авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Повышение производительности комплекса агрегатов для бестраншейного ремонта трубопроводов способом комбинированного торообразного рукава

На правах рукописи

Азеев Александр Александрович ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЛЕКСА АГРЕГАТОВ ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОГО РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ СПОСОБОМ КОМБИНИРОВАННОГО ТОРООБРАЗНОГО РУКАВА Специальность: 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Братск – 2011 2

Работа выполнена на кафедре «Транспортные и технологические машины» Политехнического института Сибирского федерального университета

Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Емелин Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зедгенизов Виктор Георгиевич доктор технических наук, профессор Орлов Владимир Александрович

Ведущая организация: Сибирский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации (СибНИИГиМ), г. Красноярск

Защита состоится 28 июня 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертаци онного совета Д 212.018.02. при ГОУ ВПО «Братский государственный универ ситет» в ауд. 128а, корп. 2, по адресу: 665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Братский государственный университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печа тью, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. Для связи с секретарем могут быть использованы:

факс (8-3953) 33-20-08, тел. (8-3953) 325363, e-mail: efremov@mail.ru

Автореферат разослан 24 мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент И. М. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования обусловлена значительным износом тру бопроводов России, протяженность которых составляет более 2 млн км. Отдельно му исследованию подлежат трубопроводы холодного водоснабжения и водоотве дения, так как их ремонт осложнен следующими факторами: большим количеством отводов, сужений, смотровых колодцев, повышенной коррозионной агрессивно стью среды и высокими санитарно-гигиеническими требованиями.

В настоящее время в России применяются преимущественно траншейные способы ремонта, недостатками которых являются большие сроки, стоимость и объемы работ по устройству траншей, удалению и восстановлению асфальтовых покрытий. Эти недостатки могут быть устранены использованием способов бес траншейного ремонта трубопроводов. Из них наиболее адаптированным для рос сийских условий является технология пневмовыворота комбинированного торооб разного рукава. Эта рукавная технология, в отличие от других, позволяет использо вать остаточный ресурс изношенной сети, либо создавать независимую композици онную трубу при нанесении внутритрубных многослойных покрытий. Она имеет значительные резервы повышения эффективности за счет оптимизации параметров, применения новых схем, агрегатов и более дешевых материалов российского про изводства. Вместе с тем существует необходимость в дополнительных исследова ниях тяговых свойств рукава, конструкции агрегатов, технологических схем нане сения многослойных покрытий и методики их проектирования. Выше сказанное определило цель, объект, предмет и задачи исследования.

Цель исследования – повышение производительности комплексов агрегатов для бестраншейного ремонта трубопроводов холодного водоснабжения и водоот ведения при условии обеспечения необходимых показателей его качества.

Объект исследования – комплекс агрегатов и процесс бестраншейного ре монта трубопроводов холодного водоснабжения и водоотведения.

Предмет исследования – закономерности процесса, параметры технологии и оборудования для бестраншейного ремонта трубопроводов способом комбиниро ванного торообразного рукава (ниже эти прилагательные могут быть опущены).

Задачи исследования. 1. Разработать математические модели прочности то рообразного рукава и процесса бестраншейного ремонта трубопроводов рукавным способом, алгоритм и программное обеспечение для оптимизации параметров тех нологии и агрегатов.

2. Установить зависимости производительности комплекса агрегатов и проч ности рукава от основных факторов системы «трубопровод – технология – обору дование» с учетом требований к качеству ремонта трубопроводов.

3. Разработать технические решения ремонтных агрегатов и усовершенство вать технологию нанесения внутритрубных многослойных покрытий.

4. Экспериментальным путем установить зависимости тяговых свойств и проходимости торообразного рукава, прочности его элементов и скорости пропит ки полимерным составом, а также адгезии и прочности покрытия от основных фак торов рассматриваемой системы.

5. Разработать, изготовить и применить комплект стендов для решения 4-й задачи.

6. Разработать методику проектирования комплексов оборудования и произ водства работ для бестраншейного ремонта трубопроводов холодного водоснабже ния и водоотведения способом пневмовыворота комбинированного рукава.

Методы исследования. Методическую основу исследования составляют теоретические и экспериментальные методы: сравнительный анализ, системный подход, математическое моделирование и теория планирования эксперимента.

Научная новизна исследования. 1. Разработаны математические модели прочности торообразного рукава и процесса бестраншейного ремонта трубопрово дов рукавным способом, алгоритм оптимизации параметров технологии и агрега тов, позволяющие, в отличие от существующих, учитывать влияние основных фак торов системы «трубопровод – технология – оборудование» и требований к качест ву ремонта на целевые функции процесса, рукава и комплекса агрегатов.



2. Получены зависимости производительности комплекса агрегатов, прочно сти элементов рукава, скорости пропитки его тканевой оболочки полимерным со ставом, адгезии и прочности покрытия от основных факторов рассматриваемой си стемы. На основе этих зависимостей определены оптимальные значения основных параметров процесса и оборудования.

3. Впервые установлены закономерности изменения тяговых свойств и про ходимости торообразного рукава, на основании которых возможно его применение в оптимальных режимах, как при нанесении покрытий, так и при выполнении дру гих операций по ремонту трубопроводов (удаление воды из трубопровода, протяж ка фала и т. п.).

Практически значимые результаты исследования. 1. Методика проекти рования агрегатов и процесса бестраншейного ремонта трубопроводов способом пневмовыворота комбинированного рукава.

2. Предложенные технические решения агрегатов комплекса оборудования, защищенные четырьмя патентами на изобретения, и усовершенствованная техно логия нанесения внутритрубных многослойных покрытий.

3. Комплект стендов для исследования тяговых свойств торообразного рука ва, прочности его элементов, времени пропитки тканевой оболочки рукава поли мерным составом, адгезии и прочности покрытия.

Достоверность полученных результатов обеспечена: проверкой получен ных экспериментальных данных методами математической статистики с использо ванием пакета программ Microsoft Office-2007;

адекватностью результатов теорети ческого и экспериментального исследований.

На защиту выносятся:

математические модели прочности торообразного рукава и процесса бес траншейного ремонта трубопроводов рукавным способом, алгоритм оптимизации параметров технологии и агрегатов;

зависимости производительности комплекса агрегатов и прочности рукава от основных факторов системы «трубопровод – технология – оборудование»;

закономерности изменения тяговых свойств и проходимости торообразного рукава, прочности его элементов и скорости пропитки полимерным составом, а также адгезии и прочности покрытия;

технические решения агрегатов, усовершенствованная технология ремонта трубопроводов способом комбинированного торообразного рукава, конструкции стендов для их исследования, методика проектирования агрегатов и процесса.

Апробация работы. Результаты исследования рассмотрены в докладах на всероссийских и международных конференциях: III, V, VI Всероссийские научно технические конференции студентов, аспирантов и учёных «Молодёжь и наука: на чало XXI века» (г. Красноярск, 2007, 2009, 2010);

V Всероссийская научно техническая конференция «Политранспортные системы» (г. Красноярск, 2007);

Международная научно-техническая конференция «Проблемы эксплуатации и об служивания транспортно-технологических машин» (г. Тюмень, 2008);

VI Всерос сийская научно-практическая конференция с международным участием «Иннова ционные технологии и экономика в машиностроении» (г. Томск, 2008).

Основные результаты работы также прошли апробацию, будучи представ ленными в открытом конкурсе на соискание премии ГУП «МосводоканалНИИпро ект» (г. Москва, 2008, благодарственное письмо), на Сибирском промышленном форуме (г. Красноярск, 2010, диплом) и в двух конкурсных инновационных проек тах (г. Красноярск, СФУ, 2008, получены гранты).

Результаты исследования опубликованы в 7 научных статьях, 6 материа лах докладов на конференциях, описаниях 4 изобретений и одной программы для ЭВМ. При этом 5 статей опубликованы в четырех журналах, рекомендуемых ВАК.

Практическое использование результатов диссертации:

1. Методика проектирования комплексов оборудования и производства работ для ремонта трубопроводов способом комбинированного рукава передана ФГУП «СибНИИГиМ» (г. Красноярск), где использована при разработке и создании опыт ных образцов ремонтного оборудования (имеется акт внедрения).

2. Результаты исследования применяются в учебном процессе кафедры «Транспортные и технологические машины» Политехнического института СФУ при обучении студентов по направлению подготовки «Наземные транспортные сис темы» (переданы кафедре стенды, методика проектирования агрегатов, программ ное обеспечение расчета их параметров и технологии ремонта трубопроводов, что подтверждено актом использования).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Объем рабо ты 234 страницы, в том числе: 147 страниц основного текста;

63 рисунка;

18 таблиц;

251 наименование библиографических источников;

71 страница приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сфор мулированы ее цель, задачи, научная новизна и практическая значимость, перечис лены основные полученные результаты.

В первой главе дан анализ состояния решения проблемы бестраншейно го ремонта трубопроводов. При этом рассмотрена статистическая характери стика протяженности российских коммунальных трубопроводов в зависимости от их назначения, материала, диаметра и потребности в ремонтах. Путем до полнения известных классификаций Р. М. Авдеева, В. И. Емелина, О. А. Про доуса и А. А. Шайхадинова на основе изучения последних достижений науки предложена более полная классификация способов бестраншейного ремонта трубопроводов. Обоснован выбор технологии их ремонта способом рукава в качестве наиболее перспективной и базовой для разработки оборудования.

Кроме того, на основании анализа патентной и технической литературы состав лена классификация схем реализации ремонта трубопроводов рукавным спосо бом, с учетом которой обоснован выбор схемы пневмовыворота рукава, обес печивающей более высокое качество их ремонта.

Сущность рассматриваемого способа ремонта трубопроводов заключается в формировании на их внутренней поверхности композиционного покрытия с арми рованной техническими тканями полимерной матрицей на основе полиэфирных или эпоксидных смол. Для этого в трубопровод на длину захватки под давлением воздуха с выворотом вводится рукав, тканевая оболочка которого пропитана поли мерным составом. При её прижатии к стенкам трубопровода и выдержке во време ни образуется прочное износостойкое покрытие, рассчитанное на работу при тем пературе от минус 40 до 60С в течение 50 лет.

Зарубежные фирмы изготавливают рукав из тканых и нетканых материалов с плакированием его наружного слоя полиэтиленом или другим покрытием. В Рос сии СибНИИГиМ (г. Красноярск) разработал и успешно апробировал в производ ственных условиях более технологичную и дешевую конструкцию рукава, вклю чающую внутреннюю тканевую оболочку (сшитую или спирально сложенную в поперечном направлении) и наружный полиэтиленовый рукав для обеспечения воздухонепроницаемости. После отверждения покрытия этот рукав удаляется. Дос тоинствами зарубежной и отечественной (СибНИИГиМ) технологии ремонта тру бопроводов с использованием рукава являются: возможность восстановления сетей с сужениями и изгибами, применение материалов отечественного производства;

простота используемого оборудования, исключение шума, динамических нагрузок на трубопровод и загрязнений окружающей среды. Экспериментально установлено, что комплексы агрегатов необходимо разрабатывать с их ориентацией на использо вание в качестве технологических материалов эпоксидной смолы ЭД-20, её отвер дителя ЭТАЛ-45 М, полиамидной фильтровальной иглопробивной ткани и поли этиленовой плёнки. Безопасность использования этих материалов в системах пить евого водоснабжения подтверждена гигиеническими сертификатами.

Анализ результатов отечественных и зарубежных исследований показал, что в области бестраншейного ремонта трубопроводов к ведущим научно производственным организациям относятся Insituform (Великобритания), Per Aarsleff (Дания), Preussag Rohrsanierung, Epros, Brawoliner, (Германия), Easy-liner (США), Sekisui (Япония), Балтпроект, Водоканалстрой (г. Санкт Петербург), ВНИ ИСТ (г. Москва), «Комбест» (г. Новосибирск), СибНИИГиМ (г. Красноярск) и др.

В этой области известны работы Р. М. Авдеева, В. Н. Белобородова, В. А. Григоращенко, В. И. Дрейцера, В. И. Емелина, Г. Кюна, А. Н. Ли, В. В. Ново селова, В. А. Орлова, О. Г. Примина, О. А. Продоуса, В. С. Ромейко, С. В. Соколо ва, В. А. Харькина, С. В. Храменкова, А. А. Шайхадинова, В. Н. Шихирина, С. В.

Шустова, F. T. Driver, I. D. Moore, M. Najafi, S. T. Waring и др. Также известны из ложенные в стандарте США ASTM F1216–09 и работах В. А. Орлова методики расчёта толщины покрытий, нанесенных рукавным способом. Результаты исследо ваний, выполненных упомянутыми фирмами и авторами, позволили выявить пер спективные технические решения, использованные в диссертационной работе как аналоги либо как базовые для дальнейшего совершенствования оборудования: это разработки по агрегатам и технологии, исследовательским стендам, комбинирован ным рукавам, композиционным и полимерным материалам, методам проектирова ния различного промышленного оборудования. Диссертантом был также изучен опыт применения и конструирования ремонтного оборудования и выявлены основ ные подлежащие оптимизации параметры процесса ремонта трубопроводов: произ водительность компрессора при нормальных и рабочих условиях, длина захватки, скорость ввода рукава, давление воздуха, – определяющие бльшую часть характе ристик оборудования (толщину стенок и объем барокамеры;

емкость барабана для рукава;

гидростатическое давление полимерного состава в пропиточной ванне и её габариты и др.).

В результате выполненного анализа состояния решения проблемы бестран шейного ремонта трубопроводов установлено, что в настоящее время остаются не исследованными или недостаточно изученными следующие практически важные вопросы:

не разработаны математические модели оценки прочности торообразного рукава и работы системы «трубопровод – технология – оборудование»;

применяемые зарубежные ремонтные агрегаты имеют достаточно сложную конструкцию и высокую стоимость, не предназначены для изготовления комбини рованных рукавов в условиях строительной площадки;

не установлены закономерности изменения тяговых свойств комбиниро ванного рукава и производительности комплекса агрегатов в зависимости от основ ных факторов системы «трубопровод – технология – оборудование», а также зави симости прочности рукава и получаемого с его помощью композиционного покры тия от диаметра трубопровода, размеров его сквозных дефектов, величины давле ния технологической и эксплуатационной сред;





отсутствуют технические решения стендов для экспериментального иссле дования процессов ремонта трубопроводов рассматриваемым способом;

не разработаны алгоритмы, программное обеспечение и методики опти мального проектирования агрегатов и процесса с учетом основных факторов сис темы «трубопровод – технология – оборудование».

На основании анализа состояния вопроса в диссертации обоснованы и сфор мулированы указанные выше задачи исследования.

Вторая глава содержит: постановку и формализацию общей задачи работы;

разработанные математические модели оценки прочности рукава и процесса ре монта;

составленные алгоритм и программное обеспечение;

результаты исследова ния математических моделей с получением необходимых зависимостей;

разрабо танные новые технические решения на технологию и конструкции агрегатов.

Основой для математической модели прочности рукава послужили результа ты исследований твёрдых оболочек (Лаплас) и эластичных торообразных приводов (В. И. Емелин, Р. М. Авдеев), а также расчётные схемы рукава (рис. 1). При разра ботке этой модели были учтены следующие его особенности, имеющего форму по лутора: гибкость;

протяжённость;

возможность перемещения как внутри, так и вне трубопровода;

отсутствие трения скольжения при перемещении рукава способом выворота внутри трубопровода;

универсальность применения;

высокая проходи мость внутри трубопроводов с переходами и отводами. В качестве целевой функ ции выбраны напряжения в материале рукава, а в качестве основных факторов влияния – его диаметр, давление воздуха в нем и толщина тканевой оболочки. Для разработки математической модели прочности торообразного рукава предвари тельно были составлены дифференциальные уравнения равновесия его элементар ных частей при воздействии на них внешних и внутренних сил. После преобразо вания этих выражений получена математическая модель его прочности рD р рD р 2 n[ р ] т.о н р [ см ], экв поп [ р ], р [ р ], пр, 2 n т.о 8n т.о Dр (1), D 0,, 0 00 при т.о D р ;

н 0;

D р D где н – нормальные напряжения в оболочке рукава, кПа;

р – движущее рукав давление воздуха, кПа;

[р], [см] – допускаемые напряжения на разрыв и смятие материала оболочки, кПа;

пр, поп – продольные и поперечные растягивающие напряжения в оболочке, кПа;

экв – эквивалентные на пряжения, являющиеся обобщением двухосных напряжений пр и поп, кПа;

Dр – наружный диа метр рукава после выворота, м;

n – число слоев ткани в оболочке рукава;

т.о – толщина тканевой основы (без учёта ворса), м;

D – внутренний диаметр трубопровода, м.

1 1 2 2 3 3 - 2 а б в Рисунок 1 – Основные расчётные схемы торообразного рукава, расположенного вне (а) и внутри (б, в) трубопровода, предназначенные: а – для ввода рукава в трубопровод;

б, в – нанесения 1 и 2-слойного покрытия или удаления воды;

1 – плёночный рукав;

2 – тканевая обо лочка;

3 – трубопровод Напряжение, МПа Напряжение, МПа Напряжение, МПа 3 8 2, 2, 2 6 2 1, 1, 1 0, 0 0, 0 20 40 60 80 0 0,1 0,2 0,3 0,4 2 5 8 11 14 17 Диаметр рукава Dp, м Давление в рукаве р, кПа Толщина оболочки т.о, мм а б в Рисунок 2 – Влияние диаметра торообразного рукава (а), давления воздуха в нём (б) и толщины его тканевой оболочки (в) при нагружении по схеме рис. 1, а на напряжения в этой оболочке при т.о = 0,001 м;

р = 30 кПа;

Dр = 0,3 м: 1 – растягивающие продольные напряжения в периферийной и срединной частях оболочки;

2 – растягивающие поперечные напряжения в пери ферийной части оболочки Часть результатов исследования модели (1) приведена на рисунке 2. При этом установлено: 1) при нахождении рукава под давлением воздуха вне трубопровода наибольшие поперечные напряжения возникают в периферийной части рукава, ко торые в 4 раза больше продольных в этой и срединной его частях;

2) при нахожде нии рукава внутри трубопровода меньшего диаметра напряжения в периферийной части равны нулю, а наибольшие напряжения возникают в точках его торцевой час ти, максимально приближенных к трубопроводу, но его не касающихся;

3) напря жения во всех неприжатых к трубе точках тканевой оболочки рукава пропорцио нальны давлению воздуха, диаметру трубопровода и обратно пропорциональны толщине ее стенки;

4) напряжения в плёночном рукаве отсутствуют, так как он раз гружен оболочкой (его диаметр должен быть больше диаметра оболочки).

Математическая модель процесса бестраншейного ремонта трубопроводов рукавным способом разработана с учетом расчётной схемы нагружения торообраз ного рукава (рис. 3). Техническую производительность комплекса агрегатов (без учета операций подготовительного и заключительного этапов) П, м/ч, предлагается определять по известной формуле kи L, (2) П Tпод Tосн Tзакл где kи – коэффициент использования оборудования по времени в течение смены;

L – длина захват ки, м;

Тпод, Тосн, Тзакл – время выполнения подготовительных (очистка трубопровода и его прогрев), основных (ввод рукава в трубопровод на длину захватки) и заключительных (выдержка покрытия под избыточным давлением воздуха с целью полимеризации клея;

удаление плёночного рукава;

контроль качества) частных процессов ремонта трубопроводов, ч.

Рукав Трубопровод р р Подача р воздуха и F и.б F воз Fо Fв Fд рукава D Fу.к Fт.п-п F пз р G L L L Рисунок 3 – Расчётная схема нагружения и перемещения торообразного рукава в тру бопроводе на длину захватки: р – скорость движения рукава, м/ч;

Fи.б, Fпз, Fвоз, Fу.к, Fо, Fт.п-п, Fв – сопротивления движению рукава, обусловленные: инерцией барабана с намотанной тканевой обо лочкой;

прохождением рукава через пневмозатвор;

выталкиванием из трубопровода воздуха;

про хождением через установки (агрегаты) комплекса (барабан, ванна);

отводами и сужениями трубо провода;

трением пленки по пленке (в срединной части рукава);

выворотом рукава, кН;

Fд – дви жущая сила рукава, кН;

G– вес находящейся в трубопроводе срединной части рукава, кН;

l – длина введенной части рукава, м;

l – приращение длины введенной части рукава, м В случае поточной организации работ формула (2) записывается в виде kи L, (3) П max[(m1 m 2 ) L / о Tвсп.о ;

L/ р Tвсп.р ;

Tзакл ] где Твсп.о, Твсп.р – время вспомогательных операций, связанных с очисткой трубопровода и вводом рукава, ч;

m1, m2 – число проходов очистных снарядов 1 и 2;

о, р – скорости движения очистного снаряда и рукава в трубопроводе, м/ч.

Так как производительность с учетом времени только основных операций служит критерием эффективности используемого специального оборудования, то в этом случае выражение (3) можно представить в виде kи L р. (4) П L рTвсп.р С учетом термодинамических законов идеального газа ниже дан вывод урав нения для определения скорости рукава:

р атм Qн p атм Vн Q V V Q 4Qн,,, Qн k п.п.к, k п.п.к, (5) Qн Q Q р S т D T T Qн Vн р р атм p p атм где Q, Qн – производительность компрессора при рабочих и нормальных (t = 20 C, р = ратм 100 кПа) условиях, м3/ч;

V, Vн – объем сжимаемого компрессором воздуха при рабочих и нормальных условиях в течение времени Т, м3;

Т– время движения рукава, ч;

ратм – атмосферное давление воздуха, кПа;

kп.п.к = ратм/(р+ратм) – коэффициент перевода производительности компрес сора от нормальных условий к рабочим;

Sт – площадь поперечного сечения трубы, м2.

С учетом всех сил, действующих на рукав (рис. 3), получено уравнение рав новесия (6) Fд Fв Fт.п-п Fо Fу.к Fвоз Fи.б Fпз m p a 0, где mр – масса рукава, кг;

а – ускорение рукава, м/с.

Допуская, что а = 0, а также определяя из экспериментов коэффициенты по лученных теоретически уравнений для Fв и Fо, пренебрегая, ввиду малости, Fвоз, Fу.к, Fп.з, Fи.б, после преобразований получаем 2 Fт k o 2 Fт (0,92/D 4,7)n т 1,4 f п п nDL р, p D ( D / 4 n т ), (7) Fт [0,5 (0,92/D 4,7)n т 0,7 f пп nDL р ]/k o, где ko – коэффициент, учитывающий влияние отводов и сужений трубы;

Fт – тяговое усилие на хвостовой части рукава или полезная нагрузка, кН;

т – толщина ткани (при наличии ворса – вместе с ворсом) в составе рукава, м;

р – поверхностная плотность пропитанного клеем рукава, кН/м2;

fп-п, – коэффициент трения скольжения полиэтилена по полиэтилену.

С учётом выражений (2)–(7), а также обоснованных автором допущений, ус ловий и ограничений, обеспечивающих требуемое качество ремонта, были получе ны выражения математической модели процесса однопроходного ввода много слойного рукава в трубопровод:

У р а в не ни я Ог раничени я L minLo ;

Lб ;

pTж, k и L р П, L рTвсп.р 3600kп hг с, р 2 Fт (k o 1) сn т 1,4f п п nDL р 2n т т уsin в p, D ( D / 4 n т ) 2n[ p ] т.о p min pпр ;

, 0,5 сn т 0,7 f п п nDL р (8), Fт, Dр ko 2 Qтреб Aс Aп L 4Qн pатм.

p [pж ];

р ;

ж ( A3 A3 2 A2 A2 ) D p pатм. с п сп Д оп ущени я У с лови я п 0;

W 0;

t const (на длине L);

( p ;

p;

Q) const на длине L;

0, Dр D0, 015 D;

D const (на длине L), D 8n т ;

t 7 C ( при ЭТАЛ 45 - М) где Lб – длина тканевой оболочки или рукава, намотанных на барабан или вал барокамеры, м;

Lо – расстояние от начала захватки до ближайшего отвода, перехода или изгиба трубопровода, м;

Тж – жизнеспособность полимерного состава, ч;

р, рпр – движущее рукав и предельное давления возду ха, развиваемые компрессором, кПа;

c – коэффициент жёсткости ткани;

у – условная вязкость по лимерного состава при конкретной температуре, с;

в – угол между боковой стенкой ванны и го ризонталью, град;

hг-с – гидростатическое давление полимерного состава в пропиточной ванне, м;

kп – коэффициент пропорциональности процесса пропитки;

t – температура в трубопроводе, град;

W – тепловыделения при твердении полимерного состава, кал;

Qтреб – требуемая пропускная спо собность трубопровода после ремонта, м3/ч;

Ас, Ап – коэффициенты удельного гидравлического сопротивления стальной трубы без покрытия и с полимерным покрытием;

рж, [рж] – расчетные и допускаемые потери давления на гидравлическом сопротивлении, кПа.

Для оптимизации параметров технологии и оборудования с помощью соз данных математических моделей разработаны алгоритм и программа для ЭВМ (в среде Visual FoxPro 9 на базе Windows XP). В их основе лежат итерационные опе рации, сущность которых заключается в переборе и анализе значений управляемых факторов и технологических схем по критерию наибольшей производительности комплекса агрегатов с учетом ограничений (8), обеспечивающих требуемое качест во ремонта трубопроводов. Математические модели и программа для ЭВМ позво ляют определять: а) зависимости производительности комплекса оборудования от основных факторов влияния;

б) оптимальные параметры процесса и оборудования;

в) области рационального применения различных схем работы комплекса агрега тов;

г) прочность элементов рукава.

Для обоснования параметров процесса и агрегатов в программном обеспече нии предусмотрена возможность исследования (с целью выбора) различных из вестных и предлагаемых схем пропитки тканевых оболочек, ввода рукавов в трубо провод и нанесения не только однослойных, но и многослойных покрытий. В по следнем случае, в качестве известных схем рассмотрены: а) однопроходный ввод многослойного рукава;

б) многопроходный ввод однослойного рукава с интервала ми времени между проходами для отверждения покрытия;

в) то же, но без интерва лов времени;

г) однопроходный ввод трубообразного рукава с помощью лебедки.

Предложенная технологическая схема аналогична схеме «в», но в отличие от нее цикл ввода каждой пары слоев покрытия предполагает использование накачанного воздухом тора и рукава длиной, равной длине двух захваток (рис. 4). Последний внутренний слой покрытия образуется путем ввода пневмовыворотом торообразно го рукава с прижатием им всех слоев к внутренней поверхности трубы. При этом все оболочки, кроме последней, вводятся без пленочных рукавов, что значительно сокращает затраты пленки, труда и времени. Математическая модель разработан ной технологической схемы многопроходного ввода однослойного рукава согласно рисунку 4 дана только в диссертации.

Рассмотрены два известных варианта пропитки тканевой оболочки рукава полимерным составом: 1) внутренняя пропитка в стационарных условиях с охлаж дением (для замедления полимеризации), хранением и транспортированием до объ екта в рефрижераторе;

2) наружная пропитка в условиях объекта с одновременным вводом в трубопровод. Применение предлагаемой схемы ввода рукава в трубопро вод в сочетании с наиболее подходящей для неё пропиткой по варианту 2 позволит:

свести к минимуму сопротивление вывороту рукава, затраты времени на его про питку и ввод;

исключить из комплекса агрегатов дорогостоящее оборудование для внутренней пропитки и охлаждения рукава. На основе разработанной математиче ской модели (8) процесса ремонта трубопроводов получены выражения для опре деления оптимальных параметров усовершенствованной технологии (длина захват ки, производительность компрессора, давление воздуха и скорость ввода рукава).

Часть результатов исследования с использованием модели (8) известных и предла гаемых схем пропитки и ввода рукава показана на рисунке 5.

1 2 1 3 2 Извлечение тора Подача воздуха р и рукава р р а б 4 2 3 4 5 1 3 Подача воздуха и рукава Подача р р р воздуха р в г Рисунок 4 – Разработанная технологическая схема нанесения многослойных по крытий с использованием рукава и тора: а – ввод рукава длиной, равной двум длинам за хватки;

б – извлечение тора;

в – ввод последующего рукава внутри вывернутой наизнанку оболочки;

г – прижатие слоев покрытия пленочным рукавом до окончания его полимериза ции;

1 – тканевая оболочка;

2 – тор;

3 – ремонтируемый трубопровод;

4 – хомут;

5 – пленоч ный рукав;

6 – фал Производительность П, м/ч Производительность П, м/ч Тяговая нагрузка Fт, кН 3, 1 3, 100 60 2, 3 2, 1, 40 1,0 20 20 0, 0, 0 30 60 90 120 150 180 0 30 60 90 120 150 180 5 10 15 20 25 30 м3/ч Расход компрессора Q, Длина захватки L, м Длина захватки L, м в б а производительность П, м/ч Производительность П, м/ч Производительность П, м/ч 1 3 Максимальная 60 3 40 2 2 20 20 0 0 0 0,2 0,4 0,6 0, 5 10 15 20 25 30 50 100 150 200 250 Диаметр трубопровода D, м Давление воздуха р, кПа Скорость рукава р, м/ч г д е Рисунок 5 – Зависимости технической производительности комплекса оборудования от длины захватки (а), объемного расхода компрессора (б), давления воздуха (г), скорости рукава (д) и диаметра трубопровода (е) (D = 0,4 м, L = 100 м, n = 2, Q = 15 м3/ч), а также тяго вой нагрузки от длины захватки (в) (D = 0,1 м, n = 2): 1 – однопроходный ввод многослойного рукава;

2 – многопроходный ввод однослойного рукава;

3 – многопроходный ввод однослойного торообразного рукава увеличенной длины с использованием тора;

4 – протяжка трубообразного рукава лебедкой (все графики построены для случая пропитки рукава на объекте ремонта) Для достижения наибольшей производительности труда при её определении только через объектные затраты времени рукав необходимо доставлять к месту ра бот в рефрижераторе пропитанным и охлажденным с целью замедления процесса полимеризации клея. Однако эффективность этого варианта снижается в связи с потребностью в дорогостоящем оборудовании и ламинированном рукаве с допол нительными затратами на его хранение, охлаждение и транспортирование. Поэтому зарубежную технологию изготовления и пропитки рукава в стационарных условиях с последующим его вводом в трубопровод в условиях объекта потребовалось усо вершенствовать с разработкой нового оборудования в направлении выполнения всех операций на объекте. При этом дорогая и сложная внутренняя пропитка рукава была заменена на более простую открытую. Однако вместе с тем усложнилась опе рация укладки пропитанной клеем тканевой оболочки в пленочный рукав с его за варкой в процессе движения. Эти вопросы решены в соавторстве с В. Н. Белоборо довым, А. Н. Ли и В. И. Емелиным путем разработки и испытания установки для изготовления комбинированного рукава (Пат. №2337270). Также на уровне изобре тений решены задачи по ускорению пропитки полимерным составом тканевых обо лочек при пониженных температурах воздуха (до – 7 °С) разработано: три техниче ских решения пропиточных ванн;

совмещенная с фургоном автомобиля барокаме ра;

многофункциональная установка (Пат. № 2340829;

2362086;

2362943 и заявка на изобретение № 2009145303). Комплексы оборудования с использованием разрабо танных агрегатов показаны на рисунке 6.

1 12 2 3 4 A 5 613 7 14 9 11 1 2 3 4 A 5 6 7 8 9 10 б а 1 15 6 13 7 149 10 1 15 6 5 A4 3 2 в Рисунок 6 – Предлагаемые конструктивно-технологические схемы комплексов агрегатов для ремонта трубопроводов с использованием: а – установки для изготовления комбинированного рукава;

б – то же, что и «а», но в герметичном кузове автомобиля;

в – то же, что и «б», но с использованием барокамеры;

1 – базовая машина;

2 – барабан для ткане вой оболочки;

3 – тканевая оболочка;

4 – ванна для пропитки тканевых оболочек полимер ным составом с управлением его вязкостью;

5 – установка для автоматизированного изго товления рукава;

6 – комбинированный торообразный рукав;

7 – колодец;

8 – устройство для герметичного ввода рукава в трубопровод;

9 – катушка из нержавеющей стали;

10 – ком прессор;

11 – ремонтируемый трубопровод;

12 – бак с насосом для закачки полимерного со става;

13 – вспомогательный рукав;

14 – направляющий патрубок;

15 – барокамера.

В результате исследования математической модели процесса ремонта, осу ществляемого по предлагаемой схеме, сделаны следующие выводы:

1. Разработанная технологическая схема нанесения многослойных покры тий позволяет: уменьшить силу сопротивления рукава вывороту, трудоемкость его изготовления и пропитки по сравнению с его однопроходным вводом;

ис ключить применение рефрижератора;

сократить общее время выполнения работ по сравнению с многопроходным вводом рукава в трубопровод.

2. При выполнении операций по пропитке рукава на объекте ремонта, применение схемы многопроходного ввода в трубопровод однослойных рука вов увеличенной длины с использованием тора, в отличие от прочих схем, по зволит повысить производительность агрегатов: на 15–20 % при росте произво дительности компрессора до 300 м3/ч и длины захватки до 200 м;

на 30 % при увеличении диаметра трубопровода в пределах 0,1–0,8 м;

на 16–25 % при росте числа слоев рукава от 2 до 3 (кроме схемы протяжки рукава лебедкой).

3. Предлагаемая схема расширяет область применения рукавной техноло гии с возможностью достижения наибольшей производительности оборудова ния для варианта нанесения покрытий толщиной более 2-х слоев.

В третьей главе рассмотрена методика экспериментального исследования рассматриваемого процесса ремонта, включающая ряд частных методик по опреде лению: а) тяговых свойств торообразного рукава;

б) утечек воздуха через центр то ра, количества отжимаемого тором полимерного состава из рукава, тягового усилие рукава при его движении через центр тора;

в) прочности элементов рукава;

г) скорости пропитки тканевой оболочки рукава;

д) прочности и адгезии покрытия.

При разработке каждой из этих методик применена классическая теория планиро вания эксперимента, определены основные факторы влияния, интервалы их изме нения и количество уровней варьирования, а также число повторных опытов той или иной зависимости. Использованы стандартные методы обработки результатов для выбора уравнения сглаживающей функции.

Выбор целевых функций и основных факторов проводился с учётом требова ний измеряемости, значимости и воспроизводимости. В состав экспериментально исследуемых целевых функций 2-го уровня (к функции цели 1-го уровня отнесена производительность комплекса агрегатов в целом, исследованная теоретически во 2-й главе) включены следующие показатели эффективности работы агрегатов ком плекса оборудования: скорости пропитки тканевой оболочки рукава и его движе ния;

предельное тяговое усилие, тяговые мощность и КПД рукава совместно с уст ройством его ввода в трубопровод и компрессором;

прочность и адгезия покрытия к стенкам трубопровода. В качестве основных факторов влияния были выбраны факторы: трубопровода (внутренний диаметр, угол отвода, соотношение диаметров перехода);

условий производства работ (температура наружного воздуха);

оборудо вания (тяговая нагрузка, давление воздуха, гидростатическое давление полимерной композиции, состав комплекса агрегатов);

технологии (длина захватки, вид отвер дителя эпоксидной смолы, содержание ацетона в смоле, характеристика техниче ской ткани, характеристика рукава, толщина полиэтиленовой плёнки, схема произ водства работ).

С целью исследования влияния каждого фактора, определения характера не линейности и графического представления зависимостей большинство эксперимен тов проведены как двух и трехфакторные с изменением факторов на 4–6 и более уровнях. Количество уровней в каждом отдельном случае выбиралось с учетом ус ловий задачи. С факторами одного уровня проводилось минимально необходимое количество повторных экспериментов, число которых в каждом конкретном случае определялось по критерию Стьюдента при доверительной вероятности 0,90, доста точной для большинства не связанных с риском для жизни практических задач.

Степень соответствия между результатами эксперимента и уравнениями регрессии оценивалась коэффициентом детерминации R2, значения которого находились в ин тервале 0,8–1,0, что говорит о высокой надежности этих результатов. При меньших значениях этого коэффициента подбиралось другое, более адекватное аппроксими рующее уравнение и строилась соответствующая ему кривая, либо увеличивалось количество опытов, либо повторно выполнялись эксперименты. Замена оборудова ния для ремонта трубопроводов на его физические модели позволила значительно сократить сроки, трудоемкость и стоимость экспериментов.

Конструкция стенда для исследования тяговых свойств торообразного рукава под воздействием вакуума, разработанная В. И. Емелиным с участием автора, при ведена на рисунке 7. Необходимость этих исследований обусловлена тем, что при постоянных объемном расходе и давлении воздуха, обеспечиваемых компрессором, повышение производительности процесса за счет увеличения длины захватки при водит к увеличению тяговой нагрузки и падению скорости рукава.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 17 а б Рисунок 7 – Стенд для исследования тяговых свойств комбинированного рукава под вакуумом: а – общий вид;

б – схема;

1 – тройник;

2 – вакуумметр;

3, 7, 10 – опоры;

4, 11 – хомуты;

5 – переход;

6 – модель трубопровода;

8 – модель рукава;

9 – основание стенда;

12 – тросик;

13 – кронштейн;

14 – блок;

15 – ограничитель;

16 – вакуум-насос;

17 – фиксатор;

18 – грузы Цель исследования – определить оптимальное значение тяговой нагрузки ру кава, при которой обеспечиваются его максимальные тяговая мощность и КПД.

Разработка этого стенда выполнена с учетом основных положений ГОСТ 25247– (Машины землеройные: метод определения тяговой характеристики) и особенно стей работы рукава. При этом для каждого сочетания запланированных значений факторов (диаметр трубопровода, движущее давление воздуха, тип и параметры рукава) снималась отдельная тяговая характеристика в виде зависимостей скорости, тяговых мощности и КПД рукава от полезной нагрузки. Последняя задавалась на стенде весом грузов 18, поделенным на КПД блока 14. Нагрузка изменялась на 6– уровнях от нуля до наибольшей величины (предельного тягового усилия), при ко торой движение рукава и груза при заданном давлении воздуха становилось невоз можным. В каждом опыте измерялись значения скорости, нагрузки и вакуума. По результатам этих измерений рассчитывались значения тяговой мощности (произве дение нагрузки на скорость) и тягового КПД (отношение мощностей тяговой и под ведённой к рукаву).

Конструкция стенда для исследования прочности элементов рукава в трубо проводах с моделями сквозных коррозионных дефектов различного диаметра пока зан на рисунке 8. Порядок проведения экспериментов на этом стенде следующий.

Один из концов рукава крепится на конце модели трубопровода 5, а другой – на пе редней крышке 12, которая глушит торец модели 5 путём затяжки болтов 4. Затем на этой модели устанавливаются хомуты 7–10 таким образом, чтобы оставалось не закрытым одно из её отверстий. После этого вентилем 11 открывается подача воз духа от компрессора 18. Давление, соответствующее разрыву рукава в зоне одного из дефектов трубы, регистрируется манометром 3.

19 10 1 12 3 45 6 78 11 12 13 14 15 а б Рисунок 8 – Стенд для исследования зависимости прочности торообразного рукава от размеров сквозных дефектов трубопроводов при воздействии давления сжатого воздуха: а – общий вид;

б – схема;

1 – штуцер;

2 – тройник;

3 – манометр;

4, 17 – болты;

5 – модель трубопро вода с отверстиями;

6 – рукав;

7, 8, 9, 10 – хомуты;

11 – вентили;

12 – передняя крышка;

13, 15 – фланцы;

14 – основание (стол);

16 – задняя крышка;

18 – компрессор;

19 – шланг Конструкция стенда для исследования скорости пропитки технических тка ней полимерным составом в зависимости от характеристик ткани, состава и ванны показана на рисунке 9. Ход работы на стенде заключается в следующем. Одно- или многослойный образец 14 вырезается из исследуемой ткани размерами, большими диаметра трубы 2 стенда. Затем из мерного стакана внутрь трубы, повёрнутой от крытым концом вверх (рис. 9, а), заливается эпоксидная композиция или смола за планированной вязкости. Далее открытый конец трубы 2 глушится вырезанным об разцом 14, который зажимается кольцом 12 и болтами 9, 11. После этого конец тру бы 2 опускается вниз (рис. 9, б) и включается секундомер. Регистрация окончания пропитки образца выполняется визуально через зеркало 6 и тактильно: по потемне нию образца и появлению липкого слоя на его второй поверхности. При обнаруже нии указанных признаков пропитки секундомер останавливается, пропитанный об разец ткани заменяется другим при том же или другом количестве эпоксидной композиции запланированной вязкости. Величина скорости пропитки с учётом по лученных экспериментальных данных для конкретной вязкости полимерного со става находится как частное от деления толщины тканевой оболочки на время её полной пропитки в этой точке. С учётом скорости пропитки тканевой оболочки, га баритов пропиточной ванны и пути движения в ней точек рукава определяется ис комая величина его скорости для обеспечения качественной пропитки при кон кретной управляемой вязкости полимерного состава. Для её измерения использо вался чашечный вискозиметр истечения по ГОСТ 9070–75.

2 8 12 13 а б в Рисунок 9 – Стенд для исследования скорости пропитки технических тканей поли мерным составом в зависимости от величины его гидростатического давления: а – общий вид стенда в нейтральном положении;

б – то же, что и «а», но в рабочем положении;

в – схема стенда;

1 – заглушка;

2 – труба;

3 – зажим;

4 – ось;

5 – штатив;

6 – зеркало;

7 – основание;

8 – эпок сидная композиция;

9, 11 – болты;

10 – упорное кольцо;

12 – прижимное кольцо;

13, 15 – гайки;

– исследуемый образец ткани;

16 – втулка 1 234 5 6 7 8 9 а б Рисунок 10 – Стенд для испытания композиционного покрытия на адгезию к металлу при равномерном отрыве: а – общий вид;

б – схема;

1 – вилка держателя;

2 – пластина;

3 – съем ное кольцо;

4 – образец в виде цилиндра с нанесённым покрытием;

5, 8 – вилки динамометра;

6 – динамометр;

7 – рама;

9 – штанга;

10 – гайка Конструкция стенда для исследования адгезии покрытия к стенкам трубо провода в зависимости от давления прижатия, характеристик полимерного состава и условий его отверждения представлена на рисунке 10. Этот стенд был разработан В. И. Емелиным с участием автора. Работа на стенде выполняется по окончании полимеризации образцов, приклеенных к поверхности цилиндров 4. После закреп ления образца между вилками 1 и 5 и затягивания гайки 10 добиваются отрыва ци линдра от образца покрытия, при этом усилие разрушения на динамометре 6 реги стрировалось с помощью видеокамеры. Дополнительно к этому измерялась толщи на покрытия каждого образца и фиксировался характер разрушения – когезионный, адгезионный или смешанный.

Применение стенда для исследования разработанной технологической схемы нанесения многослойных покрытий, включающего модель тора, рукав и основание с блоком, аналогичное рис. 7, приведено только в диссертации. Кроме рассмотрен ных стендов в работе также использовались агрегаты для испытания образцов тка ней, пленок и покрытия на разрыв и изгиб. Поскольку это оборудование и методики его применения известны, то они также представлены только в диссертации.

В четвертой главе дан анализ результатов экспериментального исследова ния агрегатов комплекса оборудования с позиций обеспечения их эффективности и необходимого качества ремонта трубопроводов. При этом выявлены: а) влияние параметров покрытия на его прочность;

б) зависимости скоростей движения рукава и пропитки его тканевой оболочки от количества слоёв ткани, величины гидроста тического давления полимерного состава и его вязкости;

в) закономерности изме нения сопротивлений движению рукава, его тяговых свойств и проходимости в за висимости от движущего давления воздуха, характеристик рукава, диаметра трубо проводов, параметров их отводов и переходов;

г) прочность элементов рукава в за висимости от их материала и дефектов трубопровода;

д) зависимости адгезии по крытия к внутренним стенкам трубопровода от технологического давления воздуха.

Дополнительно к этому дана оценка адекватности математической модели и эко номической эффективности результатов работы.

На основании результатов исследования влияния параметров покрытия на его прочность установлено:

наибольшую прочность на изгиб показывают образцы с расположением ворса армирующей ткани со стороны действия нагрузки;

прочность покрытия на изгиб повышается в ~ 1,1–1,5 раза с каждым увели чением не единицу числа армирующих слоев при их изменении от 1 до 3.

В результате исследования процесса пропитки оболочки рукава из иглопро бивной фильтровальной полиамидной ткани (артикул 56035) полимерным составом на основе ЭД-20 и ЭТАЛ-45 М установлено:

управление вязкостью состава, с целью ускорения пропитки, можно осуще ствлять изменением его температуры и содержания растворителя в соответствии с полученными рекомендациями;

производительность пропиточной ванны комплекса оборудования прямо пропорциональна гидростатическому давлению полимерного состава, обратно про порциональна толщине тканевой оболочки и вязкости состава, определяемой его температурой. Так, при использовании эпоксидной смолы ЭД-20 с отвердителем ЭТАЛ-45 М и иглопробивной фильтровальной полиамидной ткани при температу ре 26 °С и увеличении гидростатического давления состава с 0,1 до 0,75 м скорость пропитки увеличивается в 3–4 раза, а при температуре 5 °С – в 2–3 раза. Выявлено, что производительность пропиточной ванны при температуре наружного воздуха 20–26 °С может быть увеличена на 20–30 % путём добавления в полимерный со став ацетона в количестве 10 %, а с понижением температуры до 5 °С этот эффект возрастает на 50–70 %. При этом при добавлении ацетона до 10 % от веса эпоксид ной смолы существенного уменьшения адгезии и прочности покрытия, а также прочности плёнки и полиамидной ткани не обнаружено.

Выявлены зависимости тяговых свойств торообразного рукава (сопротивле ний движению, тяговой мощности, КПД) и его проходимости от полезной нагруз ки, движущего давления воздуха, конструкции рукава, параметров трубопровода (диаметр, характеристики отводов и сужений). В результате анализа полученных результатов (рис. 11) установлено:

Торообразный рукав при подаче в него сжатого воздуха может выполнять не только функции технологического материала, но и привода и даже машины, в т.

ч. по удалению из трубопровода воды, протяжке фала и др. При этом рукав совме стно с устройством его ввода в трубопровод и компрессором или вакуумнасосом может обладать, как и любая другая тяговая машина, тяговыми мощностью, КПД, усилием и характеризоваться показателями проходимости.

Тяговая мощность Р т, Вт Максимальная тяговая 90 Тяговый КПД, % 1 1 Р т = -0,1058+77,55;

R2= 0, мощность Р т, Вт 60 60 3 4 30 2 Рт = -0,3493+33,7;

R2= 0, 0 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 0 15 30 Угол поворота, Нагрузка Fт, Н Нагрузка Fт, Н в а б Максимальная тяговая Тяговая мощность Рт, Вт 90 Тяговый КПД, % 7 Р т = -183,9kc+260,6;

R2= 0, мощность Р т, Вт 7 Р т = -90,43kc+124,9;

8 R2= 0, 9 9 0 0 20 40 60 0 20 40 60 80 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1, Нагрузка Fт, Н Коэффициент сужения kc Нагрузка Fт, Н г д е Рисунок 11 – Показатели тяговых свойств (а, б, г, д) и проходимости (в, е) торообраз ного рукава при различных диаметрах трубопровода D, движущих давлениях воздуха p и сочетаниях материала рукава (однослойная тканевая оболочка из полиамидной иглопро бивной ткани, совмещённая с рукавом из полиэтиленовой плёнки толщиной 150 мкм или только полиэтиленовый рукав без оболочки): 1 – пленка, D = 105 мм, р = 25 кПа;

2 – то же, что и 1, но р = 15 кПа;

3 – ткань + пленка, D = 105 мм, р = 25 кПа;

4 – то же, что и 3, но р = 15 кПа;

5 – ткань + пленка, D = 150 мм, р = 10 кПа;

6 – то же, что и 5, но р = 15 кПа;

7, 8, 9 – то же, что и 2, 3, 4, но D = 150 мм;

(уравнения регрессии и коэффициенты детерминации для кривых 1–4, 7–10 приве дены в диссертации) В общем случае на прямолинейных участках трубопроводов различных диаметров максимальные тяговые усилия рукава пропорциональны движущему давлению воздуха и квадрату диаметра трубопровода.

Оптимальные значения тяговой нагрузки, соответствующие максимальным КПД рукава, для трубопровода с внутренним диаметром 105 мм составляют % от предельных тяговых усилий, для 150 мм – 8090 %, для плёночных рукавов всех диаметров – 9598 %.

С увеличением диаметра трубопровода примерно в 1,5 раза минимальное давление воздуха для обеспечения выворота рукава уменьшается в 1,5–2,5 раза, тя говое усилие и тяговая мощность увеличиваются в 2,2–3,5 раза, а КПД возрастает на 20–30 %.

Рукав с однослойной оболочкой даже при незначительных давлениях воз духа (15–25 кПа) способен преодолевать изгибы трубопроводов диаметрами 105– 150 мм с углами от 15 до 45 при наиболее тяжёлом для движения нулевом радиу се изгиба и переходы с уменьшениями диаметра в 1,2–1,5 раза. При этом макси мальная тяговая мощность на этих углах поворота трубопровода диаметром 105 мм снижается в 2–3 раза, а диметром 150 мм – в 1,1–2 раза. Причем с увеличением в рукаве числа слоёв ткани с одного до двух тяговая мощность падает в 2–3 раза.

Уменьшение диаметра трубопровода диаметром 105 мм в 1,2–1,3 раза является его предельным сужением, при котором тяговая мощность падает до нуля, а предель ным сужением трубопровода диаметром 150 мм является уменьшение его диаметра в 1,5 раза. С увеличением давления воздуха, диаметра трубопровода и радиуса от вода проходимость рукава значительно увеличивается.

Способ пневмовыворота рукава следует применять на трубопроводах диа метром более 70 мм, так как при меньшем диаметре выворот рукава либо невоз можен, либо не обеспечивает прочность пленочного рукава. Ограничения сверху при росте диаметра трубопровода отсутствуют, так как при этом тяговое усилие ру кава возрастает пропорционально квадрату диаметра, напряжения же в стенках и потери на трение растут пропорционально диаметру трубопровода только в первой степени, а сопротивление вывороту рукава существенно уменьшается.

Пневмопривод комбинированного рукава в виде плёночного рукава и тка невой оболочки по тяговому КПД на 10 % уступает лебедочному приводу и не ус тупает торообразному, а в случае использования только плёночного рукава даже превосходит лебедочный привод на 20–30 %, а торообразный – на 40–50 %.

При сравнении по крутизне преодолеваемых подъемов проходимость ру кавноторообразных, как и торообразных приводов, значительно выше тракторных.

Если тракторы могут преодолевать подъемы местности не более 25°, то торообраз ные рукава могут подниматься даже по вертикальному трубопроводу.

Выявлены и сдерживающие факторы применения способа комбинирован ного рукава: в местах прохождения рукава через отводы и переходы возможно об разование гофр. Поэтому в этих местах необходимо предусматривать повышенный расход полимерного состава с целью заполнения им впадин между гофрами, либо отводы и переходы выполнять другим способом, например путем вварки соедини тельных муфт открытым способом.

В результате исследования прочности элементов комбинированного торооб разного рукава из технической ткани (полиамидная фильтровальная с иглопробив ной набивкой синтепона, артикул 56035) и полиэтиленового плёночного рукава с толщиной стенки от 100 до 200 мкм установлено:

с учётом требований надёжности, рукав возможно применять при ремонте не только цельных трубопроводов, но и со сквозными дефектами диаметром до 100 мм;

из всех исследованных типоразмеров толщин стенки плёночных рукавов, исходя из наименьшей массы и достаточной прочности, рекомендуются к примене нию совместно с тканевой оболочкой рукава с толщиной плёнки 150–200 мкм.

Из полученных результатов исследования зависимостей адгезии покрытия к стенкам трубопровода от технологического давления среды следует:

Рост давления воздуха от 0 до 200 кПа при выдержке покрытия до его от верждения, вопреки ожиданиям, не приводит к заметному увеличению адгезии.

Оптимальным значением по этому критерию будет являться давление 15–20 кПа, способное удерживать на весу всю массу частей рукава со стороны свода трубо провода и обеспечивать их плотное прилегание по всей его площади. Выбор опти мального давления по критерию шероховатости покрытия не исследовался.

Адгезия покрытия зависит от вида отвердителя: наибольшую адгезионную прочность имели образцы, подготовленные с использованием отвердителя ПЭПА, на втором месте – с отвердителем ЭТАЛ-45 М. Однако с учётом технологических преимуществ (по жизнеспособности, безопасности и возможности использования при пониженных температурах воздуха) наиболее предпочтительным для примене ния является ЭТАЛ-45 М.

Обоснование соответствующих уравнений регрессии с проверкой значимо сти входящих в них коэффициентов выполнено статистическими методами по кри териям Фишера и Стьюдента в среде Microsoft Excel. По сходимости результатов теоретического и экспериментального исследований сделан вывод об адекватности разработанных математических моделей натурным условиям.

По приближенной оценке экономической эффективности результатов работы стоимость комплекса оборудования с использованием разработанных агрегатов бу дет в 1,8 раза меньше, чем стоимость комплекса агрегатов фирмы Rohrsanierung (Германия), а себестоимость ремонтных работ – в 1,3–2 раза ниже себестоимости ремонта трубопроводов открытым способом в городских условиях (с учетом затрат на разрушение и восстановление асфальта, вывоз и завоз грунта из-за отсутствия площадей для его складирования по месту работ). Отсутствие последующего зарас тания трубопровода с композиционным покрытием окислами и сохранение вслед ствие этого неизменными во времени площади его поперечного сечения, гидравли ческих сопротивлений и пропускной способности существенно уменьшают затраты на обслуживание сетей трубных коммуникаций.

В четырех приложениях приведены разработанная методика проектирова ния комплексов оборудования и производства работ для бестраншейного ремонта трубопроводов, программа для ЭВМ по расчету оптимальных параметров нанесе ния внутритрубных покрытий, акты внедрения результатов исследования и копии санитарно-эпидемиологических заключений на применение рукавной технологии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработаны математические модели прочности торообразного рукава и процесса бестраншейного ремонта трубопроводов рукавным способом, алгоритм и программное обеспечение для расчета параметров технологии и агрегатов. Эти мо дели позволяют определять: а) оптимальные параметры процесса и оборудования;

б) области рационального применения различных схем работы комплекса агрега тов;

в) прочность элементов комбинированного торообразного рукава.

2. На уровне изобретений разработаны основные изделия комплекса агрега тов: установка для изготовления комбинированного рукава;

пропиточная ванна с управлением вязкостью полимерного состава;

пропиточная ванна с вакууммирова нием оболочки рукава;

барокамера, совмещенная с фургоном автомобиля;

много функциональная установка. Предложенные технические решения позволяют: ре монтировать трубопроводы при пониженных температурах воздуха (до – 7 °С);

из готавливать рукава в условиях объекта и сокращать операции пропитки полимер ным составом как однослойных, так и многослойных тканевых оболочек рукава.

3. Разработанная технологическая схема нанесения многослойных покрытий позволяет: уменьшить сопротивление рукава вывороту, трудоемкость его изготов ления и пропитки по сравнению с однопроходным вводом;

исключить применение рефрижератора;

сократить общее время выполнения работ по сравнению с много проходным вводом. При выполнении операций по пропитке рукава на объекте ре монта, применение схемы многопроходного ввода однослойных рукавов увеличен ной длины с использованием тора, в отличие от остальных схем, позволит повы сить производительность комплекса агрегатов от 15 до 50 %.

4. Разработан, изготовлен и применён комплект из четырех стендов для ис следования: а) тяговых свойств торообразного рукава, его сопротивления движе нию и проходимости в трубопроводах с отводами, переходами и без них;

б) процес са пропитки тканевых оболочек полимерным составом;

в) прочности рукава в об ласти сквозных дефектов трубопроводов;

г) адгезии композиционного покрытия к металлу. Применение стендов позволило проверить работоспособность предло женных агрегатов и получить зависимости для определения параметров их работы.

5. Экспериментальным путем установлены зависимости тяговых свойств и проходимости торообразного рукава, прочности его элементов и скорости пропит ки полимерным составом, а также адгезии и прочности покрытия от основных фак торов системы «трубопровод – технология – оборудование». Полученные зависи мости позволили уточнить и дать оценку адекватности математических моделей натурным условиям, а также использовать их при определении возможностей пред ложенных агрегатов и технологии.

6. Показано, что торообразный рукав может выполнять не только функции технологического материала внутритрубного покрытия, но и транспортного сред ства. Впервые экспериментально сняты его тяговые характеристики в виде зависи мостей тяговых мощности и КПД от полезной нагрузки. При этом установлено, что наиболее эффективный режим работы рукава обеспечивается при нагрузке, равной 50–70 % от предельной. Максимальный КПД комбинированного и плёночного ру кавов достигает 80 и 90 %, возрастает с увеличением их диаметра и движущего давления воздуха и на 30-50 % превосходит КПД торообразного привода. Тяговое усилие рукава на горизонтальных отводах с углами от 0 до 60° уменьшается в 1,0– 1,8 раза, а на переходах с сужениями от 10 до 50 % – в 1,2–2,5 раза соответственно.

По преодолению сужения тяговое усилие рукава восстанавливается полностью, а по преодолению отвода – на 70–90 %, в зависимости от угла изгиба трубопровода.

7. Установлено, что производительность пропиточной ванны комплекса агре гатов прямо пропорциональна гидростатическому давлению полимерного состава, обратно пропорциональна толщине тканевой оболочки и вязкости состава, опреде ляемой его температурой. Так, при использовании иглопробивной фильтровальной полиамидной ткани и эпоксидной смолы ЭД-20 с отвердителем ЭТАЛ-45 М при температуре 26 °С и увеличении гидростатического давления состава с 0,1 до 0,75 м скорость пропитки увеличивается в 3–4 раза, а при температуре 5 °С – в 2–3 раза.

8. Разработана методика проектирования комплексов оборудования рукавной технологии, применение которой позволяет создавать в короткий срок более произ водительные агрегаты и определять область их применения при обеспечении необ ходимого качества восстановления трубных коммуникаций.

9. Результаты работы внедрены: Сибирским научно-исследовательским ин ститутом гидротехники и мелиорации при разработке новых технических решений на основе использования созданной методики проектирования комплексов обору дования и рукавной технологии ремонта трубопроводов;

в учебный процесс Политехнического института Сибирского федерального университета по направлению подготовки студентов «Наземные транспортные сис темы» в виде использования: исследовательских стендов;

методики проектирова ния оборудования и производства работ для бестраншейного ремонта трубопрово дов;

программы для ЭВМ.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ (Шесть докладов на конференциях в этот список не включены, но в диссертации указаны) Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК 1. Емелин, В. И. Тяговые свойства установок для бестраншейного ремонта трубопроводов с помощью комбинированного рукава / В. И. Емелин, А. А. Азеев // Вестник машиностроения. – 2009.– №6. – С. 32–35.

2. Емелин, В. И. Влияние технических и технологических факторов на производительность комплекса оборудования для бестраншейного ремонта трубопроводов способом нанесения полимер ных покрытий / В. И. Емелин, А. А. Азеев // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2009. – №8. – С. 3–9.

3. Белобородов, В. Н. Технология ремонта трубопроводов способом комбинированного рукава / В. Н. Белобородов, А. Н. Ли, В. И. Емелин, А. А. Азеев, Г. Н. Долматов // Строительные и дорожные машины. – 2009. – №10. – С. 3–13.

4. Емелин, В. И. Комплекс стендов для исследования процесса бестраншейного ремонта трубо проводов / В. И. Емелин, А. А. Азеев // Строительные и дорожные машины. – 2010. – №5. – С. 38–42.

5. Емелин, В. И. Производительность комплекса оборудования для бестраншейного ремонта трубопроводов способом протягивания комбинированного рукава / В. И. Емелин, А. А. Азеев // Водо снабжение и санитарная техника. – 2010. – №6. – С. 59–65.

Публикации в других изданиях 6. Емелин, В. И. Систематизация основных схем применения торообразного механизма при строительстве, ремонте и эксплуатации трубопроводов / В. И. Емелин, Р. М. Авдеев, А. А. Азеев // Техника и технология. – 2008. – № 4. – С. 8–11.

7. Емелин, В. И. Определение тяговых свойств и технологических параметров установки для бестраншейного ремонта трубопроводов способом комбинированного рукава / В. И. Емелин, С. А. Ли, А. А. Азеев // Машиностроение: сб. науч. тр. – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – С. 126–132.

8. Пат. 2337270 РФ на изобретение, МПК F16L58/10. Устройство для восстановления трубо провода / В. Н. Белобородов, А. Н. Ли, В. И. Емелин, А. А. Азеев, С. А. Ли. – 2008. – БИ. – № 30.

9. Пат. 2340829 РФ на изобретение, МПК F16L58/00. Устройство для восстановления трубо провода / В. Н. Белобородов, А. Н. Ли, В. И. Емелин, С. А. Ли, А. А. Азеев. – 2008. – БИ. – № 34.

10. Пат. 2362086 РФ на изобретение, МПК F16L58/10. Устройство для восстановления трубо провода / А. А. Азеев, В. И. Емелин, В. Н. Белобородов, А. Н. Ли. – 2009. – БИ. – № 20.

11. Пат. 2362943 РФ на изобретение, МПК F16L58/10. Устройство для восстановления трубо провода/ В.И. Емелин, А.А. Азеев. – 2009. – БИ. – № 21.

12. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ №2011610868. Расчет оптимальных параметров процесса бестраншейного ремонта трубопроводов способом комбинированного рукава / А. А. Азеев, В. И. Емелин, А. В. Стальнова. – 20.01.2011.

Подписано в печать 20.05.2011. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета. 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.