Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность работы систем водоснабжения городов во многом определяется техническим состоянием трубопроводных сетей. Текущее положение таково, что около 70% инженерных трубопроводных коммуникаций в РФ находятся в неудовлетворительном состоянии. Аварийность городских сетей водоснабжения за последнее десятилетие возросла практически в 5 раз и составляет в среднем по РФ порядка 70 случаев на 100 км трубопроводов.
Предупреждение старения подземных трубопроводов систем водоснабжения путём их оперативной реновации и модернизации с использованием новых защитных ремонтных материалов, локализующих разнообразные дефекты и позволяющих значительно продлить срок службы трубопроводов, является одним из наиболее актуальных мероприятий водоканалов по обеспечению эффективности и надёжности работы систем водоснабжения городов и населённых пунктов. Аналогичные проблемы и способы их решения характерны и для напорных сетей водоотведения.
Используемые в качестве ремонтных материалов внутренние защитные покрытия трубопроводов помимо выполнения ими функций надёжного барьера между транспортируемой средой и окружающим пространством позволяют обеспечить повышение прочности трубной конструкции и улучшить её гидравлические характеристики.
В условиях ярко выраженной мировой тенденции значительного снижения водопотребления в городах (например, в Москве до 160 л/чел в сутки) по причине вывода промышленных объектов за пределы городов (из-за их нерентабельности или необходимости сохранения нормальной экологической среды в регионе), проведения мероприятий по экономии питьевой и технической воды, рационализации водопользования и т.д., скорости в распределительных сетях объединенных систем хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения резко снижаются (до 0,1-0,3 м/с), что негативно отражается на органолептических характеристиках транспортируемой воды, увеличивая время её пребывания в системе. В данной ситуации применение внутренних защитных покрытий, приводящих к сужению диаметров участков трубопроводов, можно рассматривать как одно из эффективных мероприятий повышения скоростей течения воды в распределительной сети при условии обеспечения требуемых противопожарных расходов.
Внутренние защитные покрытия являются эффективным средством устранения многих типов дефектов металлических и неметаллических труб, среди которых можно выделить две основные категории: механические и коррозионные. К механическим следует отнести: трещины и сколы на раструбах труб; кольцевые или круглые трещины и свищи, более характерные для малого диаметра труб; продольные и спиралевидные трещины, которые могут разрываться.
На коррозионную устойчивость трубопровода влияет множество факторов, среди которых можно отметить: качество стали; наличие
коррозионной защиты; толщина стенки трубы; наличие защитной внешней облицовки или покрытия; использование соответствующих материалов и технологий засыпки траншеи; величина рН, щелочность воды, а также тип и доза дезинфицирующего средства в воде; тип бактерий, присутствующих в биологической пленке на внутренней поверхности трубопровода; скорость течения воды.
На основе опыта эксплуатации Московского водопровода, установлено, что наиболее распространенным дефектом стальных трубопроводов водопроводных сетей является образования сквозных проржавлений -свищей (около 67% общего количества повреждений). На чугунных трубопроводах основными причинами возникновения аварийных ситуаций является нарушения герметичности раструбных соединений (12%) и переломы труб (16%).
Применение традиционных способов реконструкции трубопроводов (с отрывом траншеи и полной заменой аварийного трубопровода) при современной большой плотности подземных инженерных коммуникаций и застройки территорий в крупных городах РФ трудно реализуемо и потребует существенных финансовых и трудовых затрат, при этом серьезно затрудняя повседневную жизнь населения.
Поэтому в сфере реконструкции трубопроводов целесообразно использовать новые бестраншейные технологии реновации труб, которые активно развиваются в последние десятилетия. Бестраншейные технологии ремонта наряду с оперативностью и экономичностью (по сравнению с традиционными методами реконструкции) позволяют не нарушать сложившуюся градостроительную и экологическую обстановку.
Одним из основных способов восстановления трубопроводов является нанесение различных защитных покрытий на его внутреннюю стенку. Нанесение покрытия может производиться набрызговым методом, протягиванием сплошных оболочек (рукавов, чулков), использования навивочных (ленточных) методов, а также с помощью точечного ремонта трубопроводов, например, установкой специальных бандажей.
Опыт эксплуатации Московского водопровода свидетельствует, что одними из приоритетных участков реновации сетей должны являться трубы диаметром 300 и 400 мм, поскольку эффект от санации по снижению аварийности на данных трубопроводах наибольший.
Передовыми методами бестраншейной реновации трубопроводов в широкой гамме диаметров являются методы нанесения на внутреннюю поверхность трубы защитного полимерного покрытия с помощью набрызгового метода или с помощью протягивания полимерного рукава (чулка). Применение данных методов реновации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения связано с рассмотрением широкого спектра факторов последующей эксплуатации сетей при данных местных исходных условиях. Нанесение слоя защитного полимерного покрытия на внутреннюю стенку трубопроводов ведет к уменьшению диаметра трубопровода, при этом изменяются и гидравлические характеристики восстанавливаемой ветки
трубопровода. Важным фактором является прочностная составляющая новой двухслойной конструкции («труба + защитное покрытие»). Для её оценки важно определить характер поведения защитного покрытия в зоне дефекта трубопровода при воздействии как внутренних негативных факторов (к примеру: избыточное давление), так и внешних (давление от грунта и грунтовых вод). Также важно учитывать вопросы энергоэффективности при применении того или иного защитного полимерного покрытия на различных участках трубопроводных сетей городов.
Таким образом, можно утверждать, что необходимо получение наиболее полных исчерпывающих сведений по современным защитным полимерным покрытиям в области их физико-механических и прочностных характеристик, а также гидравлических характеристик (в плане энергоэффективности). Результатом обработки данных сведений должен стать метод подбора способа реновации трубопроводов для конкретных условий, одновременно учитывающий несколько ключевых факторов последующей эксплуатации трубопровода, в числе которых: прочностные показатели конструкции и сопротивление покрытия внешним и внутренним негативным факторам воздействия, гидравлическое соответствие восстанавливаемых участков сети нормативным показателям работы сетей, а также общая энергетическая и экономическая эффективность проведенной реновации.
Объект исследования. Напорные трубопроводы, восстанавливаемые внутренним защитным набрызговым полимерным покрытием Scotchkote 169НВ (производитель в России: компания "ЗМ-Россия").
Предмет исследования. Проведение испытаний: механических (на универсальной электромеханической разрывной машине Instron 3345), прочностных (на базе компьютерного комплекса Ansys), гидравлических (на базе специального гидравлического стенда), а также компьютерного моделирования (с использованием комплекса Bentley WaterGEMS) защитного полимерного покрытия Scotchkote 169НВ для определения ключевых прочностных и гидравлических характеристик материала покрытия, работающего в системе "трубопровод + защитное покрытие" на реальном объекте.
Научно-техническая гипотеза диссертации. Проведенные
экспериментальные исследования с покрытием Scotchkote 169НВ и полученные на их основе зависимости основных прочностных и гидравлических характеристик системы "трубопровод + защитное покрытие", должны послужить доказательством эффективности применения нового типа покрытия как с прочностной, так и гидравлической точки зрения, в сравнении с другими методами санации.
Цели и задачи работы. Целью работы является комплексный анализ набрызговых и сплошных внутренних полимерных защитных покрытий с оценкой эффективности их применения для обеспечения требуемых прочностных и гидравлических показателей восстанавливаемых распределительных сетей объединенных систем хозяйственно-питьевого и
противопожарного водоснабжения, а также напорных трубопроводов систем водоотведения.
Задачами работы являются:
-изучение мирового опыта применения методов бестраншейной реновации трубопроводов со сравнительным анализом их возможностей по обеспечению требуемых прочностных и гидравлических характеристик восстанавливаемых конструкций напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения;
-изучение физико-механических характеристик защитного набрызгового полимерного покрытия Scotchkote 169НВ на универсальной электромеханической разрывной машине; описание и анализ данных полученных экспериментальным путем и данных, полученных из технических паспортов производителя защитных покрытий;
-исследование прочностных характеристик двухслойной конструкции («труба + защитное покрытие») с помощью моделирования на базе использования различных автоматизированных программных комплексов; интерпретация результатов исследований с разработкой методики подбора и применения защитного полимерного покрытия с альтернативными параметрами при различных исходных характеристиках восстанавливаемого трубопровода;
-проведение стендовых гидравлических испытаний напорных трубопроводов с набрызговым покрытием Scotchkote 169НВ; интерпретация результатов исследований с получением гидравлических характеристик двухслойной трубной конструкции (коэффициентов гидравлического трения и коэффициентов удельного сопротивления);
-проведение исследования изменений гидравлических характеристик реальной водопроводной сети объединённой системы хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения при сквозном уменьшении внутренних диаметров трубопроводов сети при нанесении защитных полимерных покрытий с учётом обеспечения требуемых пожарных расходов;
-технико-экономическая оценка эффективности применения способов бестраншейной реновации трубопроводов с применением покрытий Scotchkote 169НВ и других альтернативных защитных покрытий.
Методологической и теоретической основой исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области исследования гидравлических характеристик трубопроводов из различных материалов и с различными нанесенными на их внутреннюю стенку защитными покрытиями, а также труды в области прочностного исследования трубопроводов и исследования физико-механических свойств полимерных материалов.
При проведении экспериментального и аналитического исследований были применены актуальные методы определения физико-механических, прочностных и гидравлических характеристик трубопроводов и наносимых на их внутреннюю поверхность полимерных защитных покрытий. В их числе: проведение механических испытаний материалов с полимерной
матрицей, определение изменения физико-механических характеристик трубных конструкций из полимерных материалов (методика Г.К. Клейна), формирование и расчёт модели в среде конечно-элементного анализа Ansys, проведение испытаний на гидравлическом стенде кафедры "Водоснабжение" МГСУ, формирование и расчет модели водопроводной распределительной сети в компьютерной среде Bentley WatetGEMS.
Научная новизна работы:
-на основе данных, полученных в ходе аналитических и экспериментальных испытаний на универсальной электромеханической разрывной машине, разработаны модели прочностного расчёта двухслойной конструкции напорного стального трубопровода и защитных полимерных покрытий (Scotchkote 169НВ и полимерного рукава); получены зависимости прочностных возможностей двухслойных конструкций, которые позволяют определить наиболее целесообразные и эффективные варианты применения защитных полимерных покрытий (толщина рукава или толщина набрызгового слоя Scotchkote 169НВ), исходя из условий эксплуатации трубопроводов;
-получены эмпирические зависимости коэффициента гидравлического трения и удельного гидравлического сопротивления реконструируемого трубопровода от его нового внутреннего диаметра;
-произведено гидравлическое исследование реальной водопроводной сети города при сквозном уменьшении внутренних диаметров трубопроводной сети на 1 и 2 сортамента с помощью нанесения на внутреннюю поверхность труб покрытий Scotchkote 169НВ и защитного полимерного рукава с учетом обеспечения требуемых пожарных расходов; по итогам данного исследования получены кривые изменения ключевых гидравлических характеристик сети ("напора-скорости"), а также эмпирические зависимости, показывающие динамику изменений напоров в "пожарных" узлах сети и скоростей движения воды в смежных к данным узлам трубопроводах.
Основные положения, выносимые на защиту:
-результаты экспериментальных и аналитических исследований физико-механических характеристик защитных покрытий Scotchkote 169НВ и полимерного рукава;
-результаты компьютерного моделирования прочностной модели двухслойной конструкции «труба + защитное покрытие» со сквозным дефектом в виде свища, проведенного в системе конечно-элементного анализа Ansys, а также результаты компьютерного расчета на специальных автоматизированных программных комплексах с учетом внешних дестабилизирующих факторов;
- результаты стендовых гидравлических испытаний в лаборатории МГСУ с представлением ключевых зависимостей определения гидравлических характеристик трубопроводов с защитным покрытием;
-результаты гидравлических исследований (моделирования работы) реальной водопроводной сети города с учетом изменений внутренних диаметров трубопроводов распределительной сети при реновации участков
покрытиями Scotchkote 169НВ и защитным полимерным рукавом, проведенными в среде компьютерного автоматизированного анализа Bentley WaterGEMS;
-технико-экономическая оценка эффективности применения методов реновации напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения с использованием покрытий Scotchkote 169НВ и других покрытий.
Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты прочностных и гидравлических исследований докладывались:
-на Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов "Современные экологически безопасные и энергосберегающие технологии в природопользовании", 26-28 апреля 2011 г., г. Киев.
-на IV Международной Научно-практической конференции "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях" в рамках XII Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ-2012 (призер Премии II степени поддержки талантливой молодежи Минобрнауки за работу "Защитные покрытия как фактор обеспечения прочностных показателей труб"), 26-29 июня 2012 г., г. Москва;
-на 30-ой Международной выставке-конференции по бестраншейным технологиям NO-DIG 2012, 10-15 ноября 2012 г., г. Сан-Пауло, Бразилия;
-на XVI Международной межвузовской научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Строительство -
формирование среды жизнедеятельности", 24-26 апреля 2013 г., МГСУ, г.
Москва (Диплом II степени за работу "Прочностной аспект применения
напыляемого быстрополимеризующегося защитного покрытия
трубопроводов").
Практическая значимость работы состоит в разработке методики выбора защитного покрытия на основе сопоставления прочностных и гидравлических характеристик двух типов покрытий с оценкой возможности локализации ими различного рода дефектов.
Результаты работы внедрены при проектировании и гидравлическом расчете трубопроводов на ряде объектов восстановления водопроводных сетей в городе Москве.
Соответствие специальности. Диссертационная работа соответствует специальности 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов».
Личный вклад. Исследования, изложенные в диссертационной работе, выполнены автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации:
Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 75 наименований и приложения.
Общий объем диссертационной работы: 148 страниц машинописного текста (без приложений), 41 таблица, 39 рисунков.
