Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор технического состояния самотечных водоотводящих трубопроводов и пути повышения их эффективной работы 12
1.1 Общее состояние водоотводящих сетей и анализ факторов, дестабилизирующих их функционирование 12
1.2 Реализуемые на практике мероприятия по обновлению водоотводящих сетей путем использования различных строительных материалов 31
1.3 Постановка задачи исследований по интенсификации работы безнапорных водоотводящих сетей в период их реновации полимерными материалами с учетом требований гидравлики и обеспечения прочностных свойств 34
1.4 Краткие выводы по главе 1 36
Глава 2. Анализ наиболее эффективных материалов и технологий бестраншейного восстановления безнапорных водоотводящих сетей. Подходы к гидравлическому и прочностном расчёту трубопроводов 38
2.1 Технологии реновации водоотводящих сетей с использованием полимерных материалов 38
2.2 Подходы к гидравлическому расчету безнапорных сетей 43
2.3 Подходы к прочностному расчету трубопроводов, прокладываемых в траншеях и при бестраншейной реновации старых сетей 47
2.4. Краткие выводы по главе 2 53
Глава 3. Экспериментальные исследования по определению гидравлических характеристик безнапорных трубопроводов, выполненных из различных материалов 54
3.1 Обоснование необходимости проведения натурных исследований по гидравлической совместимости участков трубопровода из различных материалов при бестраншейном строительстве 54
3.2 Описание опытной установки. Методика проведения исследований 56
3.3 Разработка методики проведения экспериментов, алгоритма и автоматизированной программы сопровождения экспериментальных исследований и построения гидравлических зависимостей 59
3.4 Серия экспериментов на прямолинейных участках трубопроводов 63
3.5 Серия экспериментов на искривленных участках трубопровода 70
3.6 Краткие выводы по главе 3 75
Глава 4. Обеспечение прочностных показателей трубопроводов в период проведения ремонтных работ бестраншейными методами 77
4.1 Обеспечение прочности двухслойных трубных конструкций и усилий протягивания нового трубопровода внутрь старого 77
4.2 Пути предотвращения избыточных нагрузок на протаскиваемый трубопровод в целях исключения его деформации и возможного удлинения путем забутовки межтрубного пространства 82
4.3 Разработка алгоритма и автоматизированной программы сопровождения прочностных расчетов при бестраншейной реновации трубопроводов 94
4.4 Интерпретация результатов прочностных расчётов с использованием автоматизированной программы 98
4.5 Краткие выводы по главе 4 113
Глава 5. Оценка влияния на гидравлический режим водоотводящей сети ремонтно-восстановительных работ по протягиванию полимерных труб в старые трубопроводы и определение диапазонов дестабилизации гидравлических характеристик
5.1 Теоретические проработки по определению гидравлических параметров при проектировании ремонтных работ на трубопроводной сети и практическая реализация их в автоматизированном режиме .
5.2 Интерпретация результатов работы по оценке совместимости старых и новых участков трубопроводной сети с помощью автоматизированной программы .
5.3. Краткие выводы по главе 5
Общие выводы
Список литературы
- Реализуемые на практике мероприятия по обновлению водоотводящих сетей путем использования различных строительных материалов
- Подходы к гидравлическому расчету безнапорных сетей
- Описание опытной установки. Методика проведения исследований
- Пути предотвращения избыточных нагрузок на протаскиваемый трубопровод в целях исключения его деформации и возможного удлинения путем забутовки межтрубного пространства
Реализуемые на практике мероприятия по обновлению водоотводящих сетей путем использования различных строительных материалов
Мировая практика эксплуатации водоотводящих сетей показывает, что одними из наиболее распространенных методов реновации старых безнапорных трубопроводов является протягивание в них полимерных труб, а также нанесение на внутреннюю поверхность ветхих трубопроводов различного рода внутренних защитных покрытий (оболочек), например, полимерных рукавов [30]. Используемые для реновации старых трубопроводов строительные материалы (трубы и защитные покрытия) необходимо рассматривать как прямой фактор обеспечения защитного барьера между транспортируемой жидкостью и окружающей средой. При этом защитный материал трубопровода должен быть стойким к периодической чистке трубопроводов потоками воды или скребковыми устройствами от осевших ранее на стенках восстановленных трубопроводов взвесей, образовавшихся биоплёнок, мигрирующих бугорков коррозии и твердого осадка [31].
Однако практика эксплуатации не всегда подтверждает ожидаемую эффективность, а возникающие проблемы в работе водоотводящих сетей, восстановленных полимерными трубами или полимерными рукавами, могут быть вызваны рядом факторов, в частности [32]: -неправильным выбором материала труб (защитных покрытий) для реновации ветхих трубопроводов (например, несоответствие качества труб требованиям ГОСТ); -отсутствием обоснования требуемой толщины стенок труб (слоя защитных покрытий) и проверочных расчетов по прочностным параметрам, обеспечивающим долговременную и надежную работу двухслойных трубных конструкций и отвечающим фактическим внешним и внутренним нагрузкам, воздействующим на трубопровод; -отсутствием или недостаточным вниманием к обеспечению условий гидравлической совместимости старых и новых участков восстановленных трубопроводов; например, по данным ОАО «Мосводоканал» 14-16 % случаев выхода водоотводящей сети из нормальной работы происходило по причине неблагоприятного её гидравлического режима работы, связанного с засорением проходного сечения трубопроводов, отсутствием учета последствий возможного сужения живого сечения трубопровода (при протягивании в старый трубопровод нового с меньшим диаметром) [33]; -несоблюдением регламентированных правил технологии производства работ по укладке и монтажу водоотводящих трубопроводов (защитных покрытий) в период реновации, а также иных требований по обеспечению нормальных условий работы такого специфического материала как термопласты (например, учета теплового расширения, обоснования забутовки межтрубного пространства при протягивании в старый трубопровод нового из полимерных материалов, а также степени адгезии используемых защитных материалов и т.д).
Данные статистики свидетельствуют, что за последние 4 года в ОАО «Мосводоканал» с помощью протягивания полимерных труб восстановлено в общей сложности 3296 п.м. самотечной сети (в 2007 году 53 случая –1310 п.м., в 2008 году 40 случаев – 744 п.м., в 2009 году 28 случаев – 627 п.м., в 2010 году 45 случаев – 615 п.м.).
После использования технологий протягивания в старый трубопровод нового образуется двухслойная трубная конструкция, которая априори должна гарантировать долговременную и надежную работу восстановленного участка трубопроводной сети и отвечать фактическим внешним и внутренним нагрузкам, воздействующим на трубопровод. Однако, несмотря на относительно успешное применение полимерных труб, эксплуатационные службы обращают внимание на ряд вопросов, связанных с необходимостью учета толщины стенок труб, проведения проверочных расчетов по прочностным параметрам новой двухтрубной конструкции, выполнения качественного ремонта с использованием соответствующих ремонтных материалов, а также проверки уклонов участков старых трубопроводов, подвергающихся реновации полимерными трубами.
Негативные случаи могут проявляться по разным причинам, в частности, на трубах из полиэтилена низкого давления (ПНД) в виде: образования жировых отложений, не свойственных при эксплуатации полиэтиленовых труб; сужение диаметра труб за счет внешних нагрузок (деформация свода); разрушение тела трубы; разрыв стыка; наличие строительного мусора в лотке;
Такие дефекты трубопроводов, как разрушение тела трубы, разрыв стыка, сужение диаметра трубы за счет деформации, могли быть причиной отсутствия обоснования толщины стенки и проведения соответствующего прочностного расчета новой двухслойной конструкции перед реновацией участков ветхой сети. Другие дефекты, в частности, жировые отложения, могут быть обусловлены отсутствием проверки уклона старого трубопровода, который мог измениться, например, в результате значительного проседания почв за длительный период эксплуатации ветхих трубопроводов. Наличие строительного мусора в лотке прежде всего свидетельствует о низкой культуре пользования водоотводящей системой. Конкретными причинами дестабилизации работы самотечных трубопроводов, восстановленных протягиваемыми полимерными трубами, в основном являются факторы локального изменения гидравлического режима течения сточной жидкости на отдельных участках трубопроводной сети после проведения ремонта бестраншейными методами с использованием: -полимерных труб круглого сечения меньшего диаметра, чем в старом трубопроводе; -деформированных полимерных труб; -предварительно сжатых (термомеханическим путём) полимерных труб.
В первом и втором случаях происходит нарушение гидравлического режима работы восстановленных и невосстановленных участков сети, выполненных из различных материалов и диаметров, а также по причине возможной обратной деформации полимерных труб внутри старого трубопровода. В отношении использования деформированных труб и предотвращения явлений, связанных с обратной деформацией, существует теоретическая интерпретация происходящих явлений [34]. В свою очередь, для случая применения труб круглого сечения и возникающих при этом явлениях гидравлического дисбаланса, автором диссертации предлагается теоретическое обоснование, представленное в главах 2, 3 и 5 настоящей работы.
Подходы к гидравлическому расчету безнапорных сетей
В отношении средних значений величин коэффициентов Шези С для всех опытов необходимо отметить, что они изменялись в диапазоне 58-73, тогда как величины коэффициента Шези «С» для керамических труб составляют порядка 35-50. Это подтверждает высказанное ранее предположение, что исследуемые трубы менее шероховаты, чем керамические. Аналогию можно провести и в отношении полученных в экспериментах значений «n» в сравнении со значениями относительной шероховатости керамической трубы nкер.=0,0134, бетонной nбетон.=0,0138, чугунной nчуг.=0,013 и кирпичной nкир.=0,0144 [66], т.е. относительная шероховатость исследуемых труб значительно меньше относительной шероховатости труб из других материалов. Учитывая результаты экспериментов на двух других трубах (см. Приложение Б), проектировщикам при проведении гидравлических расчетов безнапорных водоотводящих сетей по базовой формуле (2.1) для определения коэффициента Шези С при расчетных наполнениях в трубах можно рекомендовать использовать полученные в результате экспериментов универсальные формулы (3.8-3.10), адаптированные к классической формуле А. Маннинга в виде:
С1 трубы Маннинг = (1/0,00943)R1/6 = 106,04R1/6 (полипропилен) С2 трубы Маннинг= (1/0,0073)R1/6 = 136,99R1/6 (полиэтилен) С3 трубы Маннинг= (1/0,00912)R1/6 = 109,65R1/6 (ПВХ)
В качестве сравнения при значении коэффициента относительной шероховатости для керамических труб n=0,0134 коэффициент Шези может быть определён как С=74,63R1/6.
Серия экспериментов на искривленных участках трубопровода Как указывалось в главе 1, полимерные трубы подвергаются линейному и объёмному тепловому удлинению при изменении температуры окружающей среды и транспортируемой жидкости. Если полимерный трубопровод находится в старой трубе большего диаметра, не являясь закреплённым, то он будет подвергаться линейным деформациям, которые могут быть компенсированы забутовкой межтрубного пространства (см. раздел 4.2). В связи с этим были предусмотрены специальные эксперименты с криволинейным трубопроводом (рисунок 3.8). Рис. 3.8 Общий вид стенда с криволинейным трубопроводом
Опыты проводились по специально разработанной методике, включающей определение ряда гидравлических показателей с помощью пьезометров и трубок Пито, установленных соответственно в точках 1 и 2 вблизи от начала и конца трубопровода (диаметрами 140, 98 и 95 мм), имеющего длину 10 м. Гидравлические эксперименты проводились при двух конфигурациях трубопровода: с одной и с двумя волнами и разными величинами гребней (прогибов).
Сущность экспериментов на искривленных участках трубопровода состояла в том, чтобы показать картину изменения гидравлических элементов потока жидкости и оценить их последствия для эффективной работы безнапорных водоотводящих сетей, в первую очередь, как причину нарушения их транспортирующей способности. Последнее обстоятельство весьма значимо для обеспечения требуемого гидравлического режима водоотводящих сетей малого диаметра, в частности, водоотводящих выпусков из зданий и дворовой сети. В режиме работы трубопровода с одним прогибом (волной) анализу подлежало выявление закономерностей изменения скоростного напора и наполнения от величины гребня до и после участка деформации при уклонах 0,01 и более и постоянном расходе жидкости. При этом оценке подлежала динамика изменения абсолютных значений данных величин, а также процента их прироста или спада на расчетном участке между 1 и 2 точками. Результаты экспериментов представлены на графиках рисунка 3.9.
Как следует из графиков рисунка 3.9 (кривая 1), наблюдается значительный прирост полного напора: от 12 до 40, 99 % в диапазоне величин гребня 0,8 - 3,4 см. Это, прежде всего, свидетельствует о том, что преодоление подъема приводит к постепенному заполнению трубы, т.е. повышению наполнения. Однако после препятствия наполнение уменьшается. При этом согласно кривой спада 2 динамика следующая: от 3 до 9,42 %. Кроме того, наличие гребня приводит к подпору перед ним (кривая 3), который образуется при определенной высоте гребня (в экспериментах с уклоном 0,01 при величинах от 1,4 до 2,4 см). Кроме того, уменьшение наполнения в трубопроводе после гребня может оказывать отрицательное влияние на транспортировку грубодисперсных примесей, т.е. не способствует их равномерному перемещению потоком жидкости. соответственно кривые прироста полного напора и спада наполнения перед второй точкой; 3- кривая подпора (увеличения наполнения) перед первой точкой
Эксперименты с двумя гребнями на трубопроводе подтвердили негативную динамику изменения гидравлических элементов потока при всех режимах работы трубопровода в диапазонах уклонов 0,01-0,03. Динамика изменения (увеличения) полного напора от высоты гребней представлена в таблице 3.4.
Согласно данным таблицы 3.4 прослеживается cтрогая тенденция: увеличение уклона i при неизменной высоте гребня, например, для 4,5 см при i=0,015 и i=0,02 или 6,5 см при i=0,02 и i=0,025 и т.д. приводит к меньшему росту напора. Аналогичная закономерность прослеживалась при увеличении расхода и неизменном уклоне. Например, по данным экспериментов на двух волнах при уклоне i=0,03 и высоте гребня 8,5 см падение напора составляет 3,4 раза при расходе 15,27 м3/ч, 3,05 раза при расходе 17,02 м3/ч и 2,79 раза при расходе 21,2 м3/ч. Другими словами, увеличение уклона или расхода являются средством своеобразной компенсации искривления трубопровода. Отсюда можно сделать вывод, что наихудшие условия транспортирования сточных вод, очевидно, будут наблюдаться при малых уклонах и диаметрах трубопроводной сети в часы минимального водопотребления.
Таким образом, при наличии нескольких волн и соответственно гребней разной высоты картина течения становится хаотической: скорость и давление пульсируют, наблюдаются локальные области, работающие при полном наполнении, а наполнение уменьшается. Это может привести к тому, что при транспортировке потока реальных сточных вод, содержащих крупногабаритные примеси и песок, возможно образование заторов или появление наносов.
Описание опытной установки. Методика проведения исследований
Анализ расчётных данных таблицы 5.1 показывает следующее: -наблюдается достаточно стойкая тенденция уменьшения скоростей течения между вторым и третьим участками во всем диапазоне исследуемых значений, причем результаты расчета при использовании формул Н.Н. Павловского и А.Д. Альтшуля весьма близки; -длина зоны дестабилизации скоростей имеет слабую тенденцию к уменьшению из-за увеличения уклона на третьем участке, оставаясь в среднем вблизи значений 4 м; при значительном изменении уклона, например, с 0,0066 до 0,011 в данном конкретном случае проектирования, зоны дестабилизации наблюдаться не будет, но это требует перекладки участков, не предусмотренной в первоначальном варианте проектирования ремонтно-восстановительных работ; -исчезновение зоны дестабилизации скоростей происходит при равенстве значений скоростей на третьем и втором участках (соответственно 1,058 и 1,074 м/с при расчетах по формулам Н.Н. Павловского и А.Д. Альтшуля); -при расчете по формуле Н.Н. Павловского критическим уклоном, при котором зона дестабилизации исчезает, является величина 0,0154, а по формуле А.Д. Альтшуля – 0,0169, что в целом показывает на высокую сходимость результатов по обеим формулам.
Изменение расходов на третьем участке не влечет особых изменений в протяженности зоны дестабилизации скоростей, например, при расходе 10 л/с длина зоны увеличивается до 5,08 м по сравнению с 4,58 л/с, а при 12 л/с до 5,33 м (при расчете по формуле Н.Н. Павловского). Такие же тенденции наблюдаются при расчете по формуле А.Д. Альтшуля (соответственно 4,97 и 5,14 м по сравнению с 4,53 м).
Общий вывод: зона дестабилизации скоростей S неизбежна при использовании в качестве ремонтных материалов полимерных труб, имеющих практически идентичный диаметр со старыми из других материалов, а абсолютное значение S зависит от ряда факторов (диаметров сети, шероховатости труб, расходов, уклонов на участках трубопровода).
Ранее проведенные расчеты и натурные исследования на водоотводящих сетях рядом исследователей показали, что уменьшение расходов сточных вод приводит к уменьшению длины зоны дестабилизации скоростей [5]. Кроме того, в случае образования уплотненных осадков на лотковой части трубопровода поверхность воды в нем приобретает форму кривых подпора, что негативно отражается на гидравлическом режиме работы сети.
Здесь в качестве объекта исследований рассматривается альтернативный вариант проведения ремонтно-восстановительных работ, когда ремонтный участок подлежит реновации бестраншейным методом без разрушения старого и протягивания в него новой трубы ПНД меньшего диаметра (наружный 0,125 м, внутренний 0,1152 м, толщина стенки 0,0049 м). Таким образом, внутренние диаметры трубопроводов на участках составляют соответственно 150 – 115 – 150 мм, минимально-допустимый уклон труб на всех трех участках (0,0066), расход транспортируемой сточной воды (8 л/с). В таблице 5.2 приведены распечатки расчетных значений гидравлических показателей для двух участков (второго и третьего).
Итоговые данные по расчету гидравлических параметров и длины зоны дестабилизации скоростей при разных диаметрах старых и нового участка трубопровода (для второго случая)
Формула дляопределениякоэффициента Шези С: Ремонтный (восстановленный) участок № 2 Последующий (невосстановленный) участок № Ук-лон Расход, л/с Скорость, м/с Ук-лон Расход, л/с Ско-рость, м/с Длина зоны дестабилизациискоростей S, м
Анализ расчётных данных таблиц 5.1 и 5.2 показывает следующее: установленные закономерности в первом случае практически идентичны второму случаю. Объяснением этому может служить исследование характера изменения соотношения «наполнение-скорость», где при постоянном расходе и сужении трубопровода на ремонтном участке при явном увеличении наполнения наблюдается незначительное уменьшение скорости течения (1,321 и 1,303 % при расчетах соответственно по формулам Н.Н. Павловского и А.Д. Альтшуля).
Полученные данные свидетельствует о том, что при замене старого участка трубопровода новым из полимерного материала независимо от его диаметра будет наблюдаться наличие зоны дестабилизации скоростей.
Если протяженности зон незначительны, например, порядка 1-1,5 метров, т.е. соизмеримы с длиной открытого лотка смотрового колодца, или достаточно велики, т.е. превышают длину последующего участка трубопровода, то, очевидно, не требуется каких-либо мероприятий по исправлению ситуации.
В том случае, если зона дестабилизации не превышает длины последующего участка трубопровода, т.е. сопоставима с ней, то явления подтопления в местах, где скорость течения будет равнозамедленной, исключаться не будут. Одним из выходов из такой ситуации, как уже отмечалось автором диссертации ранее, может являться проведение восстановительных работ на более протяжённом интервале сети (нескольких участках) до ближайшего перепадного колодца или вплоть до места сопряжения с трубопроводом, имеющим такие диаметр и уклон, которые обеспечивают условия гидравлической совместимости при пропуске расчетного расхода.
Пути предотвращения избыточных нагрузок на протаскиваемый трубопровод в целях исключения его деформации и возможного удлинения путем забутовки межтрубного пространства
Анализ литературных источников и научно-технической документации показал, что основными дестабилизирующими факторами, влияющими на ухудшение работы водоотводящих сетей, являются различного типа повреждения: физический износ, просадка, трещины, расхождение стыков, образование жировых наростов, закупорка проходных сечений корнями деревьев и кустарников, которые могут быть локализованы с помощью бестраншейных технологий.
При формировании постановки задачи исследований отмечено, что наиболее перспективными материалами для восстановления дефектов старых трубопроводов являются протягиваемые в ветхие трубопроводы полимерные материалы, в частности трубы и защитные покрытия. Полимерные трубы позволяют восстановить прочностные характеристики старых трубопроводов и создать условия эффективной транспортировки сточных вод практически без образования наносов, а также содействовать сохранению гидравлических характеристик потока за счёт малой шероховатости поверхности.
На основе теоретических исследований разработаны физическая и математическая модели восприятия полимерной трубой при её размещении в восстанавливаемом трубопроводе: линейных температурных удлинений; механических и гидравлических нагрузок при забутовке межтрубного пространства.
Обоснована необходимость забутовки межтрубного пространства, предотвращающего искривления полимерного трубопровода в пределах габаритов старого, а также выявлены параметры забутовки и оптимальные геометрические размеры двухтрубных конструкций «старый трубопровод + полимерная труба», обеспечивающие установленные прочностные характеристики (по деформациям и овализации).
Разработана и апробирована специальная конструкция гидравлического поверочного стенда для трубопроводов (с линейными и криволинейными 129 участками), а также унифицированная методика проведения гидравлических экспериментов на безнапорных сетях.
Проведены стендовые исследования по определению гидравлических характеристик трёх видов полимерных труб: полиэтиленовых фирмы Роспайп внутренним диаметром 14 см, гофрированной из полипропилена блок сополимера диаметром 9,8 мм и гладкой из непластифицированного ПВХ внутренним диаметром 10,5 см (обе трубы фирмы Wawin), которые могут быть использованы в качестве ремонтных материалов для протягивания в старые трубопроводы; эксперименты проводились как на прямолинейном, так и искривлённом участке трубопровода, имитирующем последствия линейного удлинения полимерной трубы при изменении температуры.
Разработаны алгоритмы и запатентованы компьютерные программы расчета гидравлических параметров безнапорных труб и защитных покрытий (свидетельство государственной регистрации № 2013615381) и определения нагрузок на трубопровод с проверкой его несущей способности при реконструкции (свидетельство государственной регистрации № 2013615444). С помощью программ произведён автоматизированный расчёт коэффициентов Шези и относительной шероховатости «n» для исследуемых трубопроводов и проведено компьютерное моделирование процесса забутовки в широких диапазонах удельных весов строительных смесей, диаметров трубопроводов и глубин их залегания при наличии и отсутствии подземных вод.
По результатам эксплуатации компьютерных программ расчёта гидравлических параметров установлены значения коэффициентов относительной шероховатости (по Маннингу), которые составили соответственно: 0,00943 (полипропилен), 0,0073 (полиэтилен) и 0,00912 (ПВХ).
По результатам компьютерного моделирования процесса забутовки межтрубного пространства в двухтрубной системы «старый трубопровод + полимерная труба» с помощью автоматизированной программы установлено влияние на прочностные характеристики трубной конструкции нескольких факторов: удельного вес строительных растворов (чем он больше, тем вероятность ухудшения прочностных параметров выше); величины давлений грунтовых вод трубопроводом (чем они выше, тем менее устойчив трубопровод); толщины стенки протаскиваемого трубопровода (чем меньше толщина, тем меньше степень обеспечения прочностных показателей); метода забутовки (равномерная/неравномерная) и наличие/отсутствие воды в трубопроводе (при равномерной забутовке и наличии воды в полимерном трубопроводе овализация по диаметру трубопровода минимальна).
На основе анализа практических результатов нарушения транспортирующей способности водоотводящей сети на смежных участках трубопроводов, выполненных из различных материалов, определены возможные интервалы зон дестабилизации гидравлических параметров, а также предложены варианты, исключающие гидравлический дисбаланс путем использования методов бестраншейной реновации с протягиванием в старый трубопровод новых полимерных труб.
