CC BY
58
ВЕСТНИК 2/2009
ПРОГРАММА ПРОЧНОСТНОГО РАСЧЕТА ТРУБНЫХ КОНСТРУКЦИЙ «МАТЕРИАЛ ТРУБОПРОВОДА + ПОЛИМЕРНЫЙ РУКАВ» И АНАЛИЗ ЕЕ РАБОТЫ
В.А. Орлов
МГСУ
Старение инженерных сетей систем водоснабжения и водоотведения требует эффективных ответных мер по их оперативной реновации и модернизации. Одним из возможных и действенных мероприятий для решения проблем восстановления ветхих трубопроводных сетей является применение различных внутренних облицовок, например, в виде полимерных труб, протаскиваемых в старые трубопроводы, бандажей, тонких отверждаемых на месте полимерных оболочек, клеевых составов, органических смол и т.д. Перечисленные материалы рассматриваются специалистами в качестве эффективных ремонтных защитных покрытий, локализующих различного рода дефекты трубопровода (например, свищи, трещины, нарушения в стыках, расхождение торцов и т.д.) и предотвращающих явления инфильтрации грунтовых вод и эксфильт-рации транспортирующихся жидкостей в природную среду.
Обладая специфическими свойствами, соответствующими, с одной стороны, принятой технологии изготовления, а с другой - метода нанесения на внутреннюю поверхность изношенных трубопроводов, защитные покрытия предназначены играть роль не только эффективного средства для обеспечения физической целостности трубопроводной системы и надежного барьера между транспортируемой жидкостью и окружающей средой, но также способствовать восстановлению прочностных и гидравлических характеристик эксплуатируемых многие годы инженерных трубопроводных сетей в целях продления их срока службы.
Согласно передовому зарубежному опыту, одним из наиболее перспективных методов восстановления напорных и самотечных трубопроводов является нанесение на их внутреннюю поверхность гибких полимерных защитных покрытий (рукавов), которые после отверждения (полимеризации) позволяют значительно продлить срок службы трубопровода и обеспечивают требуемую несущую способность на установленный период эксплуатации.
Полимеризация защитного покрытия может производиться под давлением паром или под воздействием ультрафиолетового облучения (рис. 1).
Выбор того или иного защитного покрытия должен обосновываться по результатам детальных диагностических обследований подлежащих восстановлению участков трубопроводов и заключения технической экспертизы по состоянию объекта реновации. В каждом конкретном случае рассмотрению подлежат материал изготовления трубопровода и степень его износа, определяемая по остаточной толщине стенки и прочностному расчету, протяженность ремонтного участка, его диаметр, вид транспортируемой среды, окружающая наземная и подземная инфраструктура (в частности, степень ее скученности), тип грунтов, наличие подземных вод и ряд других факторов.
Объектом настоящего анализа является полимерный рукав, который на протяжении ряда лет успешно конкурирует с другими типами защитных покрытий [1, 2].
В основе прочностного расчета полимерного рукава, работающего как одно целое с ремонтным участком старого трубопровода независимо от материала его изготовле-
2/2009_МГВЕС ТНИК
ния, лежат ряд положений, выполнение которых является обязательным условием последующей долговременной и надежной эксплуатации трубопроводных сетей. К базовым положениям, например, может относиться следующее: учет допустимых растягивающих напряжений в лотковой части трубы и предельных прогибов в своде при воздействии собственного веса трубы, напряжений от внутреннего наполнителя и т.д.
Рис. 1 Фрагмент керамического трубопровода с внутренним покрытием в момент выхода источника ультрафиолетового облучения
Необходимо отметить, что прочностной расчет двухслойных конструкций весьма трудоемок, так как оценка несущей способности зависит от множества обстоятельств, связанных не только с прочностными показателями полимерного рукава и конкретного состояния трубопровода, но и с учетом ряда внешних дестабилизирующих факторов (глубины залегания трубы, уровня грунтовых вод, наличия транспортной нагрузки и т.д.).
На основе многолетних совместных исследований, проведенных МГУП «Мосводока-нал», ГУП «МосводоканалНИИпроект», МГСУ, МГГУ и других организаций разработан автоматизированный комплекс «Рукав» по расчету двухслойных трубных конструкций «материал трубопровода + полимерный рукав», включающий программы прочностного расчета 5-ти типов напорных и безнапорных трубопроводов (из стали, асбестоцемента, железобетона, чугуна, керамики и кирпича), сгруппированных в три автономных блока.
Программа «Рукав» предназначена для работы с массивами участков стальных трубопроводов, для которых остаточный ресурс определен как нулевой и отдельных ремонтных участков трубопроводов из других материалов (асбестоцемент, железобетон, керамика и т.д.) при их разных эксплуатационных состояниях и различных режимах течения жидкости.
В автоматизированной программе предусматривается наличие: заставки; входной информации в виде бланков исходных данных о состоянии трубопровода и справочных данных по прочностным характеристикам; выходной информации (распечаток) в виде табличных форм или текста. Использование программного комплекса позволяет специалистам определить оптимальные параметры реновации полимерным рукавом (например, модуль деформации или толщину стенки) для конкретного объекта с учетом всех дестабилизирующих факторов.
Ниже представлен один из примеров реализации программного комплекса на примере расчета двухтрубной конструкции «чугун + полимерный рукав» (напорный режим) для случаев нарушения и ненарушения несущей способности чугунных трубопроводов, а также фрагментарно результаты расчета двухтрубной конструкции «керамика + полимерный рукав».
Исходные данные для случая ненарушения несущей способности чугунного трубопровода:
- внутренний диаметр трубопровода, Д м - 0,6;
- глубина залегания трубопровода, Н, м - 8;
- высота грунтовых вод над лотком трубы, Нгв, м - 5;
- модуль упругости полимерного рукава, Еп , т/м2 - 100000;
ВЕСТНИК МГСУ
2/2009
- проектная толщина стенки полимерного рукава, , м - 0,001;
- внутреннее давление, Р, т/м2 или м вод. ст. - 20;
Для случая нарушения несущей способности к исходным данным добавляется информация о следующих коэффициентах снижения, например:
- первоначальной толщины стенки трубы, К] - 0,75;
- степени деформации трубы, К2 - 0,75;
- прочности трубы, К3 - 0,75;
Пример эксплуатации автоматизированного комплекса и результаты его работы продемонстрированы на рисунке 2 ив итоговых распечатках 1 и 2.
Рис. 2 Диалоговое окно программы «Ресурс» для чугунных трубопроводов при нарушении их
несущей способности
Распечатка 1
Прочностной расчёт трубных двухслойных конструкций Чугун - Напорный режим - Несущая способность не нарушена Исходные данные
Внутренний диаметр трубопровода = 0.600 м
Глубина залегания трубопровода = 8.000 м
Высота грунтовых вод над лотком трубы = 5.000 м
Модуль упругости полимерного рукава = 100000 т/м2
Проектная толщина стенки полимерного рукава = 0.0010000 м Внутреннее давление (м.вод.ст.) = 20.0000 т/м2
Модуль упругости материала трубы = 10000000 т/м2
Проектная толщина стенки трубы = 0.0158000 м
Предел прочности материала трубы = 26000 т/м2
Вывод по расчёту: надежность конструкции ОБЕСПЕЧЕНА!
2/2009
ВЕСТНИК _МГСУ
Распечатка 2
Прочностной расчёт трубных двухслойных конструкций Чугун - Напорный режим - Несущая способность нарушена Исходные данные
Внутренний диаметр трубопровода = 0.600 м
Глубина залегания трубопровода = 8.000 м
Высота грунтовых вод над лотком трубы = 5.000 м
Модуль упругости полимерного рукава = 100000 т/м2
Проектная толщина стенки полимерного рукава = 0.0010000 м
Внутреннее давление (м.вод.ст.) = 20.0000 т/м2
Модуль упругости материала трубы = 7500000 т/м2
Проектная толщина стенки трубы = 0.0118500 м
Предел прочности материала трубы = 19500 т/м2
Коэфф. снижения первоначальной толщины стенки трубы = 0.75 Коэфф. снижения степени деформации трубы = 0.75
Коэфф. снижения прочности трубы = 0.75
Вывод по расчёту
Надежность конструкции не обеспечена!
Необходимо увеличить толщину стенки полимерного рукава:
требуемая толщина стенки полимерного рукава не менее: 0,013 м или 13 мм
Проводя анализ полученных расчетных данных, следует отметить, что в первом случае для обеспечения несущей способности конструкции «чугун + полимерный рукав» толщина полимерного рукава С„ при модуле упругости Еп = 100000 т/м2 составляет минимальную величину 1 мм, а при нарушении несущей способности при том же модуле упругости она возрастает в 14 раз. Если в варианте нарушения несущей способности принять модуль упругости полимерного рукава 200000 т/м2 (т.е. в два раза больше), то требуемая толщина рукава уменьшится до 7 мм, а при 400000 т/м2 она составит 4 мм. При этом изменение диапазона грунтовых вод не отражается на параметрах рукава.
С помощью автоматизированной программы отслеживались диапазоны изменения параметров рукава при увеличении глубины залегания Н, но с постоянным модуле упругости Еп = 400000 т/м2 . Так при значениях Н = 3,6 м сС„ = 6 мм; Н = 3,8 м сС„ = 9 мм; Н = 4,0 м С„ = 12 мм; Н = 4,5 м Сп = 21 мм и т.д. Таким образом, была установлена зависимость сЪ = / (Н), т.е. сСп =16,783Н - 54,72 при неизменном модуле упругости (рис. 3):
2 2.5 3 3,5 I. [\он!];| залегания, м
Рис. 3 Зависимость толщины полимерного рукава от глубины залегания трубопровода
ВЕСТНИК 2/2009
Аналогичная картина зависимости толщины стенки от модуля упругости полимерного рукава прослеживается и для случаев реновации им безнапорных водоотво-дящих сетей. Например, по результатам автоматизированного расчета для керамического трубопровода диаметром 0,4 м, залегающего на глубине 4 ми горизонте подземных вод 2 м над трубопроводом динамика изменения параметров реновации в зависимости от назначаемого модуля упругости полимерного рукава будет следующей: при минимальном значении модуля упругости 100000 т/м2 толщина составит 10,62 мм, при 200000 т/м2 - 6,84 мм, а при максимальном модуле 500000 т/м2 - 5,04 мм. Учитывая ряд промежуточных значений модулей деформации и соответствующих им толщин полимерного рукава получена математическая зависимость dn = f(En):
d^ 1355,2
Для исходных условий проектирования возможный разброс толщин полимерного рукава находится в диапазоне порядка 5,0 - 9,5 мм, что соответствует реальным значениям толщин производимых промышленностью полимерных рукавов.
Анализ распечаток в широком диапазоне исходных параметров при безнапорном режиме подтвердил, что на толщину рукава и модуль его деформации оказывают определенное влияние глубина залегания трубопровода и в меньшей степени горизонт подземных вод. При увеличении заглубления керамического трубопровода (например, до 6 м вместо 4 м) и сохранении неизменными других исходных параметров толщина полимерного рукава при минимальном модуле упругости возрастает до 22,62 мм вместо 10,62 мм, т.е. на 12 мм или в 2,13 раза. В то же время подъем горизонта подземных вод до 5 м (вместо 2 м) дает увеличение толщины рукава лишь на 0,08 мм или в 1,005 раза.
Выводы
1. Использование автоматизированной программы прочностного расчета двухслойных конструкций «материал трубопровода + полимерный рукав» предоставляет возможность широкого перебора параметров полимерного рукава с выявлением закономерностей при любом изменении исходной информации, а также выбора наиболее приемлемого с технической и экономической точек зрения варианта с установленным проектом диапазоном прочностных характеристик.
2. Программа позволяет специалистам делать заключение о возможности применения метода бестраншейного ремонта «полимерный рукав» для конкретного объекта с учетом местных условий и состояния трубопровода, а также предъявлять подрядным организациям требования, выполнение которых позволит обеспечить надлежащее качество выполняемых работ и надежность восстанавливаемых участков трубопровода.
Литература
1. Храменков, C.B. Стратегия модернизации водопроводной сети /C.B. Храменков // Москва: Стройиздат.- 2005. -398 с.
2. Храменков, C.B. Реконструкция трубопроводных систем /C.B. Храменков, О.Г. Примин, В.А. Орлов // Москва: АСВ.- 2007. -215 с.
Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ».
