Геоэкологические и технологические основы совершенствования процесса сооружения и эксплуатации бесканальных теплопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Специальность 25.00.36 - Геоэкология по техническим наукам

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Геоэкологические и технологические основы совершенствования процесса сооружения и эксплуатации бесканальных теплопроводов

Кикичев Наиль Гусупович

Санкт-Петербург - 2008

Работа выполнена в Северо-Западном государственном заочном техническом университете

Официальные оппоненты:доктор технических наук

Николаев Александр Константинович

доктор технических наук Родичев Леонид Васильевич

доктор химических наук, профессор Ивахнюк Григорий Константинович

Ведущая организация: ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».

Защита состоится 20 января 2009 г. на заседании диссертационного совета Д 212.244.01 при Северо-Западном государственном заочном техническом университете по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Автореферат разослан 19 декабря 2008 г.

Учёный секретарь диссертационного советаИ.В. Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Перспективность бесканальных прокладок подземных теплопроводов доказана практикой их использования в течение нескольких десятков лет в условиях Санкт-Петербурга и других крупных городов, поэтому дальнейшее совершенствование технологии их сооружения, в том числе и в экологическом отношении, является актуальной проблемой, решение которой имеет важное народно-хозяйственное значение.

В настоящее время удельные затраты на транспортирование тепла, капитальные вложения в тепловые сети достигают 50-60 % стоимости сооружения теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), при этом темпы строительства и ввода новых тепловых сетей, а также темпы их реконструкции значительно отстают от темпов ввода новых тепловых мощностей на ТЭЦ, что объясняется высокой стоимостью теплопроводов, большими затратами на стройматериалы, трубы, технологическое оборудование, издержками на экологическую реабилитацию территорий, отводимых для трасс подземных, в том числе и бесканальных, теплопроводов.

Важность и актуальность совершенствования технологии строительства и экологического контроля при эксплуатации бесканальных теплопроводов подчёркивается и тем, что их использование позволяет на 30-40 % снизить капитальные затраты на теплоснабжение, особенно в условиях плотной городской застройки.

Актуальной задачей при сооружении и эксплуатации бесканальных теплопроводов, требующей своего решения в настоящее время, остаётся задача повышения коррозионной стойкости, механической прочности и надёжной гидро-теплоизоляции теплопроводов, в частности, при включении в них участков самокомпенсирующихся труб. Задача повышения коррозионной стойкости бесканальных теплопроводов может быть решена на основе применения специальных сталей, например, ферритного состава, а также пластиковых труб с пенополиуретановой теплоизоляцией, что вызывает необходимость проведения соответствующих исследований. Актуальной остаётся и задача оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) всех составных частей теплопроводов при их эксплуатации. При этом рассмотрение компенсационных температурных задач, в частности, при использовании самокомпенсирующихся труб, в том числе и с вакууммированными секциями, также является важным и актуальным, что позволит упростить технологию прокладки и повысить надёжность эксплуатации бесканальных теплопроводов.

Актуальность названных выше исследований подчёркивается включением их в постоянно действующие планы тематических и опытно-конструкторских работ технологической службы АОЗТ «Ленгазтеплострой» и организаций - смежников и подрядчиков.

Цель работы: повышение эффективности индустриальных методов сооружения, надёжности, устойчивости и экологической безопасности эксплуатации подземных бесканальных теплопроводов путём решения геоэкологических и технологических задач.

Идея работы: сочетание технико-технологических и экологических направлений повышения коррозионной стойкости, механической прочности, температурной устойчивости подземных бесканальных теплопроводов за счёт совершенствования технологии прокладки и эксплуатации, выбора современных материалов, новых конструктивных решений и механико-математических методов контроля надёжности, стабильности и экологической безопасности при их работе.

Научная новизна работы состоит в разработке:

научно-практических основ оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) бесканальных теплопроводов с учётом температурных деформаций труб, внутреннего давления и внешней нагрузки с построением соответствующей математической модели;

методики оценки НДС самокомпенсирующихся участков трубопроводов (СК-труб) с винтовыми гофрами с различными геометрическими характеристиками и наличием вакууммированных секций типа «труба в трубе»;

методов повышения коррозионной стойкости подземных бесканальных теплопроводов в условиях повышенной влажности грунтов и заражённости их микробиотой погребенных болот (плакирование труб аустенит-ферритными сталями; использование газотермических и термохимических покрытий; предупреждение трещинообразования в стальных трубах; замена в определённых условиях стальных труб на пластиковые; организация дренажа траншей и использование незаражённых микробиотой песчано-гравийно-глинистых смесей для засыпки теплопроводов в траншеях при обеспечении требуемой степени уплотнения засыпного грунта и т.п.)

методики оценки НДС и устойчивости кольцевой формы сечения пластиковых теплопроводов при совместной работе основных полипропиленовых труб, пенополиуретановой теплоизоляции и полиэтиленовой гидрозащитной оболочки с целью обеспечения их надёжности при эксплуатации и требуемой пропускной способности;

методов неразрушающего и экологически чистого контроля дефектов и течей в подземных бесканальных теплопроводах с обеспечением экологической безопасности и экономической эффективности при их эксплуатации.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

1. Высокая эффективность, экологичность и индустриальность сооружения бесканальных теплопроводов с различными видами тепло-гидроизоляции могут быть обеспечены за счёт применения поточно изготовляемых самокомпенсирующихся гофрированных секций стальных труб, в том числе с вакууммированными участками; при этом наиболее экономичной и надёжной в сложных геолого-технических условиях с повышенной влажностью и агрессивностью грунтов следует считать экологически чистую и безопасную теплоизоляцию из пенополиуретана в сочетании с полиэтиленовой наружной оболочкой, термокомпенсационными узлами и термоусаживающимися соединительными манжетами.

2. Температурные и механические напряжения и деформации в трубах бесканальных теплопроводов определяются изменениями внутреннего давления при прокачке теплоносителя, внешней нагрузки, перепада температур теплоносителя внутри труб и наружной среды, а также степенью уплотнения окружающего теплопровод грунта; при этом безотпорная теплогидрозащитная оболочка способствует выравниванию температурных напряжений и деформаций в элементах трубопровода и вместе с уплотнённым грунтом вблизи трубопровода играет роль упруго-податливого основания для центральной трубы.

3. Антикоррозионная и гидравлическая защита бесканальных теплопроводов, центральные трубы которых выполняются плакированными хромистыми ферритными и аустенитными сталями, не склонными к хлоридному растрескиванию, в комбинации с покрытиями различного рода обеспечивает повышение коррозионной стойкости труб до 30-35 % как на магистральных трассах, так и в местах соединения самокомпенсирующихся секций с неплакированными участками труб.

4. Радикальной мерой повышения коррозионной стойкости и эффективности бесканальных трубопроводов является применение пластиковых (полипропиленовых) труб в качестве основных, в частности, во внутренних и микрорайонных системах теплоснабжения. Применяемая для таких трубопроводов упругая пенополиуретан-полиэтиленовая тепло-гидрозащитная оболочка способствует снижению до 20 % напряжений в основной трубе, уменьшая степень овализации её при возможной потере устойчивости; нагрузки же на пластиковые трубопроводы воспринимаются как основной трубой, так и наружной полиэтиленовой оболочкой, исключая опасность действия продольного изгиба. При этом пластиковые трубы, в силу малой шероховатости стенок, способствуют снижению гидравлических сопротивлений при прокачивании через них жидкого теплоносителя. Пенополиуретановая теплоизоляция из-за её подверженности действию света, открытого пламени, а также из-за её относительно низкой прочности и температурной стойкости может эффективно заменяться новым композиционным материалом на основе латексов синтетических полимеров, например, техническим теплоизоляционным материалом (ТТМ), свободным от недостатков пенополиуретана.

5. Наиболее отвечающими условиям эксплуатации бесканальных теплопроводов методами определения течей в трубах, с экологической точки зрения, являются дистанционные и электромагнитные методы, например, метод двух панорамных приёмников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону частот излучения передатчика, а антенны имеют круговую и кардиоидную диаграммы направленности, что может обеспечить высокую точность обнаружения отверстий течей и приемлемую скорость обработки данных.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается системным характером исследований, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных данных, положительным опытом внедрения полученных разработок в практику подземного строительства бесканальных тепловых сетей.

Практическая ценность работы заключается в совершенствовании инженерной методики оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) бесканальных теплопроводов с учётом температурных напряжений и деформаций, направлений обеспечения надёжной антикоррозионной, гидравлической и тепловой защиты теплопроводов на основе использования современных материалов, в том числе пластиковых труб, экологически чистых технологий обнаружения и ликвидации течей при эксплуатации трубопроводов с применением дистанционных и электромагнитных методов.

Личный вклад автора при проведении исследований состоит в анализе и обобщении опыта прокладки бесканальных теплопроводов, постановке задач исследований, аналитической оценке НДС трубопроводов, разработке мероприятий по антикоррозионной, гидравлической и тепловой защите бесканальных теплопроводов, а также практических рекомендаций по эксплуатации тепловых сетей и внедрении их в производство.

Реализация результатов работы. Технико-технологические и экологические рекомендации используются в АОЗТ «Ленгазтеплострой» при инженерной подготовке территорий для массовой жилой застройки, в том числе при прокладке бесканальных теплопроводов, с целью теплоснабжения Санкт-Петербурга и других крупных городов. Для практической реализации полученных результатов разработан ряд нормативных документов, среди которых можно назвать следующие:

- Технические условия. Трубы стальные электросварные спирально-шовные с винтовыми гофрами (ТУ 14-3-123783);

- Временные рекомендации по строительству тепловых сетей из труб диаметром до 300 мм в оболочке на основе пенополиуретана (альбом 1 -484-1993-00.000);

- Тепловые решения прокладки трубопроводов тепловых сетей в изоляции из пенополиуретана диаметром 50-1000 мм. Конструкции и детали. Альбом 313.ТС-002.000;

- Прокладка тепловых сетей диаметром 50-1000 мм в изоляции из пенополиуретана. Прокладка трубопроводов (альбом 313.ТК-003000).

Основные разработанные рекомендации используются в учебном процессе при подготовке специалистов по освоению подземного пространства городов.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах АОЗТ «Ленгазтеплострой» (СПб., 1992-2007); международных семинарах по современным методам строительства тепловых сетей в России (СПб., 1996, 1997); симпозиуме «Энергетика-97» (СПб., 1997); научно-практической конференции «Научно-технические инновации в строительстве» (М.: МГСУ, 2004); научно-технической конференции «Механика. Геомеханика подземных сооружений» (Тула, 2006); ежегодных международных конференциях «Экология и развитие общества» (СПб., 1997-2007).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 29 научных трудах, в их числе 1 монография и 3 изобретения.

Объём и структура диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав и заключение, а также библиографический список из 66 наим. и приложение; изложена на 196 стр. машинописного текста, включает в себя 28 рис. и 24 табл.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблеме эффективной и надёжной прокладки тепловых сетей в крупных городах в целом и бесканальных теплопроводов, в частности, посвящены работы многих учёных и специалистов: Баженова В.А., Баславского И.А., Блоштейна А.А, Бугаевой О.Е., Вайнберга Д.В., Виноградова С.В., Витальева В.П., Вишневецкого Г.Д., Емельянова Л.М., Калининского Б.В., Копьева С.Ф., Крашенникова А.Н., Лопатина Б.В., Лямина А.А., Скворцова А.А., Якимова Л.К. и др. Труды этих авторов составили основу для продолжения исследований в указанной области с целью дальнейшего совершенствования процесса сооружения и эксплуатации бесканальных теплопроводов, создания для этого соответствующей технолого-экологической базы.

Во введении к работе обосновывается актуальность темы исследований, определены цель и идея работы, её научная новизна и практическая ценность, достоверность полученных научных положений и выводов, показан личный вклад автора при проведении исследований, а также приведены формулировки защищаемых научных положений, показана реализация и апробация результатов работы.

Первая глава диссертации посвящена анализу и обобщению методов сооружения подземных, в том числе и бесканальных, теплопроводов, где отмечаются геолого-технические условия их строительства и эксплуатации применительно к городской застройке Санкт-Петербурга.

Высокое увлажнение грунтов при переменном температурно-влажностном режиме вызывает коррозию теплопроводов, нарушение напряжённо-деформированного состояния (НДС) труб со снижением их прочностных свойств, что, как следствие, приводит к сокращению сроков службы трубопроводов и нарушению экологического равновесия в окружающей среде вблизи тепловых трасс.

Особо важным элементом бесканальных теплопроводов является конструкция гидро-теплоизоляционной оболочки, созданию и опыту эксплуатации которой посвящены работы Блоштейна А.А., Витальева В.П., Копьева С.Ф., Крашенникова А.Н., Лямина А.А., Однопозова А.И., Скворцова А.А. и др. Бесканальный теплопровод представляет собой четырёхслойную конструкцию, состоящую из трёх слоёв обделки (антикоррозионного покрытия трубы, теплоизоляционной и гидроизоляционной оболочек) и основного слоя, то есть собственно стальной трубы, по которой перемещается теплоноситель. По виду обделки бесканальные теплопроводы подразделяются на засыпные, сборные, сборно-литые, литые и монолитные. Последние получили наибольшее распространение в Санкт-Петербурге.

При расчётах прочности защитных оболочек различных конструкций для бесканальных теплопроводов, наряду с горным давлением, необходимо учитывать внешние нагрузки от городского транспорта, веса самой конструкции, внутреннего давления и температуры носителя, а также условия закрепления, поэтому исследование НДС теплопроводов при их эксплуатации и расчёт их прочности с учётом совместной работы системы «многослойная гидро-теплозащитная оболочка - труба - грунт» является в настоящее время актуальной проблемой.

Основным недостатком подземных теплопроводов, в том числе и бесканальных, является гидрофильность изоляции, что вызывает коррозионное разрушение теплопроводов и способствует увеличению тепловых потерь с нарушением естественного экологического равновесия среды вблизи трасс теплопроводов. При использовании углеродистых сталей для сооружения бесканальных теплопроводов в армопенобетонной изоляции ежегодно приходилось ликвидировать более 5000 дефектов на теплотрассах Санкт-Петербурга, в том числе в организациях ТПО «ЛенТЭК» - примерно 2700, ТПО ЖК - 2500, Ленэнерго - 800 дефектов. При этом единичные дефекты начинают появляться уже после 5 лет эксплуатации, после 6-10 лет количество дефектов увеличивается в 10-15 раз и в дальнейшем не уменьшается. Наибольшее же количество дефектов обнаруживается после 20-35 лет эксплуатации теплопроводов. Дефектообразованию наиболее подвержены трубы диаметром 50-150 мм: 3,81 дефекта на 1 км трассы, в наименьшей степени - трубы диаметром 1000-1400 мм: 0,4 дефекта на 1 км трассы. Из-за более высокой температуры теплоносителя количество дефектов на трубах прямого направления составляет 70-80 % от их общего числа.

Чаще всего встречается коррозия наружной поверхности труб (80 %). Реже наблюдается коррозия на арматуре, сварных стыках и на внутренней поверхности труб. В 40 % случаев коррозия имеет место в камерах, в 30 % - вблизи камер и компенсаторов, также на линейных участках трубопроводов.

Таким образом, на основе проведенного анализа состояния проблемы намечены следующие направления совершенствования процесса прокладки и эксплуатации подземных бесканальных теплопроводов:

разработка способов повышения долговечности конструкций теплопроводов;

оценка НДС бесканальных теплопроводов с секциями самокомпенсирующихся труб при действии внешних нагрузок и внутреннего давления, а также воздействия температурного перепада;

экспериментальные исследования состояния напряжённо-деформированных подземных бесканальных прокладок с самокомпесирующимися участками;

разработка мероприятий по антикоррозионной, тепловой и гидравлической защите бесканальных теплопроводов;

эффективная замена стальных труб пластиковыми и оценка возможности совместной работы этих труб с тепловой и гидравлической изоляцией при наличии и отсутствии самокомпенсирующихся участков;

использование технико-технологических и экологически чистых методов эксплуатации бесканальных теплопроводов в условиях городской застройки; бесканальный теплопровод деформированный подземный

технико-экономическая и экологическая оценка разработанных в ходе исследований научно-практических рекомендаций.

Повышению надёжности и долговечности подземных бесканальных теплопроводов на основе стальных труб посвящены исследования, результаты которых приведены во второй главе.

Одним из направлений повышения надежности подземных теплопроводов и снижения деформаций является использование самокомпенсирующихся секций теплопроводов с поточной технологией их строительства. Металлические трубы этих секций на внешней поверхности имеют винтовые гофры, обеспечивающие совместность работы системы «труба - тепловая изоляция». За счет снижения продольных деформаций теплопроводов можно отказаться от сооружения компенсаторов или значительно снизить их количество, что дает существенный экономический эффект.

Проведенные теоретические и натурные исследования самокомпенсирующихся труб позволили оценить их прочность, напряженно-деформированное состояние в различных условиях статического и циклического нагружения, определить компенсирующую способность, рациональную степень снижения продольной жесткости и выбрать оптимальную геометрию гофров.

Экспериментально установлено и подтверждено практикой, что зона минимальных усилий, возникающих в гофре, определяется интервалом угла 55-70°.

При проведении общего анализа влияния высоты и радиуса закругления на напряженное состояние и жесткость труб с винтовыми гофрами было установлено, что в защемленном трубопроводе при воздействии температурного перепада с увеличением как высоты гофра, так и радиусов закруглений напряжения в вершине гофра снижаются, а компенсирующая способность труб соответственно возрастает. Однако при нагружении трубопровода внутренним давлением кривая изменения напряжений от высоты гофра имеет минимум.

Всесторонний анализ напряженно-деформированного состояния, продольной устойчивости и перемещения самокомпенсирующихся труб, работающих при давлениях 1,6-5,5 МПа и допускаемом температурном перепаде до 200 °С, с учётом технологических требований позволил найти рациональные конструктивные решения труб с винтовыми гофрами. На их основе составлены оптимальные технические характеристики труб, рекомендуемых для сооружения тепловых сетей (табл. 1).

Для сооружения подземных бесканальных теплопроводов в особо сложных инженерно-геологических условиях предлагается использовать конструкции обделок «труба в трубе». В качестве рабочих труб предлагается использовать самокомпенсирующиеся трубы с гофрами на внешней стороне трубы. В качестве наружного защитного кожуха используются гладкостенные трубы. Внутренние и наружные трубы монтируются в секции, имеющие на концах узлы стыковки. Вакууммирование секций осуществляется через штуцеры, вваренные в наружный защитный кожух. Межтрубное пространство секций может быть теплоизолировано.

Таблица 1

Техническая характеристика СК-труб, рекомендуемых к промышленному производству

Показатели характеристики	Единицы измерения	Числовые значения
Наружные диаметр	мм	530-820
Толщина стенки труб	мм	6-8
Угол наклона гофра к оси трубы	град.	60-70
Количество гофров на полосе	шт.	1-3
Радиусы закруглённого гофра	мм	30-40
Угол сопряжения трубы и гофра	град.	30-40
Максимальная компенсирующая способность	мм/м	2,5
Рабочее давление	МПа	5,5
Максимально допустимый температурный перепад	оС	200

Повышение эффективности технологии сооружения теплопроводов и их надежности предлагается осуществлять в следующих направлениях:

* безопорная подземная прокладка бесканальных тепловых сетей в однородных грунтах для снижения величины коэффициента трения при протягивании труб с целью сохранения их защитных оболочек;

* применение сильфонных компенсаторов для устранения утечек горячей воды и затопления камер компенсационных узлов трубопроводов, что обеспечивает уменьшение площадей отчуждения и сокращение потерь тепла, при этом компенсируются и температурные деформации трубопроводов;

* изоляция стыков труб и других элементов сетей термоусадочными муфтами из предварительно обработанного полиэтилена, обладающего памятью первоначальной формы после нагрева;

* защита трубчатого дренажа геотекстильными материалами для сокращения потребления гравия и площадей для его складирования, так как эти материалы отводят воду от теплотрасс без суффозии и кольматации дрен;

* пассивация стенок трубопроводов жидким стеклом (силикатом натрия) для защиты их от воздействия углекислоты и кислорода воды.

Большинство из предлагаемых способов и технологий отвечают мировому уровню, особо следует отметить выполненные на уровне изобретений компенсационный узел и способ изготовления соединительных термоусаживающихся манжет.

Анализ причин возникновения дефектов на трубах тепловых сетей показывает, что перспективными путями повышения долговечности труб являются совершенствование гидроизоляционных и антикоррозийных покрытий.

Коррозионная стойкость подземных трубопроводов тепловых сетей, кроме того, становится существенным фактором поддержания и экологического равновесия окружающей среды в условиях городской застройки.

Повышение коррозионной стойкости подземных теплопроводов в настоящее время для условий Санкт-Петербурга должно решаться в следующих направлениях:

* гидрозащита трубопроводов армопенобетонными, фенольно-поропластовыми и пенополиуретановыми оболочками; широкое распространение получил низкомолекулярный стабилизированный полиэтилен высокой плотности;

* гидрозащита стыков труб органо-силикатными материалами в сочетании с модификатором ржавчины «Харвол»;

* применение стальных футляров с теплоизоляционными наполнителями для изоляции труб в местах их пересечений с подземными стенами и фундаментами различных сооружений.

Надёжная гидрозащита теплопроводов способствует обеспечению и коррозионной стойкости поверхностей труб, что может быть осуществлено только за счёт изменения химического состава их наружных слоёв. Другими методами термической, химико-термической, либо механической обработки этого не достичь. Добиться этого можно, в частности, применением труб из нержавеющих сталей или применением плакированных труб. В некоторых странах (ФРГ, Финляндия) в небольших объемах используют трубы из нержавеющих сталей, однако это дорого и для условий Санкт-Петербурга нецелесообразно.

Применение плакированных труб позволит значительно упростить теплогидроизоляционную конструкцию тепловых сетей, главным назначением которой останется тепловая изоляция. Кроме того, обеспечивая постоянный во времени коэффициент шероховатости поверхности, плакированные трубы дадут существенную экономию энергии на перекачку воды и позволят полностью использовать проектную пропускную способность теплопроводов, чего при существующих трубах достичь не удается.

Двухфазные аустенитно-ферритные стали имеют хорошие антикоррозионные качества в растворах хлоридов. Низколегированные двухфазные стали подвергаются питтинговой коррозии. Эти стали рекомендуется применять для плакирования труб тепловых трасс, так как при этом можно ожидать десятикратного увеличения ресурса по сравнению с углеродистой сталью.

Для исследования теплопроводов с самокомпенсирующимися секциями были проведены испытания в натурных условиях. Целью проводимых работ явилось исследование работоспособности, изучение особенностей деформирования и оценка эффективности самокомпенсации теплопровода из труб с винтовыми гофрами в сочетании с теплоизоляцией «жесткого» и «эластичного» типа.

В качестве «жесткой» монолитной теплоизоляции был выбран армопенобетон, а в качестве «эластичного» типа монолитной теплоизоляции был выбран пенополиуретан. Пенополиуретан был нанесен методом напыления в несколько слоев с различными свойствами. Наружный слой представлял собой прочную оболочку для защиты трубы от механических воздействий.

Испытательный стенд представлял собой жесткую раму из стальных швеллеров, обеспечивающую жесткое закрепление концов трубы от продольных перемещений и поворота, что позволяло имитировать реальные условия работы трубопровода большой протяженности.

При испытаниях образца нагрев доводился до 180 °С, давление - до 1,6 МПа, продольное растягивающее усилие N = 15000 кН; крутящий момент Мкр = 210 кН.м. Нагрев самокомпенсирующейся трубы в армопенобетонной теплоизоляции со свободным концом проводился ступенчато подачей пара с параметрами t = 220°С и Р = 1 МПа. На каждом этапе нагрева проводились измерения внутреннего давления, температуры на входе в трубу и на выходе и продольных перемещений концов трубы.

Испытания секций показали, что защемляющий эффект монолитной армопенобетонной изоляции незначительно увеличивает продольную жёсткость самокомпенсирующейся секции: при нагреве до 170 °С жёсткость возрастает на 11 %. Испытания защемлённой самокомпенсирующейся секции с пенополиуретановой теплоизоляцией показали, что в кольцевом направлении существенного влияния на защемления трубы теплоизоляции не наблюдается; пенополиуретановая теплоизоляция практически не влияет не работу гофров в процессе компенсации температурных деформаций.

Испытания позволили оценить эффективность вакуумной теплоизоляции, а также конструктивные особенности вакууммированных секций: в изолированной секции влияние глубины вакуума имеет стабильный характер; при вакууме около 10 мбар теплопотери в средней части секции уменьшаются примерно в 4 раза; наиболее резкое уменьшение теплопотерь начинается при вакууме меньше 20 мбар, тепловые потери в неизолированной минеральной ватой секции превышают потери в изолированной секции в 5-20 раз; влияние температурных мостов (диафрагм) на теплопотери в секциях значительно и сказывается в непосредственной близости от диафрагм.

В результате анализа результатов опытно-промышленных испытаний участков самокомпенсирующихся трубопроводов были получены следующие выводы:

* при нагреве теплопроводов до 140 °С винтовые гофры полностью обеспечивают непрерывную компенсацию температурных деформаций при отсутствии общих продольных перемещений теплопроводов;

* смещений неподвижных опор в процессе эксплуатации не происходит;

* при давлении Р =2,0 МПа повреждений и течей в трубах и сварных соединении не отмечено, растрескиваний и отслоений теплоизоляции не обнаружено.

Для защиты наиболее ответственных участков теплопроводов, дополнительно к плакированию, могут быть рекомендованы и покрытия. Анализ условий эксплуатации бесканальных тепловых сетей и требований к антикоррозионной защите их позволил сделать вывод о том, что перспективными для защиты металла бесканальных теплопроводов настоящее время могут стать:

газотермические (металлизационные, полимерные и комбинированные) покрытия для наружных поверхностей труб и стыков различных элементов;

термохимические металлизационные покрытия для наружной и внутренней поверхностей стыков, крепежа, деталей арматуры.

Газотермические покрытия (анодные и катодные) являются самостоятельными средствами защиты, но могут применяться и как подслой для изоляционных покрытий, а также в сочетании с электромеханической защитой.

Комбинированные покрытия представляют собой комбинации полимерных покрытий с анодным или катодным подслоем, за счёт чего достигается эффект аддитивности, то есть суммирования показателей защитной способности. Для бесканальных тепловых сетей наиболее перспективны именно комбинированные покрытия.

Термохимические покрытия формируются на металлической поверхности в газовой среде. Таким методом наносятся покрытия из различных металлов и сплавов: цинка, алюминия, меди, титана, карбидов хрома и боридов железа. Функции термохимических покрытий аналогичны газотермическим покрытиям. Достоинствами их являются возможность нанесения как на внутреннюю, так и на наружную поверхности труб, беспористость покрытий, экологическая чистота и безотходность технологии.

Рассмотренные системы и виды покрытий имеют по сравнению с известными (органосиликатными и лакокрасочными) покрытиями ряд существенных технических и экономических преимуществ (табл.2).

Таблица 2

Сравнительные технико-экономические характеристики покрытий

Покрытия	Системы покрытий и материалов	Среда	Срок службы, год	Относительная стоимость*
Известные покрытия	Кремний-органические Стеклоэмалевые Композиционные	Нейтральная Нерегламентируемые среды	5 10 10	1,0 2,0 2,5
Рекомендуемые газотермические и термохимические покрытия	Анодные Анодно-полимерные Катодные оплавленные Катодно-полимерные Оксидно-полимерные	Нейтральная Кислая и щелочная	20 30-75 20 20-50 20-50	0,3 0,25 0,4 0,35 0,5

* Отношение стоимости нанесения и эксплуатации (из расчёта на год) выбранного покрытия к стоимости кремний-органической эмали, принимаемой за единицу.

При определении целесообразности применения тех или иных покрытий (так же, как и плакированных труб) следует учитывать, кроме экономической эффективности, и другие факторы, не могущие быть измеренными в стоимостных категориях: например, возможные человеческие жертвы, дезорганизация или приостановка деятельности производственных и торговых предприятий, общественных организаций при авариях и других повреждениях на теплопроводах, невозвратимые потери при этом государственного или личного имущества граждан, культурных и архитектурных ценностей, экологические нарушения.

В третьей главе приводится разработанная в ходе теоретических исследований и экспериментально проверенная методика оценки НДС бесканальных теплопроводов, учитывающая наличие в трубах безотпорной зоны с упругой теплоизоляционной оболочкой, играющей вместе с уплотнённым грунтом роль упругого (винклеровского) основания.

Проблемами расчёта и оценки температурных и механических напряжений и деформаций в трубопроводах различного назначения занимались многие специалисты, среди которых необходимо отметить Арамановича И.Г., Бялера И.Я., Власова В.З., Галеркина Б.Г., Иванова С.А., Клейна Г.К., Руппенейта К.Д., Рябого В.М., Синельникова В.В., Шапошникова Н.Н. и др. Среди зарубежных специалистов, занимающихся проблемами НДС трубопроводов, нужно назвать Винклера Е., Прево Р., Шпенглера М.

В трудах этих специалистов - теоретиков и практиков - разобраны многие общие и конкретные вопросы оценки НДС труб различного назначения, в основном, наземных и подземных в железобетонных и других видов каналах. Работы по бесканальным трубопроводам практически отсутствуют: можно назвать лишь некоторые исследования ИЭС им. Е.О.Патона, а также практический опыт ряда строительных организаций, в первую очередь, АОЗТ "Ленгазтеплострой". Полного же решения проблемы оценки НДС бесканальных теплопроводов, в частности, с учетом теплозащитной оболочки и самокомпенсирующихся секций, до настоящего времени получено не было.

В ходе выполнения диссертационной работы получена методика оценки НДС бесканальных теплопроводов, включающая в себя: расчет критических нагрузок и возможного перепада температур на стенках труб при учете сил трения о грунт (продольный изгиб), определение температурного давления и внешней нагрузки (давления грунта, собственного веса, транспортных нагрузок и т.п.).

В начале расчета определяются температурное удлинение участка трубопровода и количество самокомпенсирующихся секций:

(1)

где - температурное удлинение: lk - длина участка, на котором требуется компенсация температурного удлинения: 1 - температурное напряжение, 1 = E1 t, Е, - соответственно модуль упругости и температурный коэффициент материала труб; t - перепад температур; - температурная деформация одной самокомпенсирующейся секции; п - количество секций.

Общие положения методики расчета бесканальных трубопроводов основываются на следующих допущениях:

* оба конца трубопровода свободны и могут перемещаться в продольном направлении;

* при температурных деформациях трубы встречают сопротивление грунта, равномерно распределенное по длине теплопровода;

* температура по длине трубопровода постоянна;

* с изменением температур теплоносителя и окружающего грунта перемещения труб осуществляются от концов трубопровода к его середине.

Продольный изгиб бесканальных теплопроводов может возникнуть, если концы трубопровода имеют какое-либо закрепление; при этом продольный изгиб в значительной мере компенсируется сопротивлением окружающего грунта q, результатом чего является повышение устойчивости трубопровода при сжатии его температурными нагрузками.

Расчетная схема для решения задачи о продольном изгибе бесканального теплопровода представляется в виде балки с шарнирными опорами, одна из которых подвижна, при этом на балку действует продольная критическая сила, равная температурной нагрузке (Ркр = Рt), и поперечная равномерно распределенная нагрузка q. Требуется определить критическую нагрузку Ркр и возможную величину температурного перепада t как функции сопротивления окружающего теплопровод грунта.

Дифференциальное уравнение изогнутой оси теплопровода:

(2)

где l - осевой момент инерции поперечного сечения трубы: М(х)-изгибающий момент в сечении х: х - координата от начала трубопровода; l - длина рассматриваемого участка теплопровода; у(x) -прогиб трубопровода.

После двукратного интегрирования уравнения (2) и определения постоянных интегрирования получим выражение для прогиба трубопровода:

(3)

где ; а - стрела прогиба трубопровода в середине участка (при ); по данным ИЭС им Е.О.Патона, можно принять а = 0,495.104 .

Решая уравнение (3) относительно Ркр, получим с учетом значения а:

 (4)

где Kn - коэффициент перегрузки, зависящий от формы закрепления трубопровода и глубины его засыпки фунтом, для бесканальных теплопроводов Kn = 1,1- 1,2; при этом величина l определяется зависимостью:

. (5)

Приравнивая Ркр, = Pt= E tF, получим для перепада температур:

, (6)

где F - сечение трубы.

Исключая из выражений (4) и (6) значения l согласно зависимости (5), будем иметь окончательно:

(7)

. (8)

Расчёты по формулам (7) и (8) показали, что они пригодны для практического использования: ошибки расчетов по сравнению с экспериментальными данными составляют от + 8,5 до -15 % для трубопроводов диаметрами 300-1000 мм. При этом выявлена нелинейная зависимость критической силы и возможного перепада температур от сопротивления грунта, окружающего бесканальный трубопровод.

Расчеты показали, что наличие теплозащитной оболочки способствует выравниванию температурных напряжений в трубопроводе и снижению их абсолютных значений по сравнению с напряжениями в трубе без тепловой изоляции. Это повышает сопротивляемость трубопровода и его устойчивость при действии внутреннего давления и внешней нагрузки.

Для оценки НДС трубопровода от действия внутреннего давления и внешней нагрузки принята расчетная схема, в которой внутреннее давление Р0 постоянно, а распределенные нагрузки снаружи разделяются на вертикальные и постоянные по высоте трубопровода боковые горизонтальные давления (рис. 1).

Рис. 1. Расчётная схема для оценки НДС бесканального трубопровода: а - обозначение расчетных участков: б - распределение нагрузок в произвольной точке стенки трубы; I - безотпорная зона трубы: 2 - нижняя отпорная часть.

Расчётным элементом является кольцо единичной ширины, то есть решается плоская задача, где в верхней, безотпорной зоне перемещения направлены к центру кольца, в нижней, отпорной, зоне перемещения идут в сторону грунта, который вместе с упруго-податливой оболочкой принимается за основание Винклера. В этом состоит новизна расчётной схемы, ближайшим прототипом которой является схема С В.Виноградова. При этом радиальные и окружные напряжения в кольце определяются как:

r = qh cos + qr sin2 Р0 + qc cos;

= qh cos sin qr sin cos + qc sin,

где qh = q0 + q1 вертикальная распределенная нагрузка: qr горизонтальная нагрузка; qc суммарная нагрузка от собственного веса и веса жидкости в трубе: половина центрального угла, определяющего безотпорную зону (рис. 1), 0 предельное значение угла .

Горизонтальная нагрузка равна qr = qh , где = 0,3 коэффициент бокового отпора.

От действия qh. qc и P0 в безотпорной зоне возникают:

изгибающий момент:

M = М0 N0r (1 - cos) + qhr2a1;

продольная сила:

N = N0cos + qhra;

поперечная сила:

Q = -N0sin + qhra;

радиальное перемещение :

U =U0cos +(M0b1 -rN0b2 + qbr2a4);

касательное (тангенциальное) перемещение:

V = U0sin +(M0b3 -rN0b4 + qbr2a5);

угол поворота сечения стенки трубы:

где M, N, U соответственно изгибающий момент, продольная сила и начальное перемещение в вершине безотпорной зоны (шелыге) при = 0; a1а6; b1b6 коэффициенты, зависящие от соотношения внутреннего давления и внешней нагрузки, а также от величины коэффициента бокового отпора и центрального утла 2; -коэффициент, зависящий от жесткости трубы, = r/(EI).

Рассчитанные по приведенной методике эпюры изгибающих моментов и продольных сил по периметру подземного единичного кольца трубопровода диаметром 630/6 мм при следующих нагрузочных параметрах: qв = 0,153 МН/м3; qс = 0,0055 МН/м3; = 0,3; сопротивление грунта (коэффициент постели Винклера) К = 100 МН/м3, - изменяются по мере удаления от шелыги трубы по-разному. Изгибающий момент уменьшается вплоть до смены знака и далее растёт в отрицательном направлении, но по модулю не достигает своего положительного значения в шелыге. Продольная сила медленно возрастает, принимая своё максимальное значение в безотпорной зоне, на её стыке с отпорной частью (при угле = 45о). Максимальное значение изгибающий момент принимает в шелыге трубы, несколько меньшее значение - в точке перемены знака и у днища трубопровода. Продольная сила медленно растёт по вертикальному диаметру: минимум у шелыги, максимум - у днища.

Расчёты по приведенной методике показали существенную зависимость нагрузочных параметров от величины сопротивления грунта: если при малых сопротивлениях (неутрамбованный грунт, К = 5 МН/м3) максимальное напряжение в шелыге трубы диаметром 630/6 мм равно 210-370 МПа, то при К = 50-100 МН/м3 - напряжения падают до 100-50 МПа. Оценку прочности трубопровода можно при этом производить согласно полученной зависимости:

где N01, M01 - соответственно продольная сила и изгибающий момент в шелыге; ст. - толщина стенки; [] допускаемое расчётное сопротивление материала трубы.

Уплотнение грунта, окружающего трубопровод, способствует и снижению толщины стенки трубопровода: утолщение стенки с 6 до 12 мм, то есть в 2 раза, при К = 5МН/м3 обеспечивает снижение напряжений с 370 до 210 МПа (в 1,8 раза), а при К = 100 МН/м3 - с 80 до 60 МПа, или в 1,3 раза, что свидетельствует о целесообразности максимального уплотнения грунта при засыпке бесканальных теплопроводов, так как повышение бокового отпора даёт возможность применения труб с меньшей толщиной стенки без снижения их прочности.

Материалы исследований и соответствующие расчётные методики, определяющие особенности применения пластиковых труб в сочетании с эластичной тепло-гидроизоляцией (пенополиуретан и полиэтилен), приводятся в главе четвёртой. При этом применение пластиковых (полипропиленовых) труб в качестве основных в бесканальных теплопроводах считается радикальной мерой повышения коррозионной стойкости и надёжности эксплуатации тепловых сетей, по крайней мере, во внутренних и микрорайонных системах теплоснабжения.

Физико-механические характеристики таких труб и высокая пропускная способность их делают эти трубы перспективными для использования в сетях теплоснабжения. При этом для определения эксплуатационных параметров пластиковых труб предлагается использовать температурно-временную зависимость:

(9)

где t - время эксплуатации, годы; - напряжения, МПа; A, B, C, D - коэффициенты соответствия международным стандартам ISO 15874 и ISO 15875.

Главной особенностью пластмассовых теплопроводов является быстрая релаксация и исчезновение термоупругих деформаций, которые переходят в необратимые пластические деформации с сохранением исходной длины теплопровода, то есть пластиковые трубопроводы обладают самокомпенсирующейся способностью. Но расчёт прочности этих трубопроводов в сочетании с пенополиуретановой теплоизоляцией и полиэтиленовой гидрозащитой имеет более важное значение, чем для стальных, более прочных труб. Одним из основных условий нормальной работы бесканального теплопровода является единство («связанность») работы всех названных выше элементов конструкции трубопровода.

Устойчивость первоначальной круглой формы подземного теплопровода является другим важным условием обеспечения его требуемой пропускной способности и, вместе с тем, эффективности теплоснабжения городских объектов. При этом радиальная нагрузка по кольцевому контуру сечения трубы должна быть равномерной по длине всего контура, чему способствует упругая тепло-гидроизоляция. Критическое значение радиальной нагрузки, превышение которого может вызвать потерю устойчивости, определяется решением дифференциального уравнения деформированной оси кольцевого контура, и полученная в ходе исследований зависимость имеет вид:

(10)

где EJ - жёсткость сечения трубы, МН.м2; Е - модуль упругости материала трубы, МПа; J - осевой момент инерции сечения, м4; К - безразмерный коэффициент, характеризующий соотношение радиальной нагрузки и геометрических характеристик контура; R - радиус осевой линии кольцевого сечения трубы, м.

В общем случае условие обеспечения устойчивости первоначальной формы трубопровода может быть записано следующим образом:

(11)

где qн - наименьшая критическая нагрузка на трубопровода; Рв - фиксированная паспортная нагрузка, отвечающая условиям эксплуатации бесканальных теплопроводов: Рв 1,6 мн/м.

Для расчёта qн предлагается следующая зависимость:

(12)

где - угол внутреннего трения грунта; гр - его удельный вес, МН/м3; h - глубина заложения трубопровода, м; Dн - его наружный диаметр, м; qm - вес 1 п.м. теплопровода с учётом тепло-гидрозащитной оболочки и транспортируемого теплоносителя, МН/м.

Расчёты по приведённым зависимостям показали, что пластиковые трубы, особенно больших диаметров (600 мм и более), могут быть подвержены потере устойчивости при заложении на глубинах более 10 м в условиях падения внутреннего давления, что имеет место при образовании утечек теплоносителя из трубопровода. Поэтому диагностика мест возникновения течей и эффективная борьба с ними очень важны для обеспечения устойчивой работы бесканальных теплопроводов. Усилению устойчивости способствует упругая пенополиуретановая теплоизоляция в сочетании с полиэтиленовой гидроизоляцией, при этом до 20 % снижаются напряжения в центральных пластиковых трубах с уменьшением степени их овализации при возможной потере устойчивости.

С использованием уравнений равновесия, а также условий совместного деформирования всех слоёв трубопровода получены расчётные зависимости для определения напряжений во всех элементах конструкции и обобщённой критической силы. Расчёты по этим зависимостям показали, что для стального трубопровода самые значительные напряжения возникают в основной трубе, в тепло-гидроизоляционном слое они на 2-4 порядка ниже. В случае использования полипропиленовых труб в качестве основных в теплопроводах напряжения во всех слоях выравниваются по величине, самые значительные из них приходятся на центральную пластиковую трубу и полиэтиленовую гидрозащитную оболочку, меньшее напряжение испытывает теплозащитный пенополиуретановый слой. Но при надлежащем уплотнении грунта вблизи теплопровода (как стального, так и пластикового) продольного изгиба последний не испытывает, хотя у пластиковых труб толщины стенок, в силу их меньшей прочности, должны быть увеличены по сравнению со стальными трубами. Но на пропускной способности пластиковых труб это не отражается, так как у них очень незначительная шероховатость внутренней поверхности, что способствует резкому снижению гидравлических сопротивлений при движении теплоносителя (горячей воды).

Анализ многообразия теплоизоляционных материалов (битумперлита, армопенобетона, пенополиуретана и др.) показывает, что газонаполненные полимеры, прежде всего пенополиуретаны (ППУ), обоснованно выбираются для широкого использования. Об этом свидетельствуют возможные (и достижимые на практике) сроки службы материалов для теплоизоляции трубопроводов: армопенобетон - 15 лет, ППУ - до 30 лет.

Возможность увеличения срока службы теплопроводов с ППУ-изоляцией объясняется высокими технологическими и эксплуатационными свойствами ППУ: температурный диапазон эффективной эксплуатации 150-190 оС, низкая теплопроводность, малое влагопоглощение, высокая стойкость к маслам и другим агрессивным средам, озоностойкость, прочность адгезионного шва на границе ППУ - металлы, возможность нанесения пены литьём или напылением на поверхности любого рельефа.

Тепловые потери при замене армопенобетонной (АПБ) изоляции на ППУ сокращаются на 57-59 %. Затраты на заводское изготовление труб в изоляции ППУ до 1,5 раза ниже, чем при изоляции АПБ. Себестоимость строительно-монтажных работ по укладке 1 м трассы тепловых сетей в ППУ-изоляции для теплопроводов малых диаметров (до 100 мм) на 16-18 % ниже, чем для трубопроводов с АПБ-изоляцией, для теплопроводов больших диаметров себестоимость строительно-монтажных работ не изменяется.

Применение труб в изоляции ППУ, при условии достижения срока службы трубопроводов до 30 лет (вместо 15 лет с использованием АПБ-изоляции), обеспечивает годовой экономический эффект от эксплуатации 1 км теплотрасс от 0,5-1,0 млрд. руб. для трубопроводов диаметрами 50-250 мм и до 1,2-1,6 млрд. руб. - 300-1000 мм. Повышение эффективности использования изоляции ППУ способствует и изоляция всех компонентов теплопроводов: отводов, тройников, неподвижных опор, запорной арматуры и т.п. Надёжность теплопроводов может быть повышена при оснащении встроенной электронной системой контроля состояния изоляции и использования дистанционных методов обнаружения дефектов, например, течей.

В перспективе ППУ-изоляция может быть заменена новым материалом на основе латексов синтетических полимеров - техническим теплоизоляционным материалом (ТТМ), который прочнее ППУ, обладает большей термо- и теплостойкостью, является нетоксичным и при нанесении на поверхности не сопровождается пылеобразованием. Кроме того, ТТМ изготавливается, в отличие от ППУ, из отечественного сырья.

Технико-технологическим и эколого-экономическим основам строительства и эксплуатации бесканальных теплопроводов посвящена пятая глава диссертации.

В реальной практике бесканальные теплопроводы не всегда выдерживают плановый срок их бездефектной эксплуатации, главным образом, из-за корродирующей способности окружающей среды, то есть грунта, в котором размещаются трубопроводы. Повышенная обводнённость грунтов является питательной средой для развития и жизнедеятельности многочисленных микроорганизмов (микробиоты), то есть ещё одной из причин возникновения очагов коррозии теплопроводов. Развитию микробиоты, например, в историческом центре Санкт-Петербурга, способствуют торфяники погребённых болот низинного типа: торфа имеют богатую гетеротрофную микробиоту (бактерии, микромицеты, актиномицеты, микроводоросли). Трудности прокладки трубопроводов в этих условиях усугубляются тем, что торфа и заторфованные грунты сильно контаминированы отходами коммунального водоотведения, являющимися дополнительными источниками питания микробиоты, что ускоряет её рост в 3-4 раза. Этому способствуют и утечки из теплопроводов, повышающие температуру грунтовых вод.

Длительное воздействие торфов на грунты приводит к преобразованию последних с изменением их состава и, что более опасно, к снижению прочностных и фильтрационных свойств грунтов. При этом нередко проходка траншей в таких преобразованных грунтах сопровождается и газовыделениями.

Деятельность микроорганизмов вызывает и снижение плотности грунтов вблизи трасс теплопроводов, что необходимо учитывать при засыпке траншей с уложенными в них трубопроводами, так как снижение степени уплотнения грунта в траншеях способствует понижению как перепада температур, так и величины необходимой критической силы трения между трубопроводом и грунтом. Для расчёта этих параметров как функций силы трения разработаны соответствующие аналитические зависимости, проверенные экспериментально.

Коррозирующая способность среды вблизи теплопроводов проявляется в следующих процессах, имеющих место в стальных трубах: адсорбционное понижение твёрдости (эффект Ребиндера); водородное охрупчивание; коррозионное растворение. Наиболее сильное воздействие оказывает два последних процесса. Изучение механизма этого воздействия позволило наметить пути ослабления или даже предупреждения отрицательного эффекта действия этих процессов: применение плакированных труб и средств работы с ними; подача кислорода в зоны водородного охрупчивания теплопроводов; нанесение газо-термических и термохимических покрытий; борьба с трещинообразованием в стенках труб и т.п.

...