на уровне идей (правда, достаточно смелых и самых разносторонних), модельных разработок и пока что не доведены до закономерностей натурных образцов и технологий. Поэтому в диссертации, в которой намечены исследования в достаточно узкой области, использование результатов этих работ не предусматривается, но будет, возможно, осуществлено в последиссертационный период, при выполнении более широких исследований.
Рассматривая различные способы нанесения внутритрубных покрытий и область их применения большое практическое значение имеют сведения о предельно допустимых характеристиках дефектов, устраняемых каждым из способов. Наиболее опасными из них являются сквозные дефекты (свищи и раковины), а основными их параметрами - линейные размеры. Какие-либо результаты исследования в этой области отсутствуют. Однако, в случае исследования композиционных покрытий может быть использована с определённой доработкой известная математическая модель прочности тканей под воздействием на них сосредоточенной нагрузки и различных концентраторов напряжений [151].
В ходе анализа результатов исследований и разработок [33, 118] в области выполнения подготовительных операций, в частности, очистки трубопроводов выявлено, что в этой области на данный момент фирмой ООО «Доркомтех-ника» выпускается достаточно эффективное очистное оборудование в виде скребков, щёток и поршней. Поэтому задачи по созданию и исследованию оборудования для очистки трубопроводов в рассматриваемой работе не ставятся. Вместе с этим в ней при исследовании производительности всего комплекса оборудования для БРТ могут быть использованы характеристики и параметры созданных этими фирмами изделий.
Разработка технических требований к стендам для исследования процесса бестраншейного ремонта трубопроводов
В случае движения рукава при постоянном давлении воздуха после прохождения локального сужения движущие усилие и скорость рукава должны восстанавливаться. В случае прохождения протяженных сужений есть основания полагать, что выражения (2.37, 2.38) и сказанное выше останутся в силе, что будет проверено в главе 4.
Выражения (2.35) составлены для горизонтального трубопровода (ф = 0), при этом, ввиду небольших уклонов реальных трубопроводов, вызванные ими увеличение или уменьшение сопротивлений движению КТР в математической модели не учитываются. Однако есть основания полагать и зарубежным опытом это подтверждено, что способ комбинированного рукава пригоден и для ремонта вертикальных трубопроводов (вентиляционных труб, мусоропроводов и внутридомовых водопроводов). В этом случае пренебрегать силами скатывания нельзя, однако все выражения (2.35) будут применимы, если в них сделаем подстановку f- = 1. В этом случае, вместо сил трения, мы должны учитывать собственный вес элементов КТР (полиэтиленового рукава и тканевой оболочки), который, действуя на его срединную часть, может их разрушить. При этом в расчётах следует учитывать, что при устройстве однослойного покрытия максимальная длина этой части будет равна половине длины захватки, т. е. L/2, а при устройстве двухслойного покрытия она может достигать величины L.
На практике каждый комплекс оборудования, как правило, эксплуатируется на ремонте нескольких типоразмеров диаметров трубопровода с вероятностью г, на каждом из них. В этом случае необходимо оперировать средневзвешенной технической производительностью, либо, что лучше, ожидаемой годовой производительностью комплекса, определяемой, как и любое математическое ожидание по известной из теории вероятностей [206] формуле П,э = J/jiy, при JTr, = 1, г, = Тт, (2.39) i=i =i J=I где Пкэ - эксплуатационная годовая производительность комплекса оборудования, м/год; г, -вероятность работы комплекса на ремонте трубопровода /"-того диаметра; П, — техническая производительность комплекса при ремонте трубопровода /-того диаметра, м/ч; и — количество типоразмеров трубопровода на ремонте которых возможна работа комплекса; Т„ Тг -продолжительности работы комплекса без учёта его простоев на ремонте трубопроводов i-того диаметра и в течение года независимо от диаметра, ч.
При проектировании комплексов оборудования должна решаться задача о количестве его типоразмеров и диапазоне диаметров трубопроводов, подлежащих ремонту конкретным типоразмером оборудования. В настоящей работе решение этой задачи не предусмотрено, так как её решение должно быть обосновано экономически и выполняться в отдельной крупной работе. Однако общие подходы к решению такой задачи рассмотреть необходимо с целью разработки исходных технических требований по выбору рациональной степени универсальности оборудования. Результаты решения этой задачи будут зависеть от характера статистического распределения объемов работ по диаметрам подлежащих ремонту трубопроводов, возможности применения, эффективности и области рационального использования альтернативных способов, годовой производительности проектируемых комплексов оборудования, себестоимости их изготовления и применения. Если объем работ в регионе по ремонту трубопроводов конкретного диаметра достаточен для полной многолетней загрузки комплекса оборудования, то имеются все основания для проектирования узкоспециализированного оборудования, если нет, то — универсального с той или иной степенью универсальности. В общем случае, это достаточно сложная многовариантная и отдельная задача, подлежащая решению с учётом распределения объемов работ, различных рисков, наличия оборудования и характеристик альтернативных способов ремонта.
При проектировании комплекса оборудования для БРТ следует обращать внимание не только на вновь изготавливаемое оборудование, но и на комплектацию серийно выпускаемым оборудованием и, в частности, компрессором с учётом его основных параметров рпр и Оп. Расчёты с использованием математической модели и выражения (2.18) показывают, что для ремонта трубопроводов диаметрами, например Z)=70- 400 мм с максимально допустимой скоростью ввода КР Ортах = 0,1 м/с компрессор должен иметь производительность Qn = 1 м3/мин, а диаметрами Z)=70-800 мм - Qn = 4 м3/мин. Однако это вовсе не означает, что во втором случае оптимальным будет комплекс оборудования с компрессором производительностью Он = 4 м3/мин. Многое будет зависеть от доли объемов ремонтных работ на трубопроводах диаметрами D=400-800 мм. Если эта доля в общем объеме работ будет небольшая, то для ремонта трубопроводов диаметрами =70-800 мм может использоваться и менее мощный компрессор, который при ремонте трубопроводов =70-400 мм будет обеспечивать максимально допустимую скорость ввода рукава, а при ремонте трубопроводов 73=400-800 мм - меньшую скорость. Кроме этого также следует иметь ввиду, что, например, уменьшение скорости ввода рукава в 2 раза в соответствии с выражением (2.33) приведёт к значительно меньшему уменьшению технической производительности комплекса оборудования. Для конкретного выбора моделей компрессоров рекомендуется использовать их каталог [159].
Выводы по параграфу: 1. Разработана математическая модель процесса БРТ способом КТР, описывающая схему выворота рукава за один его проход. Обоснованы условия, ограничения и допущения для применения этой модели.
3. Использование предложенной математической модели по п. 1 позволяет определять производительность, резервы её повышения и оптимальные параметры работы комплекса оборудования с учётом основных управляемых и неуправляемых факторов влияния, а также технических и технологических требований к качеству ремонта.
3. Обоснованы условия равноэффективного проектирования агрегатов комплекса оборудования, применение которых позволит снизить их материалоёмкость за счёт исключения необоснованных резервов и запасов прочности.
Для решения поставленной в параграфе 2.1 оптимизационной задачи бы 70 ли проанализированы различные методы оптимизации. Учитывая, что полученная в параграфе 2.3 математическая модель процесса не дифференцируема и что количество оптимизируемых параметров сравнительно невелико, а также предполагая одноэкстримальность функции, был выбран метод нулевого порядка (прямого поиска), в котором был взят за основу метод итераций. Сущность метода заключается в пошаговом изменении значений основных управляемых факторов L, Он, орт\р, вычислении для каждого их сочетания конкретного значения технической производительности комплекса агрегатов и сравнении с результатами предыдущих вычислений, с целью выбора наилучшего варианта. Блок-схема алгоритма программы приведена на рис. 2.8, 2.9.
Зависимости адгезии покрытия к стенкам трубопровода от технологического давления воздуха
Перед испытанием на поперечный изгиб идентер 3 с траверсой и опорами 1, 4, с целью настройки машины, устанавливался в соответствии с [209] таким образом, чтобы допускаемое отклонение от параллельности поверхностей было не более ± 0,05 мм. Расстояние между опорами принималось равным 80 мм и измерялось с погрешностью не более 0,2 мм. Далее был закреплён прибор для измерения прогиба в середине пролета. Затем поочередно каждый из образцов укладывался широкой стороной на опоры и приводился в соприкосновение с их верхней поверхностью нагружающий идентер. Определялось прилегание образца к поверхности опор. Если зазор между образцом и поверхностями превышал 0,1 мм, то его заменяли другим. Скорость перемещения идентера задавалась равной 10 мм/мин и записывалась максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца.
Предел прочности при поперечном изгибе, овп, кПа, определялся по известной формуле [209] где М и тах - максимальный изгибающий момент посредине образца, Нмм; W - момент сопротивления поперечного сечения образца, мм ; Fmax - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца, Н; / - расстояние между опорами, мм; Ь, 5КП - ширина и толщина образца композиционного покрытия, мм.
Статистическая обработка результатов испытания проводилась по ГОСТ 11.004-74 [218]. Небольшая часть значений определяемых показателей, не укладывающихся в границы доверительного интервала при величине доверительной вероятности 0,90 в расчёт не принималась из-за возможной грубой ошибки измерения или из-за изготовления образца с браком. Для расчета число испытанных образцов принималась равным 5. Эксперименты проводились с учётом требований безопасности при работе с эпоксидными составами [184]. Результатом работы явились зависимости разрушающей нагрузки и критической деформации при трёхосном изгибе образцов покрытия от количества армирующих слоев ткани при различных комбинациях состава эпоксидной композиции, ориентациях нитей основы и ворсовой поверхности ткани по отношению к нагрузке.
Исследование предела прочности покрытия на растяжение. Для исследования устойчивости покрытия к растягивающим напряжениям был использован ГОСТ 25.601-80 [219]. Цель исследования заключалась в кратковременном растяжении образцов композиционного покрытия с постоянной скоростью деформирования для получения значений предела прочности образца на растяжение. В качестве изменяемого фактора выбрано число армирующих слоев ткани. Основные материалы, способ и условия их приготовления оставлены такими же, как и при испытании на изгиб в 3.3: смола ЭД-20, отвердитель ЭТАП 45-М, ацетон, фильтровальная полиамидная иглопробивная ткань (арт. 56035). В отличие от изгиба образы для разрыва должны иметь размеры 250x18 мм. Кроме того, принято во всех образцах нити основы ориентировать параллельно нагрузке. Количество образцов в каждой партии принималось равным пяти. Для исключения проскальзывания в зажимах разрывной машины образцы фиксировались через накладки из ортогонально армированных стеклопластиков [220] длиной 90—100 мм. Накладки приклеивались к образцам клеем с прочностью сдвига не менее 40 МПа.
Исследования выполнялись на универсальной машине Р-05, обеспечивающей растяжение образца с постоянной скоростью перемещения активного захвата. Проверка соосности приложения нагрузки выполнялась согласно [219]. Образец в захватах машины устанавливался так, чтобы их продольные оси совпадали с прямой, соединяющей точки крепления захватов. Образец нагружали при скорости перемещения активного захвата машины 10 мм/мин до его разрушения. Если образец разрушался не от нормальных напряжений или вне рабочей зоны, то данные в расчет не принимались и образец заменялся. Предел прочности при растяжении ав, кПа, определялся по формуле
По результатам исследований строилась зависимость максимальных растягивающих образец покрытия напряжений от количества армирующих слоев.
Исследование кольцевых образцов покрытия. Эта методика позволяет более наглядно оценить прочностные свойства покрытия в трубах при воздействии диаметрально сжимающих нагрузок. Основные факторы, определяющие процесс, аналогичны испытанию на изгиб. Число армирующих слоев покрытия принято в качестве изменяемого фактора. Материалы покрытия: смола ЭД-20, отвердитель ЭТАЛ 45-М, фильтровальная полиамидная иглопробивная ткань (арт. 56035). Порядок проведения эксперимента включал следующие операции: вырезка образцов ткани, приготовление эпоксидной композиции, пропитка ткани, укладка ткани в разборную круглую форму, прижатие покрытия до окончания полимеризации, разборка формы с извлечением полученного образца и его нагружение путём сжатия прессом.
Образцы ткани вырезались трёх типоразмеров, по 5 штук в каждом, соответствующих 1, 2 и 3-х слойному покрытию для трубопровода 0105 мм: 150x420 мм; 150x660 мм; 150x990 мм. После приготовления эпоксидной композиции тканевые образцы пропитывались с учётом соблюдения соотношения количества ЭК на единицу площади ткани, равного 4 кг/м . После этого пропитанную ткань 10 (рис. 3.2) раскатывали внутри разборной формы в виде двух частей трубы 5, скреплённых между собой хомутом б и имеющих внутри слой плёнки 11. Далее в коаксиально разборной форме размещалась обёрнутая плёнкой 11 надувная резиновая камера 9 с закреплённым на ней вентилем 7 и манометром 3, которая затем накачивалась воздухом до давления 15-20 кПа [27]. Выдержка образцов покрытия велась при нормальных условиях под давлением в течение 72 часов. Дальнейшее отверждение осуществлялось без давления в течение 5 суток. Затем форма 5 разбиралась, готовые образцы извлекались и маркировались.
