На правах рукописи
УНИФИКАЦИЯ ПОДХОДА К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДОПРОВОДНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ПРИ ИХ БЕСТРАНШЕЙНОЙ РЕНОВАЦИИ
05.23.04 - Водоснабжение, канализация,
строительные системы охраны водных ресурсов
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования
«Московский государственный строительный университет»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
кандидат технических наук
Ведущая организация:
Защита диссертации состоится «21» февраля 2012 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» Москва, Ярославское шоссе, в ауд. № 000Г.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».
Автореферат разослан «____» января 2012г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящий момент в городах РФ старение подземных трубопроводных коммуникаций систем водоснабжения и водоотведения достигло критических уровней: порядка 60% трубопроводных сетей находятся в неудовлетворительном или близком к нему состоянии.
Исторически сложилось так, что, начиная с середины прошлого века, в большинстве городов РФ напорные коммунальные трубопроводы систем водоснабжения строились в основном из низколегированной стали без какой-либо защиты от коррозии. Это привело к тому, что на стальных водопроводных трубопроводах с нормативным сроком службы порядка двух десятилетий резко возросла аварийность (в 5-6 раз) и в настоящее время составляет в среднем по РФ 70 случаев в год на 100 км трубопроводов. К сожалению, необходимо констатировать, что в настоящее время в период реформирования ЖКХ в России темпы обновления и восстановления не производятся в требуемом объеме, например, реновации и модернизации подвергается в городах РФ около 2% трубопроводов от общей их протяженности.
Обстановка складывается таким образом, что предотвратить переход системы из критического состояния в катастрофическое в системах городского водоснабжения возможно лишь путем незамедлительной оперативной реновации сетей с широким использованием для этого прогрессивных экологичных, экономичных и оперативных бестраншейных методов, позволяющих кроме ресурсосбережения (путем ликвидации утечек) достигнуть ощутимого эффекта энергосбережения. С другой стороны широкое использование для реновации сетей бестраншейных технологий ремонта требует глубокого изучения гидравлических характеристик трубопроводов из различных материалов, рассматриваемых в качестве перспективных для реновации бестраншейными методами, а также выявления и возможной локализации «узких мест» при использовании широчайшей гаммы строительных материалов, поставляемых на современный рынок и дающих соответствующий технико-экономический эффект.
Другими словами, актуальными на сегодняшний день становятся вопросы, связывающие в единое целое сведения и характеристики ремонтных материалов для трубопроводов, а также эффективную реализацию унифицированного подхода к их выбору, обеспечивающему гидравлическую совместимость в системе «старый и новый участки трубопровода» с одновременной экономией энергоресурсов на единицу длины трубопровода.
Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка унифицированного подхода к определению гидравлических и экономических показателей, обеспечивающих эффективную работу водопроводных трубопроводов при их бестраншейной реновации альтернативными ремонтными материалами.
Задачей исследований является:
-проведение комплексного сопоставительного анализа технических параметров и гидравлических характеристик трубопроводов из различных материалов (сталь, чугун, асбестоцемент, пластмассы и т. д.), которые используются в системах водоснабжения и являются потенциальным ремонтным материалом при реализации бестраншейных методов реновации;
-проведение экспериментов на трубах из альтернативных материалов на унифицированном стенде для получения объективных гидравлических характеристик работы трубопроводов в широком диапазоне расходов;
-составление унифицированной методики гидравлического расчета трубопроводов из различных материалов и подходов к оптимизации выбора проектных решений при реновации трубопроводов с учетом их взаимозаменяемости на базе гидравлической совместимости;
-оценка последствий дефектов ветхих трубопроводов на эффективность реновации их профильными полимерными трубами в условиях теплового расширения и разработка методики их предупреждения;
-оценка принимаемых технических решений по реновации трубопроводов с точки зрения экономии энергоресурсов на единицу протяженности напорных трубопроводов.
Выполнение перечисленных задач реализовано в пяти главах диссертации и внедрено в практику проектирования ремонтно-восстановительных работ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-произведена корреляция результатов аналитических и натурных исследований на предмет разработки унифицированной методики гидравлического расчета трубопроводов из различных материалов и методики оптимизации выбора проектных решений при бестраншейной реновации трубопроводов с учетом их взаимозаменяемости на базе гидравлической совместимости;
-разработаны научные подходы и определены критерии противодействия дефектам ветхих трубопроводов при их бестраншейной реновации профильными полимерными трубами с учетом влияния теплового расширения;
-произведена оценка экономии энергоресурсов при проведении работ по бестраншейной реновации старых трубопроводов альтернативными ремонтными материалами и различными бестраншейными методами.
Практическая значимость работы состоит в разработке материала, базирующегося на результатах аналитических и экспериментальных исследований по унификации методик гидравлического расчета трубопроводов из различных материалов и выбора оптимальных решений по гидравлической совместимости материалов в период проведения реновации трубопроводов с помощью бестраншейных технологий с учетом экономических показателей.
На защиту выносятся результаты:
-аналитических исследований по унификации проведения гидравлических экспериментов с альтернативными материалами труб;
-экспериментальных исследований по разработке: методик гидравлического расчета на базе определения зависимости коэффициента удельного сопротивления от диаметра и материала трубопровода; построения оптимизационных моделей по выбору ремонтного материала на основе гидравлической совместимости альтернативных материалов труб в период реновации ветхих трубопроводов;
-результаты теоретических исследований по выявлению и противодействию дестабилизирующих работу ветхих трубопроводов факторов при бестраншейной реновации их профильными полимерными трубами с учетом влияния теплового расширения.
-методика и результаты оценки технико-экономических показателей отдельных методов бестраншейной реновации трубопроводов.
Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты стендовых гидравлических исследований докладывались на:
-Открытом конкурсе молодых ученых и специалистов на соискание премии в области водоснабжения и водоотведения в номинации Научные исследования в области водоснабжения», май 2009 г. (работа отмечена Диплом II степени Лауреата конкурса за работу «Исследование гидравлических свойств цементно-песчаных покрытий в трубах из различных материалов»);
-Научно-практической конференции в Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства), ноябрь 2010 г.;
-Международной научно-практической конференции памяти академика в МГАКХиС, март 2011;
-На международной конференции молодых ученых и аспирантов в МГСУ, апрель 2011 г. (работа отмечена Диплом за 2-ое место).
Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 77 наименований, приложения в виде таблиц и справка о внедрении.
Общий объём диссертационной работы: 144 страницы машинописного текста, 19 таблиц и 46 рисунков.
В первой главе диссертации по литературным источникам анализируются и сравниваются характеристики трубопроводов из различных материалов, используемых для строительства и реконструкции систем водоснабжения традиционными и бестраншейными методами. Представлены гидравлические, механические (в плане способности сопротивления деформациям, в том числе по усилиям продавливания и стойкости к гидрообразивному износу), технические характеристики труб из стали (прямошовные, спирально-шовные), высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ), асбестоцемента (хризотилцемента), железобетона, полимерных материалов (полиэтилена, стеклопластика), а также их нормативные сроки службы при эксплуатации.
По результатам аналитических исследований по комплексной оценке параметров трубопроводов из различных материалов, используемых для строительства и реконструкции систем водоснабжения, отмечается отсутствие или неполнота сведений об эквивалентной абсолютной шероховатости kэ для труб из некоторых новых материалов; а также зависимостей коэффициента удельного сопротивления А от диаметра, что затрудняет процесс проектирования, гидравлического расчета напорных трубопроводов и технико-экономического обоснования наиболее оптимального варианта проектирования реновации трубопроводных систем. Перечисленные обстоятельства являются результатом отсутствия унифицированного подхода к определению гидравлических и экономических показателей водопроводных сетей при реализации их бестраншейной реновации.
Определен стратегический предмет последующих научных исследований, который выражается в проведении экспериментов с трубами из различных материалов и обоснованием наиболее выгодного с технической и экономической точки зрения варианта бестраншейной реновации. В качестве постановочных задач определены следующие тактические:
-провести комплексный сопоставительный анализ технических параметров и гидравлических характеристик трубопроводов из различных материалов, которые используются в системах водоснабжения и являются потенциальным ремонтным материалом при реализации бестраншейных методов реновации;
-провести эксперименты на трубах из альтернативных материалов на унифицированном стенде для получения объективных гидравлических характеристик работы трубопроводов в широком диапазоне расходов;
-составить унифицированные методики гидравлического расчета трубопроводов из различных материалов и методики оптимизации выбора проектных решений при реновации трубопроводов с учетом их взаимозаменяемости на базе гидравлической совместимости;
-оценить влияния дефектов ветхих трубопроводов на эффективность их реновации профильными полимерными трубами в условиях теплового расширения и разработать рекомендации по их предупреждению;
-произвести оценку принимаемым техническим решениям по реновации трубопроводов с точки зрения экономии энергоресурсов при реализации различных бестраншейных технологий, включая их модификации.
Во второй главе приведены и проанализированы методики гидравлического расчета напорных трубопроводов, обоснованна необходимость соблюдения гидравлической совместимости ремонтных участков трубопроводов, выполненных из альтернативных строительных материалов, а также результаты экспериментальных исследований с новыми чугунными и стеклопластиковыми трубами, как наиболее перспективными для широкого внедрения при строительстве и бестраншейном ремонте систем водоснабжения.
Установлено, что в связи с широким внедрением в практику ремонта водопроводных сетей бестраншейных технологий, использующих широкую гамму ремонтных материалов, на повестке дня остро встал вопрос о гидравлической совместимости старых трубопроводов с новыми участками сети, выполняемыми из других материалов нежели старые.
Под гидравлической совместимостью для водопроводных сетей следует понимать обеспечение и поддержание в период эксплуатации трубопроводов требуемых проектом потерь напора в кольцевых контурах независимо от ремонтного материала и диаметра используемых труб. Чтобы это реализовать на практике необходимо наличие объективных сведений о гидравлических характеристиках старых и новых ремонтных материалов (новых типов полимерных труб, цементно-песчаных покрытий, полимерных защитных покрытий и т. д.), тем более, что на сегодняшний день, когда наблюдается широкое внедрение новых строительных материалов в практику ремонта трубопроводов, обнаруживается преобладание не всегда оправданных с научной точки зрения методических подходов, представленных производителями труб, которые заинтересованы в реализации своей продукции.
Отсюда возникает необходимость разработки унифицированных подходов к определению гидравлических показателей различных типов облицовок и единых методов оценки гидравлической совместимости восстановленных и невосстановленных участков действующих трубопроводных сетей.
Опытная гидравлическая установка, размещенная в лаборатории кафедры водоснабжения МГСУ, представляла собой два опытных участка из труб ВЧШГ и стеклопластика с диаметром d=100 мм. Трубы ВЧШГ изготовлены на Липецком металлургическом заводе «Свободный сокол» в полном соответствии с ТУ . В соответствии с техническими условиями на внутреннюю поверхность труб нанесен в заводских условиях методом центробежного набрызга слой цементно-песчаного покрытия. Требования к покрытию регламентированы международным стандартом ISO 4179. Стеклопластиковые трубы, изготовленные на Пермском заводе стеклопластиковых труб -М», выполнены в соответствии с ТУ «Трубы бипластмассовые и соединительные детали».
Схема экспериментального гидравлического стенда с трубопроводами представлена на рисунке 1.
Гидравлический стенд включает накопительный бак, эстакаду с закрепленными над ней параллельными трубопроводами длиной 14 м (стеклопластиковая и ВЧШГ, диаметрами 99,68 мм), насосную установку, и измерительные приборы.
Для проведения экспериментов выбрана насосная установка фирмы GRUNDFOS марки CRE90-2-2 оборудованная многоступенчатым центробежным насосом производительностью 90 м3/ч, напором 29,9 м с электродвигателем мощностью 11 кВт с числом оборотов в минуту.
Рис.1. Схема экспериментального гидравлического стенда с трубами из ВЧШГ и стеклопластика.
Для измерения расходов воды на гидравлической установке использовался ультразвуковой расходомер US-800, в состав которого входят электронный измерительный блок, ультразвуковой преобразователь расхода, представляющий собой участок трубопровода с условным диаметром 65 мм с установленными на нем пьезоэлектрическими преобразователями.
Для измерения перепадов давлений установлены пьезометры, которые располагались на расстоянии 10 м друг от друга на двух трубопроводах (ВЧШГ и стеклопластиковая труба) в 2-х их точках. Отверстия в трубах для отбора давлений было выполнено с острой кромкой, дающей наилучшие результаты. Для получения отверстия с безупречной кромкой, а также учитывая, что исследуемые трубы имеют на внутренней поверхности стенок небольшие неровности, которые могут влиять на правильность измерения давления, была проведена телесъемка внутренней поверхности трубы самоходным телеинспекционным роботом. Видеозапись трубопровода осуществлялась на видеокамеру. Специально для проведения эксперимента были изготовлены медные штуцера с отверстием для отбора давления диаметром 1,0 мм, которые вкручивались в отверстие в стенке трубы. Перед проведением экспериментов пьезометры проверялись пневматической опрессовкой на давление до 0,4 МПа. Температура воды, пропускаемой по исследуемым трубам, измерялась лабораторными ртутными термометрами с ценой деления 0,1ºС. Термометры были проверены в термостате путем сравнения их показаний с показаниями образцового термометра.
Работа на гидравлической установке производилась по замкнутой системе с забором воды из накопительной емкости, подачи ее к трубопроводам насосом и сливом в накопительную. Определение потерь напора в каждой исследуемой трубе производилось в диапазонах скоростей от 0,25 до 3 м/с.
Результаты гидравлических экспериментов рассматривались по двум направлениям:
-возможности использования ранее полученных различными исследователями эмпирических математических зависимостей для определенного материала труб для описания гидравлических зависимостей новых труб путем введения поправочных коэффициентов или каких-либо допущений при гидравлическом расчете;
-возможности получения экспериментальным путем новых эмпирических зависимостей с последующей стыковкой их с известными для обоснования степени гидравлической совместимости при взаимозамене труб из разных материалов при реализации бестраншейных технологий.
Первое направление. За основу первого направления было взято предположение из исследований и , что технология нанесения покрытия сильно влияет на величину шероховатости, а также, что гидравлическое сопротивление труб с цементно-песчаным покрытием по характеру идентично гидравлическому сопротивлению асбестоцементных труб, что таким образом предполагает в расчетную формулу для асбестоцементных труб ввести коэффициент, учитывающий фактическую шероховатость цементно-песчаного покрытия.
Результаты опытов представлены на рис.2 в виде зависимости λ=f(Re). Кроме того, чтобы сравнить влияние различных методов нанесения внутреннего покрытия на величину гидравлического сопротивления на рис. 2 приведена зависимость λ=f(Re) для стальных труб с цементно-песчаным покрытием, нанесенным с помощью опалубки. Для этого были использованы результаты экспериментов по напорному движению жидкости в этих трубах.
Рис. 2. Сводные кривые сопротивления труб λ=f(Re).
1 - для асбестоцементных труб сформованных на гладких скалках (по формуле ); 2 - для асбестоцементных труб с учетом влияния накатки; 3 - для чугунных труб с цементно-песчаным покрытием по данным ; 4- для труб ВЧШГ (по результатам опытов); 5- для стальных труб с цементно-песчаным покрытием по данным .
Сопоставление приведенных данных показало, что зависимости λ=f(Re) для чугунных труб с цементно-песчаным покрытием, нанесенным центробежным способом по технологии 60-х годов и по современным технологиям, практически идентичны. Эти зависимости в рабочей зоне скоростей очень близки к зависимостям λ=f(Re) для асбестоцементных труб с рифлением на внутренней поверхности. Таким образом, можно рекомендовать производить гидравлический расчет чугунных труб центробежного литья с внутренним цементно-песчаным покрытием липецкого металлургического завода по формуле для асбестоцементных труб с введением дополнительного поправочного коэффициента 1,08, характеризующего влияние внутреннего покрытия или 1,12 для стальных труб с цементно-песчаным покрытием.
Второе направление. За основу было взято построение эмпирических зависимостей потерь напора Δh от расхода Q протекаемой воды, математического моделирования и получения зависимостей коэффициента удельного сопротивления А от внутреннего диаметра d (см. главу 3). Результаты экспериментов в виде графиков представлены на рис. 3.
В рамках данной серии опытов результаты натурных экспериментов на трубах ВЧШГ были сопоставлены с аналогичными исследованиями , проведенными в идентичных условиях на том же унифицированном стенде при нанесении цементно-песчаной смеси с применением опалубки. Расхождение в результатах (рис.4) может свидетельствовать, прежде всего, о качестве и способе нанесения цементно-песчаного покрытия, что важно для практики проектирования и гидравлического расчета напорных трубопроводных систем, восстанавливаемых бестраншейными методами в плане выбора типа защитного покрытия. Таким образом, на основе полученных лично результатов экспериментов и данных, заимствованных у других авторов, проводивших гидравлические исследования на универсальном стенде при идентичных условиях, введено понятие «коэффициента относительного качества облицовки» труб для реализации методов нанесения слоя цементно-песчаного покрытия (см. главу 3).
Рис. 3. Сводные результаты натурных экспериментов по определению эмпирических зависимостей единичных потерь напора от расхода i = f(Q) для чугунного трубопровода (с нанесенным центробежным способом цементно-песчаным слоем) (а) и стеклопластиковой трубы (б).
Рис. 4. Сводные результаты натурных экспериментов по определению эмпирических зависимостей единичных потерь напора от расхода i = f(Q) для двух типов трубопроводов с различными технологиями нанесения цементно-песчаного покрытия.
В качестве основного вывода по второй главе следует отметить, что получены эмпирические зависимости единичных потерь напора от расхода i = f(Q) для двух типов трубопроводов, которые являются базовыми для дальнейших теоретических выкладок по созданию унифицированной методики гидравлического расчета трубопроводов из различных материалов, где в основу положена зависимость удельных потерь напора от внутреннего диаметра трубопровода.
Третья глава посвящена вопросам практической реализации результатов, полученных в предыдущих главах, т. е. унификации подходов к гидравлическому расчету, выбору диаметров и материалов труб для обеспечения гидравлической совместимости участков трубопроводной сети при их бестраншейной реновации.
Практическое использование результатов экспериментов заключается прежде всего в том, чтобы, определив зависимости потерь напора от расхода и выявления значений коэффициента гидравлического трения l для одного диаметра, найти возможность пересчета и получения полуэмпирических зависимостей для других диаметров в унифицированной форме, т. е. использовать рекомендации и А. Прадтля для моделирования сетей при переходе от одного диаметра к другому.
Используя аппарат математического моделировании, где в качестве критерия подобия принят коэффициент относительной гидравлической шероховатости kэ, получены универсальные эмпирические зависимости удельного сопротивления от диаметра для испытуемых труб из ВЧШГ (1) и стеклопластика (2):
1. АВЧШГ = 0,0006d-5,3081; 2. АСТЕКЛ. = 0,0005d-5,3592.
В третьей главе также приведены теоретические выкладки по оценке качества нанесения облицовки с точки зрения гидравлических сопротивлений через специальный параметр «относительный коэффициент качества облицовки» (в %), т. е. своеобразный кпд выполнения работ по нанесению цементно-песчаного раствора относительно какого-либо образцового покрытия.
Рассмотрены конкретные примеры, где произведен расчет «относительного коэффициента качества облицовки» для случаев нанесения цементно-песчаного раствора методом центробежного напыления и опалубки. Например, для диаметра восстанавливаемого трубопровода 200 мм в случае применения труб из ВЧШГ или реновации методом опалубки «относительный коэффициент качества облицовки» Котн. составит:
Котн. = А ВЧШГ / АОПАЛУБКА = 3,0786 / 3,9727 = 0,7,49 %).
В рамках третьей главы разработана методика определения оптимального материала и диаметра трубопровода и примеры ее реализации с оценкой степени гидравлической совместимости при использовании бестраншейных методов ремонта трубопроводов. Резюмируя полученные в экспериментах эмпирические зависимости для труб ВЧШГ и стеклопластиковых, выраженные в унифицированной форме через удельные сопротивления А как функция диаметра для всех исследуемых типов покрытий трубопроводов, для проектировщика предоставляется возможность произвести оценочный гидравлический расчет трубопроводной сети при различных вариантах реновации выходящих из эксплуатации старых труб. Для анализа характера вышеуказанных закономерностей и проверки их доверительности аналогичным трубопроводам из других материалов по результатам расчетных данных исследованы в виде графиков на единой координатной сетке идентичные зависимости А=f(d) для чугунного, стального, асбестоцементного, полиэтиленового трубопроводов и полимерного рукава (рис. 5). Как показывают графики на рис. 5, наименьшие удельные гидравлические сопротивления имеет полиэтиленовая труба, а наибольшими сопротивлениями обладают старые стальные трубы и асбестоцементные (хризотилцементные).
Используя график на рис.5, можно оценить гидравлический дисбаланс при восстановлении старого участка тем или иным материалом трубопровода. Например, при реновации старого асбестоцементного трубопровода ВТ6 внутренним диаметром 0,5м путем протаскивания стеклопластиковой трубы стандартным наружным диаметром 0,355м и толщиной стенки 0,0137м дисбаланс составит ΔА=-28,95 %, а при протаскивании трубы стандартным наружным диаметром 0,4м и толщиной стенки 0,0154м – ΔА=-10,52 %. В обоих случаях дисбаланс будет отрицательным, т. е. удельные гидравлические сопротивления после ремонта будут возрастать. Положительным дисбаланс (+15,87 %) будет наблюдаться в случае, если, например, стальную трубу диаметром 0,3 м восстановить протягиванием полимерной трубы наружным диаметром 0,225 м и внутренним 0,2076 м. В материалах диссертации представлен алгоритм и решено несколько подобных задач с альтернативными ремонтными материалами.
Рис. 5. Сводный график зависимостей удельного сопротивления от диаметра 1 / |lnA| = f (d) для труб из различных материалов.
Критерием окончательного выбора метода реновации среди альтернативных гидравлически выгодных должна являться технико-экономическая составляющая (см. главу 5).
В четвертой главе, учитывая анализ гидравлической совместимости различных материалов круглых трубопроводов со старыми участками сети для проектирования восстановительных работ бестраншейными методами, возникла необходимость рассмотрения в деталях круга вопросов применения тонкостенных полиэтиленовых деформированных труб, при протягивании которых в старые не образуется межтрубного пространства.
Предметом исследований явился детальный анализ таких труб, которые составляют конкуренцию другим типам защитных покрытий, но при этом не лишены определенных недостатков, выражающихся в возможном отслоении от восстанавливаемого трубопровода. Таким образом, аналитические исследования по выявлению причинно-следственных связей отслоения части полиэтиленового трубопровода после бестраншейного ремонта в двухтрубных системах «старый трубопровод + деформированная полиэтиленовая труба» состояли в выявлении технической сущности происходящих явлений с определением величины возможного прогиба при соответствующем отслоении части полимерного трубопровода (т. е. образования спонтанного локального межтрубного пространства) по причине эллипсности (превышения допустимой степени деформации старой трубы) или дефектов внутренней поверхности старого трубопровода, а также степени влияния теплового расширения на состояние отслоенной части полимерной трубы после пуска ремонтного участка в эксплуатацию.
Для изучения процесса влияния температурного фактора на расширение полимерного трубопровода в двухтрубной системе изучена модель работы полимерного трубопровода при изменении температуры транспортируемой жидкости. В качестве базовой модели рассматривается фрагмент конструкции ветхого металлического трубопровода внутренним диаметром 200 мм, в который после ремонта помещён плотно прилегающий к внутреннему периметру полиэтиленовый трубопровод (рис. 6), наружный диаметр которого также составляет 200 мм.
В качестве причины возможной деформации рассматривается эллипсность контура боковой поверхности ветхого трубопровода, когда полимерный трубопровод не плотно прилегает к внутренней поверхности старого, а также увеличение температуры транспортируемой жидкости, когда диаметр полимерного трубопровода становится больше, чем диаметр ветхой трубы и по причине невозможности распрямиться по образующей внутренней поверхности старого трубопровода отслоенная часть полимерного трубопровода прогибается внутрь. Параллельно изучался вопрос полного отслоения полимерного трубопровода по причине неплотного начального прилегания полиэтиленового трубопровода к старому.
Рис. 6. Фрагмент отслоения полиэтиленового трубопровода с образованием прогиба в лотковой части трубопроводной системы.
1 - лоток ветхого трубопровода; 2 – отслоенный участок полимерного трубопровода.
Основная цель расчета состояла в определении величины прогиба, т. е. величины МD, при искусственно задаваемой длине отслоения ADB. Для расчета длины дуги АМВ, условно предполагая, что она идеальна, использовалась формулу Гюйгенса.
Расчет величины удлинения при термическом расширении Р производился по формуле:
Р = P0 (1+Dt Кл),
где Р0 – первоначальная длина кольцевого отрезка поперечного среза (ADB),м; Dt – перепад температур, 0С, Кл - коэффициент термического (линейного) расширения (для полиэтилена 0,00022м3/(м×0С).
В качестве базовых случаев расчетов в модели двухтрубной системы «старый трубопровод + деформированная полиэтиленовая труба» рассмотрены следующие: наличие частичного отслоения и прогиба полиэтиленового трубопровода на определённом участке старого, т. е. на том, который охарактеризовали как дефектный; наличие полного отслоения по причине неплотного начального прилегания полиэтиленового трубопровода к старому.
Проведены расчеты для различных отслоений и значений температур. В качестве примера отметим, что при внутреннем диаметре ветхого трубопровода 200 мм, отслоении по длине 0,1 м и увеличении температуры транспортируемой жидкости на 1 0С прогиб отслоенной части полимерного трубопровода составит 24,63 мм или 12,32 % при допустимом его значении 3%, что нарушит жесткость конструкции. Однако с точки зрения гидравлики пропускная способности такого трубопровода практически не изменится.
Расчетом определены предельные линейные габариты отслоений по длине окружности, которые не должны превышать следующих величин: для диаметра 300 мм – менее 0,075 м, 400 мм – менее 0,1 м, 500 мм – менее 0,125 м и т. д.
Проведен анализ гидравлической совместимости при использовании деформированных полиэтиленовых труб по сравнению с круглыми, который показал, что практически во всех случаях реновации достигается положительный дисбаланс (+ΔА), что свидетельствует о перспективности применения деформированных труб для восстановления ветхих трубопроводов.
В пятой главе рассмотрены общие подходы к вопросам эффективности реновации как средства энергосбережения при реализации бестраншейных технологий, а также проведен сопоставительный анализ эффективности использования различных типов ремонтных материалов при реновации старых трубопроводов и оптимизация выбора ремонтного материала и диаметра трубопроводов.
Цель расчёта состояла в получении зависимостей для ориентировочной оценки годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода ΔЭ1м соответствующего диаметра при реновации его альтернативными бестраншейными методами.
В основу расчета положена формула для определения годовой экономия электроэнергии ΔЭ (кВт·ч) за счёт уменьшения гидравлического сопротивления после операций по реновации трубопроводов:
,
где ρ – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Q – расход подаваемой трубопроводом воды, м3/с; ηнас., и ηдвиг. – соответственно коэффициенты полезного действия соответственно насоса и электродвигателя; 24 – количество часов работы насоса в сутки, ч; 365 –количество дней в году; 1000 – переводной коэффициент из Вт в кВт; ΔН = Нстар. – Ннов – снижение потерь напора по длине трубопровода, м вод. столба; Н1 и Н2 – соответственно потери напора в трубопроводе до реновации (старый трубопровод) и после реновации (восстановленный трубопровод), м вод. столба.
В качестве вариантов реновации рассматривались только те технологии, при которых достигается положительный дисбаланс (+ΔА), так как в случае отрицательного дисбаланса (-ΔА) использование технологии протягивания исключается как заведомо неэффективный вариант ремонта с точки зрения затрат электроэнергии.
В качестве базовых для сравнения вариантов рассмотрены следующие методы реновации: нанесение цементно-песчаного покрытия (методом центробежного напыления и опалубки) и протягивание полимерных труб (круглых и деформированных). Для наглядности изменения динамики изменения годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода ΔЭ1м по вариантам проектирования ремонта представлены графики на рис 7.
Анализ двух полученных графиков на рис. 7 свидетельствует об идентичном линейном характере зависимостей годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода от диаметра. При этом, чем больше диаметр восстанавливаемого трубопровода, тем больший экономический эффект может быть достигнут в результате реновации независимо от метода. Задаваясь различными величинами диаметров d подлежащего реновации трубопровода, можно использовать полученные зависимости ЭЦП=57,822 d+4,1617 и ЭПТ=80,169d-12,064 для ориентировочной оценки экономического эффекта при реализации соответствующих бестраншейных технологий.
В качестве частных характерных выводов из графиков на рис. 7 следует отметить следующее: на больших диаметрах, т. е. более 800 мм при соответствующих дефектах трубопровода экономичнее применять технологию протягивания деформированных полиэтиленовых труб в старый трубопровод, а при меньших 600 мм – наносить цементно-песчаное покрытие методом центробежного набрызга; при восстановлении старого трубопровода диаметром порядка 700 мм годовая экономия электроэнергии на единицу длины трубопровода практически одинакова для двух бестраншейных технологий.
Рис. 7. Графики зависимости годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода от диаметра: ЭЦП - для случая нанесения цементно-песчаного покрытия; ЭПТ - для случая протягивания полиэтиленовой трубы.
Используя предложенную унифицированную методику гидравлического расчета и расчета энергозатрат можно производить оценку вариантов проектирования и выбирать метод бестраншейного ремонта для других типов трубопроводов (защитных покрытий) для инженерных сетей систем водоснабжения или напорной канализации.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. На основании характеристик трубопроводов из различных материалов обобщены и проанализированы опыт их использования и потенциальные возможности на предмет эффективного применения в системах водоснабжения и напорной канализации, в частности: долговечности, строения и шероховатости, диапазона величин гидравлических показателей (λ, kэ, А и т. д.), усилий протаскивания при реализации бестраншейных методов реновации трубопроводов и других показателей.
2. Установлено, что для восполнения необходимой информации для гидравлического расчета трубопроводных сетей из новых материалов (например, стеклопластиковых труб, деформированных полиэтиленовых труб и т. д.), а также обоснования гидравлической совместимости трубопроводов при их бестраншейной реновации, требуется разработка унифицированной методики выбора оптимального ремонтного материала трубопроводов на базе гидравлических параметров и с учетом экономии энергоресурсов.
3. Установлены зависимости единичных потерь напора от расхода i=f(Q) для двух материалов труб (ВЧШГ с цементно-песчаной облицовкой внутренней поверхности и стеклопластиковой трубы); определены истинные значения коэффициентов гидравлического трения l и проведен анализ возможности использования зависимостей ёва для асбестоцементных труб изготовленных на гладких скалках для расчета труб с цементно-песчаным покрытием.
4. Исследованиями автора на основе обобщения сводных результатов экспериментов, проведенных им и другими исследователями на едином стенде при одинаковых условиях, выявлено, что технология нанесения цементно-песчаных покрытий (т. е. реальная степень шероховатости внутренней поверхности трубопроводов) оказывает существенное влияние на гидравлические показатели трубопровода, что позволяет ввести понятие коэффициента относительного качества облицовки труб путем нанесения слоя цементно-песчаного покрытия различными методами.
5. Адаптирована методика гидромеханического подобия на основе математического моделирования, где в качестве критерия подобия принят коэффициент относительной гидравлической шероховатости; получены универсальные эмпирические зависимости удельного сопротивления А от диаметра d и произведен пересчет гидравлических характеристик с одного диаметра на другие для труб из стеклопластика и ВЧШГ.
6. Проведен анализ сводных графиков зависимости удельного сопротивления A от диаметра d на предмет оценки степени гидравлической совместимости при реализации бестраншейных технологий реновации участков сетей, выполненных из альтернативных материалов с решением ряда практических задач по выбору оптимального варианта реновации, обеспечивающего максимально возможную гидравлическую совместимость двухтрубных конструкций «материал старого трубопровода + материал нового трубопровода».
7. Обоснованы возможности применения в качестве альтернативы круглым применение полиэтиленовых деформированных труб, использование которых исключает образование межтрубного пространства; исследованы причины возможных отслоений деформированных труб, в частности тепловое расширение, и установлены допустимые значения линейных повреждений старого трубопровода, не приводящие к предельному прогибу в период бестраншейной реновации.
8. Получены математические зависимости, позволяющие проводить расчеты, затрат электроэнергии на подачу воды при реализации альтернативных технологий реновации, а также их модификаций.
9. Установлено, что в качестве наиболее объективной характеристики (критерия) оценки энергосбережения при реализации бестраншейных методов реновации трубопроводов, для которых капитальные затраты идентичны, является величина годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода ΔЭ1м; на конкретных примерах подсчитаны и сопоставлены значения этого параметра для различных технологий реновации.
10. Для достижения качественных показателей работы трубопроводных систем при использовании бестраншейных методов ремонта разработаны критерии унифицированного подхода и последовательность операций, включающие: проведение стендовых гидравлических исследований ремонтных материалов (труб) в типовых условиях; выявление степени гидравлической совместимости ремонтных материалов с материалами старых трубопроводов; оценку степени возможного энергосбережения при реализации альтернативных бестраншейных методов.
11. Отдельные результаты работы внедрены в практику ремонтно-восстановительных работ предприятий строительного комплекса Москвы.
Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора:
1*. , / Гидравлические свойства металлических труб с внутренним цементно-песчаным покрытием // Журнал «Водоснабжение и санитарная техника».- 2009.- № 5. - с. 37-44 (0,5 п. л., лично автором 0,4 п. л.)
2*. А, , / Защитные полимерные покрытия для трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения // Журнал «Вестник МГСУ».- 2009.- № 4. - с. 167-171 (0,5 п. л., лично автором 0,4 п. л.)
3*. , , / Автоматизированная программа расчета гидравлических параметров трубопровода при его реновации альтернативными покрытиями // Журнал Вестник МГСУ.-2010.- № 1. - с. 231-235 (0,5 п. л., лично автором 0,3 п. л.)
4*. , , / Оценка эффективности реновации трубопроводов профильными полимерными трубами и защитными оболочками в условиях возможного теплового расширения и дефектов тела трубы // Вестник МГСУ.-2011.- № 6. - с. 615-624 (0,5 п. л., лично автором 0,25 п. л.)
5*., , / Реновация трубопроводов как средство энергосбережения при реализации бестраншейных технологий // Вестник МГСУ.-2011.- № 6. - с. 590-595 (0,5 п. л., лично автором 0,2 п. л.)
6*. , / Экономия электроэнергии при реализации бестраншейных технологий восстановления трубопроводов// Журнал «Водоснабжение и санитарная техника».- 2011.-№ 11.-с. 7-10 (0,4 п. л., лично автором 0,2 п. л.)
7*. , , / Эффективность реновации трубопроводов профилированными полимерными трубами// Журнал «Водоснабжение и санитарная техника».- 2011.-№ 11.-с. 10-14 (0,5 п. л., лично автором 0,25 п. л.)
8. , , / Сравнение методов бестраншейной реновации трубопроводных систем в сфере энергосбережения // Издание МГАКХиС: Материалы II-ой Международной научно-практической конференции, посвященной памяти академика РАН -2011.-с. 256-263 (1,5 п. л., лично автором 1,0 п. л.)
9. , , / Исследование гидравлических характеристик труб с цементно-песчаным покрытием // Издание ГОУ ВПО МГСУ Материалы XIV Международной межвузовской научно практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. -2011. –с. 321-327 (1,5 п. л., лично автором 1,0 п. л.)
Звездочкой помечены работы, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Основные порталы (построено редакторами)