Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Оценка технического состояния эксплуатируемых водопроводных сетей и мероприятий по их оперативному восстановлению внутренними защитными покрытиями с обеспечением эффекта энергосбережения 12
1.1. Краткий анализ состояния городских водопроводных сетей, реальности и перспектив эффективного управления ими в целях достижения эффекта энергосбережения 12
1.2. Отечественный и зарубежный опыт по реализации мероприятий, направленных на повышение эффективности работы ветхих участков трубопроводных сетей путём их бестраншейного ремонта 16
1.3. Постановка задачи исследований по результатам изучения состояния трубопроводных сетей и технологий ремонта, обеспечивающих достижения эффекта энергосбережения 20
1.4. Краткие выводы по главе 1 22
Глава 2. Исследование возможностей альтернативных технологий ремонта водопроводных сетей для обеспечения потенциального эффекта ресурсо и энергосбережения 23
2.1 Общие положения по обеспечению ресурсо- и энергосбережения при транспортировке воды в напорных трубопроводных системах 23
2.2 Исследование технологий ремонта трубопроводов путём центробежного набрызга внутренних неорганических и органических защитных облицовок 24
2.3 Исследование технологий реновации трубопроводов путём нанесения внутренних защитных покрытий в виде полимерных рукавов (чулков) и полимерных труб различного профиля 28
2.4 Исследование навивочной технологии ремонта ветхих
трубопроводов 35
2.5 Краткие выводы по главе 2 40
Глава 3. Экспериментальные исследования гидравлических характеристик и прочностных свойств новых типов защитных покрытий, способных обеспечить эффект энергосбережения 41
3.1 Обоснование необходимости проведения гидравлических экспериментов на трубопроводе с органическим внутренним защитным покрытием и их техническая сущность 41
3.2 Результаты визуальных экспериментов по нанесению защитного покрытия и гидравлических экспериментов на базе автоматизированной обработки полученных данных. Интерпретация результатов гидравлических расчётов и их практическое использование 44
3.3 Общие сведения о технологиях нанесения органических защитных покрытий, их свойствах и прочностных характеристиках 55
3.4 Обобщение результатов прочностных расчётов органических набрызгиваемых защитных покрытий и выявление рабочих диапазонов их эффективного использования в системе «старый трубопровод + защитное покрытие» 72
3.5 Краткие выводы по главе 3 83
Глава 4 Определение потенциала энергосбережения при работе напорных трубопроводов, восстанавливаемых внутренними защитными покрытиями 86
4.1 Теоретические подходы к обеспечению потенциала энергосбережения и расчёт энергоэффективности при восстановлении водопроводных сетей альтернативными ремонтными материалами на линейных участках трубопроводов 86
4.2 Расчёт энергоэффективности ремонтно-восстановительных мероприятий на кольцевой водопроводной сети образцового объекта 109
4.3 Краткие выводы по главе 4 113
Глава 5. Выбор оптимального метода бестраншейной реновации трубопроводов на базе технико-экономических расчётов и описание особенностей его реализации 115
5.1 Критерии оптимизации при выборе методов реновации трубопроводов и анализ результатов автоматизированного расчета с учётом потенциала энергосбережения 115
5.2 Основные технологические этапы реновации старых трубопроводов на примере использования оптимального с энергетической точки зрения защитного покрытия 124
5.3. Краткие выводы по главе 5 127
Общие выводы 128
Список литературы
- Отечественный и зарубежный опыт по реализации мероприятий, направленных на повышение эффективности работы ветхих участков трубопроводных сетей путём их бестраншейного ремонта
- Исследование технологий ремонта трубопроводов путём центробежного набрызга внутренних неорганических и органических защитных облицовок
- Общие сведения о технологиях нанесения органических защитных покрытий, их свойствах и прочностных характеристиках
- Основные технологические этапы реновации старых трубопроводов на примере использования оптимального с энергетической точки зрения защитного покрытия
Отечественный и зарубежный опыт по реализации мероприятий, направленных на повышение эффективности работы ветхих участков трубопроводных сетей путём их бестраншейного ремонта
На основе проведённого анализа установлено, что в практике проведения ремонтно-восстановительных работ условно можно выделить два подхода к реновации трубопроводных систем: при незначительных дефектах труб, когда они воспринимаются как несущая конструкция и с существенными повреждениями, когда они утрачивают несущую способность [19].
В мировой практике реновации ветхих трубопроводных сетей систем водоснабжения в качестве методов устранения относительно мелких дефектов напорных трубопроводов (при сохраненных живом сечении и несущей способности) следует выделить следующие. Набрызгиваемые облицовки: -нанесение на внутреннюю поверхность трубопровода защитных оболочек в виде цементно-песчаных растворов; -напыление отверждаемых многокомпонентных полимерных покрытий, т.е. использования, например, быстротверждаемого двухкомпонентного полиуретанового покрытия BASF OLDODUR WS 56 или покрытия Scothcot на основе двухкомпонентного полимера Copon Hycot.
Сплошные облицовки: -нанесение тонкого полимерного рукава, отверждаемого на месте (с помощью пара, ультрафиолетового облучения и т.д.), т.е. с использованием рукавных бестраншейных технологий [20]; -протягивание в старый трубопровод труб меньшего диаметра плетью: -с забутовкой межтрубного пространства (при протягивании круглой трубы) [21]; -без забутовки межтрубного пространства (при протягивании деформированных труб), т.е. по бестраншейным технологиям саблайн (с U-или C-образным профилем) или свейджлайнинг (протягиванием в старый трубопровод трубы большего диаметра с предварительным ее сужением и последующим распрямлением). Спирально-навивочные (ленточные) покрытия -на основе применения бесконечной полимерной ленты, формирующей в старой трубе новую (с заполнением и без заполнения межтрубного пространства) благодаря ребристому профилю с замковым соединением [22]. Местные (ленточные) покрытия -нанесение на внутреннюю поверхность трубопровода местных (точечных) покрытий бестраншейными методами, например, с помощью бандажных технологий, нагнетания (инъекция) в образовавшееся отверстие или свищ полимерных смол и т.д. [23]. В качестве мероприятий по устранению значительных дефектов напорных трубопроводов с поврежденным живым сечением и нарушенной несущей способностью следует выделить следующие методы. Предварительное разрушение трубопровода путем замены его строго по трассе новым трубопроводом из подобного или иных материалов с использованием: -пневмопробойников (пневмомолотов) и протягивания полимерных и других труб в освобождающееся пространство [24, 25]; -ножей и расширителей (например, лепестковых), резкой труб и т.д.; -раскатчиками с одновременным протягиванием плети труб; -аппаратами микротоннелирования с одновременным протягиванием в освобождающееся пространство по трассе плети труб и т.д.
Восстановленные с помощью внутренних защитных покрытий трубопроводы должны быть недоступными для внутренней коррозии. Более того, материал защитных покрытий и арматуры, используемых при реконструкции трубопроводных систем, должен быть стоек к инфильтрации и эксфильтрации, смещению грунта, воздействию ультрафиолетового излучения, колебаниям температуры, замерзанию, возможности проведения чистки трбопровода без повреждения внутренней поверхности и т.д.. Все это свидетельствует о том, что изначально материал должен выполняться из качественных компонентов сырья, а также удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям.
На основании опыта строительства и реконструкции трубопроводных систем, а также особенностей эксплуатации наружных подземных сетей систем водоснабжения, выполненных из различных материалов, сформулированы специальные требования к материалу труб (защитных покрытий) и арматуре для условий их эффективной и надежной работы [26]. К ним в первую очередь относятся: увеличение нормативного срока службы (50-100 лет), гидравлическая стабильность системы (в том числе гидравлическая совместимость старых и новых участков трубопроводной системы) и обеспечение её прочностных параметров, снижения энергозатрат на подачу воды потребителю.
Выполняя по мере возможности вышеизложенные требования, тем не менее, необходимо констатировать, что на практике выход из строя и нарушение эффективности работы трубопроводов являются далеко не редким явлением. Нельзя исключать, что периодически возникают проблемы в работе трубопроводных сетей, подвергнутых восстановлению полимерными трубами или полимерными рукавами, что может быть вызвано рядом факторов, в частности [27]: -неправильным выбором материала труб (защитных покрытий) для реновации ветхих трубопроводов (например, несоответствие качества труб требованиям ГОСТ) [28]; -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 [29];
Исследование технологий ремонта трубопроводов путём центробежного набрызга внутренних неорганических и органических защитных облицовок
Необходимо отметить, что минимальная поверхностная шероховатость U-лайнера положительно сказывается на характере течения (текучести) рабочей среды. Исследования, проведённые в МГСУ, показали, что величина коэффициента удельного сопротивления данных полимерных труб из ПЭ 80 описывается формулой: А=0,0009d-5,21 [12].
Говоря о положительных моментах, связанных с применением таких технологий как «U-liner» необходимо отметить некоторые негативные стороны процесса [59]. Так при малых толщинах стенок полимерного трубопровода может произойти нарушение двухслойной конструкции. Это может выражаться в локальном отслоении внутренней трубы от наружной, что влечет к некоторому нарушению гидравлического режима течения воды за счёт появления местных сопротивлений. Причинами отслоения тонкостенных труб могут быть следующие обстоятельства: некоторая первоначальная или приобретённая недопустимая деформация ветхих труб, не способствующая плотному прижатию новой деформированной трубы к старой; возможность появления вакуума при опорожнении трубопровода; усадке полиэтиленовой трубы при воздействии не нее хлора, который может присутствовать в воде в целях ее обеззараживания и т.д. Перечисленные обстоятельства не умаляют достоинств полимерных труб, а лишь подразумевают качественное выполнение проектных и ремонтно-строительных работ.
Технология «Примус-лайн» использует в качестве защитных покрытий комбинированные рукава (чулки) в виде многослойных «мягких шлангов». Эффект плотного прижатия защитных оболочек к внутренней стенке восстанавливаемого трубопровода достигается при подаче в восстановленный трубопровод воды под давлением [60].
В качестве примера один из типов мягких комбинированных рукавов (шлангов) представлен на рисунке 2.5.
Подобные комбинированные рукава протаскиваются в восстанавливаемый трубопровод в сжатом состоянии, прижимаясь к внутренней стенке трубопровода под давлением транспортируемой рабочей среды к внутренней стенке трубопроводов. Если в восстановленном трубопроводе образуется вакуум, например, при опорожнении участков сети, то происходит сужение рукавов. Эффект сужения не влияет на последующую работу трубопровода, так как под напором транспортируемой среды снова будет наблюдаться эффект плотного прижатия рукава к стенке трубопровода. При этом необходимо отметить, что гидравлические показатели трубопровода остаются неизменными и сопоставимыми с показателями, характерными для полиэтиленовых труб, так как внутренний слой выполнен из полимерного материала (см. рис. 2.5).
Навивочную (спирально-навивочную) технологию можно отнести к одной из передовых и наиболее востребованных технических решений в области бестраншейных технологий последнего десятилетия [61, 62]. Эта технология, разработанная в Японии, используется во многих странах мира благодаря возможности оперативного восстановления поврежденных напорных и безнапорных трубопроводов с минимальными материальными затратами, а также минимальным воздействием на окружающую среду.
Сущность спирально-навивочного метода заключается в том, что в поврежденном действующем трубопроводе путем спиральной навивки сматываемой с бобины бесконечной полимерной ленты заводского изготовления формируется обсадная труба высокой прочности. Процесс навивки бесконечной ленты штампованного ребристого профиля из ПВХ или полиэтилена высокой прочности производится специальной навивочной машиной, которая располагается вблизи люка смотрового колодца. Края ленты соединяются друг с другом, образуя сплошную водонепроницаемую конструкцию внутри восстанавливаемого трубопровода [22]. В зависимости от условий на объекте можно использовать два метода навивки: с помощью «проталкивающей» или «самодвижущейся» гидравлической навивочной машины.
Для ремонта трубопроводов спирально-навивочным методом используются четыре модификации: SPR, SPR PE, SPR EX и SPR ST. Наибольшее применение для водопроводных труб находит модификация SPR EХ, которая позволяет создать самонесущую статическую трубу, используемую для восстановления старых трубопроводов диаметром от 150 до 1800 мм.
Существенным отличием данной модификации от других является то, что после ремонта обсадная труба плотно прилегает к старой трубе. При этом внутренняя поверхность обсадной трубы благодаря точной пригонке замковых соединений не имеет выступов и расхождений, что может свидетельствовать о величинах коэффициента гидравлического трения близких к полиэтиленовым или поливинилхлоридным трубам. Таким образом, величина этой гидравлической характеристики может быть принята за основу при расчёте потенциала энергосбережения.
Общие сведения о технологиях нанесения органических защитных покрытий, их свойствах и прочностных характеристиках
Согласно данным, представленным на рисунке 3.10, зависимость A=f(d) может быть представлена в виде A169=0,0008d5,19.
Последующая математическая обработка результатов экспериментов на гидравлическом стенде и по измерению и расчёту шероховатости проводилась в автоматизированном и ручном режимах и заключалась в определении значений коэффициентов гидравлического трения X, удельного сопротивления А и величины шероховатости Ra для защитных покрытий Scotchkote 169 и Scotchkote Liner 2400.
В результате проведённых экспериментов средняя шероховатость образцов, измеренная по профилометру TR 100, составила Ral69=38,5 мкм и Ra24oo=45,57 мкм. Отсюда был определён переводной коэффициент, который может быть выражен как #ие/,.=45,57/38,5=1,184. Среднее значение коэффициента гидравлического трения согласно экспериментальным данным составляет величину Х1б9ср. =0,01925 (нижняя строка в выходной форме таблицы А.2 Приложения А), а истинное (когда наблюдается равенство расчётной и экспериментальной величин шероховатостей с погрешностью 1,79 %) Х1б9ист. =0,0187 (подчёркнутая строка под номером 28 в выходной форме таблицы А.З Приложения А).
Учитывая величину переводного коэффициента #„ =1,184, значения коэффициентов гидравлического трения X составят: Х24оосР. =0,02279 и Х24ооист. =0,02214. Таким образом, математическая зависимость удельного сопротивления А для покрытия Scotchkote Liner 2400 в широком диапазоне диаметров может быть определена как 24оо=0,00095(1"5 19, что и было принято во всех последующих расчётах по определению потенциала энергосбережения на линейных и кольцевых участках водопроводных сетей, восстанавливаемых внутренним защитным покрытием Scotchkote Liner 2400 (см. главу 4).
Распечатка результатов автоматизированного расчёта значений коэффициентов гидравлического трения сопротивления X и удельного сопротивления А для широкой гаммы диаметров (в диапазоне 0,1 - 1,6 м) представлена в таблице А.4 Приложения А.
Практическое использование полученных в ходе экспериментов математических зависимостей заключается в применении их при гидравлических расчётах в период проектирования напорных трубопроводных систем.
В частности, для определения потерь напора Н в напорных трубах определённой протяжённости с нанесённым на их внутреннюю поверхность покрытием Scotchkote Liner 2400 расчёт может производиться по формуле (3.7): H=AIQ2 [(с2/м6) м (м3/с)2=м] (3.7) где Н - потери напора, м водяного столба; А - коэффициент удельного сопротивления, с2/м6; / - длина участка трубопровода, м; Q - расход воды, м3/с. Используя полученную эмпирическую зависимость A=f(d), формула (3.7) приобретает вид (3.8): H=0,00095d5,19lQ2 [м] (3.8) где d – внутренний диаметр участка трубопровода, м. Общие сведения о технологиях нанесения органических защитных покрытий, их свойствах и прочностных характеристиках
Учитывая, что органические покрытия класса Copon Hycote / Scotchkote могут быть отнесены к типу энергоэффективных, автором диссертации проведён их комплексный сопоставительный анализ.
Прежде всего необходимо отметить, что появление органических внутренних защитных покрытий трубопроводов, наносимых методом центробежного набрызга, берет своё начало в 1999 году, когда компания «E. Wood» (Великобритания) выпускает защитное неструктурное покрытие Copon Hycote 169. Данное покрытие было неспособно сохранять структурную целостность конструкции «старый трубопровод + защитное покрытие», но могло оказывать содействие в улучшении гидравлических характеристик трубопровода, а также сохранять качественные показатели транспортируемой воды [71].
Дальнейшее своё развитие данный тип покрытий приобретает в уже структурном набрызгиваемом органическом покрытии Copon Hycote / Scotchkote 169HB, которое также создано компанией «E. Wood» в 2004 году, а в последующем производилось американской компанией «3M». Данное покрытие становится востребованным, поскольку способно обеспечить структурную целостность конструкции «старый трубопровод + защитное покрытие», перекрывать сквозные дефекты на трубе и решать вопросы улучшения не только гидравлических, но и прочностных характеристик трубопровода. Особенностью покрытия является принципиальное отличие от покрытия Scotchkote 169HB и от Copon Hycote 169, а также от других внутренних защитных покрытий, наносимых центробежным набрызгом, например, от цементно-песчаного [71, 72].
Покрытие Scotchkote 169HB наносится на внутреннюю поверхность ремонтируемого участка трубопровода путём напыления с помощью специальной насадки. Толщина слоя покрытия регулируется, но, как правило, за одну проходку не должна превышать 3 мм. Процесс нанесения Scotchkote 169HB включает в себя несколько ключевых этапов: прочистка трубопровода различными способами; последующая видео-визуальная инспекция прочищенной трубы; нанесение покрытия (напыление может осуществляться на влажную поверхность, однако недопустимо наличие скоплений воды) посредством специальной вращающейся насадки, видео-визуальная инспекция, гидравлические испытания, дезинфекция, промывка [71].
Аналогичным образом происходит процесс нанесения другого набрызгиваемого органического защитного покрытия Scotchkote 2400, созданного компанией «3M» в 2011 году и являющегося дальнейшим развитием структурного покрытия Scotchkote 169HB.
Общая схема проведения комплексного технологического процесса нанесения покрытия Scotchkote 169HB и покрытия Scotchkote 2400 на внутреннюю поверхность трубопровода, представлена на рисунках 3.11-3.14 [73].
Основные технологические этапы реновации старых трубопроводов на примере использования оптимального с энергетической точки зрения защитного покрытия
Как известно, основными потребителями электроэнергии в системах подачи и распределения воды являются центробежные насосы, потребляющие при её перекачке порядка 120 – 130 млрд. кВт.ч электроэнергии [13]. Усугубляет ситуацию и такой фактор как неудовлетворительное состояние внутренней поверхности эксплуатируемых стальных и чугунных трубопроводов (коррозия, структурные дефекты и т.д.), что приводит к утечкам и повышению степени шероховатости стенок труб. Например, по данным [88], коррозионные и другие отложения в водопроводных сетях уменьшают живое сечение труб до 20 %, увеличивая гидравлические сопротивления в 3 раза по сравнению с расчётными значениями. Для компенсации потерь напора в подобных системах возникает необходимость повышения давления в трубопроводных сетях, что обеспечивает поддержание требуемых величин расхода транспортируемых сред, однако приводит к увеличению потребления электроэнергии [89].
Общая стоимость электроэнергии в общей сумме эксплуатационных расходов на предприятиях водопроводно-канализационного хозяйства при использовании поверхностных вод составляет 40-50 %, а при использовании подземных вод увеличивается до 80 % [13]. Выходом из сложившейся ситуации может быть создание экономичных режимов работы насосных установок и трубопроводов, в результате чего можно сэкономить 5-15 % энергии, например, за счет использования регулируемого привода, а также своевременного и оперативного проведения ремонтно-восстановительных работ на трубопроводных сетях. В системах водоснабжения одним из мероприятий по энергосбережению и энергоэффективности (по отношению к трубопроводным сетям) может быть отнесено уменьшение гидравлического сопротивления на восстанавливаемых участках сетей за счёт применения внутренних защитных покрытий с малыми удельными сопротивлениями [90]. В качестве конкретного инструмента оценки энергоэффективности при сравнении старого и нового вариантов состояния участков трубопроводной сети предложено использовать понятие относительного потенциала энергосбережения. В приложение к восстанавливаемой трубопроводной системе под понятием относительного потенциала энергосбережения можно рассматривать разность между фактическим годовым энергопотреблением (т.е. при эксплуатации действующего участка сети) и потреблением после реализации ремонтно-восстановительных работ соответствующими внутренними защитными покрытиями, наносимыми с помощью бестраншейных методов.
Здесь уместно отметить, что использование бестраншейных технологий, которые в условиях современного города с его насыщенной подземной и наземной инфраструктурой и высокой плотностью застройки, практически не имеет альтернативы. С помощью бестраншейного ремонта можно увеличить темпы проведения восстановительных работ на трубопроводных сетях в 2-3 раза при сокращении затрат на 30-60% по сравнению с традиционными способами, обеспечив необходимый эффект энергосбережения [3].
В главе 2 настоящей работы отмечалось, что среди некоторого количества перспективных методов бестраншейного восстановления трубопроводов, которые могут обеспечить эффект ресурсо и энергосбережения, наиболее оптимальным является метод реновации по технологии Swagelining. При этом эффект энергосбережения при использовании данной технологии достигается за счёт малых удельных сопротивлений внутренней стенки восстанавливаемого трубопровода и незначительного сужения диаметра, зависящего от величины SDR полимерной трубы. В задачи теоретических исследований по реализации технологии восстановления старого трубопровода методом Swagelining входило определение ряда параметров реновации с их интерпретацией и комплексным анализом возможностей этой технологии на предмет обеспечения потенциала энергосбережения при проектировании линейных участков трубопроводных сетей и кольцевых контуров.
В качестве базового объекта исследований рассматривалась подвергаемая термомеханическому сжатию стандартная полиэтиленовая труба наружным диаметром dнар.=315 мм (при полной гамме SDR: 11, 17, 21, 26, 33, 41 и 50). По условиям задачи полимерная труба протаскивается в старый стальной трубопровод внутренним диаметром dвн.стар.=300 мм.
В задачи исследований входило составление математической модели, описывающей поведение полимерного трубопровода, а именно: изменение геометрических параметров трубопроводной системы (внутреннего диаметра нового трубопровода после реновации, толщины стенки после операций сжатия-распрямления трубы) при различных значениях SDR. Кроме того, в задачи исследований входило: -изучение гидравлических показателей старой и восстанавливаемой системы трубопровода, т.е. потерь напора в старой и новой трубе после реновации при определённых значениях пропускаемого расхода; -определение среднегодовой экономии электроэнергии (на погонный метр трубопровода и по всей длине трубопровода), что, по сути, являлось характеристикой обеспечения относительного потенциала энергосбережения. Для решения поставленной задачи использован алгоритм, первым этапом которого является определение толщины стенки «х» после термомеханического сжатия и распрямления полиэтиленовой трубы в старом трубопроводе с учетом сохранения массы вещества полиэтиленовой трубы.
Из условия сжатия трубы без её растяжения, площади её торцевой части, представляющие собой круговые кольца, являются идентичными до и после операций термомеханического сжатия (рисунок 4.1).