CC BY
23УДК 628+621.646 doi: 10.23968/2305-3488.2019.24.4.37-46
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ ТРАНСПОРТА ВОДЫ ПОСЛЕ ИХ РЕКОНСТРУКЦИИ
Орлов В. А.
ENSURING PHYSICAL INTEGRITY AND ENERGY SAVING IN WATER TRANSPORT PIPELINE SYSTEMS AFTER THEIR RECONSTRUCTION
Orlov V. A.
Аннотация
Введение. Сформулированы задачи водоканалов по эффективному управлению трубопроводными системами и экологических служб по обеспечению удовлетворительного состояния грунтов и подземных вод вблизи трасс инженерных сетей. Особое внимание отводится обеспечению физической целостности и предотвращению старения трубопроводов транспорта воды. В качестве методов реконструкции трубопроводов обосновано применение бестраншейных технологий с использованием современных набрызгиваемых защитных покрытий на базе органических материалов и полимерных труб с предварительно сжатым поперечным сечением по технологии Swagelining. Методы. Описаны применяемые аналитические и расчетные методы, которые позволяют рекомендовать наиболее востребованный тип защитного покрытия в зависимости от вида дефекта с одновременным достижением эффекта энергосбережения при соблюдении условий гидравлической совместимости отдельных участков старого и нового трубопроводов. Результаты. Приведены и проанализированы результаты расчетов потенциала энергосбережения для конкретных задач реконструкции старого стального трубопровода набрызгиваемыми покрытиями полимерами серии Copon Hycot в различных модификациях, а также полимерных труб. Заключение. Установлены диапазоны изменения внутреннего диаметра нового стального трубопровода после реновации, толщины стенки после операций сжатия-распрямления трубы, динамика потерь напора, среднегодовая экономия электроэнергии на погонный метр и по всей длине трубопровода. Представлены математические зависимости для расчета диаметра и потенциала энергосбережения в случае применения при реконструкции напорных полимерных труб с нестандартным значением SDR.
Ключевые слова: трубы, реконструкция, физическая целостность, потенциал энергосбережения, прочностные свойства.
Abstract
Introduction. The authors set tasks for water service companies, regarding the efficient management of pipeline systems, and environmental services, regarding the assurance of the satisfactory state of soils and groundwater near the routes of utility networks. They pay special attention to ensuring physical integrity in water transport pipelines and preventing their aging. The paper gives a rationale for using trenchless technologies, modern sprayed protective coatings based on organic materials, and polymer pipes with a pre-compressed cross-section applying the Swagelining technology, as methods and tools for reconstructing pipelines. Methods. The paper describes analytical and computational methods used, which make it possible to recommend the most relevant protective coating depending on the type of defect while ensuring energy saving in case certain sections of old and new pipelines are compatible hydraulically. Results. The authors present and analyze results of energy-saving potential calculations for specific problems related to the reconstruction of an old steel pipeline with sprayed coatings of various modifications of Copon Hycote polymers, as well as the reconstruction of polymer pipes. Conclusion. The following characteristics are determined: variation ranges for the internal diameter of a new steel pipeline after renovation, wall thickness after pipe compression and straightening; dynamics of pressure losses; average annual energy savings per linear meter and the entire length of the pipeline. The authors also suggest several equations to calculate the diameter and energy-saving potential in case of using polymer pressure pipes with non-standard SDR values during reconstruction. Keywords: pipes, reconstruction, physical integrity, energy-saving potential, strength properties.
Введение
Общая тема исследований. На повестке дня отечественных и зарубежных водоканалов одной из базовых задач является эффективное управле-
ние магистральными и распределительными трубопроводами систем водоснабжения и водоотве-дения, где первостепенная проблема — защита здоровья потребителя и пользователя [6]. Эко-
логические службы РФ проявляют заботу о предотвращении загрязнений грунтов и подземных вод вблизи трасс инженерных сетей, которые по протяженности более чем на 50 % находятся в неудовлетворительном состоянии [1].
Связанные с экологией проблемы часто находятся, что называется, не на виду, так как городские водопроводная и водоотводящие сети в своем большинстве расположены под землей. Инженерные трубопроводы, подвергаясь старению, приобретают различного типа дефекты, которые приводят к утечкам [13, 19]. Значительные утечки провоцируют такие негативные явления, как подтопление территорий, карстово-суффо-зионные процессы и т. д. Утечки на напорных водопроводных сетях нередко приводят к выходу большого количества воды на рельеф поверхности, что вызывает определенные экологические проблемы и негативный социальный эффект. В связи с этим основным тезисом в плане управления трубопроводными системами должно стать предотвращение дальнейшего ухудшения состояния инженерных сетей. Этому призваны способствовать новые решения, которые обеспечивают не только экономически эффективные методы проектирования, но и оперативный ремонт трубопроводного транспорта при соблюдении условий гидравлической совместимости новых и старых участков сетей. При этом значительная роль должна отводиться экологически безопасным и оперативным бестраншейным технологиям реконструкции и строительства городских инженерных сетей [17].
Восстановление обладающих многочисленными дефектами трубопроводных сетей направлено, прежде всего, на поддержание их физической целостности. Под физической целостностью подразумевается способность сетей противостоять всем видам нагрузок, гарантируя поддержание гидравлических характеристик, а также достижение эффекта энергосбережения (для напорных сетей). С точки зрения управления инженерными сетями и экологической составляющей качество и количество транспортируемых вод независимо от существующей ситуации должно оставаться в рамках проектных решений [15]. При транспортировке воды по трубопроводам не должно наблюдаться явлений инфильтрации и эксфильтрации. В случае утечек из трубопро-
водов, транспортирующих бытовые и производственные сточные воды, наблюдается поступление в почву и подземные воды нежелательных компонентов загрязнителей. При наличии рядом расположенных напорных трубопроводов, имеющих даже незначительные свищи, патогенные микроорганизмы противотоком могут попасть в питьевую воду, что приведет к ее заражению и многочисленным негативным последствиям для здоровья населения. Возникающие течи также провоцируют трудно определяемый и незаметный обмен воды между трубой и окружающим грунтом. Такие процессы могут развиваться в течение дней или десятилетий в зависимости от материалов и местных условий. Определенный негативный вклад вносят и изменения температуры, вызывающие сжатие/расширение и удлинение материала трубопроводов (особенно полимерных) и окружающего грунта, изменение его веса над закопанным трубопроводом. Более того, движение воды в грунте под трубопроводом может вести к вымыванию мелких минеральных фракций и созданию малых или больших пустот под трубой. В таком случае силу, действующую на верхнюю часть трубы по направлению вниз, должна принимать на себя сама труба, без поддержки материала снизу. Если такая сила превышает предел прочности трубы, в трубопроводе могут возникнуть прогибы и даже переломы отдельных труб. Чаще всего такие разрывы возникают в самых слабых точках трубы, т. е. в местах соединений.
Необходимо отметить, что физическая целостность сетей постоянно находится в состоянии изменения, в первую очередь старения. В связи с этим необходимо учитывать ряд факторов, таких как: материал, из которого изготовлены трубы, возраст трубопроводов, наличие/отсутствие давления воды, количество и характер дефектов, взаимное расположение трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения и т. д. Основываясь на перечисленных показателях, специалистами могут быть предложены соответствующие методы ремонта, в основе которых также должны быть заложены принципы гидравлической совместимости участков старого и восстановленного трубопровода.
Типовым решением описанных выше проблем может стать оперативное нанесение на
внутреннюю поверхность ветхого трубопровода внутренней обделки (облицовки, изоляции, защитных покрытий) преимущественно из полимерных и композиционных материалов [2].
Цели и задачи работы состоят в исследовании возможности применения для ремонта напорных трубопроводов бестраншейных технологий нанесения на их внутреннюю поверхность двух типов защитных покрытий (набрызгиваемых облицовок и протаскиваемых полимерных труб) и достижения эффекта энергосбережения при транспортировке воды.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в исследовании гидравлических показателей защитных покрытий, способствующих достижению эффекта ресурсо- и энергосбережения.
В наиболее известных и значимых публикациях по данной тематике [8, 9, 10, 12, 16, 20] отражается комплекс вопросов эффективности применения набрызгиваемых покрытий и сравнения их с альтернативными, использования для ремонта различного типа полимерных труб с круглыми и деформированными профилями с учетом стоимостных показателей и специфических технологических аспектов реконструкции при использовании бестраншейных методов.
Нерешенной проблемой является определение потенциальных возможностей защитных покрытий в плане достижения ресурсо- и энергосбережения в напорных трубопроводах.
Методы и материалы.
Базовый метод исследований — аналитический, состоящий в описании перспективных набрызгиваемых и сплошных (в виде полимерных труб) защитных материалов для восстанавливаемых трубопроводов. Также используется расчетный метод для обоснования достижения эффекта энергосбережения при использовании защитных покрытий.
1. Анализ прочностных и гидравлических характеристик перспективных защитных покрытий, обеспечивающих ресурсосбережение.
К числу перспективных набрызгиваемых (напыляемых) на внутреннюю поверхность трубопроводов относятся быстро отверждаемые органические покрытия. В последние годы эти покрытия составили конкуренцию цементно-пес-
чаным облицовкам благодаря ряду показателей, к которым, в первую очередь, можно отнести возможность эффективной локализации свищей (сквозных отверстий) и трещин размерами до 5 мм в трубах из различных материалов (сталь, чугун, хризотилцемент и т. д.). Кроме того, органические покрытия позволяют увеличить несущую способность восстанавливаемых трубопроводов, что резко отличает их от цементно-песча-ных облицовок, наносимых в полевых условиях только на внутреннюю поверхность стальных трубопроводов.
Необходимо отметить, что защитные покрытия наносятся на старые трубопроводы, относящиеся к первому или второму классам состояния системы «старая труба-грунт», когда действующие трубопроводы обладают несущими способностями (т. е. их кольцевая жесткость соответствует условиям эксплуатации), но могут иметь продольные трещины и свищи при овализации до 5 % [2].
В основе операций по центробежному на-брызгу лежит использование двухкомпонент-ного полимера Copon Hycot (100 % алифатический изоцианатный полиуретан). Типичными представителями серии полимера Copon Hycot являются модификации Scotchkote 169 НВ и Scotchkote Liner 2400, а также Scotchkote™ 165 HB, Scotchkote™ 352 и Scotchkote 226N/226N+ [11].
К преимуществам покрытия Scotchkote 169 НВ относится то, что отверждение (полимеризация смол) до степени «сухой на отлив» происходит за 1 минуту, и через 1 час трубопровод можно вводить в эксплуатацию. Покрытие обладает высокой стойкостью к абразивному воздействию. Технология позволяет наносить покрытия толщиной до 5 мм за один проход. При необходимости возможно повторное неоднократное нанесение покрытия, что также отличает его от цементно-песчаного. После нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода значительно улучшаются гидравлические характеристики восстановленной трубопроводной системы, что способствует достижению эффекта энергосбережения. На рис. 1 представлен фрагмент отрезка трубы с нанесенным покрытием.
Необходимо отметить, что несмотря на общую природу исходного материала покрытий
Scotchkote 169 HB и Scotchkote Liner 2400, а также схожесть в процессах нанесения этих покрытий, существует ряд различий в областях использования и особенностях применения при ремонте трубопроводов. В частности, покрытие Scotchkote Liner 2400 по сравнению с Scotchkote 169 HB позволяет санировать чугунные трубы со слоем ЦПП и даже поливинилхлоридные (ПВХ). Диапазон толщины покрытия за один проход составляет 1,2-2,75 мм.
По своим физико-механическим параметрам покрытие Scotchkote 169 HB после процесса полимеризации на стенке старого трубопровода наиболее близко к трубопроводам из полиэтилена низкого давления (ПНД). В свою очередь, покрытие Scotchkote Liner 2400 наиболее близко по своим физико-механическим характеристикам к трубам из поливинилхлорида (ПВХ).
Покрытие Scotchkote™ 352, в отличие от покрытия Scotchkote™ 165 HB, применяется для наружной антикоррозионной защиты трубопроводов, емкостей, соединительных деталей и задвижек. Оно может наноситься на внутреннюю поверхность трубопровода в полевых или заводских условиях. Срок службы покрытия оценивается более чем в 30 лет. Покрытие полимеризируется даже при отрицательных температурах. Оптимальная температура окружающей среды для нанесения и отверждения покрытия от -10 до +35 °С. Высыхание до исчезновения липкости составляет 10-15 мин при температуре до 20 °С.
Покрытие Scotchkote 226N/226N+ представляет собой однокомпонентный порошковый ма-
Рис. 1. Образец двухслойной конструкции на основе стальной трубы и набрызгиваемого покрытия серии Copon Hycot с ярко выраженной гладкой внутренней поверхностью
териал, затвердевающий под действием тепла, и предназначено для защиты труб от коррозии. При условии правильного нанесения оно должно сохранять удовлетворительные свойства на трубах, эксплуатируемых при температурах от -73 до 110 °С.
К другому конкурирующему с цементно-песчаной облицовкой типу внутренних органических покрытий можно отнести напыляемое покрытие Subcote FLP. При толщине защитного покрытия 3 мм (с нанесением одним слоем) в диапазоне диаметров 100-1200 мм оно способно перекрывать сквозные отверстия (свищи) диаметром до 8 мм, а также кольцевые и продольные трещины и зазоры стыковых соединений шириной до 7 мм. Время образования защитной пленки составляет 6 минут, а время отверждения (для возможности проведения телеинспекции) — 12 минут. Суммарное время полимеризации покрытия составляет 60 минут. На рис. 2 представлен фрагмент отрезка трубы с нанесенным покрытием Subcote FLP.
Рассмотренные выше набрызгиваемые покрытия имеют экспертное заключение о соответствии продукции Единым санитарно-эпидемиологическим и гигиеническим требованиям к товарам, которые могут быть нанесены на внутреннюю поверхность трубопроводов в системах хозяйственно-питьевого назначения.
Необходимо отметить, что в последние годы на строительном рынке появились новые типы эпоксидных покрытий, которые следует рассматривать в качестве конкурентов вышеназванным
Рис. 2. Покрытие Subcote FLP на стальном трубопроводе
органическим покрытиям в тех случаях, если трубопровод сохранил несущую способность. Это объясняется тем, что при нанесении эпоксидных покрытий (пневматическим или безвоздушным напылением) толщина его не превышает 250 мкм, т. е. диаметр трубопровода не изменяется. Покрытия водостойки и защищают материалы от коррозии. Они обладают хорошим сцеплением с влажной или даже мокрой поверхностями. Время полимеризации покрытий составляет от 6 до 24 ч в зависимости от температуры поверхности. К таким покрытиям относятся, например, EPO-CHEMTMRS 500 P, EPO-CHEMTMRL 500 PF, EPO-CHEMTMRS 500 M, производимые компанией Chemco International (Шотландия) и поставляемые на российский рынок ООО «Умные Поверхности» [5].
Конкурентами набрызгиваемых покрытий являются полимерные трубы, которые с помощью бестраншейных технологий протягиваются внутрь старого трубопровода, локализуя различного типа дефекты и повышая его несущую способность [14, 18].
Позитивной стороной данного метода бестраншейной реновации является то, что он имеет множество модификаций, например, протягивание труб с U-образным и С-образным профилями с последующим их распрямлением и плотным прижатием к внутренней стенке старого трубопровода. Это позволяет незначительно уменьшить живое (проходное) сечение восстанавливаемого трубопровода при одновременном снижении величины коэффициента гидравлического трения X и коэффициента удельного сопротивления А.
Среди конкурирующих технологий использования полимерных труб, протягиваемых в восстанавливаемый трубопровод и позволяющих обеспечить эффект энергосбережения прежде всего следует отметить методы по технологиям Swagelining и U-liner. Метод Swagelining заключается в протягивании предварительно сжатой по всему сечению круглой трубы (без ее удлинения) с последующим распрямлением в старом трубопроводе в течение некоторого времени. Распрямление трубы происходит без образования межтрубного пространства (кольцевого зазора). При этом обеспечивается ее плотное прилегание к внутренней поверхности старого трубопрово-
да и несущественное уменьшение его диаметра. Старый трубопровод используется как направляющий каркас и может служить дополнительной защитой (футляром).
Необходимо отметить, что технология Swagelining — безусловный лидер среди альтернативных методов реновации трубопроводов в диапазоне диаметров 100-1200 мм методом протягивания в целях достижения эффекта энергосбережения. Дополнительным преимуществом технологии Swagelining вместе с использованием номенклатуры полиэтиленовых труб с различными значениями SDR (отношение диаметра к толщине стенки) является возможность получения широкой гаммы внутренних диаметров на восстанавливаемом участке трубопровода после реконструкции.
2. Метод определения эффекта энергосбережения и его реализация при использовании альтернативных ремонтных материалов.
В основе метода расчета экономии электроэнергии на единицу длины ветхого трубопровода ДЭ1 м (т. е. потенциала энергосбережения, кВт^ч) при его реконструкции альтернативными материалами может быть использована следующая модифицированная формула:
9,81- Q3(Aciao - AHOB ) ДЭ1м = -- ^тар-— 24 - 365, (1)
"Лнас.устан
где 9,81 — ускорение свободного падения, м/с2; Q — расход подаваемой трубопроводом воды, м3/с; п — коэффициент полезного действия
' 'нас. устан т т
насосной установки; 24 — количество часов работы насоса в сутки, ч; 365 — количество дней в году; А , А — соответственно эмпирические
J ' стар' нов Г
значения удельного сопротивление старого трубопровода и защитного покрытия (новой трубы).
Ниже в качестве примера приведены результаты расчета экономии электроэнергии при реконструкция старого стального трубопровода следующими набрызгиваемыми ремонтными материалами:
- покрытиями Scotchkote 169 НВ и Scotchkote 2400 (то же А3сиб9 = а0008^-5,19 и а3с0400 = = 0,00095d*-5,19);
- покрытием Subcote FLP (то же
Ачь = 0,0008d*-5,1883).
Subc. ' '
При этом во всех случаях коэффициент удельного сопротивления стального трубопровода
рассчитывался по формуле А = 0,0017 d-5,1359
Г т Г J сталь
[7]. Эмпирические формулы для удельных сопротивлений А для вышеуказанных защитных покрытий и полимерных труб определялись в ходе экспериментов на гидравлическом стенде, установленном в лаборатории кафедры «Водоснабжение и водоотведение» НИУ МГСУ [3].
Расчеты произведены на единицу длины ветхого стального трубопровода ДЭ1 м для соответствующих массивов диаметров и скоростей, коэффициенте полезного действия насосной установки 0,95 и различной проектной толщине стенки m защитных покрытий. Уменьшение величины внутреннего диаметра ed после реконструкции подсчитывалось по формуле d* = d - 2m.
В таблицах 1 и 2 приведены расчетные значения при реконструкции стального трубопровода соответственно покрытиями Scotchkote 169 НВ и Scotchkote 2400. В целях унификации подхода к оценке потенциала энергосбережения условно приняты величины толщины стенок в диапазоне 0,002-0,006 м с шагом 0,002 м.
В табл. 3 представлены расчетные значения при реконструкции стального трубопровода покрытием Subcote FLP.
В отношении оценки динамики изменения потенциала энергосбережения при реконструкции ветхих стальных трубопроводов полимерными трубами (в широком диапазоне SDR) использовалась разработанная автором в составе научного коллектива автоматизированная программа [4].
В качестве примера работы автоматизированного комплекса в табл.4, а также в графическом виде представлены: анализ динамики изменения потенциала энергосбережения (рис. 3) и внутреннего диаметра (рис. 4) при реконструкции стального трубопровода диаметром d = 500 мм по технологии Swagelining с использованием полимерных труб ПЭ 100 с наружным диаметром 0,56 м. Также проводились аналогичные расчеты при диаметрах полимерных труб 0,63 и 0,71 м.
Коэффициент удельного сопротивления рассчитывался по формуле АПЭ 100 = 0,0004а?-5,7276, а величина расхода принята равной 0,21 л/с при КПД насосной установки 0,95.
Результаты и обсуждение
Анализируя данные табл. 1-3 можно констатировать, что абсолютные значения потенциала энергосбережения ДЭ1 м весьма близки для рассматриваемых видов набрызгиваемых покрытий органического происхождения при широкой гамме их толщины (0,002-0,006 м). Отсюда в качестве выводов из комплексного анализа расчетных данных следует отметить, что с точки зрения достижения эффекта энергосбережения рассмотренные защитные покрытия могут быть оценены как практически идентичные. Также следует отметить, что в данной ситуации потенциал энергосбережения не является критерием предпочтения того или иного материала защитного покрытия при выборе его в качестве ремонтного материала. Главенствующие значение при определении
Таблица 1
Изменение величины потенциала энергосбережения в динамике при реконструкции стального трубопровода покрытием Эс&сЬкМе 169 НВ для Л3с1169 = 0,0008сТ-5'19
Условный внутренний диаметр d, м Расход воды Q, м3/с ДЭ1 м, кВтч в год при толщине стенки m, м
0,002 0,003 0,004 0,005 0,006
0,1 0,01025 9,661 7,937 5,975 3,728 1,15
0,2 0,03425 12,476 10,993 10,195 9,344 8,436
0,25 0,053 14,12 13,445 12,734 11,987 11,2
0,3 0,076 16,525 15,895 15,237 14,551 13,835
0,4 0,134 20,951 20,383 19,789 19,194 18,57
0,5 0,21 25,805 25,265 24,711 24,143 23,561
0,6 0,298 29,013 28,519 28,014 27,499 26,973
0,7 0,392 29,98 29,55 29,113 28,667 28,214
0,8 0,51 33,291 32,879 32,46 32,035 31,603
0,9 0,64 35,948 35,557 35,16 34,758 34,351
1,0 0,79 39,363 38,981 38,595 38,204 37,807
1,2 1,14 46,361 45,992 45,619 45,242 44,861
Изменение величины потенциала энергосбережения в динамике при реконструкции трубопровода покрытием Scotchkote 2400 для А. = 0,00095сТ-5'19
Таблица 2 стального
Условный внутренний диаметр d, м Расход воды б, м3/с ДЭ1м, кВт ч в год при толщине стенки m, м
0,002 0,003 0,004 0,005 0,006
0,1 0,01025 6,864 4,82 2,488 -0,179 -3,24
0,2 0,03425 9,17 8,285 7,338 6,327 5,249
0,25 0,053 11,195 10,393 9,55 8,662 7,727
0,3 0,076 13,224 12,475 11,694 10,879 10,029
0,4 0,134 16,955 16,282 15,586 14,869 14,128
0,5 0,21 21,026 20,385 19,727 19,052 18,361
0,6 0,298 23,748 23,161 22,562 21,95 21,326
0,7 0,392 24,623 24,112 23,592 23,063 22,524
0,8 0,51 27,413 26,923 26,426 25,922 25,409
0,9 0,64 29,663 29,198 28,727 28,25 27,766
1,0 0,79 32,537 32,084 31,625 31,16 30,689
1,2 1,14 38,426 37,988 37,545 37,097 36,645
метода реконструкции приобретают, прежде всего, прочностные характеристики альтернативных строительных материалов и способность их к локализации тех или иных дефектов на ветхих трубопроводах (габариты сквозных отверстий, длина и ширина щелей).
Как свидетельствуют данные табл. 4, внутренний диаметр нового трубопровода после реновации составит от 395,66 до 477,49 мм в рассматриваемой гамме значений SDR. При этом потенциальный эффект энергосбережения при использовании для реконструкции полимерных труб наблюдается в разной степени для всех значений SDR, кроме труб с SDR 11, где АЭ1м при-
нимает отрицательное значение -17,387 кВтч на
I пог. м в год. В данном случае полимерный трубопровод после операций сжатия-расширения приобретает такой внутренний диаметр (395,66 мм), что приводит к значительному сужению проходного сечения трубопровода и росту потерь напора (1,786 м) по сравнению с базовым вариантом (1,351 м). Отсюда следует, что труба с SDR
II не может рекомендоваться как экономичный вариант в плане снижения затрат на электроэнергию при транспортировке воды. Полученные математические (логарифмические) зависимости, представленные на рис. 3 и 4, целесообразно использовать при расчете диаметра и потенциала
Изменение величины потенциала энергосбережения в динамике при реконструкции трубопровода покрытием Subcote FLP для А3иЬс = 0,0008сТ-5'1883
Таблица 3 стального
Условный внутренний диаметр d, м Расход воды б, м3/с ДЭ1м, кВтч в год при толщине стенки m, м
0,002 0,003 0,004 0,005 0,006
0,1 0,01025 9,719 8,005 6,05 3,813 1,247
0,2 0,03425 11,779 11,033 10,238 9,389 8,484
0,25 0,053 14,157 13,484 12,775 12,03 11,245
0,3 0,076 16,562 15,933 15,276 14,592 13,878
0,4 0,134 20,984 20,418 19,834 19,23 18,608
0,5 0,21 25,836 25,296 24,743 24,176 23,595
0,6 0,298 29,038 28,544 28,04 27,526 27,0
0,7 0,392 29,998 29,568 29,131 28,686 28,233
0,8 0,51 33,303 32,891 32,474 32,048 31,716
0,9 0,64 35,954 35,563 35,167 34,765 34,358
1,0 0,79 39,364 38,982 38,595 38,204 37,808
1,2 1,14 46,348 45,979 45,606 45,229 44,848
Таблица 4
Сводные расчетные данные для варианта при диаметре стального трубопровода
0,5 м и полимерного 0,56 м
Расчетные величины Величины SDR
11 17 21 26 33 41 50
Внутренний диаметр нового трубопровода после реновации d , мм Г ^^ вн. нов' 395,66 432,44 446,04 456,58 465,47 472.29 477,49
Толщина стенки после операций сжатия-распрямления трубы х, мм 52,17 33,78 26,98 21,71 17,26 13,86 11,25
Потери напора: до реновации (в старом трубопроводе) Нвн стар, м 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351 1,351
после реновации в новом трубопроводе Нп нов, м 1,786 1,073 0,899 0,786 0,704 0,648 0,608
Среднегодовая экономии электроэнергии, кВт-ч: на погонный метр трубопровода ДЭ1 м -17,38 11,102 18,082 22,583 25,872 28,12 29,698
по всей длине трубопровода Э! -8693,7 5551,2 9041,2 11291,5 12935,8 14060,1 14848,9
ственно 0,63 и 0,71 м прослеживаются аналогичные результаты по динамике изменения исследуемых показателей. Однако в случае применения для реконструкции трубы диаметром 0,71 м значение ДЭ1м становится отрицательным при SDR 17. Другими словами, диапазон применения трубы диаметром 0,71 м при необходимости достижения экономии электроэнергии возможен лишь при SDR 21 и более.
Заключение
1. Проведен краткий обзор значимости ресур-со- и энергосбережения, а также экологической составляющей при решении вопросов реконструкции инженерных сетей транспорта воды.
2. Представлена аналитическая информация об используемых современных защитных покрытиях трубопроводов (серии полимера Copon Hycot в различных модификациях), а также протаскиваемых полимерных труб по технологии Swagelining, обеспечивающих эффект ресурсо- и энергосбережения при транспортировке воды по напорным трубопроводам.
3. С использованием автоматизированной программы получены расчеты эффекта энергосбережения после работ по бестраншейной реконструкции ветхих трубопроводов в зависимости от толщины стенки набрызгиваемых покрытий и широкого диапазона величин SDR протаскиваемых труб. Применяемые эмпирические формулы для удельных сопротивлений защитных покрытий и полимерных труб заимствованы из проведенных ранее экспериментов автором
d = 52,443Ln(SDR) + 279,69 R2 = 0,9462
600
ф
| 500
te s- 400 2 ^ m s
Ü §■ 300
11200 100 0
т
Логарифмическая зависимость
10
20 30 Величина SDR
40
50
60
Рис. 3. Динамика изменения внутреннего диаметра от величины SDR
Э = 16,547Ln(SDR) - 33,29 R2 = 0,9354
Логарифмическая зависимость
20 30 40
Величина SDR
Рис. 4. Динамика изменения потенциала энергосбережения от величины SDR
энергосбережения в случае применения при реконструкции напорных сетей полимерных труб с нестандартными значениями SDR.
Для других вариантов реконструкции стального трубопровода диаметром 0,5 м и диаметрах протаскиваемого в него полимерного соответ-
0
на гидравлическом стенде лаборатории кафедры «Водоснабжение и водоотведение» НИУ МГСУ.
4. Проведена комплексная оценка динамики изменения потенциала энергосбережения и внутреннего диаметра при реконструкции стального трубопровода диаметром d = 500 мм по технологии Swagelining с использованием полимерных труб ПЭ 100 в диапазоне их диаметров 0,56-0,71 м и выявлены значения SDR труб, при которых достигается эффект энергосбережения.
5. Получены математические зависимости для расчета диаметра и потенциала энергосбережения в случае применения при реконструкции напорных сетей нестандартных значений SDR полимерных труб.
Литература
1. Белякова, Е. В. и Головин, К. А. (2009). Современные бестраншейные технологии. Известия Тульского государственного университета. Естественные науки, № 3. сс. 238-244.
2. Захаров, Ю. С. и Орлов, В. А. (2017). Восстановление водоотводящих сетей полимерными рукавами. M.: Русайнс, 108 с.
3. Орлов, В. А. (2015). Трубопроводные сети. Автоматизированное сопровождение проектных разработок. СПб.: Издательство Лань, 159 с.
4. Орлов, В. А., Зоткин, С. П., Зоткина, И. А. и Хренов, К. Е. (2014). Расчет параметров работы напорных трубопроводов, восстанавливаемых предварительно сжатыми полимерными трубами. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612753 от 06.03.2014 по заявке 2014610231 от 10.01.2014.
5. Салтыков, Е. В. (2016). Эпоксидные покрытия на смену коррозии. Бурение и нефть, № 11, сс. 48-50.
6. Храменков, С. В. (2012). Время управлять водой. М.: Московские учебники и картолитография, 280 с.
7. Шевелев, Ф. А. (2013). Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб. M.: Книга по требованию, 116 с.
8. Batchelor, C., Ratna Reddy, V., Linstead, C., Dhar, M., Roy, S. and May, R. (2014). Do water-saving technologies improve environmental flows? Journal of Hydrology, Vol. 518, Part A, pp. 140-149. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2013.11.063.
9. Bruce, W. A. (2015). Comparison of fiber-reinforced polymer wrapping versus steel sleeves for repair of pipelines. In: Karbhari, V. M. (ed.) Rehabilitation of Pipelines Using Fiber-reinforced Polymer (FRP) Composites, pp. 61-78. DOI: 10.1016/B978-0-85709-684-5.00004-7.
10. Bykowski, J., Jakubowicz, J. and Napierala, M. (2013). Analiza finansowa zaj^cia pasa drogowego w robotach sieciowych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, No. 8, рр. 321-327.
11. Cruz, C. and De Souza, E. M. (2012). Spray applied coatings for the rehabilitation of drinking water pipelines. In:
30th International NO-DIG Conference and Exhibition 2012, Sao Paulo (Brazil), pp. 200-206.
12. Huang, Q., Wang, J. and Li, Y. (2017). Do water saving technologies save water? Empirical evidence from North China. Journal of Environmental Economics and Management, Vol. 82, pp. 1-16. DOI: 10.1016/j.jeem.2016.10.003.
13. Kuliczkowski, A. (2012). Renowacja czy rekonstrukcja na przykladzie przewodow wodociqgowych i kanalizacyjnych. INSTAL, No. 1, pp. 46-49.
14. Kuliczkowski, A. (2014). Trwalosc rozwiqzan stosowanych w budowie i odnowie przewodow kanalizacyjnych. INSTAL, No. 3, pp. 54-56.
15. Maslak, V., Nasonkina, N., Sakhnovskaya, V., Gutarova, M., Antonenko, S. and Nemova, D. (2015). Evaluation of technical condition of water supply networks on undermined territories. Procedia Engineering, Vol. 117, pp. 980-989. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.206.
16. Pridmore, A. B. and Ojdrovic, R. P. (2015). Trenchless repair of concrete pipelines using fiber-reinforced polymer composites. In: Karbhari, V. M. (ed.) Rehabilitation of Pipelines Using Fiber-reinforced Polymer (FRP) Composites, pp. 17-38. DOI: 10.1016/B978-0-85709-684-5.00002-3.
17. Rabmer-Koller, U. (2011). No-dig technologies — innovative solution for efficient and fast pipe rehabilitation. In: 29th International NO-DIG Conference and Exhibition, NO-DIG Berlin, Paper 2C-1, pp. 1-10.
18. Rameil, M. (2007). Handbook of pipe bursting practice. Essen: Vulkan Verlag. 351 p.
19. Tsyss, V. G. and Sergaeva, M. Yu. (2016). Finite element analysis of discharge antivibrational pipe stress state of the piping system flexible joint. Procedia Engineering, Vol. 152, pp. 251-257. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.699.
20. Wei, G., Xu, R.-Q. and Huang, B. (2005). Analysis of stability failure for pipeline during long distance pipejacking. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, Vol. 24, No. 8, pp. 1427-1432.
References
1. Belyakova, E. V. and Golovin, K. A. (2009). Modern trenchless technologies. News of the Tula State University. Natural Sciences, No. 3. pp. 238-244.
2. Zakharov, Yu. S. and Orlov, V. A. (2017). Rehabilitation of drain and sewer systems with polymer hoses. Moscow: RuScience, 108 p.
3. Orlov, V. A., Zotkin, S. P., Zotkina, I. A. and Khrenov, K. E. (2014). Calculating the operating parameters of pressure pipelines rehabilitated using pre-compressed polymer pipes. Certificate of state software registration No. 2014612753 dd. 06.03.2014 on application No. 2014610231 dd. 10.01.2014.
4. Orlov, V. A. (2015). Pipeline networks. Automated support for project development. Saint Petersburg: Lan Publishing House, 159 p.
5. Saltykov, E. V. (2016). Epoxy coatings — the change of corrosion. Drilling and Oil, No. 11, pp. 48-50.
6. Shevelev, F. A. (2013). Tables for the hydraulic analysis of steel, cast-iron, asbestos-cement, plastic and glass water pipes. Moscow: Kniga po Trebovaniyu, 116 p.
7. Khramenkov, S. V. (2012). Time to manage water. Moscow: Moskovskiye Uchebniki I Kartolitographiya, 280 p.
8. Batchelor, C., Ratna Reddy, V., Linstead, C., Dhar, M., Roy, S. and May, R. (2014). Do water-saving technologies improve environmental flows? Journal of Hydrology, Vol. 518, Part A, pp. 140-149. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2013.11.063.
9. Bruce, W. A. (2015). Comparison of fiber-reinforced polymer wrapping versus steel sleeves for repair of pipelines. In: Karbhari, V. M. (ed.) Rehabilitation of Pipelines Using Fiber-reinforced Polymer (FRP) Composites, pp. 61-78. DOI: 10.1016/B978-0-85709-684-5.00004-7.
10. Bykowski, J., Jakubowicz, J. and Napierala, M. (2013). Analiza finansowa zaj^cia pasa drogowego w robotach sieciowych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, No. 8, pp. 321-327.
11. Cruz, C. and De Souza, E. M. (2012). Spray applied coatings for the rehabilitation of drinking water pipelines. In: 30th International NO-DIG Conference and Exhibition 2012, Sao Paulo (Brazil), pp. 200-206.
12. Huang, Q., Wang, J. and Li, Y. (2017). Do water saving technologies save water? Empirical evidence from North China. Journal of Environmental Economics and Management, Vol. 82, pp. 1-16. DOI: 10.1016/j.jeem.2016.10.003.
13. Kuliczkowski, A. (2012). Renowacja czy rekonstrukcja na przykladzie przewodow wodociqgowych i kanalizacyjnych. INSTAL, No. 1, pp. 46-49.
14. Kuliczkowski, A. (2014). Trwalosc rozwiqzan stosowanych w budowie i odnowie przewodow kanalizacyjnych. INSTAL, No. 3, pp. 54-56.
15. Maslak, V., Nasonkina, N., Sakhnovskaya, V., Gutarova, M., Antonenko, S. and Nemova, D. (2015). Evaluation of technical condition of water supply networks on undermined territories. Procedia Engineering, Vol. 117, pp. 980-989. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.206.
16. Pridmore, A. B. and Ojdrovic, R. P. (2015). Trenchless repair of concrete pipelines using fiber-reinforced polymer
composites. In: Karbhari, V. M. (ed.) Rehabilitation of Pipelines Using Fiber-reinforced Polymer (FRP) Composites, pp. 17-38. DOI: 10.1016/B978-0-85709-684-5.00002-3.
17. Rabmer-Koller, U. (2011). No-dig technologies — innovative solution for efficient and fast pipe rehabilitation. In: 29th International NO-DIG Conference and Exhibition, NO-DIG Berlin, Paper 2C-1, pp. 1-10.
18. Rameil, M. (2007). Handbook of pipe bursting practice. Essen: Vulkan Verlag. 351 p.
19. Tsyss, V. G. and Sergaeva, M. Yu. (2016). Finite element analysis of discharge antivibrational pipe stress state of the piping system flexible joint. Procedia Engineering, Vol. 152, pp. 251-257. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.07.699.
20. Wei, G., Xu, R.-Q. and Huang, B. (2005). Analysis of stability failure for pipeline during long distance pipe jacking. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, Vol. 24, No. 8, рр. 1427-1432.
Автор
Орлов Владимир Александрович, д-р техн. наук, профессор
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Москва, Россия
E-mail: orlov950@yandex.ru
Author
Orlov Vladimir Aleksandrovich, Dr. of Engineering, Professor
National Research University Moscow State University of Civil Engineering, Moscow, Russia
E-mail: orlov950@yandex.ru
