CC BY
75
3/2010 мв.ВЕСТНИК
К ВОПРОСУ ОБОСНОВАНИЯ НЕОБХОДИМОСТИ ЗАБУТОВКИ МЕЖТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ РЕНОВАЦИИ ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ
В.А. Орлов, Р.Е. Хургин, А.В. Пименов
МГСУ
В материале рассматриваются вопросы необходимости цементации межтрубного пространства трубопроводов при бестраншейном ремонте.
The presented information considers the problem of pipeline conservation by trenchless technology for the period of a pumping carburization.
Основной задачей проводимых исследований являлось выяснение целесообразности забутовки цементным или другим раствором межтрубного пространства при реновации ветхих водоотводящих сетей одним из распространенных методов бестраншейной технологии, т.е. путем протаскивания в них (в виде плети с бобины) труб меньшего диаметра. В случае использования в качестве протаскиваемых труб полимерных необходимо обоснование применения забутовки, что обусловлено их специфическими свойствами, которые могут влиять как на прочностные, так и гидравлические показатели работы трубопроводной системы.
Как известно, трубы из полимерных материалов обладают способностью удлинения при увеличении температуры окружающей среды и транспортируемой жидкости. При этом параметр термического (линейного) расширения материала характеризуется величиной коэффициента линейного расширения материала и не зависит от диаметра труб [1].
В пользу необходимости забутовки, например, при протягивании плетей полиэтиленовых труб, прежде всего, следует рассматривать вопросы исключения негативной реакции к сконцентрированной точечной нагрузке, т.е. опиранию трубопровода в каком-либо месте по его длине на жесткий предмет (стенку трубы), что со временем может провоцировать появление и распространение трещин. Кроме того, необходима оценка изменения гидравлических характеристик безнапорных трубопроводов как средства, обеспечивающего эффективную транспортировку сточных вод при возможном искривлении трубопровода за счет его удлинения в условиях отсутствия забутовки. Последнее обстоятельство играет значительную роль в обеспечении требуемых проектом гидравлических показателей потока.
Решение представленных выше задач производилось на примере с использованием теоретических выкладок и результатов натурных экспериментов на полиэтиленовых трубопроводах в лаборатории кафедры водоснабжения МГСУ.
Условие задачи.
Ремонт бестраншейным методом производится на трубопроводе диаметром 150 мм из чугуна путем протаскивания в него полиэтиленового трубопровода внутренним диаметром 95 м и наружным 110 мм. Длина трубопровода (от колодца до колодца) составляет S = 40 м. Перепад температур транспортируемой сточной воды в течение суток составляет At = 40 - 20 = 200C. Коэффициент линейного расширения полиэтилена составляет К = 0,00022 м/"С.
ВЕСТНИК МГСУ
3/2010
Требуется определить:
-величину линейного удлинения трубопровода ЛБ, м;
-возможную конфигурацию удлиненного полиэтиленового трубопровода при расположении в старом трубопроводе при заданных диаметрах труб;
-основные геометрические параметры возможного искажения полимерного трубопровода, т.е. количество и длину изгибов (волн), высоту прогиба над лотком и т.д.;
-последствия удлинения трубопровода с точки зрения изменения гидравлических элементов и влияния на прочностные характеристики трубопроводной системы;
-возможности исключения или сведения к минимуму последствий, связанных с линейным расширением трубопровода. Решение задачи.
Величина линейного удлинения протянутой внутрь старого трубопровода полиэтиленовой трубы начальной длины 40 м определяется по формуле (1):
ДБ = к&Б = 0,00022 • 20 • 40 = 0,176м (1) Таким образом, новая длина полиэтиленового трубопровода с учетом удлинения составит величину Р = 5 + ЛБ = 40,176 м.
Делая предположение о равномерном удлинении трубопровода, выразим величину Р как длину дуги, начальную протяженность трубопровода как хорду Ь = АВ, а хорду / = АМ, что схематично представлено на рисунке 1.
1
3
AB=L АМ-1 ОМ=Ь
Рис. 1. Схематичное изображение исходного положения и виртуального искривления полиэтиленовой трубы в восстанавливаемом трубопроводе 1 - исходное положение полиэтиленового трубопровода; 2 - конфигурация виртуального положения полиэтиленового трубопровода с прогибом после удлинения; 3 - восстанавливаемый
трубопровод
Для определения максимального прогиба или гребня к = ОМ (см. рис. 1), воспользуемся формулой Гюйгенса (2) для длины дуги [2]:
P = 2l + 1(2l - L)
(2)
Так как величина Р известна, преобразуем формулу (2) в формулу (3) для отыскания длины хорды l:
i = — (3)
8
Подставляя в формулу (3) значения известных величин, определяем длину хорды l = АМ = 20,066 м. Далее из прямоугольного треугольника AMO определяем высоту прогиба h = ОМ по формуле Пифагора (4):
h = OM = VAM2 - AO2 =420,0662 - 202 = 1,626м (4)
3/2010 ВЕСТНИК _3/20™_МГСУ
Прогиб к = 1,626 м является виртуальным, так как он выходит за габариты старого трубопровода. Максимально допустимый прогиб в условиях двухтрубной конструкции может составить лишь к = 150 - 110 мм или 0,04 м. В этом случае реальная конфигурация полиэтиленового трубопровода будет иной, а именно с изгибом в виде «змейки» с большим количеством волн (прогибов), как схематично представлено на рисунке 2.
3 1 2
Рис. 2. Примерная конфигурация реального состояния полиэтиленовой трубы внутри восстанавливаемого трубопровода: 1 - искаженный полимерный трубопровод после удлинения; 2 -восстанавливаемый трубопровод; 3 - вершины (волны) прогибов
Для описания новой конфигурации полиэтиленового трубопровода воспользуемся формулой Гюйгенса (2) и определим геометрические параметры «искажения», т.е. реальное количество прогибов (волн) и их высоты. Выдвигая гипотезу о равномерном распределении прогибов, и, что предполагаемая высота прогибов будет одинаковой по длине трубопровода и не превысит 0,04 м, количество волн может составить 1,626 / 0,04 = 40,65 штук. Тогда, условно принимая число расчетных участков в виде равномерных элементарных длин дуги на всей протяженности трубопровода от колодца до колодца в количестве 40 шт.; длина одного деформированного участка составит 40 м /41 = 0,976 м.
Для проверки гипотезы рассмотрим один элементарный деформированный участок длиной 0,976 м (см. рис. 1). Из прямоугольного треугольника AMO длина хорды l = АМ определится по следующей зависимости (5):
l = AM = s] OM2 + AO2 =40,042 + 0,4882 = 0,4896л (5)
Используя формулу Гюйгенса (2), определим длину дуги Р:
P = 2l + 1(2l - L) = 2 • 0,4896 + (2'0,4896 " 0,976) = 0,980266* 3 3
Таким образом, длина дуги составляет величину 0,980266 м, что больше, чем длина участка (хорды) в исходном состоянии, т.е. 0,976м. Разность этих величин соответствует удлинению и составляет 0,004266 м. Расчетная величина удлинения по формуле (1) составляет:
AS = kMS = 0,00022 • 20 • 0,976 = 0,00429м
Таким образом, разница между расчетной 0,00429 и предполагаемой 0,00466 величинами незначительна и составляет менее 0,56 %. Этим доказывается, что количество прогибов (волн) после температурного удлинения полиэтиленового трубопровода составит порядка 40 шт.
В качестве интерпретации полученных результатов следует отметить следующее: используемый для реновации полиэтиленовый трубопровод, подвергаясь линейному удлинению, приобретает конфигурацию «змейки», что отражается на прочностных
характеристиках двухтрубной системы, так как с одной стороны образуется риск появления негативных опор количестве порядка 40 точек распора, что может провоцировать напряжения, ведущие к появлению дефектов на полимерном трубопроводе, а также к повышенным напряжениям на стенку старого трубопровода. Отсюда основным выводом из теоретических предпосылок является необходимость забутовки межтрубного пространства, предотвращающего искривления полимерного трубопровода в пределах габаритов старого.
В целях доказательства необходимости забутовки с точки зрения сохранения гидравлических показателей потока были проведены серии натурных экспериментов на деформированных трубопроводах, имитирующих явления термического удлинения.
Эксперименты проводились на гидравлическом стенде, общий вид которого представлен на рисунке 3.
Рис. 3. Гидравлический стенд с трубопроводом, имеющим искривлённую конфигурацию с двумя волнами
Опыты проводились по специально разработанной методике, включающей определение ряда гидравлических показателей с помощью пьезометров и трубок Пито, установленных соответственно в точках 1 и 2 вблизи от начале и конца трубопровода, имеющего длину 10 м. Гидравлические эксперименты проводились при двух конфигурациях трубопровода: с одним и с двумя волнами и разными величинами гребней.
Исследования проводились в широком диапазоне уклонов трубопровода (0,010,03) как при неизменном, так и различном значении расхода (скорости), измеряемого с помощью ультразвукового расходомера ОКиКБГОБ СИЕ 90-2-2 с регулируемым компьютерным приводом.
Сущность экспериментов на искривленных участках трубопровода состояла в том, чтобы показать картину изменения гидравлических элементов потока жидкости и оценить их последствия для эффективной работы безнапорных водоотводящих сетей, в первую очередь, как причину нарушения их транспортирующей способности. Последнее обстоятельство весьма значимо для обеспечения требуемого гидравлического режима водоотводящих сетей малого диаметра, в частности водоотводящих выпусков из зданий и дворовой сети.
3/2010
ВЕСТНИК .МГСУ
В режиме работы трубопровода с одним прогибом (волной) анализу подлежало выявление закономерностей изменения скоростного напора и наполнения от величины гребня до и после участка деформации при уклонах 0,01 и более и постоянном расходе жидкости. При этом оценке подлежала динамика изменения абсолютных значений данных величин, а также процента их прироста или спада на расчетном участке между 1 и 2 точками. Результаты экспериментов представлены на графиках рисунка 4.
л к с^ с
I
эВ
О р.
§ О
0,75
с
О
о4-
■ 0,25
2,4 2,8 3,4
2 3
Величина гребня, см
Рис. 4. 1, 2 - соответственно кривые прироста скоростного напора и спада наполнения (в абсолютных величинах и в процентах), 3 - кривая подпора (увеличения наполнения) перед первой точкой (в начале прогиба)
Как следует из графиков рисунка 4 (кривая 1), наблюдается значительный прирост скоростного напора: от 12 до 40, 99 % в диапазоне величин гребня 0,8 - 3,4 см. Это, прежде всего, свидетельствует о том, что местная скорость течения после преодоления препятствия возрастает, например, при гребне 3,4 см в 1,18 раз. Однако после препятствия уменьшается наполнение. При этом согласно кривой спада 2 динамика следующая: от 3 до 9,42 %. Кроме того, наличие гребня приводит к подпору перед ним (кривая 3), который образуется при определенной высоте гребня (в экспериментах с уклоном 0,01 при величинах от 1,4 до 2,4 см). Кроме того, уменьшение наполнения в трубопроводе после гребня может оказывать отрицательное влияние на транспортировку грубодисперсных примесей, т.е. не способствует их равномерному перемещению потоком жидкости.
Эксперименты с двумя гребнями на трубопроводе подтвердили негативную динамику изменения гидравлических элементов потока при всех режимах работы трубопровода в диапазонах уклонов 0,01-0,03. Динамика изменения (увеличения) скоростного напора от высоты гребней представлена в таблице 1.
Согласно данным таблицы 1 прослеживается трогая тенденция: увеличение уклона 1 при неизменной высоте гребня, например, для 4,5 см при 1=0,015 и 1=0,02 или 6,5 см при 1=0,02 и 1=0,025 и т.д. приводит к меньшему росту скоростного напора. Аналогичная закономерность прослеживалась при увеличении расхода и неизменном укло-
не. Например, по данным экспериментов на двух волнах при уклоне 1=0,03 и высоте гребня 8,5 см падение скоростного напора составляет 3,4 раза при расходе 15,27 м3/ч, 3,05 раза при расходе 17,02 м3/ч и 2,79 раза при расходе 21,2 м3/ч. Другими словами, увеличение уклона или расхода являются средством своеобразной компенсации искривления трубопровода. Отсюда можно сделать вывод, что наихудшие условия транспортирования сточных вод, очевидно, будут наблюдаться при малых уклонах и диаметрах трубопроводной сети в часы минимального водопотребления.
Таблица 1.
Результаты гидравлических экспериментов при постоянном расходе, различных уклонах и высотах гребней
Уклон трубо- Высота гребня, Скоростной напор Скоростной напор Увеличение скоро-
провода i см в 1-ой точке, см во 2-ой точке, см стного напора, раз
0,01 1,5 5,2 7,80 1,50
3,0 2,8 9,70 3,46
0,015 3,0 5,9 10,4 1,76
4,5 1,8 12,5 6,94
0,02 4,5 6,5 13,2 2,03
5,5 4,5 14,0 3,11
6,5 2,2 15,8 7,18
0,025 6,5 7,3 16,8 2,31
7,5 7,3 17,8 2,43
8,5 2,9 19,1 6,58
0,03 8,5 6,4 19,8 3,40
Таким образом, при наличии нескольких волн и соответственно гребней разной высоты картина течения становится хаотической: скорость пульсирует, наблюдаются локальные области, работающие при полном наполнении, а наполнение уменьшается. Это может привести к тому, что при транспортировке потока реальных сточных вод, содержащих крупногабаритные примеси и песок, возможно образование заторов или появление наносов.
Основным выводом по результатам проведенных исследований является то, что теоретические и экспериментальные разработки подтверждают необходимость забутовки межтрубного пространства, что позволит исключить волнистость трубопровода за счет температурных перепадов и тем самым предотвратить негативные последствия для него с точки зрения гидравлики и прочности конструкции.
Литература
1. Храменков C.B., Примин О.Г., Орлов В.А. / Реконструкция трубопроводных систем // АСВ.-2008.- 215 с.
2. Выгодский М.Я. / Справочник по элементарной математике // Наука.- 1976.- 335 с.
Ключевые слова: трубопровод, цементация, бестраншейная технология, реновация, деформация, прочность, скорость.
Key words: pipeline, carburization, trenchless technology, renovation, deformation, strength, velocity.
Статья представлена редакционным советом «Вестник МГСУ»
E-mail авторов: siemens @yauza.ru
