Влияние внешних факторов на долговечность инженерных подземных коммуникаций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние внешних факторов на долговечность инженерных подземных коммуникаций

Губанов Николай Николаевич, ст. преподаватель кафедры сервиса,

Иванов Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры сервиса,

Крымская Елена Яковлевна, аспирант кафедры сервиса,

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», г. Москва

Есипов Владимир Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой строительной механики,

Балаковский институт техники, технологии и управления (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина», г. Балаково

В статье проанализированы состояние подземных коммуникаций и условия их разрушения. Показано, что для принятия правильных и обоснованных решений при проектировании инженерных сетей требуется учитывать особенности грунтов и потоковых структур, используя метод пластики рельефа.

Ключевые слова: грунт, коррозия, пластика рельефа, подземные коммуникации.

External factor influence on underground utility system life time

Gubanov N.N., Ivanov V.A., Krymskaya E.Y., Yesipov V.E.

The article analyzed the state of underground utility system and their destruction conditions. The article shows that in order to take the right and reasonable decisions while utility system designing one should take into account peculiarities of grounds and stream structures using relief plastic effect method.

Key words: ground, corrosion, relief plastic effect, underground utility system.

По предварительным итогам Всероссийской переписи населения 2010 года [1 из 1100 городов 85% (936) составляют города с населением до 100 тысяч жителей, но большая часть всего городского населения России 67% проживает в больших городах с численностью 100 тыс. человек и более.

Количество людей, проживающих в таких городах, по сравнению с 2002 годом увеличилось приблизительно на 2 млн. человек (рисунок 1). Объединение сельских населенных пунктов, включение их в черту городов, а также и их ликвидация в связи с отсутствием жителей привели к сокращению числа сельских населенных пунктов на 2200 по сравнению с предыдущей переписью. С увеличением числа городов, их благоустройством, повышением технического уровня современных промышленных предприятий растет насыщенность городских территорий различными инженерными коммуникациями, в т.ч. подземными, состоящими из трубопроводов, кабельных линий и коллекторов (по общепринятой классификации) [2].

Рисунок 1 - Концентрация жителей в населенных пунктах

В зависимости от технических условий подземные коммуникации закладываются на разную глубину, что в значительной степени определяется геодезическими условиями [3].

Так называемые сети мелкого заложения располагаются в зоне промерзания грунта, а сети глубокого заложения - ниже зоны промерзания почвы (СНиП 2.05.02-85). К сетям мелкого заложения относятся: электрические силовые и слаботочные кабели, телефонные и телеграфные кабели связи, сигнализации, газопроводы, теплосети систем отопления, которые допускают значительное охлаждение, в то время как сети глубокого заложения (водопровод, канализация, водосток) не допускают переохлаждения. Анализ состояния подземных коммуникаций глубокого и неглубокого заложения показывает, что в настоящее время во многих регионах их износ составляет не менее 50%.

Утечки из подземных коммуникаций вызывают техногенное подтопление и вымывание окружающего грунта и, как следствие, ухудшение строительных свойств грунтов (СТО 36554501-008-2007. «Обеспечение сохранности подземных водонесущих коммуникаций при строительстве (реконструкции) подземных и заглубленных объектов») и оказывают негативное воздействие на окружающую среду. В результате, происходят процессы, негативно действующие на основания окружающих зданий и конструкции вновь строящихся зданий [4].

В данной работе указывается, что до недавнего времени вопросам сохранности существующих коммуникаций при строительстве подземных и заглубленных сооружений и зданий уделялось недостаточно внимания.

Для подземных сетей применяются бетонные, железобетонные, асбестоцементные, стальные, керамические и пластиковые трубопроводы. Однако наиболее распространенные из них, металлические (трубы и другие элементы подземных коммуникаций), подвержены действию коррозионных процессов, что требует решения основной технической задачи - защиты металлов от коррозии.

К этой категории следует причислить водоводы, магистральные и промысловые трубопроводы, обсадные колоны скважин газовых и нефтяных месторождений, которые также работают под землей. Кроме того, в последнее время стали получать распространение скважины индивидуального пользования для получения воды, причем их глубина колеблется в пределах 10-150 м, что также требует значительного количества труб, как правило, диаметром около 100 мм. Таким образом, суммарная масса стали, находящаяся в использовании под землёй, составляет более 200 млн. тонн, а поверхность этих стальных конструкций, подвергающихся почвенной коррозии, составляет более чем полтора миллиарда квадратных метров [5. Учитывая достаточно высокую интенсивность коррозионного разрушения, легко представить объем металла, который будет необходимо заменить в относительно короткое время.

Рассматривая процесс коррозионного износа, следует отметить, что грунт и почва собой представляют сложную природную среду, особенности которой определяют протекающие процессы коррозии подземных коммуникаций. Так, в частности, высота подъёма капиллярной влаги, существенно меняющей эксплуатационные условия коммуникаций, зависит от эффективного радиуса пор грунта, а уровень вод грунтовых и пористость грунта определяют локальную влажность, которая влияет на интенсивность коррозии. Под действием сил тяжести по грунту перемещается так называемая гравитационная влага, дополнительно влияющая на режим влажности почвы.

При этом неодинаковые по составу и структуре почвы удерживают влагу по-разному. Таким образом, тяжелые, глинистые почвы влагу удерживают в течение длительного времени и, наоборот, песчаные почвы менее инертны с точки зрения сохранения влажности. С увеличением влажности почвы повышается ее коррозионная активность до критического уровня, а в дальнейшем с увеличением количества влажности - падает. Это связано с уменьшением доступа кислорода, необходимого для катодной реакции. Для каждого типа почвы существует свое значение критической влажности, при которой коррозионные потери достигают максимума: для глинистых почв - 12-25%, для песчаных - 10-20%. Следует отметить, что, помимо относительно равномерной коррозии, подземные металлические конструкции и сооружения также подвергаются питтингу и коррозионному растрескиванию.

Питтинг обычно возникает на нижней части трубопроводов, где существует полный и постоянный контакт с грунтом, коррозионное растрескивание, как правило, обнаруживается в катодно поляризованных трубопроводах прежде всего в местах нарушения защитных покрытий. Подобное часто встречается в местах состыковки трубопроводов или на ремонтных участках.

В городских районах и промышленных зонах от воздействия блуждающих токов, имеющихся вблизи источников возбуждения, для защиты трубопроводов используют так называемый дренаж - соединение самого источника тока, например, рельсов, металлической шиной с их приемником, например, трубопроводом. Когда по техническим или другим условиям дренаж заложить не представляется возможным, в направлении рельса закладывается так называемый анод из относительно дешевого чугуна, который соединяется с анодной областью трубопровода медным проводником. Тогда блуждающий ток вызывает коррозию только этого анода, который при необходимости меняется на новый. Если дополнительного анода недостаточно или необходимо усилить его действие, то в цепь включают активный источник постоянного тока между анодом и трубой, но с противоположной полярностью. Чтобы уменьшить разрушающее действие блуждающих токов в наиболее уязвимых местах стыка трубопровода, могут использоваться также изолирующие прокладки.

Особенно опасными зонами в коррозионном отношении являются зазоры и щели в аппаратуре и трубопроводах, где может происходить накопление рабочего раствора, нарушаться аэрация, что ведет к развитию местной коррозии. Наиболее опасны сварные швы в конструктивных элементах, где из-за неплотного прилегания материала состыкованных элементов деталей друг к другу появляются свободные пространства - зазоры и щели, являющиеся одной из основных причин возникновения так называемой щелевой коррозии. Кроме того, материал сварного шва по химическому составу обычно несколько отличается от материала свариваемых деталей и имеет высокую шероховатость, что также интенсифицирует процесс коррозионного разрушения. В зоне примыкания к сварному шву меняется твердость и прочность металла, что является концентратором напряжений и при деформациях конструкции условием появления усталостных микротрещин.

Основные причины деформаций подземных коммуникаций обусловлены:

- статическим нагружением при работах поблизости;

- строительством нового или реконструкцией существующего объекта или разгрузкой основания (например, в результате извлечения грунта при проходке открытых выработок и котлованов, развития неблагоприятных инженерно-геологических процессов);

- ухудшением гидрологических условий (уменьшение воды, наводнения);

- внешним изменением статических условий нагружения основания коммуникаций в прокладке траншей, рытье котлованов, проходке микротоннелей, тоннелей и т.д.;

- случайными технологическими воздействиями (вибродинамические нагрузки, перебор или извлечение грунта при проходке выработок и т.д.) при ведении землеустроительных работ;

- устройством всех видов свай, фундаментов глубокого заложения, ограждающих конструкций котлованов, специальных работ (замораживание, инъекции и т.д.).

По характеру разрушений подземных коммуникаций химическая коррозия разделяется на общий и локальный виды. При этом она может протекать как компонентно или структурно-избирательно, а локальная коррозия носит межкристаллитный или язвенный характер (например, ванадиевая коррозия).

Концентрирование застойных зон жидкости в трубопроводах и аппаратах значительно увеличивает вероятность возникновения коррозии из-за образования неравномерной аэрации, чему способствует формирование выделений и отложение различных осадков в зонах застоя.

Превентивными мерами такого явления может быть рациональное конструирование трубопровода, когда устранена возможность локального скапливания влаги и коррозионных продуктов, дополнительно рассмотрена возможность удаления жидкости.

Еще одна разновидность коррозии, водородная, может сопутствовать многим технологическим процессам в рабочих средах, содержащих водород, протекающим при температурах свыше 200°С и давлениях не менее 300 Мпа [6]. Существуют два вида разрушения металла: водородная коррозия и водородная хрупкость, которые часто действуют одновременно, дополняя друг друга и усиливая суммарный отрицательный эффект. Если в зоне воздействия присутствует аммиак, то может происходить азотирование металла. При контакте металла с азотно-водородной смесью при высоких температурах и давлениях молекулярный водород на поверхности металла диссоциирует, и образовавшийся при этом атомарный водород диффундирует в решетку металла, растворяясь в ней. При уменьшении температуры водород внутри решетки металла переходит в газ, создавая высокие внутренние напряжения, что приводит к необратимой хрупкости. Водородная коррозия протекает, при химическом взаимодействии водорода с карбидной составляющей стали и вызывает:

- обезуглероживание стали, проникновением внутрь сплава водорода;

- внутреннее растрескивания по границам зерен.

Обезуглероживание стали обусловлено восстановительной реакцией цементита (Fe3S) и водорода:

Fe3C + 2H2 = CH4 + 3Fe

и, как следствие, образованием твердо хрупкого раствора водорода в железе. Растрескивание происходит в результате создания внутреннего давления в связи с образованием в порах металла газа CH4. Как показывают экспериментальные данные [6], появление признаков водородной коррозии завершает инкубационные период, который в зависимости от условий может длиться до 1000 час. Как известно, водородная коррозия изменяет механические свойства - повышает хрупкость высокоуглеродистой стали, а для низкоуглеродистых мягких сталей вызывает ее расслоение, «пузырение» [7].

При температурах выше 300°C, которая мало характерна для коммунальных сетей, на поверхности металла параллельно с реакцией обезуглероживания происходит процесс хемосорбции водорода и его распад на атомы. Диаметр атома водорода 0,1 нм и, с большой подвижностью он проникает в металл, образует раствор твердый в железе. Часть атомов водорода вступают в реакцию со свободными атомами углерода:

C + 4H = CH4,

образуя метамн (лат. Methanum) - простейший углерод бесцветный газ без запаха. Эта реакция, в отличие от реакции обезуглероживания, протекает внутри металла, что вызывает высокое внутреннее давление, которое проявляется на поверхности в виде вздутия и трещин.

При температурах 300-600°С и больших давлениях водорода протекает почти полное разложение наиболее твердой структурной составляющей стали - цементита, который в большой степени определяет твердость и прочность стали.

Скорость коррозии водородной в большой степени зависит от глубины обезуглероживания стали и определяется давлением водорода, температурой и т.д. В то же время комплекс технологических методов снижения наводороживания поверхностных слоев деталей и включающее термическое старение и поверхностное пластическое деформирование в металлоплакирующей среде лазерное легирование поверхностных слоев с нанесением защитных покрытий и формирование покрытий импульсным лазерным осаждением на ОАО «Вяземский машиностроительный завод», МУП «Мытищинская теплосеть», сервисном центре ООО «Берингов пролив» и предприятиях бытового обслуживания позволил увеличить срок службы деталей в 1,9-2,2 раза [6].

Конструкционными материалами, используемыми в восстановительных средах, являются низко- и среднеуглеродистые стали типа 12, 20, 30. Они эффективно используются до температуры 300°С, т.е. практически в любом температурном диапазоне, характерном для подземных коммуникаций. Для материалов, работающих при высоких температурах, используют легированные стали (30ХМА). В качестве легирующих используют элементы, повышающие стойкость стали при обезуглероживании: молибден, ванадий, хром (последний препятствует проникновению в металл водорода).

Следует отметить, что даже более дорогие и химически стойкие сплавы, иногда используемые для трубопроводов или электрических сетей (медь, сплавы меди), также подвергаются водородной коррозии. Происходит восстановление закиси меди СU₂О, которая входит в состав медных сплавов в виде включений:

Cu₂О + Н₂ = Н₂О + 2Cu.

Образующиеся при этом пары воды создают высокое давление внутри металла, что приводит к растрескиванию и потере пластичности, тем не менее снижение концентрации Cu2O до 0,01% водородной коррозии не наблюдается. При синтезе аммиака азото-водородо-аммиачная смесь более опасна для стали, чем чистый водород, так как в данном случае, может происходить азотирование стали. Атомарный азот реагирует с легирующими элементами или с атомами железа, образуя нитриды, вследствие чего поверхностные слои стали насыщаются азотом и охрупчиваются.

При увеличении содержания хрома в сталях воздействие водорода и аммиака уменьшается, и при достижении хрома 11% на поверхностях стали образуется плотный и твердый слой, который препятствует диффузии азота вглубь металлов. Так, глубина нитридного слоя легированной теплоустойчивой стали 18X3MB (3%Cr) перлитного класса составляет 3-4 мм, и его плотность в 2 раза больше, чем основного металла. При более высоком содержании хрома (X18Н10Т - 18%Cr) глубина нитридного слоя 0,3 мм, при этом его плотность уже в 10 раз выше, чем у основного слоя металла.

Одна из постоянных вредных примесей стали - сера, и соединения серы - сернистый ангидрид (SO₂), сероводород (H₂S), тиоспирты или меркаптаны и т.д. являются коррозионноактивными, агрессивными веществами. Пределы содержания серы в стали как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Поэтому для сталей обыкновенного качества (Ст.3-Ст.5) наиболее активным компонентом при высокотемпературной газовой коррозии является сероводород, который более опасен, чем диоксид серы.

Сухой сероводород при комнатной температуре не представляет опасности для углеродистых сталей обыкновенного качества и тем более качественных сталей (строительных и машиностроительных). С увеличением температур опасность сероводородной коррозии углеродистых сталей значительно возрастает. При температуре свыше 300°С железо подвергается сильной коррозии в серосодержащих газовых средах. Обычно подземные коммуникации работают в грунте при значительно более низких температурах, поэтому целесообразно рассматривать воздействие грунта на элементы трубопроводов.

В последнее время развитие механики грунтов имеет особое значение для оценки экологической безопасности деятельности человека и для прогнозирования возможных экологических последствий трансформации геологической среды при реализации того или иного проекта. Практические рекомендации и выводы для проектирования делаются на основе технической и геологической информации. В этом случае обязательно проводится анализ возможной активизации опасных геологических процессов, прежде всего подтопления грунтовыми водами, которые могут стать причиной нарушения стабильности проектируемого сооружения или здания. Основная задача прогнозов в том, чтобы оценить потенциальные экологические последствия преобразования геологической среды при реализации проектов на основе технической и геологической информации. В этом случае проводится анализ возможной активизации геологических процессов, таких как подтопления подземными водами, что может привести к нарушению устойчивости проектируемого здания или сооружения.

Изложенное представляет собой анализ известных положений применительно к проблеме сохранения подземных коммуникаций, но требуется расширить диапазон проблем, которые возникают в процессе эксплуатации инженерных сетей. Все проекты исходят из того, что грунт представляет собой достаточно однородную среду, находящуюся в статическом состоянии. Кроме отдельных районов, где возможна эрозия почвы, сейсмические проявления или обвалы, вопрос ставится именно таким образом, предполагая, что никаких динамических процессов в грунте не происходит. Однако практика показывает, что помимо перечисленных факторов, существуют и другие процессы разрушения подземных коммуникаций [8].

Дело в том, что почва - это сложная неоднородная структура, которая существует во времени, трансформируясь по определенным законам динамики. Отдельные из потоковых структур земной поверхности играют ведущую роль в формировании местного ландшафта. И поэтому их эксплуатация должна носить важный характер с соблюдением мер безопасности самой природы. Такие ключевые точки, выделенные на карте (место аккумуляции твердых и жидких веществ), определяют начало движения веществ и раздвоения, ветвления потоков (рисунок 2).

Рисунок 2 - Карта Каширского административного района Московской области, составленная картографической группой Пущинского ИБП РАН

Использованный здесь метод пластики рельефа отображает динамические формы рельефа земной поверхности, геологические горизонты, дно морских бассейнов и речной сети суши. Формирование его происходит под действием поля гравитации Земли и ее движущей силы - горных пород, воды. Изучение этих пространств происходит как в плане, так и в профиле. Создание подобных карт позволяет решать задачи экологии, почвоведения, ландшафтоведения, инженерной геологии, геологии, горного дела, архитектуры и строительства.

С помощью представленной карты (рисунок 2) проведена оценка экологической ситуации территории, и через призму потоковых структур выявлена древняя дельта реки Оки. Элементы ее контролируют экологическую ситуацию, потоки миграции и места аккумуляции загрязняющих веществ от местных предприятий. На основе этой карты проводятся исследования термодинамических процессов самих реальных потоков по разности в биогеохимическом составе почв, пород и вод между начальными и замыкающими створами.

С точки зрения проектирования подземных сетей потоковые структуры существенным образом меняют условия их положения. Так, в случае пересечения потоками коммуникации подвергаются значительным дополнительным нагрузкам. подземная коммуникация рельеф потоковый

Во-первых, это чисто механические воздействия, которые создают дополнительные динамические напряжения в трубопроводах или других видах подземных коммуникаций.

Во-вторых, потоковые структуры определяют пути движения загрязняющих веществ в твёрдом, жидком и газообразном видах по земной поверхности и подповерхностных уровнях. Это предопределяет условия формирования флуктуаций агрессивных сред, что обусловливает активизацию коррозионных процессов в подземных коммуникациях [9].

В третьих, наличие подобной информации позволяет определить зоны, наиболее подверженные просадкам, оползням, эрозии, снежным лавинам и, наоборот, наиболее устойчивые к этим процессам, которые могут эффективно использоваться длительный период [10].

Таким образом, помимо классических методов определения условий прокладки подземных коммуникаций не меньший вклад в условия нагружения подземных инженерных сетей вносят литографические потоковые структуры.

Литература

1. Предварительные итоги Всероссийской переписи населения 2010 года. Федеральная служба государственной статистики. М., 2011.

2. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов. М.: Ассоциация строительных вузов. 2005. ISBN 5-93093-376-6.

3. Инженерная геодезия / Е.Б. Клюшин, Д.Ш. Михелев, М.И. Киселёв, В.Д. Фельдман. М.: Высш. шк., 2000.

4. Анидалов А.Ю., Есипов В.Е. Расчет фундаментных балок на деформируемых основаниях с учетом фактора структурной прочности грунта. Проблемы прочности и надежности строительных и машиностроительных конструкций: межвузовский сборник научных трудов. Саратов, 2005.

5. Коррозия металлов в природных и технологических средах. [Электронный ресурс] http://protectcor.narod.ru/index0715.htm. (Дата обращения: 15.09.12).

6. Пашковский И.Э. Теоретические и прикладные основы технологического обеспечения защиты от наводороживания поверхностных слоев деталей бытовых машин: дис. … д-ра техн. наук. М., 2004.

7. http://andreevin.narod.ru/st-elchem/corrosion/03.htm. (Дата обращения: 18.09).

8. Есипов В.Е. Инновационные методы определения экологической безопасности объектов энергетики // Инновационная экономика: информация, аналитика, прогнозы. 2010. №1(2). С.11-14.

9. Есипов В.Е. Этнологическая экспертиза для промышленных объектов на базе инновационных технологий // Инновационная экономика: информация, аналитика, прогнозы. 2010. №1(2). С.38-39.

10. Тимошенко М.В., Есипов В.Е. Природные ресурсы при оценке объектов энергетики // Интеграл. 2010. №1. С. 34.

Размещено на Allbest.ru