Повышение эффективности и надежности бестраншейного восстановления трубопроводов с применением торовых приводов
На правах рукописи
Давыденко Ольга Васильевна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ БЕСТРАНШЕЙНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТОРОВЫХ ПРИВОДОВ Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Волгоград - 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Научный консультант: Фесенко Лев Николаевич доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Серпокрылов Николай Сергеевич, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», профессор кафедры «Водоснабжение и водоотведение» кандидат технических наук, доцент Онкаев Виктор Аджиевич, ФГБОУ ВПО «Калмыкский государственный университет», доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», Новочеркасск
Защита состоится «21» июня 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» Автореферат разослан «14» мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Фокин Владимир Михайлович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одной из критических инженерных систем города являются трубопроводные сети жилищно-коммунального хозяйства, в том чис ле сети водоснабжения и водоотведения, общая протяженность которых на тер ритории РФ - свыше 786 тыс. км. Средние значения физического износа трубо проводов, при этом, достигают 60-70 %. Процессы активного разрушения сетей ЖКХ лежат в основе комплекса взаимосвязанных негативных последствий тех нического, социально-экономического и экологического характера.
Существующие темпы замены и реконструкции изношенных сетей значи тельно ниже необходимых, что приводит к систематической подмене планово предупредительных работ аварийно-восстановительными. Многие участки тру бопроводной сети, таким образом, не обеспечивают соблюдение заданных па раметров функционирования, что приводит к снижению качества обслуживания потребителей в целом.
Сложившаяся ситуация во многом объясняется высокой стоимостью ра бот по замене трубопроводов. В то же время, наблюдаемая сегодня тенденция перехода к экономичным методам бестраншейного восстановления трубопро водов также не позволяет существенно увеличить темпы ремонтно восстановительных работ.
Рядом преимуществ перед другими технологиями бестраншейного ре монта трубопроводов обладают методы, основанные на формировании защит ных покрытий из жидких смесей. Однако и они имеют ограниченную сферу применения, прежде всего ввиду сложности организации эффективного про цесса нанесения такого покрытия на внутреннюю поверхность трубы, что под тверждает актуальность проведения исследований в области совершенствова ния существующих технологий бестраншейного восстановления трубопрово дов, сущность которых определяет надежность и экономическую эффектив ность осуществляемых ремонтных работ.
Настоящая работа является частью исследовательской работы научной школы ЮРГТУ (НПИ) «Разработка и внедрение инновационных и модерниза ция существующих технологий в области водоснабжения, водоотведения и гидротехнических сооружений». Тема исследований входит в план научно исследовательских работ кафедры «Водное хозяйство предприятий и населен ных мест». Выполненные исследования соответствуют целям и задачам «Стра тегии развития жилищно-коммунального комплекса Ставропольского края на период до 2020 года», действующей краевой целевой программы «Модерниза ция жилищно-коммунального комплекса Ставропольского края на 2013- годы».
Цель работы. Повышение надежности сетей водоснабжения и водоотве дения путем совершенствования основанной на использовании торовых приво дов технологии бестраншейного восстановления трубопроводов, обеспечиваю щей снижение шероховатости внутренней поверхности трубопроводов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- анализ современного состояния, методов и оборудования для восста новления трубопроводов путем нанесения покрытий различных типов;
- определение технологических особенностей реализации бестраншейно го восстановления трубопроводов с использованием торовых приводов;
разработка общей методики и обоснование расчетных выражений для определения технологических параметров восстановления в зависимости от ха рактеристик трубопровода, ремонтной смеси и применяемого оборудования;
- обоснование оптимальных технологических параметров процесса фор мирования покрытия внутри трубы в зависимости от состава и свойств исполь зуемой цементно-песчаной смеси;
- определение шероховатости и коэффициентов гидравлического сопро тивления трубопроводов, восстановленных путем нанесения покрытия с ис пользованием торовых приводов;
установление основных физико-механических и эксплуатационных ха рактеристик покрытия труб в зависимости от условий его формирования;
оценка эколого-экономической эффективности разработанной техноло гии восстановления трубопроводов.
Основная идея работы состоит в повышении надежности функциониро вания и снижении потерь напора в трубопроводах водоснабжения и водоотве дения за счет внедрения технологии бестраншейного восстановления трубопро водов с применением торовых приводов.
Методы исследования включали аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе, проводимые лабораторные и опытно-производственные исследования, моделирование ис следуемых процессов, автоматизированную обработку полученных экспери ментальных данных с применением программных пакетов wxMaxima 0.8.5., Mi crosoft Office Excel 2007.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций для прак тического применения подтверждается использованием утвержденных научно обоснованных методов анализа, применением метрологически аттестованных приборов и оборудования, большим объемом экспериментальных данных и их высокой сходимостью с расчетными значениями.
Научная новизна:
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возмож ность формирования внутритрубных покрытий на основе цемента с использо ванием торовых приводов;
- установлены функциональные зависимости, связывающие длитель ность и основные динамические параметры процесса нанесения покрытия (ско рость и ускорение разворачивания рукавов) с исходными характеристиками восстанавливаемого трубопровода, ремонтной смеси и применяемого при вос становлении оборудования;
установлены оптимальные гидравлические характеристики восстанов ленных с использованием торовых приводов труб;
получены зависимости для расчета закономерностей взаимосвязи во доцементного отношения ремонтной смеси и давления твердения с прочностью материала покрытия на растяжение и изгиб, прочностью сцепления со сталью и водопоглощением;
обоснован рациональный интервал коэффициента гидравлического - трения при течении жидкости (число Рейнольдса (150 - 250) * 10 ) в трубопро водах с покрытиями.
Практическое значение работы:
Предложен проект технологической карты на производство работ по по крытию трубопроводов с использованием торовых внутритрубных приводов.
Результаты выполненных исследований послужили основой для разработки ме тодики расчета основных параметров нанесения покрытия с использованием торовых приводов и программной реализации указанной методики.
Реализация результатов работы. Разработанная технология бестран шейного восстановления трубопроводов внедрена предприятием ООО «Крас нодар Водоканал», г. Краснодар (акт внедрения прилагается).
Результаты диссертационной работы использованы кафедрой «Водное хозяйство предприятий и населенных мест» ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270112 «Водо снабжение и водоотведение».
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований процес са формирования цементно-песчаного внутритрубного покрытия с использова нием торовых внутритрубных приводов;
методика расчета входных и динамических параметров санирования;
результаты экспериментальных исследований физико-механических и гидравлических характеристик формируемого покрытия;
- технологическая карта на производство работ по покрытию трубопро водов торовыми внутритрубными приводами;
- эколого-экономическая оценка эффективности разработанной техноло гии восстановления трубопроводов.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертацион ной работе, докладывались и обсуждались на II-й Международной научной за очной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2010 г.);
IV Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (г. Москва, 2011 г.);
IV Всероссийской заочной научно-практической конференции «Актуальные науч ные проблемы» (г. Екатеринбург, 2011 г.);
Международной заочной научно практической конференции «Инновации и современная наука» (г. Новосибирск, 2011 г.);
IV Международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки» (г. Москва, 2011 г.);
II международной научно практической конференции «Теоретические и практические аспекты развития современной науки» (г. Москва, 2011 г.);
V Международной научно практической конференции «Современное состояние естественных и техниче ских наук», (г. Москва, 2012 г.);
IV Международной научно-практической кон ференции «Актуальные вопросы науки» (г. Москва, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ об щим объемом 4,1 п.л., в том числе 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, патента РФ на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад соискателя: постановка проблемы;
разработка и созда ние экспериментальной базы и методов исследований;
подготовка новых тех нических решений, их теоретическое обоснование и экспериментальная про верка;
систематизация, обработка и анализ полученных результатов;
обоснова ние и формулировка представленных научных положений и выводов;
участие во внедрении результатов исследований в практику проектирования.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и трех приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, вклю чает 23 таблицы, 37 рисунков. Библиографический список содержит 130 на именований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, научная и практическая значимость работы, приведена ее краткая аннотация, определена структура диссертации.
Первая глава посвящена анализу современного состояния сетей водо снабжения и водоотведения на территории РФ, распространенных проблем обеспечения их надежности в разрезе накопленного отечественного и зарубеж ного опыта проведения ремонтных работ с использованием бестраншейных технологий восстановления.
Анализ практики эксплуатации сетей водоснабжения и водоотведения показывает, что нарушения стабильного их функционирования преимущест венно связаны с авариями на участках трубопроводов. Причиной их возникно вения, как правило, являются коррозионные процессы различных видов.
В настоящее время в РФ сложилась устойчивая структура распределения объемов работ между различными способами бестраншейного восстановления трубопроводов. Наиболее широко распространены методы, основанные на ис пользовании труб (их элементов) заводского изготовления. Способы, преду сматривающие формирование защитного слоя из жидких ремонтных смесей в трассовых условиях, в настоящее время не используются в полной мере, в том числе ввиду недостаточного развития техники и технологии изготовления за щитного слоя.
Существенной особенностью восстановления трубопроводов с использо ванием покрытий различных типов является разнообразие применяемых ре монтных смесей. Выполненный сравнительный анализ четырех наиболее рас пространенных материалов (полимочевинных, эпоксидных, полиуретановых и цементных) показал высокую перспективность использования цементных об лицовок, связанную, в том числе, с большей экологической безопасностью их применения в сравнении с органосодержащими покрытиями. Серьезным пре пятствием для расширения сферы использования таких покрытий является не удовлетворительный уровень развития технических средств, предназначенных для их формирования.
Перспективным путем устранения недостатков, характерных для распро страненных методов формирования покрытий на основе цемента, в том числе использующих жесткие опалубочные системы, является применение гибкой опалубки, в качестве которой могут выступать торообразные элементы. Вопро сам их использования при бестраншейном восстановлении трубопроводов по священы работы В. М. Меркулова, В. Т. Савченко, В. Н. Белобородова, В. В.
Шишкина, А. Н. Ли, И. И. Терехина и др. Большая часть технических решений, однако, рассматривает в качестве ремонтных смесей составы низкой плотности или порошки. Вопросам применения гибких торообразных элементов для нане сения покрытий на основе цемента посвящены работы В. В. Шишкина и А. М. Балтаханова.
Вместе с тем, данные работы носят преимущественно описательный, ка чественный характер и не содержат доказательного обоснования возможностей и ограничений предлагаемых технических решений. Комплексного исследова ния особенностей нанесения цементных смесей с использованием описанного двухстадийного подхода до сих пор не проводилось, что не позволяет опреде лить сферу наиболее рационального его применения. Также отсутствуют дан ные о гидравлических характеристиках формируемого покрытия, экологично сти рассматриваемого метода нанесения. Совокупность указанных фактов оп ределяет необходимость проведения дополнительных исследований: обосно вать и разработать процесс восстановления функциональной работоспособно сти трубопровода в трассовых (полевых) условиях, включая совершенствование конструкций оборудования для его осуществления с учетом специфики произ водства работ.
Во второй главе приведены характеристики применяемых материалов, описание приборно-инструментальной базы и методологии исследования.
При исследовании процесса восстановления трубопровода путем форми рования на его внутренней поверхности покрытия на основе цемента исполь зовалось несколько экспериментальных установок: лабораторная установка уп рощенной конструкции;
опытно-производственный стенд, воссоздающий в опытных условиях всю последовательность операций по формированию по крытия при ремонте трубы;
испытательный стенд (рис.1), предназначенный для определения гидравлических характеристик отремонтированного участка.
Рисунок 1. Принципиальная схема испытательного стенда В качестве материалов исполнения торовых приводов рассматривался ряд эластичных и неэластичных материалов, в т. ч. ткани прорезиненные, пласти ны технические и силиконовые. В качестве основных исходных компонентов для приготовления ремонтной смеси в ходе экспериментальных исследований использовались портландцемент ПЦ 500-Д0, вода из городской водопроводной сети г. Ставрополя, подготовленный песок Малкинского песчано-гравийного карьера, зерновой состав которого отражен в табл. 1.
Таблица 1 - Зерновой состав песка для защитных покрытий внутри труб Размеры отверстий Соде ржание зерен в % меньше, мм сит, мм 1,25 0,63 0,315 0,14 0, 2, Песок природный 99,6 97,8 88,8 38,9 8,7 1, Для отработки процесса нанесения цементного покрытия использовали отрезки стальной водогазопроводной трубы Ду 100 мм, с толщиной стенки 4, мм. С целью осуществления непосредственного визуального контроля процесса формирования покрытия применяли прозрачную трубу из оргстекла Plexiglas xt 0A070 Ду 100 мм, с толщиной стенки 5 мм. Все выполнявшиеся в ходе прове дения экспериментов измерения проводились с использованием метрологиче ски поверенных измерительных инструментов. Непосредственное измерение геометрических параметров формируемого покрытия осуществлялось с помо щью магнитного толщиномера Константа К5.
Определение гидравлических характеристик стальной трубы с цементно песчаным покрытием по предлагаемому способу, проводилось в сравнении с контрольными образцами - отрезками новой стальной трубы без нанесенного внутреннего покрытия и с заводским цементно-песчаным покрытием. Для каж дого испытуемого образца экспериментально определялась зависимость коэф фициента гидравлического трения по длине от числа Рейнольдса Построение графических моделей и расчеты в рамках экспериментальных исследований осуществлялись автоматизированно с использованием про граммных пакетов wxMaxima, Microsoft Excel. Математическая обработка ре зультатов экспериментов, определение прямых и косвенных погрешностей из мерений производились по общепринятым методикам.
В третьей главе приведены основные результаты выполненных экспери ментальных исследований, теоретически обоснованы основные аналитические зависимости для определения технологических параметров процесса формиро вания покрытия, обобщенные в рамках единого методического подхода.
Сущность рассматриваемого способа восстановления заключается в по следовательном осуществлении двух взаимосвязанных стадий покрытия трубы (патенты РФ №№ 2458281, 2451870), показанных на рис. 2. На первой стадии для формирования реперных элементов используются две разомкнутые торо вые оболочки (рукава). Рукава перекатываются в трубопроводе, участки уменьшенного диаметра покрывающего рукава заполняются ремонтной сме сью. Полученные дискретные порции смеси образуют после твердения репер ные элементы тороидальной формы. На второй стадии для заполнения проме жутков между реперными элементами также используются два рукава. Тверде ние покрытия осуществляется в условиях поддержки его гладким рукавом.
Рисунок 2. Общая постадийная схема осуществления покрытия Обеспечение высокого качества формируемого защитного покрытия тре бует анализа и учета особенностей торовых внутритрубных приводов как инст рументов его формирования (рис. 3).
Рисунок 3. Нормальное состояние и возможные деформации рукавов в ходе нанесения покрытия, первая стадия: а) изгиб участка уменьшенного диаметра на ступенчатом рукаве;
вторая стадия: б) всплытие рукава на участке между двумя реперными эле ментами;
в) изгиб рукава в промежутке между двумя реперными элементами Предупреждение развития показанных деформаций в ходе покрытия тру бопровода требует предварительного определения давления, поддерживаемого в рукавах, материала исполнения рукавов, а также протяженности промежутков между реперными элементами (определяемой конструкцией ступенчатого ру кава). Обобщенным параметром, связывающим указанные величины, является максимальный изгибающий момент М, воздействующий на гибкий привод (ру кав) в процессе нанесения покрытия:
L (1) М = лг^рд • —, 3 где р - плотность смеси, кг/м ;
д - ускорение свободного падения, м/с ;
г - ра диус, L - длина рассматриваемого участка рукава, м.
Рассматривая динамический процесс формирования покрытия, отметим, что для свободного качения длина вывернутого в трубопроводе участка рукава в текущий момент времени зависит от геометрических размеров рукава, рас ходных характеристик компрессора и свойств используемого газа:
4 тт 1= (2) п^Т •J где т - время, с;
ш - массовый расход газа, кг/с;
р 0 - плотность газа, кг/м ;
d диаметр рукава, м.
В случае нагруженного движения в качестве основного параметра движе ния рукава следует выделить критическое давление выворачивания, достиже ние которого в полости торового элемента необходимо и достаточно для нару шения равновесия рассматриваемой системы:
4G (3) Pmin _ 2' где G - суммарное сопротивление движению рукава, формируемое за счет со противления воздуха, трения качения, собственного веса рукава, а также иных сил (в данном случае - обусловленных наличием в трубопроводе цементной смеси и второго рабочего органа).
В системе двух рукавов: покрывающего и запирающего - критическое давление выворачивания управляемо и зависит, в том числе, от произвольно устанавливаемого давления в запирающем рукаве. Для начала выворачивания покрывающего рукава при любом произвольно установленном запирающем давлении Р2 в трубе необходимо создать минимальную разность давлений:
(4) AP=^q0l3, где 13 - длина пробки покрывающего состава в трубопроводе, м;
q 0 - начальное напряжение сдвига цементно-песчаного раствора, рассматриваемого как вязко пластичная неньютоновская жидкость, кг/(м-с2).
При использовании ступенчатого рукава (рукава уменьшенного сечения) изменение длины пробки ремонтной смеси за счет постепенного расходования ее на формирование реперных элементов (покрытия) во времени становится существенным фактором, определяющим уменьшение суммарного сопротивле ния движению рукава и увеличение скорости движения системы. Установлено, что равенство скоростей выворачивания и сматывания перекатывающихся в трубопроводе рукавов является одним из важнейших условий безаварийного движения системы двух рукавов. Неконтролируемое развитие этих процессов может привести к смятию и разрыву движущихся асинхронно рукавов.
Для упрощения записи выражений, связывающих меняющийся объем смеси с координатой выворачивающегося рукава, вводится понятие эквива лентного радиуса г экв ступенчатого рукава. Эквивалентный радиус представля ет собой радиус гладкого цилиндрического рукава, имеющего объем, равный суммарному объему всех элементарных блоков ступенчатого рукава по длине 1Тр. Используя принятое определение г экв, запишем функциональную зависи мость длины пробки покрывающей смеси от текущей координаты конца выво рачивающегося рукава (с учетом превышения объема смеси для сохранения изолирующей пробки 10СГ между движущимися рукавами):
8S4d-S) х ^тр (5) + l0CT, L nl W L + 28 L + 2S, гд^ - текущая координата конца выворачивающегося рукава, м, х 6 0... (L + 25) L - длина цилиндрического элемента ступенчатого ру кава, м;
r и S - соответственно внутренний и внешний радиусы тороидального элемента, м.
С течением времени длина пробки 1 п1, движущейся в трубопроводе структурно под воздействием постоянного перепада давлений, равномерно уменьшается, что обуславливает равноускоренный характер движения покры вающей системы в трубе. Соответственно, скорость движения системы увели чивается, изменяясь по следующему закону:
friOoi ~ q-ri) Кл '1-О-01 + V-s = Т lm ' (6) тр 2 (L + 25) L + где т - текущий момент времени, с;
г01 = — и гт1 = Prl Pol отношения начально Рм Рм го давления выворачивания и текущего давления в разворачивающемся рукаве к давлению р м сжатого воздуха в магистрали;
К г - константа, определяемая ис ходными характеристиками восстанавливаемого трубопровода и компрессор ной установки.
Аналогичные рассуждения справедливы и для второй стадии покрытия.
Обобщение полученных закономерностей в виде методики расчета основных технологических параметров восстановления трубопроводов показано на рис. 4.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ источник сжатого воздуха восстанавливаемый трубопровод 1) производительность;
1) диаметр трубопровода;
2) давление питания;
2) длина участка;
3) шаг регулировки давления. 3) толщина покрытия.
ремонтная смесь пневматическая линия 1) плотность;
1)сопротивление;
2) осадка конуса. 2) длина, диаметр;
3) свободный объем камер.
ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ САНИРОВАНИЯ первая вторая стадия покрытия Poi Р о давление в покрывающем рукаве давление в запирающем рукаве Ра зп Ра зп объем загрузки ремонтной смеси V m Vn ГП длительность подготовительного периода Тп конструктивные параметры рукавов прочность рукавов длина цилиндрического пролета (для ступенчатого рукава) ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ САНИРОВАНИЯ стадия покрытия первая вторая скорость сворачивания запирающего рукава 1/ ускорение сворачивания запирающего рукава а а время осуществления стадии г, т Рисунок 4. Общая схема разработанной методики расчета основных параметров вос становления трубопроводов Использование предложенной методики позволяет осуществлять нанесе ние покрытия с высокой точностью обеспечения соответствия его геометриче ских параметров проектным. Методика реализована в виде компьютерной про граммы (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612322).
Качество формируемого покрытия, однако, определяется не только его геометрической формой, но и его физико-механическими свойствами и гидрав лическими характеристиками как элемента системы трубопроводного транс порта воды. Эти показатели зависят как от начального состава используемого ремонтного состава, так и от условий его твердения.
Основные физико-механические свойства покрытия, характеризующие его качество, изменяются при варьировании водоцементного отношения В/Ц ремонтной смеси и давления, поддерживаемого в рукаве в ходе твердения сме си (рис. 5, 6).
Рисунок 5. Влияние В/Ц и давления твердения на: 1 - прочность материала покрытия на растяжение при изгибе;
2 - водопоглощение Рисунок 6. Влияние В/Ц и давления твердения на: 1 - прочность материала покрытия на сжатие;
2 - прочность сцепления со сталью Обеспечение суммарно наилучших физико-механических свойств покры тия достигается при использовании смесей с возможно меньшими значениями В/Ц (до 0,3) и прессовании их под возможно более высоким давлением (в ис следуемых диапазонах - до 0,8 МПа), что позволяет добиться величин коэффи циента упрочнения по прочности на сжатие до 1,15;
упрочнения по прочности на растяжение при изгибе - до 1,11.
Результаты сравнительного исследования зависимости коэффициента гидравлического трения по длине от числа Рейнольдса для различных испы туемых образцов приведены на рис. 7.
4 5 -л Re Рисунок 7. Зависимость коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса для: 1 - новой стальной трубы;
2 - стальной трубы с заводской цементно-песчаной изо ляцией;
3 - стальной трубы с цементно-песчаным покрытием, сформированным с ис пользованием торовых внутритрубных приводов Для цементно-песчаного покрытия, сформированного с использованием торовых приводов, коэффициент эквивалентной шероховатости составил от 0,05 до 0,1 мм, в среднем - 0,08 мм, что сопоставимо с результатами, получен ными для новой стальной трубы. Следует также учитывать, что состояние не изолированных стенок стальной трубы склонно к быстрому ухудшению во времени, в то время как гидравлические характеристики труб с цементно песчаным покрытием обладают высокой стабильностью и мало изменяются в течение срока службы покрытия.
В четвертой главе дан обзор технологических особенностей оборудова ния для нанесения покрытия торовыми внутритрубными приводами, предложен проект технологической карты на производство работ, дана оценка эколого экономической эффективности внедрения технологии.
Предложенная методика расчета основных технологических параметров санирования трубопроводов позволяет предварительно оценить технические характеристики компрессорного оборудования, использование которого будет наиболее целесообразно на том или ином восстанавливаемом участке (рис. 8).
Рисунок 8. Распределение максимальных длин восстанавливаемых участков в зависи мости от диаметра для компрессорной установки производительностью1600 л/мин, давление питания 0,5 МПа (винтовой компрессор XAS 746 Cd, Atlas Copco) Использование разработанной технологии и оборудования (патенты РФ №№ 2458281, 2451870) для нанесения цементно-песчаного покрытия позволяет осуществлять транспорт перекачиваемого продукта на стадии твердения по крытия внутри рукава уменьшенного сечения. Предложенное техническое ре шение позволяет сохранить общее время твердения покрытия неизменным, не смотря на обеспечение минимального времени отсечения восстанавливаемого участка от сети (до 11 часов). Возможность осуществления описанной техноло гической схемы учтена в предложенном проекте технологической карты.
Экономическая эффективность применения метода определена путем сравнительной оценки прямых затрат на работы по покрытию трубопроводов с использованием торовых приводов и центробежного метода;
при оценке учтена как стоимость процесса покрытия, так и оценка затрат на сопутствующие меро приятия. Суммарный экономический эффект применения нового способа фор мирования покрытия, в зависимости от диаметра санируемого трубопровода, колеблется в пределах от 582 до 862 тыс. руб./100 м. Предложенный метод ха рактеризуется минимальной величиной прямых затрат на выполнение строи тельно-монтажных работ и является предпочтительным. Своевременное вы полнение планово-предупредительных работ, к которым относится изоляция трубопроводов цементно-песчаными покрытиями, позволяет также предотвра тить нанесение экологического ущерба, составляющего, на примере Ставро польского края, около 570 тыс. руб. в год на 1 км водопроводных сетей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе дано решение актуальной задачи бестраншей ного восстановления надежности сетей водоснабжения и водоотведения по экономичной и безопасной технологии, основанной на использовании торовых внутритрубных приводов.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Рассмотрены основные виды дефектов, свойственных трубопроводам водоснабжения и водоотведения ЖКХ, показана их структура, вскрыты основ ные причины возникновения. Проведена классификация дефектов трубопро водных систем. Обоснована целесообразность применения бестраншейных ме тодов ремонта трубопроводов, основанных на нанесении внутритрубных по крытий.
2. Выполнен анализ современного состояния восстановления трубопро водов путем нанесения покрытий различных типов, на основе которого раскры ты эколого-экономические предпосылки перспективности применения торовых приводов для формирования внутритрубных цементных покрытий.
3. Установлены основные закономерности движения торового привода в трубопроводе в процессе нанесения покрытия. Теоретически обоснованы рас четные модели, описывающие движение торовых элементов в нагруженном со стоянии, в том числе под воздействием переменной нагрузки.
4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методи ка расчета основных параметров движения торовых приводов в ходе нанесения покрытия, позволяющая определить давления, поддерживаемые в них в ходе нанесения покрытия, условия синхронности их движения, а также время осу ществления покрытия на заданном участке трубопровода. Показана адекват ность предложенной методики реально протекающим при нанесении покрытия процессам. Разработана компьютерная программа для автоматизации процесса выполнения расчетов с использованием предложенной методики.
5. По результатам экспериментов определены в виде уравнений полино миальной регрессии функциональные зависимости для расчета закономерно стей взаимосвязи водоцементного отношения ремонтной смеси и давления твердения с прочностью материала покрытия на растяжение и изгиб, прочно стью сцепления со сталью и водопоглощением. Показано, что при прессовании покрытия, изготовленного из смесей со значениями В/Ц, близкими 0,33, может быть достигнуто существенное упрочнение покрытия: коэффициент упрочне ния по прочности на сжатие достигает значения 1,15;
коэффициент упрочнения по прочности на растяжение при изгибе - 1,11.
6. Экспериментально установлены оптимальные гидравлические харак теристики восстановленных с использованием торовых приводов труб;
обосно ван рациональный интервал коэффициента гидравлического трения при тече нии жидкости (число Рейнольдса (150 - 250) * 10 ) в трубопроводах с покры тиями. Средний коэффициент эквивалентной шероховатости формируемого покрытия составляет 0,08 мм и не превышает аналогичного для новых стальных труб.
7. Разработана и защищена патентами РФ усовершенствованная техно логия бестраншейного восстановления трубопроводов, основанная на исполь зовании торовых внутритрубных приводов для формирования на внутренней поверхности трубопровода покрытия на основе цемента и позволяющая обес печить повышение надежности и снижение гидравлических потерь в трубопро водах. Составлен проект технологической карты на производство работ по по крытию трубопроводов торовыми внутритрубными приводами 8. Технико-экономическая оценка эффективности усовершенствованной технологии бестраншейного восстановления трубопроводов показало ее пред почтительность в сравнении с известными способами восстановления путем нанесения цементно-песчаных покрытий. Эколого-экономическая эффектив ность реновации трубопроводов с помощью торовых приводов составляет от 640 до 920 тыс. руб./100 м, при этом длительность отключения восстанавливае мого участка от основной сети снижается в 2-2,5 раза.
9. Выводы и рекомендации работы использованы при разработке проек тов производства работ и непосредственно при выполнении бестраншейного ремонта трубопроводов водоснабжения ООО «Краснодар Водоканал».
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях 1. Давыденко, О. В. Обзор современных проблем и перспектив развития водо снабжения и водоотведения на территории Ставропольского края / О. В. Давыден ко // Инженерный вестник Дона. - 2011. - № 2 (Электронный журнал). URL:
http://ivdon.ru/magazine/ archive/n2y2011/427/ (дата обращения: 18.04.2012).
2. Давыденко, О. В. Методика расчета основных параметров санирования трубопроводов с использованием торовых покрывающих приводов / О. В. Давы денко // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2012. - № 7. - С. 2-8.
3. Давыденко, О. В. Бестраншейная санация трубопроводов путем формиро вания цементных покрытий с использованием торовых внутритрубных приводов / О. В. Давыденко, А. В. Акиншина // Механизация строительства. - 2012. - № 4. - С.
10-14.
4. Давыденко, О. В. Определение оптимальных условий твердения цементно го покрытия, формируемого с использованием торовых внутритрубных приводов / О. В. Давыденко // Справочник. Инженерный журнал. - 2012. - № 5. - С. 42-45.
Патенты РФ на изобретения и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ 5. Пат. 2451870 Российская Федерация, МПК F16L58/06. Способ покрытия трубопровода и устройство для его осуществления / Шишкин В. В., Давыденко О.
В.;
заявители и патентообладатели - Шишкин В. В., Давыденко О. В. - № 2010103165/06;
заявл. 01.02.10 ;
опубл. 27.05.12, Бюл. № 15. - 8 с.: ил.
6. Пат. 2458281 Российская Федерация, МПК F16L58/04. Способ восстановле ния трубопровода, устройство для тампонирования и покрытия трубопровода, способ и устройство для его очистки / Шишкин В. В., Давыденко О. В., Акиншина А. В.;
заявители и патентообладатели - Шишкин В. В., Давыденко О. В., Акинши на А. В.;
заявл. 15.02.10 ;
опубл. 10.08.12, Бюл. № 22. - 15 с.: ил.
7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012612322. Модуль расчета основных параметров нанесения цементного покры тия с использованием торовых внутритрубных приводов / Давыденко О. В. ;
зая витель и патентообладатель Давыденко О. В. - № 2012610049 ;
заявл. 10.01.12 ;
за рег. 02.03.12.
Отраслевые издания и материалы конференций 8. Давыденко, О. В. Технология формирования покрытия при восстановлении трубопроводов / О. В. Давыденко, В. В. Шишкин // Исследовано в России. - 2011. № 38 (Электронный журнал). URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2011/038.pdf (дата обращения: 18.04.2012).
9. Давыденко, О. В. Применение фиброцементных композиций при восста новлении трубопроводов / О. В. Давыденко // Актуальные вопросы современной техники и технологии : Сборник докладов II-й Международной научной заочной конференции, г. Липецк, 2 октября 2010 г. / Под ред. А. В. Горбенко, С. В. Дов женко. - Липецк : Издательский центр «Де-факто», 2010. - С. 251-253.
10. Давыденко, О. В. Анализ практики восстановления трубопроводов путем формирования покрытий // Техника и технология: новые перспективы развития :
Материалы IV Международной научно-практической конференции, г. Москва, декабря 2011 г. - Москва : Издательство «Спутник+», 2011. - С. 39-41.
11. Давыденко, О. В. Разработка условий устойчивости торовых внутритруб ных приводов к поперечным деформациям // Современное состояние естественных и технических наук : Материалы V Международной научно-практической конфе ренции, г. Москва, 30 декабря 2011 г. - Москва : Издательство «Спутник+», 2012.
- С. 97-99.
12. Давыденко, О. В. Оптимизация материалов исполнения торовых внутри трубных приводов // Актуальные вопросы науки : Материалы IV Международной научно-практической конференции, г. Москва, 10 января 2012 г. - Москва : Изда тельство «Спутник+», 2012. - С. 22-24.
13. Давыденко, О. В. К вопросу о нагруженном движении торовых приводов в трубопроводе // Актуальные научные проблемы : Материалы IV Всероссийской заочной научно-практической конференции, г. Екатеринбург, 22 декабря 2011 г. Екатеринбург : ИП Бируля Н. И., 2011. - С. 51-53.
14. Давыденко, О. В. Особенности движения торовых внутритрубных приво дов в ходе формирования цементного покрытия // Инновации и современная нау ка: материалы международной заочной научно-практической конференции, г. Но восибирск, 12 декабря 2011 г. - Новосибирск : Изд. «Сибирская ассоциация кон сультантов», 2011. - С.75-79.
15. Давыденко, О. В. Влияние условий твердения цементного раствора на фи зико-механические свойства защитного покрытия, наносимого с использованием торовых внутритрубных приводов // Теория и практика современной науки : мате риалы IV Международной научно-практической конференции, г. Москва, 30 де кабря 2011 г. / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований».
- Москва : Изд-во «Спецкнига», 2011. - С. 120-123.
16. Давыденко, О. В. Определение области наибольшей эффективности приме нения торовых внутритрубных приводов для осуществления покрытия трубопро водов цементными смесями // Теоретические и практические аспекты развития со временной науки : материалы II международной научно-практической конферен ции / Науч.-инф. издат. центр «Институт стратегических исследований». - Москва : Изд-во «Спецкнига», 2011. - С. 93-96.
Давыденко Ольга Васильевна ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ БЕСТРАНШЕЙНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТОРОВЫХ ПРИВОДОВ 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов;
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 29.04.2013г. Заказ № Тираж 100 экз. Печ. л. 1, Формат 60^84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета.
400005, Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28, корп. № 7.