Апробация работы

Базовые теоретические положения и результаты стендовых гидравлических исследований докладывались на:

- Общероссийской научно-практической конференции по бестраншейным технологиям, 21-23 ноября 2006 г. в МГГУ (Московский государственный горный университет);

- Открытом конкурсе молодых ученых и специалистов на соискание премии ГУП «МосводоканалНИИпроект» в области водоснабжения и водоотведения, 6 апреля 2007 г. в Москве (работа отмечена Дипломом I степени Лауреата конкурса);

- VII Всероссийской научно-практической конференции аспирантов и студентов "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях", 26-27 июня 2007 г. в Москве, ВДНХ (пав. 57); работа отмечена Дипломом I степени.

Структура и объём диссертации

Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 91 наименований. Общий объём диссертационной работы: 144 страницы машинописного текста, 34 таблицы, 31 рисунок, приложения в виде таблиц и справка о внедрении.

В первой главе диссертации анализируется состояние стальных водопроводных и напорных водоотводящих сетей по РФ и Москве.

На основании анализа литературных источников и практики работы Центра технической диагностики (ЦТД МГУП) «Мосводоканал» установлено, что в настоящее время основной акцент при оценке состояния трубопроводных коммуникаций направлен на определение показателей надежности (статистика отказов и их прогноз) и при этом незначительное место занимают вопросы номенклатуры дестабилизирующих факторов (состояние грунтов, наличие подземных вод, качество изоляции труб, гидравлические режимы работы и т.д.). Как известно, статистика повреждений даёт возможность оценивать состояние трубопроводов лишь условно, поскольку, как правило, никакой оценки технического состояния труб со сбором статистических данных не связано.

Выявлено, что существующая на сегодняшний день практика паспортизации участков трубопроводов отличается явным недостатком информации, по которой невозможно оценить причины отказа, т.е. степень влияния комплекса внешних дестабилизирующих факторов на работу конкретного трубопровода и его отдельного участка. Поэтому в качестве основной задачи последующих исследований обоснована необходимость проведения комплексной рейтинговой (балльной) оценки значимости участков трубопроводов с составлением их паспортов и выявлением среди участков путем ранжирования списков приоритетных реновации, а затем путем расчета остаточного ресурса - первоочередных или потенциально опасных, т.е. требующих незамедлительной реновации.

Во второй главе приведены результаты комплексного анализа архивной информации и натурных исследований технического состояния трубопроводов водопроводной и водоотводящей сети (мониторинги гидравлических и качественных характеристик транспортируемой воды, коррозионной активности грунта, мест и характера повреждений труб, толщины стенки), выделены, описаны и ранжированы (путем составления физических и математических моделей) внешние дестабилизирующие работу сети факторы.

Например, на основании мониторинга гидравлических показателей водопроводных труб разработан универсальный вариант увязки (через специальный коэффициент *) гидравлических (скорость V, напор H) и технологических (диаметр D, длина L, принадлежность участка сети) параметров трубопроводной сети для последующего использования в системе ранжирования по степени технической ущербности: *1=18,6 HD/LV2 (для магистралей и перемычек), *2 =17,29 HD/LV2 (для распределительной сети), *3 = 7,85 HD/Км LV2 (для домовых сетей).

Для оценки степени защищенности от коррозии отдельных участков трубопроводов проанализированы сведения об удельном электрическом сопротивлении грунта; потери массы образцов; плотности поляризующего тока.

Для ранжирования по степени влияния на техническое состояние труб факторы представлены в виде следующей последовательности: материал труб и его качество; наличие и качество изоляционного покрытия; возраст трубопроводов; отсутствие защиты от электрокоррозии; диаметр трубы; наличие блуждающих токов и коррозионной активности грунта; число уже прошедших аварий (повреждений) на участке; интенсивность транспортных и пассажиропотоков; качественные характеристики воды; величина и динамика изменения напоров в сети; наличие и глубина залегания подземных вод; тип грунта; глубина заложения участка сети.

Для увязки внешних факторов в единой системе взаимовлияния использован графово-матричный метод, который позволил установить связь между всеми дестабилизирующими факторами и выйти на определенные диапазоны рейтинговых значений (баллов) каждого фактора и элементов его состояния. После операций ранжирования каждый фактор приобретает соответствующий ранг значимости в замкнутой системе с установленным диапазоном изменения численных (балльных) значений, что позволяет провести аналогичное внутреннее ранжирование элементов его состояния.

Операции ранжирования позволили в иерархической последовательности определить соответствующие позиции внешних дестабилизирующих факторов в паспорте участка трубопровода.

Третья глава посвящена вопросам паспортизации, рейтинговой оценки и прогноза состояния трубопровода, которые рекомендуется проводить в единой системе по суммарному балльному значению на основе: данных по инвентаризации и аварийности трубопроводов; данных по технической диагностике трубопроводов; результатов ранжирования по условиям эксплуатации, аварийности и состояния факторов, приводящих к дефектам трубопроводов; результатов прочностного расчета с определением остаточного ресурса.

Используя 100-балльный диапазон изменения элементов состояния дестабилизирующих факторов, для рейтинговой оценки остаточного ресурса после результатов ранжирования введена система поправочных пошаговых (шаг по 0,05) коэффициентов пересчета Кпер. от 1 до 0,05, принимаемых в обратно-пропорциональной зависимости от величины остаточного ресурса (максимум 20 лет Кпер. = 0,05; минимум 1 год Кпер. = 1). На этот коэффициент умножается значение суммарного рейтингового балла, получаемого участком трубопровода.

Введение единой балльной системы оценки по дестабилизирующим работу сети факторам и коэффициента пересчета на величину остаточного ресурса позволяет классифицировать трубопроводы по категории надежности: высокая, средняя, низкая и принять решение (разработать план действий) по дальнейшей эксплуатации трубопровода, перекладке или ремонта.

В третьей главе также приведены методы оценки остаточного ресурса при уменьшении (утонении) толщины стенки в результате общей (фронтальной) и язвенной (питинговой) коррозии, а также эрозионного износа стенок трубопровода транспортируемой жидкостью до величины, ниже которой не обеспечивается запас прочности. При этом толщина стенки определяется по результатам регулярной диагностики (толщинометрии) или специальных диагностических исследований (в экстренных ситуациях). Расчетную минимальную толщину стенки трубопровода рекомендуется принимать по результатам стандартного комплексного прочностного расчета с учетом внешних дестабилизирующих работу трубопровода факторов, в частности: глубины залегания; наличия подземных вод над уровнем лотка трубы; собственного веса трубы; величины внутреннего давления воды в трубопроводе; состояния грунтового свода и т.д. Методика адаптирована к условиям проектирования и строительства напорных трубопроводов Москвы для 3-х предельных состояний: из условий устойчивости (прочности) трубопровода (I); по допустимым деформациям (II); с учетом появления пластических деформаций (III).

Приводятся сведения о разработанной автоматизированной программе «Ресурс» с руководством пользователя.

В четвертой главе представлены результаты стендовых исследований, проведенных в межкафедральной лаборатории факультета «Водоснабжение и водоотведение» МГСУ (Ярославское шоссе, 26, аудитория 112 в) по определению гидравлических показателей труб (покрытий) из разных материалов на предмет их совместимости в период реновации участков стальных трубопроводов. Используемый в работе подход включал экспериментальную часть, теоретическую интерпретацию результатов исследований и моделирование с целью перехода от малого диаметра к большим.

В качестве исследуемых альтернативных ремонтных материалов трубопроводов рассмотрены следующие: тонкий полимерный рукав (пленка из эпоксидной смолы, нанесенной на внутреннюю поверхность стального трубопровода диаметром 100 мм); полиэтиленовая труба ПНД ГОСТ 18599-03 110С 200 условным диаметром 100 мм; цементно-песчаное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность стального трубопровода диаметром 100 мм (с учетом защитного слоя внутренний диаметр нового трубопровода составляет 90 мм).

Целью проводимых гидравлических экспериментов является выявление закономерностей изменения гидравлических показателей для различных труб (защитных покрытий) при напорном режиме движения и получения унифицированных расчетных зависимостей, позволяющих производить гидравлический расчет напорных трубопроводов для широкой гаммы используемых диаметров.

Общий вид гидравлического стенда представлен на рисунке 1.

На каждом трубопроводе в среднем было проведено порядка 40 серий опытов при температуре воды 160С. Полученная информация и результаты ее обработки явились базовым материалом для определения эмпирических зависимостей изменения потерь напора от расхода жидкости, т.е. i = f (Q) (рисунок 2) и определения коэффициента гидравлического трения по унифицированной методике.

Рис. 1 Общий вид опытного гидравлического стенда

а).

б).

в).

Рис. 2 Сводные данные по результатам по определению зависимостей i = f(Q) для стального трубопровода с полимерным покрытием (а), полиэтиленового трубопровода (б) и стального с цементно-песчаной облицовкой (в); по оси абсцисс - расходы (м3/с), по оси ординат - потери напора (м).

Как видно из графиков рисунка 2 для трех видов трубопроводов прослеживается универсальный характер изменения потерь напора от расхода - степенная математическая зависимость между потерями напора и расходом воды:

iпол. покр = 5672,3Q2,7655; iполиэт. = 190,67Q1,9802; i ЦПП = 185,82Q1,9395

трубопроводный сеть напорный ущербный

Для анализа характера полученных закономерностей и проверки их доверительности аналогичным трубопроводам из других материалов (сталь, чугун) по результатам расчетных данных (Таблицы гидравлического расчета Ф.А. Шевелева) были построены идентичные зависимости для чугунного и стального трубопроводов. Полученные экспериментальные зависимости ?h = i = f(Q) для трех типов трубопроводов, а также расчетные кривые для чугунных и стальных труб сведены на единое поле (рисунок 3).

Как показывают графики, наименьшие единичные гидравлические сопротивления при одинаковых расходах Q имеет трубопровод с полимерным покрытием, затем полиэтиленовые, а наибольшими сопротивлениями обладают стальные и чугунные трубы. Это, прежде всего, свидетельствует о том, что при взаимозамене труб, например, в результате ремонта отдельных участков стальных трубопроводов на другие не исключается возможность гидравлического дисбаланса.

Идентичный характер кривых на рисунке 3 позволил произвести теоретическую интерпретацию результатов, которая заключалась в том, чтобы на базе полученных эмпирических зависимостей для трех трубопроводов исходного внутреннего диаметра определить путем гидравлического моделирования аналогичные расчетные формулы для других диаметров труб. С этой целью использовалась универсальная формула Прандтля, устанавливающая зависимость от диаметра и эквивалентной шероховатости kэ, которая рассматривалась в качестве гидравлической шероховатости. На базе опытных значений для каждого трубопровода получены формулы для расчета удельного сопротивления «А»:

; ; ;

Кроме того, по результатам гидравлического подобия получены расчетные зависимости для определения коэффициента удельного сопротивления различных трубопроводов (защитных покрытий) А для широкой гаммы внутренних диаметров d:

Апол. покр. = 51012 d-5,2791;

Аполиэт. = 91012d-5,316;

АЦПП = 41012d-5,2279;

Установленные зависимости позволяют проектировщику произвести оценочный гидравлический расчет любой трубопроводной сети при различных вариантах реновации выходящих из эксплуатации старых стальных труб и замены их трубами (защитными покрытиями) из альтернативных материалов.

В пятой главе рассмотрены различные варианты проектирования ремонта трубопроводов в целях выявления оптимального с точки зрения материальных и денежных затрат. В качестве альтернативных базовому (сеть из стальных труб - вариант 1) выбраны 4 варианта проведения ремонтно-восстановительных работ с использованием бестраншейных технологий на образцовом объекте -городской водопроводной сети населенного пункта путем наложения защитных покрытий в виде полимерного рукава (вариант 2), протягивания полиэтиленовых труб (вариант 3), нанесения внутренних защитных цементно-песчаных покрытий (вариант 4), а также использования комбинированного варианта реновации отдельных участков (вариант 5).

Цель технико-экономического расчёта состояла в определении диапазона возможных изменений гидравлических показателей на реконструированных участках сети (например, величин расхода, скорости, изменения потоко-распределения и т.д.), а также в её узлах (например, свободного напора) с учётом совместной работы сети и насосной станции.

Гидравлический расчет производился с использованием полученных зависимостей для удельного сопротивления A=f(d) для всех видов трубопроводов. По результатам построения пьезометрических профилей показано, что наименее выгодным вариантом ремонта по затратам энергии является протягивание в старый трубопровод полиэтиленовых труб, а наилучшим - нанесение полимерных покрытий, имеющих наименьшие удельные гидравлические сопротивления.

Для наглядности изменения динамики приведенных затрат по вариантам проектирования ремонта представлена гистограмма (рисунок 4).

Рис. 4 Изменение приведенных затрат по вариантам ремонта

В качестве основного вывода по представленным выше сводным результатам технико-экономического сравнения вариантов проектирования ремонта можно отметить следующее: самым дешевым вариантом реновации является нанесение на внутреннюю поверхность стальных трубопроводов полимерных рукавов, а самым дорогостоящим использование полимерных труб.

Используя предложенную методику гидравлического и технико-экономического расчета можно производить оценку вариантов проектирования и выбор оптимального метода бестраншейного ремонта для других типов трубопроводов (защитных покрытий) для инженерных сетей систем водоснабжения и водоотведения.

Общие выводы

1. Установлено, что на сегодняшний день техническое состояние наружных напорных стальных водопроводных и водоотводящих сетей в целом можно оценить как неудовлетворительное и требующее оперативных мероприятий по их профилактическому ремонту, модернизации и реновации на базе разработки системного подхода.

2. Установлено, что в практике эксплуатации напорных стальных водопроводных и водоотводящих сетей уровень использования диагностических параметров и природно-климатических нагрузок, отрицательно воздействующих на трубопроводы, недостаточен, что отражается на отсутствии универсальных подходов к определению критериев выбора приоритетных объектов ремонта при планировании восстановительных работ на сетях.

3. Проведены комплексные мониторинги гидравлических показателей и качественных характеристик транспортируемой воды, коррозионной активности грунта, мест и характера повреждений труб; разработан универсальный вариант увязки гидравлических (скорость, напор) и технологических (диаметр, длина, принадлежность участка сети) параметров сети для использования при ранжировании ее участков по степени технической ущербности.

4. Выявлены внешние дестабилизирующие факторы воздействия на трубопроводы и на основе графово-матричного метода установлена связь между ними; произведено ранжирование факторов с определением рейтинговых значений элементов их состояния и составлением паспортов участков трубопроводов.

5. Разработаны иерархические уровни принятия решения по реновации участков по максимальному баллу с учетом поправки на величину остаточного ресурса, определяемого по результатам диагностики толщины стенки и прочностного расчета, скорости коррозии и проведения прочностного расчета.

6. Проведены гидравлические исследования на полупроизводственных стендах с трубопроводами диаметром 100 мм из различных материалов (стальных с полимерным и цементно-песчаным покрытием, полиэтиленовых) для определения условий их гидравлической совместимости с действующими ветхими участками стальных трубопроводов при проведении восстановительных работ.

7. Определены значения коэффициента гидравлического трения для труб соответствующего диаметра и материала защитных покрытий; установлены эмпирические зависимости единичных потерь напора i от расхода жидкости в трубопроводе Q:

iпол. покр = 5672,3Q2,7655; iполиэт. = 190,67Q1,9802; i ЦПП = 185,82Q1,9395

8. Произведен пересчет в унифицированной форме через удельное сопротивление «А» эмпирических зависимостей путем моделирования значений и эквивалентной шероховатости kэ при переходе на другие диаметры

Получены расчетные зависимости для определения коэффициента удельного сопротивления «А» для широкой гаммы внутренних диаметров трубопроводов (защитных покрытий) d:

Апол.покр = 51012d-5,2791;

Аполиэт. = 91012d-5,316;

АЦПП = 41012d-5,2279;

9. На основе эмпирических зависимостей и стандартной методики технико-экономического расчета произведена оценка эффективности 4-х альтернативных вариантов реновации (с использованием бестраншейных технологий и альтернативных защитных материалов) на образцовом объекте с выявлением оптимального по приведенным затратам и гидравлической совместимости.

10. Положения по ранжированию дестабилизирующих факторов явились предметом полезной модели «Устройство для анализа и повышения надежности напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения» и получения Патента РФ № 41748.

11. Отдельные положения работы (паспорта трубопроводов, алгоритм принятия решения) внедрены в практику ремонтно-восстановительных работ МГУП «Мосводоканал».

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора

1. Орлов Е.В. / Комплексная оценка состояния стальных напорных трубопроводов городской водоотводящей сети в зависимости от внешних факторов // Строительство и Архитектура, Изд. ВНИИНТПИ Госстроя РФ, Обзорная информация, вып. 3, серия инженерное обеспечение объектов строительства. - 2004. - с. 92-99 (0,5 п.л.).

2. Орлов Е.В., Саломеев В.П., Круглова И.С. / Оценка остаточного ресурса напорных стальных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций.- 2005.- № 3-4.- с. 25-31 (0,5 п.л., лично автором 0,25 п.л.).

3. Орлов Е.В., Хантаев И.С., Саломеев В.П., Орлов В.А. / Оценка состояния трубопроводов городских водопроводной и водоотводящей сетей для выбора объекта ремонта или реконструкции // Строительство и Архитектура, Изд. ВНИИНТПИ Госстроя РФ, Обзорная информация, вып. 6, серия инженерное обеспечение объектов строительства. - 2006. - с. 76-87 (1 п.л., лично автором 0,25 п.л.).

4. Орлов Е.В. / Остаточный ресурс стальных подземных трубопроводов городского водоснабжения и водоотведения // Строительство и Архитектура, Изд. ВНИИНТПИ Госстроя РФ, Обзорная информация, вып. 2, серия инженерное обеспечение объектов строительства. - 2006. - с. 83-90 (0,5. п.л.).

5. Орлов Е.В., Саломеев В.П., Круглова И.С., Побегайло Ю.П. / ПАТЕНТ на полезную модель № 41748 “Устройство для анализа и повышения надежности напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения”.- Бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам № 31 от 10.11.2004.

6. Орлов В.А., Орлов Е.В. /Строительство, реконструкция и ремонт водопроводных и водоотводящих сетей бестраншейными методами // ИНФРА-М. - 2007. - 222 с. (14 п.л., лично автором 2 п.л.).

7. Отставнов А.А., Орлов Е.В., Хантаев И.С. / Определение приоритетных участков ремонта систем водоснабжения и водоотведения // Журнал Водоснабжение и санитарная техника. - 2007. - № 3.- с. 25-29 (0,25 п.л., лично автором 0,15 п.л.).

8. Хантаев И.С., Орлов Е.В. / Трубы для реализации бестраншейных технологий протягивания и продавливания // РОБТ (Российское общество по бестраншейным технологиям).- 2007.- № 3.- с. 39-44 (0,5 п.л., лично автором 0,25 п.л.).

9. Отставнов А.А., Хантаев И.С., Орлов Е.В. / К выбору труб для бестраншейного устройства трубопроводов водоснабжения и водоотведения // Пластические массы. - 2007. № 3. - с.40-43 (0,25 п.л., лично автором 0,1 п.л.).

10. Орлов Е.В., Хантаев И.С. / Исследование гидравлической совместимости трубопроводов из новых материалов для обеспечения их надежной работы //Сборник научных докладов научно практической конференции. ВДНХ. -2007 (26-29 июня).- с. 90-91 (0,2 п.л., лично автором 0,1 п.л.).

11. Орлов Е.В., Хантаев И.С. / Исследование гидравлических параметров трубопроводов из новых материалов // ГУП «МосводоканалНИИпроект. Проекты развития инфраструктуры города. Сборник научных трудов. Выпуск 7. Технологии развития городского водохозяйственного комплекса. - 2007. - с. 102-108 (0,5 п.л., лично автором 0,25 п.л.).

12. Орлов В.А., Хантаев И.С., Орлов Е.В. / Влияние дестабилизирующих факторов на работоспособность водоотводящих сетей урбанизированных территорий // Экология урбанизированных территорий. - 2007.- № 3. - с. 43-51 (0,5 п.л., лично автором 0,2 п.л.).

13. Отставнов А.А., Орлов Е.В., Хантаев И.С. / Первоочередность восстановления трубопроводов водоснабжения и водоотведения // Строительный инжиниринг.-2007.- № 10.- с. 44-49 (0,5 п.л., лично автором 0,2 п.л.).

14. Хантаев И.С., Орлов Е.В. / Трубы для реализации бестраншейных технологий протягивания и продавливания // Строительство и Архитектура, Изд. ВНИИНТПИ, Обзорная информация, вып. 2, серия инженерное обеспечение объектов строительства. - 2007. - с. 75-86 (0,5 п.л., лично автором 0,25 п.л.).

15. Наздрачев И.Ю., Орлов Е.В. / Технико-экономическое сравнение вариантов проектирования ремонта трубопроводов систем водоснабжения // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций.-2007.-№ 3-4.- 28-39 (1,0 п.л., лично автором 0,5 п.л.).

Размещено на Allbest.ru