Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Интенсификация реновации подземных трубопроводов как условие их эффективной эксплуатации 10
1.1. Общие сведения о современных методах восстановления эксплуатируемых трубопроводов 10
1.2. Технические, технологические и эксплуатационные показатели различных методов бестраншейной реновации водоотводящих сетей 19
1.3. Подходы к стратегии реновации ветхих водоотводящих трубопроводов и оптимизации их эксплуатации 24
1.4. Краткие выводы по главе 1 37
Глава 2. Разработка стратегии выбора объекта реновации водоотводящих сетей 39
2.1. Роль диагностики водоотводящих сетей современными техническими средствами 39
2.2. Классификация повреждений (дефектов) находящихся в эксплуатации водоотводящих трубопроводов 42
2.3. Анализ, описание и оценка значимости факторов, влияющих на выбор объекта реновации 57
2.4. Разработка математической модели, алгоритма и методики поиска приоритетных объектов реновации (участков водоотводящих сетей) по балльной системе ранжирования 59
2.5. Пример реализации методики и автоматизированных программных комплексов ранжирования для решения конкретной задачи выбора потенциальных объектов реновации 71
2.6. Краткие выводы по главе 2 77
Глава 3. Разработка методики и автоматизированной системы выбора оптимального метода восстановления водоотводящей сети и оценка гидравлической совместимости её отдельных участков 78
3.1. Критерии оптимизации при выборе технологии восстановления трубопроводов и описание алгоритма поиска оптимального метода реновации 78
3.2. Транспортирующая способность потока сточной воды и гидравлическая совместимость участков восстановленных водоотводяших трубопроводов, выполненных из различных материалов и диаметров 85
3.2.1. Обоснование необходимости учёта факторов транспортирующей способности и гидравлической совместимости участков водоотводягдих сетей, выполненных из различных материалов и диаметров 85
3.2.2. Аналитическая оценка возможности проявления гидравлического дисбаланса и анализ его последствий на стыках участков водоотводяших трубопроводов, выполненных из различных
материалов и диаметров 94
3.3. Анализ расчётных данных и результатов натурных исследований по гидравлической совместимости участков безнапорных водоотводяших сетей 104
3.3.1.Постановка задачи натурных исследований по транспортирующей способности потока сточной жидкости в местах стыков участков восстановленной и невосстановленной водоотводящей сети 104
3.3.2.Методика проведения натурных исследований 106
3.3.3 Интерпретация результатов натурных исследований и расчётных данных 110
3.3.4. Результаты обработки статистических данных по надёжности (отказам) участков водоотводящей сети Московской канализации 122
3.4. Краткие выводы по главе 3 125
Глава 4. Разработка специальных методов и технологий для интенсификации восстановления безнапорных водоотводящих трубопроводов 126
4.1. Тенденция использования полимерных материалов для реновации безнапорных трубопроводов 126
4.2. Анализ возможности и целесообразности использования различных видов пластмассовых труб для реновации водоотводящих трубопроводов 128
4.3. Разработка новых устройств и технологий для восстановления и реконструкции трубопроводов 129
4.4. Применение новых устройств и технологий восстановления трубопроводов на реальных объектах 132
4.5. Интенсификация технологических процессов по восстановлению трубопроводов за счёт сокращения их продолжительности 135
4.6. Краткие выводы по главе 4 138
Глава 5. Технико-экономические показатели оптимальных методов реновации трубопроводов и перспективы использования их в смежных областях строительства при ремонте подземных сооружений 139
5.1. Технико-экономическое обоснование применения новых устройств и технологий для интенсификации восстановления трубопроводов. 139
5.2. Перспективы использования новых устройств и технологий в смежных областях коммунального хозяйства города 145
5.3. Краткие выводы по главе 5 146
Общие выводы 147
Список литературы 149
Приложения 158
Справка о внедрении 197
- Технические, технологические и эксплуатационные показатели различных методов бестраншейной реновации водоотводящих сетей
- Разработка математической модели, алгоритма и методики поиска приоритетных объектов реновации (участков водоотводящих сетей) по балльной системе ранжирования
- Обоснование необходимости учёта факторов транспортирующей способности и гидравлической совместимости участков водоотводягдих сетей, выполненных из различных материалов и диаметров
- Разработка новых устройств и технологий для восстановления и реконструкции трубопроводов
Введение к работе
Актуальность работы. Предупреждение старения и оперативная ликвидация последствий аварийных ситуаций являются одними из главных задач служб эксплуатации коммунальных объектов. Данный вопрос в настоящее время приобретает особую актуальность в России, где в коммунальном секторе старение трубопроводных коммуникаций и другого оборудования различного назначения достигли критических уровней. По данным МЧС России (Газета "Известия" от 4 апреля 2001 г. стр. 6) аварийные ситуации связанные с выходом из строя морально и физически устаревшего оборудования городских коммунальных сетей, составляют 31 % от общего количества чрезвычайных ситуаций, уступая лишь пожарам и взрывам (34 %).
Для современного этапа развития и эффективной эксплуатации развитой подземной инженерной инфраструктуры городов должен быть выработан новый подход, максимально ориентированный на использование бестраншейных технологий с научно-обоснованной стратегией восстановления выходящих из строя трубопроводов на базе выявленных приоритетов и однозначных критериев. Данный подход позволит значительно снизить обостряющуюся из года в год проблему последствий аварийных ситуаций, связанных с состоянием и содержанием подземных инженерных коммуникаций, сохранить существующую экологическую обстановку, значительно снизить техногенное воздействие подземных трубопроводов на геологическую среду и способствовать повышению уровня коммунального обслуживания городского населения.
Особое значение при решении данных проблем отводится городским водоотводящим (канализационным) сетям, которые являются одними из наиболее значимых подземных инженерных сооружений, оказывающих наибольшее влияние на окружающую природную среду.
Решение задачи предотвращения аварийных ситуаций и раннего старения трубопроводов водоотведения на базе новых подходов и разработанных на их основе нормативов технического обслуживания и ремонта будет способствовать реализации долгосрочных социальных и экологических проблем, стоящих перед
6 современным городом, а также отказу от стратегии "пожарной команды" или "штопания дыр", характерной для коммунальных служб ряда современных городов,
Большое количество используемых в городском хозяйстве методов реновации водоотводящих трубопроводов и их многочисленных модификаций также требует новых подходов, в частности, к интенсификации процессов восстановления трубопроводов различными методами, автоматизации их выбора для конкретных объектов эксплуатации на основе всесторонней и комплексной сравнительной оценки как стоимостных и эксплуатационных показателей, так и технологических, технических и других возможностей методов. Решение данного вопроса актуально не только при организации восстановления трубопроводов, но и их прокладки (нового строительства) в условиях современного города с высокой плотностью населения, развитой подземной инженерной инфраструктурой и, как правило, стеснённых условий производства работ и других "препятствий" технического, социального и экономического характера.
Цели и задачи работы. Целью работы является:
-разработка стратегии выбора приоритетного объекта восстановления (участка безнапорной водоотводящей сети) для обеспечения условий оптимальной эксплуатации;
-поиск оптимальных методов реновации трубопроводов;
-оценка гидравлической совместимости трубопроводов на стыках участков труб, выполненных из различных материалов и диаметров;
-выявление путей интенсификации различных методов ремонта на примере использования в качестве внутренних защитных покрытий труб пластических материалов.
Для достижения поставленной цели были решены частные задачи:
-составлен классификатор повреждений (патологий) водоотводящих сетей;
-выявлены и детально рассмотрены внешние факторы, оказывающие прямое и косвенное влияние на техническое состояние и эффективность эксплуатации водоотводящей сети, т.е. на повышение надёжности её работы;
-разработаны научно-обоснованные методические подходы к определению объекта восстановления, оптимального метода его реновации, значимости гидравлической составляющей при выборе соответствующего метода ремонта;
-обоснованы пути интенсификации отдельных методов восстановления безнапорных водоотводящих трубопроводов.
Принцип подхода к решению перечисленных задач состоял в том, что правильный выбор приоритетных объектов восстановления на городских водоотводящих сетях и поиск оптимального метода их реновации невозможен без последовательной и кропотливой систематизации и анализа повреждений (патологий) трубопроводов, выявляемых в период инвентаризации и телевизионного диагностического обследования, без определения базового (например, аварийности) и доминирующих внешних факторов влияния (например, года укладки труб, толщины стенки трубы, глубины её заложения, состояния грунтов, наличия и характера подземных вод и т.д.) с установлением степени их связности на основе моделирования по балльной оценке. При этом весомым аргументом для выбора приоритетного объекта восстановления должно * рассматриваться состояние каждого внешнего фактора, определяемого внутренним ранжированием.
Организацию поиска приоритетного объекта и оптимального метода восстановления на настоящий момент времени невозможно представить без использования специальных автоматизированных программ.
Как убеждает практика проектирования и эксплуатации водоотводящих сетей важным обстоятельством при выполнении ремонтно-восстановительных работ на них, в том числе, бестраншейными методами является обеспечение последующей гидравлической совместимости восстановленных и невосстановленных участков сети. В связи с этим проведение восстановительных работ должно изначально рассматриваться с таким условием, чтобы предупредить явления гидравлического дисбаланса, возникающего в трубопроводной системе из-за значительных перепадов скоростей течения воды на стыках соседствующих невосстановленных и восстановленных участков сети, выполняемых из
различных материалов (преимущественно полимерных с малыми
коэффициентами гидравлического сопротивления).
Таким образом, приведённые обстоятельства определили в качестве предмета научных исследований для оптимизации эксплуатации такие вопросы как учёт гидравлической совместимости труб и интенсификация реновации трубопроводов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-составлен полный классификатор повреждений (патологий) безнапорных водоотводягцих сетей,
-для водоотводящей сети разработана семантическая и математическая модель ранжирования внешних факторов влияния и элементов их состояния по рейтинговой системе приоритетности с присвоением баллов значимости,
-разработаны методы поиска первоочередных и потенциальных объектов восстановления по рейтинговой системе приоритетности и определения оптимального способа реновации для безнапорных трубопроводов на основе учёта стоимостных, технических, технологических и эксплуатационных показателей,
-разработана методика оценки гидравлической совместимости на стыках участков сетей, выполненных га различных материалов и диаметров,
-разработаны новые способы и устройства для интенсификации методов восстановления трубопроводов.
Практическая значимость работы состоит в разработке системного подхода к поэтапному решению долгосрочных стратегических и тактических задач, эксплуатации сетей, а именно:
-поиска первоочередных, приоритетных и потенциальных объектов восстановления с использованием автоматизированного программного комплекса,
-выбора оптимального метода реновации для найденного объекта;
-автоматизированной проверки системы "восстановленный-
невосстановленный участки трубопровода" на гидравлическую совместимость,
-выбора способа и устройств, позволяющих интенсифицировать технологический процесс реновации трубопроводов.
Разработки автора (в творческом коллективе соавторов) по созданию и внедрению конкурентно способной технологии и оборудования по замене сетей водоотведения в городских условиях отмечены Премией Правительства РФ за 2000 г. в области науки и техники (Постановление Правительства РФ № 230 от 19.03.2001 года).
На защиту выносятся:
-результаты исследований по выявлению, анализу и классификации повреждений (патологий) водоотводящей сети,
-семантическая и математическая модели ранжирования внешних факторов влияния и элементов их состояния по рейтинговой системе приоритетности,
-методы поиска первоочередных и потенциальных объектов восстановления и определения оптимального способа реновации безнапорных водоотводящих трубопроводов,
-методика оценки гидравлической совместимости участков труб, выполненных из различных материалов и диаметров,
-результаты исследований по интенсификации методов восстановления безнапорных трубопроводов и разработанные автором новые технические решения.
Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты исследований докладывались на секции НТС Госстроя РФ в рамках обсуждении вопроса «О проекте «Положения о санации водопроводных и водоотводящих сетях» для принятия его в качестве общероссийского нормативно-технического документа.
Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 99 наименований. Общий объём диссертационной работы: 157 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 25 рисунков, приложение в виде таблиц и справка о внедрении.
Технические, технологические и эксплуатационные показатели различных методов бестраншейной реновации водоотводящих сетей
Метод основан на применении полимерной облицовки из элементов продольного сечения, образующих при скреплении друг с другом внутреннюю защитную оболочку трубопровода. Метод разработан германской фирмой Ф Trolining [12]. Технология нанесения защитного покрытия состоит в протягивании через дефектный трубопровод из колодца готовых гибких и высокопрочных полиэтиленовых заготовок, соединяемых внутри трубопровода с помощью экструзионной сварки. Для плотной фиксации облицовки к внутренней поверхности трубопровода в кольцевую полость между стенкой трубы и облицовкой инъецируется цементирующий материал, а в трубопровод нагнетается вода, которая распрямляет облицовку и прижимает её к стенкам. Использование гибкого комбинированного рукава (чулка) Данный метод восстановления водоотводящих и других коммунальных сетей на сегодняшний день находит распространение как в нашей стране, так и за рубежом. Сущность метода состоит в образовании внутри реабилитируемого трубопровода новой композитной трубы, обладающей достаточной самостоятельной несущей способностью при минимальном снижении диаметра действующего трубопровода. Выворот и продвижение комбинированного рукава в трубопроводе можно осуществлять при помощи гибкого элемента (троса), давлением жидкой или газовой среды, а также совместным использованием обоих способов, которые предложены фирмой Insutiform и ООО "Комстек" [13]. Основное преимущество метода протаскивания комбинированного рукава Ф состоит в простоте и доступности технологии и оборудования для её реализации. Использование рулонной навивки (бесконечной профильной ленты) на внутреннюю поверхность старого трубопровода Для реабилитации безнапорных водоотводящих трубопроводов могут применяться методы Ribloc и Expanda-Pipe [3]. Данные методы позволяют облицовывать внутреннюю поверхность трубопроводов поливинилхлоридной (ПВХ) лентой. Для этого в колодце устанавливается специальный станок, осуществляющий несколько функций: нанесение (навивку) бесконечной ленты по внутреннему диаметру трубопровода, ее фиксацию, заливку клеющей смолы, проталкивание образовавшегося каркаса из ПВХ внутрь реабилитируемого трубопровода, расширение каркаса для его более плотного прижатия к восстанавливаемому сооружению. После процесса наматывания оставшееся свободное кольцевое пространство между реабилитируемой водоотводящей трубой и новым каркасом забивается специальной трамбовкой для повышения статической прочности. Точечные (местные) защитные покрытия. Данный тип покрытий характерен для ликвидации одиночных (точечных) сквозных, в том числе, периферийных трещин, вызванных подвижкой грунта (например, при проведении вблизи трасс земляных работ), а также местной коррозией стенок трубопроводов. Покрытия для точечного ремонта могут также использоваться в качестве герметичных соединений отдельных труб при реализации различных способов бестраншейного восстановления сетей. По данным исследований проводимых в Канаде местные повреждения в результате подвижек грунта проявляются примерно в течение 10 лет после монтажа трубопровода и составляют, как правило, 6% его длины [11, 14]. Например, обследование в г. Торонто сетей трубопроводов общей протяжённостью 25,6 км показало необходимость в местном ремонте Ш трубопровода на длине порядка 1,4 км, что соответствует 55 м на 1 км длины или 5,5 %, Местные повреждения, явившиеся причиной химической эрозии стенок трубопроводов, могут развиваться очень быстро и приводят к преждевременному выходу трубопровода из строя. Данные статистики показывают, что такого рода повреждения составляют порядка 10 % длины трубопровода. Покрытия для местного ремонта могут быть в виде: жидких растворов, jf твердеющих после операций нанесения на повреждённые поверхности; растворов полужидкой консистенции; волокнистых материалов с пропиткой смолами; профильных резиновых уплотнителей; гильз из нержавеющей стали; эластичных рукавных заготовок в трубчатых вкладышах и т.д. Американской фирмой Inliner разработаны технологии Resin Saver и Sort Liner, которые используются для локального ремонта трубопроводов, а также для долговременного ремонта коротких участков износившихся труб [15]. Данные бестраншейные технологии позволяют эффективно защищать полимеризуемыми на месте работ плёнками реконструируемые трубопроводы, останавливать течь и предотвращать коррозию в трубах диаметром до 3000 мм.
Фирмой Raven Lining System (RLS) разработана технология водно-эпоксидной облицовки внутренней поверхности труб [16]. В основе технологии лежит использование эпоксидных смол с добавлением к ним заполнителя или стекловолокна. Толщина защитной облицовки в месте повреждения трубы может достигать 0,5 - 7,5 мм (за один проход).
Местными защитными материалами для кольматации щелей в стенках трубопроводов и в местах их стыковки могут служить специальные растворы (например, акриловая смола, полиуретановая мастика). В состав смолы входят волокнистые добавки на основе стекла. Введение раствора в щели осуществляется специальными устройствами, а процесс контролируется телевизионными установками. Данным метод используется французской фирмой Егсапа[17].
Отечественными специалистами (ООО "Комстек" совместно с ОАО НПО "Стеклопластик") разработана эластичная рукавная заготовка в виде трубчатого вкладыша слоистой структуры соответствующего диаметра. Заготовка вводится в реабилитируемый трубопровод к месту локального повреждения с помощью пакера и после операций отверждения связующего жестко закрепляется на внутренней поверхности трубопровода, образуя монолитное и герметичное ремонтное покрытие [18].
Специалистами канадской фирмы Link-Pipe (г. Торонто) разработан метод ремонта местных повреждений водоотводящих сетей Grouting sleeve, где в качестве основного элемента используется двухслойная ремонтная гильза цилиндрической формы [И]. Внутренний слой гильзы выполняется из листовых нержавеющих сталей, наружный из листового полиуретана, который перед спуском гильзы в трубопровод покрывается клеевым составом на полиуретановой основе.
Разработка математической модели, алгоритма и методики поиска приоритетных объектов реновации (участков водоотводящих сетей) по балльной системе ранжирования
Разработка концепции определения первоочередного объекта реабилитации участков трубопроводов городской водоотводящей сети и методики ее реализации заключается в использовании и обобщении обширного аналитического и архивного материала по эксплуатации водоотводящих трубопроводов различных городов и населённых пунктов, применения соответствующего математического аппарата и специально разработанной автоматизированной системы комплексной оценки.
Выбор конкретного объекта реабилитации протяжённых и разветвлённых водоотводящих систем большинства крупных городов, значительная часть трубопроводов которых исчерпала нормативный срок службы и имеет высокий риск возникновения аварий, является сложной многофакторной и многовариантной задачей.
Подход к определению первоочередного объекта реабилитации трубопроводов городской водоотводящей сети базируется на выделении базового или основного фактора, которым служит его надежность, а также комплексной оценки определённого количества косвенных дестабилизирующих факторов, влияющих на показатели надежности участков трубопроводов в реальных условиях эксплуатации.
Под надежностью участка водоотводящего трубопровода понимается его свойство бесперебойного отвода сточных вод от обслуживаемых объектов в расчетных количествах в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями и соблюдением мер по охране окружающей среды.
При разработке стратегии реновации сетей целесообразно в качестве основного фактора оценки их технического состояния принять аварийность (Х 1). При этом следует иметь в виду, что выход на основной фактор, а также его качественное и количественное описание должны проюводиться только после выявления влияния на него всех косвенных факторов, оцениваемых в свою очередь по балльной системе на основе распределения по рангам значимости.
Оценка косвенных факторов и их ранжирование по значимости к приоритетному должны производиться с учётом двух условий: минимального ущерба (материального, экологического, социального) в случае аварийной ситуации, например, отказа участка сети, и увеличения срока его безаварийной эксплуатации. При разработке стратегии реновации водоотводящих сетей к косвенным факторам влияния на риск возникновения отказа следует отнести следующие 11 (представлены по тексту в произвольной форме без учёта ранжирования и на рис. 1 в виде вершин графа): год укладки водоотводящего трубопровода № 2; диаметр трубопровода (толщина стенок) № 3; нарушения в стыках трубопроводов № 4; дефекты внутренней поверхности № 5; засоры № 6; нарушение герметичности № 7; деформация тела трубы № 8; глубина заложения труб № 9; состояние грунтов вокруг трубопровода - № 10; наличие (отсутствие) подземных вод № 11; интенсивность транспортных потоков - № 12. Влияние 11 косвенных факторов (№ 2 - № 12) на базовый, т. е. аварийность (№ 1), и определение их рангов приоритетности по балльной системе производится с помощью математической модели (теории графов) посредством составления матриц доминирования. Последние устанавливают общую связность всех элементов системы с учётом множества возможных сочленений и выявлением ранга доминирования или значимости.
Косвенные факторы значимости, используемые для создания алгоритма и программы реновации для водоотводящих сетей имеют специфические особенности. В перечне косвенных факторов детально представлены пять типов патологий (нарушения в стыках, дефекты внутренней поверхности труб, засоры различного происхождения, нарушение герметичности стенок, деформация тела трубы), без которых оценка состояния водоотводящих сетей была бы невозможной. Особенностью методики является то, что в ней не учитываются качественные характеристики воды, так как рассмотрению подлежат городские сточные воды, имеющие концентрацию загрязнений, соответствующую приёму их в систему городской канализации. Когда речь идёт о системах водоотведения, принимающих и транспортирующих концентрированные производственные сточные воды, то учёт фактора "качественные характеристики" становится необходим, что требует внесения дополнительных коррективов в разработанный алгоритм и автоматизированную программу.
Разработка математической модели, алгоритма и методики поиска приоритетных объектов реновации (участков водоотводящих сетей) по балльной системе ранжирования Составление математической модели и алгоритма решения задачи определения объектов восстановления водоотводящих сетей включает три этапа: составление общей структурной схемы связи основного фактора (уровня надёжности) и 11 косвенных в виде ориентированного графа, определение связности графа и ранжирования факторов на основе множества их сочленений, алгебраическая запись в виде матрицы доминирования А всех возможных сочленений косвенных факторов. Далее на основе установленных связей каждому из 12 факторов или элементов матрицы А присваивается "О" или "Г . Цифра "1" означает доминирование одного фактора над другим, а цифра "О" отсутствие доминирования. В таблице 4 представлена математическая запись графа в виде матрицы доминирования А.
Обоснование необходимости учёта факторов транспортирующей способности и гидравлической совместимости участков водоотводягдих сетей, выполненных из различных материалов и диаметров
При расходах меньше максимальных, наблюдающихся в сетях в другие часы суток, как правило, происходит выпадение взвешенных частиц в осадок, т.е. образование наносов на стенках труб и в лотковой части. Однако при последующем возрастании расходов до максимальных, а скоростей до минимальных расчётных осадок смывается и трубопровод самоочищаться от выпавших ранее наносов.
Различные исследователи затрагивали вопросы выявления как абсолютных значений скоростей, так и анализа неравнозначности скоростей транспортирования примесей по поверхности, в глубине потока и в лотковой части трубы при перемещении наносов.
В работе [32] отмечается, что транспортирующая способность потока сточной жидкости зависит не только от скоростей, но и наполнений. В работе [31] отмечается, что с увеличением высоты слоя воды в трубе средние скорости течения в ней возрастают. Однако с возрастанием наполнений увеличивается давление на дно, что ведёт к увеличению сопротивления передвижению ранее выпавших осадков. Таким образом, с увеличением наполнения можно не достичь желаемого эффекта, т.е. ощутимого увеличения донных скоростей вблизи лотков труб.
В работе [33] сделан вывод, что достаточное для передвижения наносов увеличение донных скоростей можно «достичь лишь путём увеличения уклона, но не путём увеличения только наполнения».
Для размыва и подъёма осевших твёрдых примесей нужны скорости, примерно в 1,5-2 раза больше тех, при которых примеси выпадают в осадок [34]. Однако начало движения гряд наносов и увлечение ранее выпавших частиц в поток транспортируемой сточной воды происходит при меньших скоростях, чем те, при которых примеси выпадают в осадок в лотковой части трубы [27].
Используя перечисленные выше предположения как базовые, была предпринята попытка выполнения комплекса аналитических и натурных исследований по выявлению и идентификации (т.е. определению наличия донных отложений и условий их перемещения), математическому описанию и интерпретации случаев возможной гидравлической дестабилизации (дисбаланса) на стыках восстановленных и невосстановленных трубопроводов водоотводящей сети, выполненной из различного материала и диаметра.
Проведение подобных исследований изначально рассматривалось как важное мероприятие, направленное на подтверждение или опровержение бытующего среди специалистов мнения о «полной совместимости» пластмассовых труб с керамическими, чугунными и другими в системе водоотведения.
Задача ставилась таким образом, чтобы доказать, что в практике восстановления безнапорных трубопроводов бестраншейными методами, а также разработке стратегии их реновации «гидравлическая совместимость» по своей значимости не только должна занять такое же место, как решение инженерных задач по выбору приоритетного объекта восстановления и поиска оптимального метода его реновации, но и вносить существенную корректировку при принятии окончательного решения. Последнее обстоятельство должно быть неразрывно связано с вопросом эффективности применения в качестве взаимозаменяемых ремонтных защитных покрытий из различных материалов, которые порой резко отличаются по свойствам от материала эксплуатируемых трубопроводов. Особенно это различие проявляется при использовании в качестве внутренних защитных покрытий полимерных материалов.
Соблюдение и поддержание соответствующих стабильных гидравлических характеристик на соседствующих невосстановленных и восстановленных участках различного диаметра весьма значимо для правильной организации и потенциальной безаварийной эксплуатации безнапорных сетей. Диаметры реабилитированных участков сети независимо от метода их восстановления должны быть подобраны таким образом, чтобы не нарушался режим течения сточных вод на последующих участках, т.е. отсутствовало подтопление, как следствие высоких скоростей и наполнений на предыдущих обновлённых участках трубопровода с малыми коэффициентами гидравлического сопротивления.
Как уже отмечалось выше практика использования современных бестраншейных технологий позволяет реализовать три варианта восстановления ветхого участка протяжённой трубопроводной сети: с сохранением прежнего диаметра трубопровода, его увеличения или уменьшения. Данные вопросы являются весьма важными для проектировщиков при принятии решений о применении той или иной бестраншейной технологии из широкой гаммы положительно зарекомендовавших себя методов.
Для оценки ситуации путём выявления диапазонов изменения гидравлических показателей, в частности, соотношения скоростей течения вблизи стыков трубопроводов при реализации соответствующих вариантов 1 бестраншейного восстановления, была разработана методика и специальная компьютерная программа. Благодаря им выявляются рамки гидравлической совместимости на трёх смежных участках трубопровода, т.е. невосстановленном предыдущим (первым по ходу движения сточной воды), восстановленным (вторым по ходу движения) и невосстановленным последующим (третьим по ходу движения) при их проектных (или реальных) уклонах и диаметрах.
Рассмотрим ситуацию, возникающую на стыке восстановленного участка трубопровода (например, выполненного из пластмассовых труб, поз. 1 на рис. 10) и последующего невосстановленного (например, из керамических труб, поз. 2 на рис. 10).
Разработка новых устройств и технологий для восстановления и реконструкции трубопроводов
Тенденция использования полимерных материалов для реновации безнапорных трубопроводов Как отмечалось в главе 1, до недавнего времени наибольшее распространение в качестве защитных оболочек трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения имели цементно-песчаные растворы.
С целью повышения технологических качеств цементно-песчаных растворов в них стали вводиться полимерные пластификаторы [41, 42]. Это в дальнейшем привело к созданию полимербетонных труб [43-45].
Одним из путей интенсификации методов восстановления трубопроводов является широкое использование полимерных материалов. В мировой практике широкое применение нашли тонкостенные оболочки (чулки) Insituform, которые изготовляются из кислотоупорного полиэфирного волокна, пропитанного смолой [46]. Широко применяются чулки из комбинированных материалов (например, тканевых пропитанных смолой, реактопластов, термопластов, профилированных лент из ПВХ и других) [47-50].
При ремонте коллекторов без доступа людей используются складывающиеся и распрямляющиеся полимерные обделки, например Nu Pipe U или С - образной формы [46]. В таком виде они размещаются в дефектном трубопроводе и затем распрямляются под воздействием пара. Обновление коллекторов больших диаметров производят с помощью сборных элементов из стеклопластиков, поливинилхлорида, полиэолефинов (ПЭ и ПП) [51].
В последние годы успел себя зарекомендовать полиэтилен, как материал, который устойчив к большинству химических веществ и может успешно применяться для обновления коммунальных и технологических трубопроводов [52-54].
По отзывам зарубежных специалистов, например, широко применяемые полиэтиленовые трубы РЕН являются идеальными для бестраншейной реконструкции, особенно при реализации бестраншейного метода «труба в трубе» [55]. Полиэтиленовые трубные плети при реконструкции водоотводящих сетей используются также в бестраншейном методе Swagelining для ремонта трубопроводов диаметром до 500 мм [56].
При восстановлении безнапорных трубопроводов используют трубы из полиэтилена РЕ -80 и РЕ-100. Трубы соединяются сваркой встык (при минимальной толщине стенок до 4 мм) или электроимпульсным методом (при любой толщине стенок) в одну длинную нитку [57].
Голландской фирмой WAWIN для бестраншейной реконструкции безнапорных трубопроводов применяются трубы из ПНД с толщиной стенки не менее 5 мм. В Финляндии широко применяется трубчатая конструкция Флексорен диаметром до 250 мм, специально разработанная для самотечных сетей [58-60].
Стандартные полиэтиленовые трубы РЕ-80 и РЕ-100 средней (MDPE) и высокой (HDPE) плотности, а также типа РЕ-Х используются в для бестраншейной реабилитации в ряде стран Европы (метод UPEX, совместная разработка финской фирмы Uponor Ltd и английской компании BG Pic) с показателем SDR (отношение наружного диаметра к толщине стенки) И- 47. Необходимо отметить, что при реновации самотечных сетей, если целью работ является обеспечение герметичности и не требуется структурного восстановления ветхих труб, целесообразно полиэтиленовые трубы с более высоким SDR [61].
Практика проведения восстановительных работ на водоотводящих сетях г. Москвы показывает перспективность применения пластикового рукава отечественного производства [62-65], а также пластмассовых труб, которые давно освоены отечественной промышленностью и успешно применяются при бестраншейной реновации как напорных, так и безнапорных трубопроводов [66, 67].
Производство пластмассовых труб интенсивно развивается во всем мире [6S]. Отечественной промышленностью производятся трубы двух групп полимеров: из реактопластов (стеклопластиковые и базальтопластиковые) и из термопластов ( полиолефины: полипропилен -ПП, полиэтилен - ПЭ высокого ПВД и низкого ПНД давления и непластифицированный поливинил хлор ид НПВХ). В последнее время из полиэтилена стали производиться ротационным формованием канализационные и водосточные смотровые колодцы [69, 70].
Для устройства подземных водоотводящих сетей используются в основном трубы из термопластов [54]. Широкое применение этих труб для устройства трубопроводов различного назначения объясняется тем, что 90 % всех используемых трубопроводных систем предназначены для эксплуатации при нормальных давлениях (до 1 МПа) и средних температурах. Максимальная температура при эксплуатации труб из ПНД (ГОСТ 18599, диаметр от 10 до 1200 мм) и ПВХ (ТУ 6.19.231, диаметр от 10 до 315 мм) составляет 50-60 С. При эксплуатации труб из ПП (ТУ 38.102.100, диаметр от 20 до225 мм) она больше на 10-15 С. Наряду с указанными за рубежом в промышленных масштабах изготовляются трубы повышенной теплостойкости из полибутена -ПБ, модифицированного полиэтилена -СПЭ, дополнительно хлорированного поливинилхлорида -ПВХ-Х и фторосодержащих полимеров, например, из поливинилиденфторида (ПВДФ). Такие трубы могут использоваться для транспортирования среды при температуре 80-90 С , а трубы из ПВДФ и при 140 С В России термостойкие трубы производятся в ограниченных количествах, они значительно дороже и используются только в исключительных случаях [66]. Промежуточное значение по температуре использования (60-80 С) занимают трубы из стеклопластиков [71, 72]. Согласно «Своду правил по проектированию и монтажу подземных трубопроводов канализации из стеклопластиковых труб СП 40-105 -2001», не исключается возможность использования таких труб и для бестраншейной замены ветхих трубопроводов. Одним из многочисленных достоинств пластмассовых труб является высокая надёжность их соединений. Соединение труб из ПВХ выполняется на раструбах с уплотнением резиновыми кольцами, а также склеиванием [73]. Недостатком соединений с кольцами является их неспособность воспринимать осевые нагрузки [74].
