Содержание к диссертации
Введение
1. Известные и существующие методы и приемы восстановления трубопроводов 10
1.1 Трубопроводы: общее состояние и повышение их надежности 10
1.2 Современные ремонтные смеси и способы их нанесения 16
Выводы по первой главе 26
2. Схемы экспериментальных установок 27
2.1 Схема лабораторной установки 27
2.2 Схема опытно-производственного стенда 31
2.3 Схема испытательного стенда 38
Выводы по второй главе 41
3. Результаты и обсуждение экспериментальных исследований 42
3.1 Материалы для изготовления торовых приводов 43
3.2. Поперечные деформации торовых приводов 45
3.3 Статика и динамика рукавов в трубопроводе 52
3.4 Движение торовых приводов в трубопроводе 62
3.5 Условия синхронности движения рукавов 70
3.6 Проверка адекватности предложенной математической модели 3.6.1 Алгоритм расчета основных параметров нанесения покрытия78
3.6.2 Практическая реализация задачи покрытия трубы цементным раствором 85
3.7 Основные физико-механические и эксплуатационные характеристики
покрытия
3.7.1 Влияние условий твердения цементного раствора на физико механические свойства защитного покрытия 89
3.7.2 Эксплуатационные характеристики защитного покрытия...93
Выводы по третьей главе 97
4. Разработка технологической схемы нанесения покрытия торовыми внутритрубными приводами и оценка ее экономической эффективности 99
4.1 Определение области наибольшей эффективности применения предложенного способа покрытия трубопроводов 99
4.2 Общая технологическая схема нанесения покрытия 103
4.3 Программная реализация алгоритма расчета основных параметров нанесения покрытия 105
4.4 Проект технологической карты на производство работ по покрытию трубопроводов торовыми внутритрубными приводами 105
4.5 Эколого-экономическая эффективность использования разработанного способа покрытия трубопроводов 112
Основные выводы по работе 115
Список использованных источников
- Современные ремонтные смеси и способы их нанесения
- Схема опытно-производственного стенда
- Статика и динамика рукавов в трубопроводе
- Общая технологическая схема нанесения покрытия
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из критических инженерных систем города являются трубопроводные сети жилищно-коммунального хозяйства, в том числе сети водоснабжения и водоотведения, общая протяженность которых на территории РФ - свыше 786 тыс. км. Средние значения физического износа трубопроводов, при этом, достигают 60-70 %. Процессы активного разрушения сетей ЖКХ лежат в основе комплекса взаимосвязанных негативных последствий технического, социально-экономического и экологического характера.
Существующие темпы замены и реконструкции изношенных сетей значительно ниже необходимых, что приводит к систематической подмене планово- предупредительных работ аварийно-восстановительными. Многие участки трубопроводной сети, таким образом, не обеспечивают соблюдение заданных параметров функционирования, что приводит к снижению качества обслуживания потребителей в целом.
Сложившаяся ситуация во многом объясняется высокой стоимостью работ по замене трубопроводов. В то же время, наблюдаемая сегодня тенденция перехода к экономичным методам бестраншейного восстановления трубопроводов также не позволяет существенно увеличить темпы ремонтно- восстановительных работ.
Рядом преимуществ перед другими технологиями бестраншейного ремонта трубопроводов обладают методы, основанные на формировании защитных покрытий из жидких смесей. Однако и они имеют ограниченную сферу применения, прежде всего ввиду сложности организации эффективного процесса нанесения такого покрытия на внутреннюю поверхность трубы, что подтверждает актуальность проведения исследований в области совершенствования существующих технологий бестраншейного восстановления трубопроводов, сущность которых определяет надежность и экономическую эффективность осуществляемых ремонтных работ.
Настоящая работа является частью исследовательской работы научной школы ЮРГТУ (НПИ) «Разработка и внедрение инновационных и модернизация существующих технологий в области водоснабжения, водоотведения и гидротехнических сооружений». Тема исследований входит в план научно- исследовательских работ кафедры «Водное хозяйство предприятий и населенных мест». Выполненные исследования соответствуют целям и задачам «Стратегии развития жилищно-коммунального комплекса Ставропольского края на период до 2020 года», действующей краевой целевой программы «Модернизация жилищно-коммунального комплекса Ставропольского края на 2013-2015 годы».
Цель работы. Повышение надежности сетей водоснабжения и водоотве- дения путем совершенствования основанной на использовании торовых приводов технологии бестраншейного восстановления трубопроводов, обеспечивающей снижение шероховатости внутренней поверхности трубопроводов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ современного состояния, методов и оборудования для восстановления трубопроводов путем нанесения покрытий различных типов;
определение технологических особенностей реализации бестраншейного восстановления трубопроводов с использованием торовых приводов;
разработка общей методики и обоснование расчетных выражений для определения технологических параметров восстановления в зависимости от характеристик трубопровода, ремонтной смеси и применяемого оборудования;
обоснование оптимальных технологических параметров процесса формирования покрытия внутри трубы в зависимости от состава и свойств используемой цементно-песчаной смеси;
определение шероховатости и коэффициентов гидравлического сопротивления трубопроводов, восстановленных путем нанесения покрытия с использованием торовых приводов;
установление основных физико-механических и эксплуатационных характеристик покрытия труб в зависимости от условий его формирования;
оценка эколого-экономической эффективности разработанной технологии восстановления трубопроводов.
Основная идея работы состоит в повышении надежности функционирования и снижении потерь напора в трубопроводах водоснабжения и водоотве- дения за счет внедрения технологии бестраншейного восстановления трубопроводов с применением торовых приводов.
Методы исследования включали аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе, проводимые лабораторные и опытно-производственные исследования, моделирование исследуемых процессов, автоматизированную обработку полученных экспериментальных данных с применением программных пакетов wxMaxima 0.8.5., Microsoft Office Excel 2007.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций для практического применения подтверждается использованием утвержденных научно- обоснованных методов анализа, применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, большим объемом экспериментальных данных и их высокой сходимостью с расчетными значениями.
Научная новизна:
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность формирования внутритрубных покрытий на основе цемента с использованием торовых приводов;
установлены функциональные зависимости, связывающие длительность и основные динамические параметры процесса нанесения покрытия (скорость и ускорение разворачивания рукавов) с исходными характеристиками восстанавливаемого трубопровода, ремонтной смеси и применяемого при восстановлении оборудования;
установлены оптимальные гидравлические характеристики восстановленных с использованием торовых приводов труб;
получены зависимости для расчета закономерностей взаимосвязи во- доцементного отношения ремонтной смеси и давления твердения с прочностью материала покрытия на растяжение и изгиб, прочностью сцепления со сталью и водопоглощением;
обоснован рациональный интервал коэффициента гидравлического трения при течении жидкости (число Рейнольдса (150 - 250) * IO3) в трубопроводах с покрытиями.
Практическое значение работы:
Предложен проект технологической карты на производство работ по покрытию трубопроводов с использованием торовых внутритрубных приводов. Результаты выполненных исследований послужили основой для разработки методики расчета основных параметров нанесения покрытия с использованием торовых приводов и программной реализации указанной методики.
Реализация результатов работы. Разработанная технология бестраншейного восстановления трубопроводов внедрена предприятием ООО «Краснодар Водоканал», г. Краснодар (акт внедрения прилагается).
Результаты диссертационной работы использованы кафедрой «Водное хозяйство предприятий и населенных мест» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования цементно-песчаного внутритрубного покрытия с использованием торовых внутритрубных приводов;
методика расчета входных и динамических параметров санирования;
результаты экспериментальных исследований физико-механических и гидравлических характеристик формируемого покрытия;
технологическая карта на производство работ по покрытию трубопроводов торовыми внутритрубными приводами;
- эколого-экономическая оценка эффективности разработанной технологии восстановления трубопроводов.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на IT-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2010 г.); IV Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (г. Москва, 2011 г.); IV Всероссийской заочной научно-практической конференции «Актуальные научные проблемы» (г. Екатеринбург, 2011 г.); Международной заочной научно- практической конференции «Инновации и современная наука» (г. Новосибирск, 2011 г.); TV Международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки» (г. Москва, 2011 г.); Il международной научно- практической конференции «Теоретические и практические аспекты развития современной науки» (г. Москва, 2011 г.); V Международной научно- практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук», (г. Москва, 2012 г.); IV Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки» (г. Москва, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ общим объемом 4,1 п.л., в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад соискателя: постановка проблемы; разработка и создание экспериментальной базы и методов исследований; подготовка новых технических решений, их теоретическое обоснование и экспериментальная проверка; систематизация, обработка и анализ полученных результатов; обоснование и формулировка представленных научных положений и выводов; участие во внедрении результатов исследований в практику проектирования.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и трех приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, включает 23 таблицы, 37 рисунков. Библиографический список содержит 130 наименований.
Современные ремонтные смеси и способы их нанесения
Диаграмма, поясняющая текущее и прогнозное состояния сетей водоотведения СК с указанием оптимистического и пессимистического сценариев (по годам): красная область - протяженность аварийных сетей водоотведения; оранжевая - оптимистический прогноз; синяя пессимистический прогноз Из анализа рисунка 1.2 очевидно, что сохранение существующих темпов замены ни при каких обстоятельствах не позволит закончить реконструкцию аварийных сетей водоотведения к 2020 году.
Сложившаяся ситуация, по нашему мнению, во многом объясняется традиционно высокой стоимостью работ по замене трубопроводов [6]. До настоящего времени предпочтение при выборе способа ведения работ отдается открытым методам перекладки сетей [7]. Стоимость такого ремонта для участка водопровода длиной 1 м, диаметром 200 мм, в условиях плотной городской застройки (по данным разд. 7 Концепции Федеральной целевой программы «Чистая вода» на 2011 - 2017 годы) составляет 100 тыс. рублей.
В то же время, ремонт и реконструкция сетей могут осуществляться не только открытым, но и закрытым (бестраншейным) способом [8]. Совершенно очевидно, что бестраншейные методы восстановления трубопроводов обладают рядом основополагающих преимуществ перед открытыми методами [9]. Они позволяют беспрепятственно проводить ремонт подземных коммуникаций в условиях сложного рельефа, специфических грунтов, в плотной жилищной застройке, при прохождении трассы под автомагистралями [10], трамвайными путями и пр. Их использование сокращает сроки и объемы организационно-технических согласований перед началом работ [11, 12].
Подробно остановимся на бестраншейном восстановлении разрушенных труб. Следуя классификации, предложенной в [13], подразделим бестраншейные способы восстановления труб на две группы, к первой из которых отнесем санацию существующих трубопроводов, а ко второй -бестраншейную замену труб (с предварительным разрушением имеющейся трубы). Последние применяют при необходимости увеличения пропускной способности трубопровода, не возникающей при восстановлении трубопроводов в условиях сложившейся городской застройки [14]. Очевидно, наибольший потенциал развития заложен в методах первой группы. К ней относятся менее энергоемкие, экономичные способы ремонта и реконструкции сетей, использование которых является сегодня наиболее перспективным направлением восстановления изношенных трубопроводов [15].
Анализ практики эксплуатации сетей водоснабжения показывает, что нарушения нормального уровня водообеспечения потребителей связаны в основном с авариями на участках трубопроводов [16]. Остановимся более подробно на причинах аварий. Как правило, к ним относятся [17, 18]: - внешние физические воздействия на трубопроводы (деформации грунтов, воздействие внешних транспортных нагрузок и пр.); - нарушение норм и правил производства работ при строительстве, отступление от проектных решений; - коррозионное разрушение материала труб; - нарушение технических условий при изготовлении труб; - ошибочные действия эксплуатационного и ремонтного персонала, в том числе ведущие к возникновению гидроударов.
Согласно данным [19], разрушение стальных трубопроводов связано с образованием свищей (60 %), электрокоррозией (23 %), нарушением стыковых соединений (15 %), разрывом труб и фасонных частей (2 %).
Основные виды повреждений стальных трубопроводов (образование свищей, электрокоррозия) обусловлены коррозионными процессами различных типов, протекающими как на внешней, так и на внутренней поверхности трубы, одной из причин которых являются нарушения в процессе водоподготовки [20]. При транспортировании воды с отрицательным индексом насыщения внутренние стенки активно корродируют, в обратном случае на стенках трубопровода возникают карбонатные отложения, нарастание которых влечет за собой уменьшение живого сечения трубы [21].
Характерные для современного состояния сетей ЖКХ процессы увеличения износа и активного разрушения сетей водоснабжения лежат в основе комплекса взаимосвязанных негативных последствий технического, социально-экономического и экологического характера [22, 23].
Сохранение трубопроводной сети и обеспечение надежности транспортировки воды Обеспечение безаварийной транспортировки воды предусматривает сохранение, а в случае необходимости и своевременное восстановление нарушенной целостности труб. Согласно данным [24, 25], в настоящее время в РФ сложилась достаточно устойчивая структура распределения объемов работ между различными способами бестраншейного восстановления трубопроводов [26] (таблица 1.2). В соответствии с процентным распределением, приведенным в таблице 1.2, лидером среди применяемых способов восстановления является метод протаскивания нового относительно твердого трубопровода в поврежденный старый и его модификации.
Структура распределения объемов работ между различными способами бестраншейного восстановления трубопроводов Удельный вес, % Способ(ы) восстановления 5-8 использование комбинированного рукава, позволяющего формовать новую композитную трубу внутри старой 8-Ю нанесение покрытий различных типов на внутреннюю поверхность ремонтируемого трубопровода 76-82 протаскивание нового относительно твердого трубопровода в поврежденный старый (с заполнением промежутка между трубами тампонажным раствором); закрепление гибких элементов из листового материала либо рулонной навивки на внутренней поверхности старого трубопровода 2-4 протаскивание относительно гибкой, предварительно сжатой полимерной трубы внутрь старого ремонтируемого трубопровода; протаскивание относительно гибкой, заранее сложенной полимеоной тоубы BHVTDb стаоого оемонтиоуемого трубопровода
В значительно меньшей степени используются методы, связанные с нанесением специальных покрытий на внутреннюю поверхность трубопровода, использованием комбинированного рукава, а также протаскивания относительно гибких полимерных труб внутрь ремонтируемого трубопровода. Хотя решение о целесообразности применения того или иного способа восстановления в каждом случае требует подробного рассмотрения объекта и условий его функционирования [27, 28].
Обобщая известные способы восстановления трубопроводов, покажем основные пути решения задачи ремонта труб бестраншейными методами (рисунок 1.3). Анализ рисунка 1.3 позволяет явно выделить среди способов восстановления две различные группы: способы, использующие в процессе восстановления трубы или элементы труб заводского изготовления, и способы, позволяющие формировать защитный слой из жидких смесей непосредственно на месте проведения работ.
Схема опытно-производственного стенда
Экспериментальные исследования производили в следующем порядке. Зависимость времени наполнения камеры от площади поперечного сечения подающей магистрали, величины требуемого конечного давления в камере и поддерживаемого магистрального давления исследовали при демонтированном рукаве, предварительно герметизируя камеру. Во всех экспериментах этой серии, кроме посвященного исследованию влияния диаметра подающей магистрали на время наполнения камеры, указанный диаметр сохраняли постоянным, равным 6 мм. В первом случае эксперименты проводили для трех различных требуемых величин давления в камере (0,2; 0,4; 0,6 МПа), при этом диаметр подающей магистрали изменяли в диапазоне от 2 до 10 мм с шагом в 2 мм. Магистральное давление поддерживали на постоянном уровне равным 0,7 МПа. Во втором случае эксперименты проводили для трех различных величин магистрального давления (0,6; 0,7; 0,8 МПа); величину требуемого давления изменяли в диапазоне от 0,2 МПа до максимальной, равной магистральному давлению опыта, с шагом 0,1 МПа. В третьем случае опыты ставили для трех различных величин создаваемого в камере давления (0,4; 0,5; 0,6 МПа); значение магистрального давления изменяли в диапазоне от 0,4 до 0,8 МПа с шагом 0,1 МПа. Достижение требуемой величины давления во всех случаях фиксировали по показаниям манометра, установленного на рабочей камере; для измерения времени, затраченного на его установление, использовали секундомер СОСпр-2б-2-000, поверенный в соответствии с [88].
Исследование зависимости длины вывернутого в трубопроводе рукава от времени производили с использованием гладкого цилиндрического рукава диаметром 100 мм, изготовленного из силиконовой пластины. Диаметр подающей магистрали равнялся 10 мм; коэффициент сопротивления пневматической линии - 90. Эксперименты проводили при различных величинах магистрального давления для свободно и нагруженно выворачивающегося рукава (для двух уровней нагружения - 0,3 и 0,6 МПа), а также при постоянном магистральном давлении 0,8 МПа для различных величин давления сопротивления (0,1; 0,2; 0,4; 0,6 МПа). Нагружение рукава осуществляли путем нагнетания в герметизированный отрезок трубы сжатого воздуха до достижения заданного давления сопротивления, контролируемого по показаниям манометра рабочей камеры. Длину вывернутого в трубопроводе рукава измеряли через каждые 2 с в течение 10 с при помощи закрепленной на образце прозрачной трубы металлической измерительной ленты. Секундомер запускали одновременно с началом выворачивания рукава.
Зависимость критического давления выворачивания рукава от степени его нагружения исследовали с использованием гладкого цилиндрического рукава диаметром 100 мм, изготовленного из прорезиненной ткани. Нагружение рукава осуществляли путем создания в отрезке трубы между двумя раздутыми рукавами (один из которых выполнял роль запирающего элемента, препятствующего растеканию раствора) пробки цементного раствора различного объема. В запирающем рукаве при этом поддерживали различные уровни давления (от 0,15 до 0,25 МПа с шагом 0,05 МПа). Использовали цементный раствор одного замеса (В/Ц = 0,35, П/Ц = 1,2; осадка конуса - 6 см, объемный вес 1350кг/м0 Загрузку цементного раствора в трубу осуществляли следующим образом. Вначале запирающий рукав разворачивали вплотную до соприкосновения его со вторым рукавом, затем его сворачивали на длину формируемой пробки цементного раствора, одновременно подавая этот раствор в трубу. Такой метод загрузки раствора позволил избежать скапливания в верхней части трубы трудноудалимых включений воздуха, а также предотвратить уплотнение смеси в трубе. После введения в трубу заданного объема цементного раствора в нагруженный рукав подавали сжатый воздух. Фиксировали момент начала выворачивания рукава, соответствующее ему давление выворачивания измеряли с помощью манометра, установленного на камере запуска рукава.
По аналогичной методике исследовали зависимость скорости выворачивания нагруженного пробкой раствора рукава от длины этой пробки. По мере выворачивания нагруженного рукава в трубе запирающий рукав, сматывая, выводили из трубы. Скорость сматывания рукава предварительно определяли расчетным путем для полученного экспериментально значения минимального давления выворачивания. В качестве контрольных испытаний производили эксперименты для скоростей сматывания рукава в 1,5 раза меньше и больше расчетных.
Практическую реализацию нанесения цементного покрытия на образцы стальной трубы производили в соответствии с произведенным расчетом оптимальных конструктивных параметров рукавов для используемой покрывающей смеси и иных условий. Для каждой экспериментальной серии, заданной определенным набором входных данных, производили три параллельных независимых опыта.
При этом исследуемый целостный процесс подразделяли на две стадии. Вначале рассматривали процесс изготовления реперных элементов. Определяли достаточное время схватывания реперных элементов; контролировали отсутствие поперечных деформаций ступенчатого рукава при соблюдении расчетных значений параметров нанесения смеси. Эксперимент осуществляли с использованием совокупно ступенчатого рукава, изготовленного из прорезиненной ткани и силиконовой пластины и гладкого цилиндрического рукава, изготовленного из силиконовой пластины. Подготовительную стадию разворачивания рукавов в трубопроводе и загрузки рассчитанной порции смеси осуществляли так же, как и при исследовании зависимости критического давления выворачивания рукава от степени его нагружения. Сматывание запирающего рукава осуществляли с расчетной скоростью, синхронно с самопроизвольным выворачиванием ступенчатого рукава. Время, потребное для формирования реперных элементов на образце трубы заданной длины, измеряли секундомером. После полного выворачивания ступенчатого рукава его оставляли надутым в отрезке трубы до затвердевания реперных элементов. Извлечение рукава из трубы производили не менее чем через 1 час и не более чем через 2 часа 15 мин [89].
Измерение толщины реперных элементов производилось с помощью магнитного толщиномера Константа К5 (№ 4787). Разнотолщинность высших точек реперных элементов определяли по результатам измерений, выполненных в четырех точках для двух поверхностей на каждом из концов трубы (в диаметрально противоположных сечениях). Ошибку определения расхода смеси на формирование реперных элементов определяли как разность между объемом предусмотренной изоляционной пробки длиной 5 см и излишним объемом смеси, вытесненным рукавом из трубопровода.
При исследовании второй стадии процесса формирования покрытия ступенчатый рукав выводили из трубы одновременно с заполнением промежутков между реперными элементами цементным раствором. В течение времени схватывания реперных элементов, поддерживаемых ступенчатым рукавом, во второй камере запуска монтировали гладкий цилиндрический рукав уменьшенного сечения, изготовленный из прорезиненной ткани. Между ступенчатым и гладким рукавами загружали расчетную порцию раствора. В полость гладкого рукава нагнетали сжатый воздух, он самопроизвольно выворачивался; ступенчатый рукав сматывали. Фиксацию и измерение затраченного на выворачивание времени осуществляли так же, как и для первой стадии. Гладкий рукав уменьшенного сечения после полного выворачивания оставляли в трубе надутым не менее чем на 3 часа. После этого воздух из рукава спускали, рукав извлекали из трубы. Производили измерение толщины покрытия (с помощью магнитного толщиномера Константа К5), определяли разнотолщинность покрытия.
Статика и динамика рукавов в трубопроводе
Для рукавов и участков рукавов, внутренний диаметр которых равен наружному диаметру трубопровода, налицо ограниченность формоизменения, предупреждаемого стенками трубопровода. Однако для участков уменьшенного сечения на ступенчатом рукаве, а также для рукавов уменьшенного сечения, используемых при заполнении промежутков между реперными элементами на второй стадии нанесения покрытия, указанная проблема имеет большую значимость. Возможные деформации гибких приводов на первой и второй стадии нанесения покрытия, обусловленные воздействием на них ремонтной смеси, находящейся в трубе, показаны на рисунке 3.1.
Возможная на первой стадии покрытия деформация участка уменьшенного диаметра на ступенчатом рукаве (рисунок 3.1, а) приводит к нарушению проектных размеров реперных элементов, изменению их формы. Всплытие рукава на второй стадии (рисунок 3.1, б), при заполнении промежутков между реперными элементами ремонтной смесью, может привести к смятию и застреванию его в трубопроводе, последующему разрыву. Изгиб рукава в твердеющем цементном растворе (рисунок 3.1, в) влечет за собой формирование неоднородного, волнообразного покрытия.
Нормальное состояние и возможные деформации рукавов в ходе нанесения покрытия: а) - первая стадия, изгиб участка уменьшенного диаметра на ступенчатом рукаве; б) - вторая стадия, всплытие рукава на участке между двумя реперными элементами; в) - вторая стадия, изгиб рукава в промежутке между двумя реперными элементами Очевидно, что ни одна из описанных деформаций недопустима. В то же время, предупреждение их развития в ходе покрытия трубопровода требует тщательного предварительного определения таких параметров, как давление, поддерживаемое в рукавах, материал исполнения рукавов, а также протяженность промежутков между реперными элементами (определяемая конструкцией ступенчатого рукава). Для установления указанных величин необходимо, в первую очередь, произвести расчет распределенной нагрузки, оказываемой на рукава ремонтным раствором.
Расчет нагруженного состояния цилиндрических пневмоторовых элементов представляет собой, в общем случае, достаточно сложную задачу. В практических приложениях [99] он, как правило, сводится к расчету плоской упругой гибкой нити. Однако для рассматриваемой задачи подобный подход неприемлем в силу ряда факторов. Он не позволяет адекватно учесть размеры пневмоторового элемента, отразить его переменный диаметр и воздействие на него сложной распределенной нагрузки. Исследуемые цилиндрические оболочки, нагруженные поперечной нагрузкой и работающие в целом на изгиб, более целесообразно моделировать как пневматические балки одинарного кругового сечения [100].
Выполним расчет распределенной силы, с которой ремонтный состав, находящийся в трубопроводе, воздействует на рукав уменьшенного сечения (участок ступенчатого рукава уменьшенного сечения). Для осуществления расчета рассмотрим сечение трубы радиусом R с находящимся в ней рукавом уменьшенного сечения (рисунок 3.2). Цветом на рисунке показан ремонтный раствор, содержащийся в кольцевом зазоре между рукавом и трубой.
Введем систему координат X0Y, совместив оси ОХ и 0Y, соответственно, с горизонтальной и вертикальной осями симметрии рассматриваемого сечения. Выделим на кольцевом элементе рукава элементарный участок da) = г da дуги AD. Сила dP, с которой на этот участок воздействует раствор, основана на гидростатически передаваемом давлении жидкости и направлено нормально к поверхности рукава [101].
Очевидно, что в рассматриваемом случае вектор dPx для каждого элементарного участка дуги DAB уравновешен равным по модулю, но противоположным по направлению вектором, воздействующим на дугу BCD. Вертикальные составляющие (соответственно, для дуг ABC и ADC) скомпенсированы лишь частично. При этом на дугу ADC воздействует сила PADC, положительная в проекции на ось 0Y, на дугу ABC - отрицательная в проекции на ось 0Y сила РАВС Выразим модуль силы dP через гидростатическое давление р: dP = р da) = pgh da), (3.3) где р - плотность смеси, кг/м ; д - ускорение свободного падения, 9,81 м/с ; h -глубина погружения центра тяжести элементарного участка дуги da). Для дуги AD переменная величина h для каждого угла а может быть вычислена как:
Рассмотрим элементарный участок da) дуги ВС. Следуя той же логике рассуждений, что и в предыдущем случае, запишем: PABC = nrpg(R-r). (3.13) Исходя из (3.8) и (3.13), вычислим равнодействующую сил, приложенных к верхней и нижней дугам элементарной окружности: Ps =пг2рд. (3.14)
Направление вектора Р2 совпадает с положительным направлением оси 0Y. На практике это означает, что цементный раствор принуждает рукав к изгибу, постепенно стекая в нижнюю часть трубы.
Переходя от плоского сечения к объемному рукаву, учтем распределенный характер формируемой раствором равномерной нагрузки. Полная сила Q и максимальный изгибающий момент М, создаваемые распределенной нагрузкой Р2, составят [102]: Q=PfL, (3.15) M = Q\, (3-16) где L - длина рассматриваемого участка рукава, м. Для случая, изображенного на рисунке 3.1, a, L представляет собой длину участка уменьшенного сечения на ступенчатом рукаве; для случаев, показанных на рисунке 3.1, б, в, L - это расстояние между двумя ближайшими реперными элементами, сформированными на поверхности трубы.
Выпишем три основных условия устойчивости, которым должна удовлетворять пневмобалка одинарного кругового сечения, в которой поддерживается постоянное избыточное давление газа Р [103, 104]. Это условие кольцевой прочности: условие продольной прочности: допускаемые продольные и кольцевые натяжения в материале пневмобалки, Н/м. Совокупность трех условий (3.17) - (3.19) позволяет, при известных значениях максимального изгибающего момента М, получаемого из (3.14), и радиуса рукава, рассчитать необходимое для устойчивости рукава к внешней нагрузке внутреннее избыточное давление и определить критические показатели прочности пригодного для изготовления рукава материала.
На рисунках 3.3 - 3.4 показаны зависимость максимального изгибающего момента М от L и зависимость минимально необходимого для поддержания устойчивости рукава избыточного давления от изгибающего момента М (графики построены в предположении р=1300 кг/м ).
Общая технологическая схема нанесения покрытия
Полученные графические зависимости имеют выраженный максимум, положение которого в диапазоне диаметров определяется величиной давления питания, а величина - производительностью компрессора. Сравнивая рисунки 4.1 и 4.2, легко заметить, что максимальная длина подлежащего восстановлению участка соответствует Ду 400. При этом значения указанной максимальной длины различаются более чем в 1,6 раза, что объясняется разностью в производительности рассматриваемых компрессорных установок (более чем в 2,3 раза). Зависимость, изображенная на рисунке 4.3, иллюстрирует вывод о сдвиге максимума при изменении давления питания: действительно, для давления в 0,5 МПа максимальная длина подлежащего восстановлению участка соответствует Ду 700. При этом уменьшение величины давления питания приводит к крайне резкому падению максимальных длин при уменьшении диаметра восстанавливаемого трубопровода.
Сказанное позволяет зафиксировать следующие общие рекомендации по процедуре выбора оптимальной компрессорной установки для восстановления участка трубопровода заданных диаметра и длины: 1) для протяженных (свыше 500 м) участков трубопроводов большого диаметра (0 800 мм) рр.комен льется использовать тчысокоттпоизволительные винтовые компрессорные установки, обеспечивающие невысокие значения давления питания (до 0,6-0,7 МПа); 2) для участков трубопроводов малого диаметра (0 800 мм) и небольшой протяженности (до 500 м) рекомендуется использовать поршневые компрессорные установки, обеспечивающие достаточно высокие значения давления питания (от 0,8-1,0 МПа).
Сформулированные общие рекомендации не являются точными указаниями к определению оптимальной компрессорной установки; в каждом конкретном случае необходимо производство сравнительного анализа нескольких установок, попадающих в рекомендованный диапазон, с целью определения наиболее подходящего и экономически обоснованного решения.
Одним из важнейших показателей эффективности применения того или иного способа восстановления трубопроводов является продолжительность прекращения подачи транспортируемого продукта по трубопроводу [122]. Особенно значителен этот фактор в случае невозможности обеспечения снабжения потребителей указанным продуктом на время ремонтных работ. При использовании известных методов формирования цементно-песчаного покрытия (кроме метода ZM) наибольшие временные затраты (не менее 24 часов и около 80% от общей продолжительности работ) приходятся на этап твердения нанесенного покрытия. Основной задачей оптимизации технологической схемы, таким образом, является минимизация временных затрат на твердение покрытия.
Осуществление подобной минимизации за счет внесения изменений в состав покрывающей смеси затруднительно ввиду строгости предъявляемых к нему санитарно-гигиенических требований, предусматривающих недопустимость введения в рецептуру смеси каких-либо модифицирующих добавок. Решение поставленной задачи, базирующееся на изменении технологических условий покрытия трубопровода при использовании для его осуществления торо-вых внутритрубных приводов, предложено в [123].
Использование предложенного устройства для нанесения цементного раствора предусматривает выполнение работ по покрытию в соответствии с выбранным способом, и позволяет осуществлять транспорт перекачиваемого продукта на стадии твердения покрытия внутри рукава уменьшенного сечения. Предложенное техническое решение позволяет сохранить или даже увеличить продолжительность твердения покрытия, обеспечив при этом минимальное время отсечения восстанавливаемого участка от сети.
Общая технологическая схема производства работ по покрытию трубопроводов, приведенная на рисунке 4.4, наглядно иллюстрирует достигаемый эффект экономии времени отключения восстанавливаемого участка от основной сети.
Принципиальная схема производства работ по покрытию участка трубопровода (с минимизацией времени прекращения транспорта перекачиваемого продукта) Обеспечение минимального времени отключения восстанавливаемого участка достигается за счет осуществления транспорта перекачиваемого продукта внутри рукава уменьшенного сечения, который может быть выполнен из любого материала, удовлетворяющего санитарно-гигиеническим требованиям. Рукав может вводиться дополнительно, выполняя изоляционную роль, хотя возможно использование и непосредственно ремонтного рукава.
Алгоритм расчета основных параметров нанесения покрытия с использованием торовых приводов, изложенный в 3.6.1, позволяет с достаточной точностью и полнотой определить спектр величин, от которых зависят и которыми определяются ход санирования трубопровода и его конечный результат. Однако выполнение расчета в соответствии с алгоритмом связано с существенными вычислительными затруднениями. Потребности же решения практических задач ставят нас перед необходимостью выполнения расчетов в сжатые сроки, особенно в случае анализа нескольких альтернативных вариантов осуществления процесса покрытия (для разных типов компрессорных установок, толщин покрытия и пр.).
Для преодоления описанных затруднений предложена программная реализация алгоритма расчета основных параметров нанесения покрытия с использованием торовых приводов (приложение 1, [124]). Программное решение спроектировано с использованием системы компьютерной алгебры Maxima (распространяемой пг откпмтой ттштенчии ОРТЛ. тіятбоп котопой. помимо доступности, удобства применения и широкого спектра полезных расширений, обусловлен легкой портируемостью и платформенной независимостью. Конечный программный продукт может быть интерпретирован на любой аппаратно/операционной системе, что обеспечивает удобство его использования в практических приложениях.
