CC BY
45
УДК 628.14
В.А. Орлов, О.Г. Примин*, В.И. Щербаков**
ФГБОУВПО «МГСУ», *ОАО «МосводоканалНИИпроект», **ФГБОУВПО «ВГАСУ»
ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТРУБОПРОВОД — ПОЛИМЕРНЫЙ РУКАВ
Приведены результаты исследований по разработке базовых критериев и основных методических подходов к расчету и проектированию восстановительных работ по реконструкции инженерных сетей полимерным рукавом.
Ключевые слова: методика, алгоритм, автоматизированная программа, гидравлические параметры, трубопроводы напорные, трубопроводы безнапорные, полимерный рукав
Старение и значительный износ трубопроводов сетей водоснабжения и водоотве-дения городов России требуют эффективных мер по их оперативной реконструкции и модернизации [1]. В последние десятилетия в сфере строительства, ремонта и реконструкции городских коммунальных трубопроводов активизировалось новое направление, получившее название бестраншейной технологии строительства (прокладки) новых и восстановления (реконструкции) старых (ветхих) трубопроводов. Применение методов бестраншейного ремонта и реконструкции трубопроводов городских водопроводных и канализационных сетей (санация труб) является особенно актуальным для Москвы — крупнейшего города-мегаполиса с высокой плотностью застройки, развитой инфраструктурой, интенсивными транспортными потоками, а также высокой скученностью трубопроводных коммуникаций в подземном пространстве.
Согласно передовому зарубежному опыту, одним из наиболее перспективных методов восстановления напорных и самотечных трубопроводов является нанесение на их внутреннюю поверхность гибких полимерных защитных покрытий (рукавов), которые после отверждения (полимеризации) позволяют значительно продлить срок службы трубопровода и обеспечивают требуемую несущую способность на установленный период эксплуатации. Выбор того или иного защитного покрытия должен обосновываться по результатам технической диагностики подлежащих восстановлению участков трубопроводов и заключения технической экспертизы по состоянию объекта реконструкции [2].
В каждом конкретном случае рассмотрению подлежат материал изготовления трубопровода и степень его износа, определяемая по остаточной толщине стенки, протяженность ремонтного участка, его диаметр, вид транспортируемой среды, окружающая наземная и подземная инфраструктура, тип грунтов, наличие подземных вод и ряд других факторов. Следует отметить, что, несмотря на наличие определенного опыта и ряда полезных наработок по использованию полимерных рукавов для ремонта трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения городов России, в настоящее время отсутствует унифицированная методика и нормативная документация по прочностному расчету трубопроводов для определения параметров реконструкции полимерным рукавом.
Материал и толщина стенки полимерного рукава зачастую подбираются практически интуитивно без детального рассмотрения и учета прочностных, эксплуатационных и дестабилизирующих надежность труб факторов (напоры, наполнения, глубины залегания, негативное воздействие окружающих грунтов и подземных вод и т.д.). С учетом этого, в МГСУ совместно с ОАО «МосводоканалНИИпроект» и ВГАСУ разработаны базовые критерии и основные методические подходы к расчету и проектиро-
© Орлов В.А, Примин О.Г., Щербаков В.И, 2012
15
ВЕСТНИК г/2о12_
ванию восстановительных работ по реконструкции инженерных сетей полимерным рукавом.
Основу прочностного расчета полимерного рукава, работающего как одно целое с ремонтным участком старого трубопровода независимо от материала его изготовления, составляет оценка допустимых растягивающих напряжений в лотковой части трубы и предельных прогибов в своде при воздействии собственного веса трубы, напряжений от внутреннего наполнителя. Необходимо отметить, что прочностной расчет двухслойных конструкций весьма трудоемок, так как оценка несущей способности зависит от множества обстоятельств, связанных не только с прочностными показателями полимерного рукава и конкретного состояния трубопровода, но и с учетом ряда внешних дестабилизирующих факторов (глубины залегания трубы, уровня грунтовых вод, наличия транспортной нагрузки и т.д.).
Это требует создания специальных программ для ЭВМ. Такая программа «Рукав» разработана на кафедре водоснабжения МГСУ и нашла применение в МГУП «Мосво-доканал».
Ниже в качестве примера приведен алгоритм прочностного расчета двухслойной конструкции чугун + полимерный рукав (напорный режим) и примеры реализации программы «Рукав» по расчету данной конструкции для двух эксплуатационных состояний (ненарушения и нарушения несущей способности трубопроводов).
В первом эксплуатационном состоянии конструкция чугун + полимерный рукав деформируется, не разделяясь по слоям, имея расчетную толщину стенки С, м, приведенную к толщине стенки чугунной трубы Сч , м, диаметром Д м, по формуле
с = сч + сп (1)
Еч
где Сп — толщина полимерного рукава, м; Еч — модуль деформации чугунной трубы, МПа; Еп — модуль деформации рукава, МПа.
Величины Сп и Еп должны определяться из условия прочности чугунной трубы Кч, МПа, с приведенной толщиной стенки С по формуле
стеР + Р ± К, (2)
2сС
где Р — внутреннее давление жидкости, МПа; р — нормировочный множитель, МПа, учитывающий нагрузки от горного давления и транспорта, передаваемые чугунной трубой на полимерный рукав, и определяемый по формуле 19
Р = Н +-, (3)
3 + Н
где Н — глубина заложения трубопровода, м; сте — безразмерный параметр напряженного состояния трубной конструкции, рассчитываемый по эмпирической формуле
8*е = 220,37еЧ1'272а (4)
в зависимости от величины безразмерного параметра а, рассчитываемого по формуле
а = 2С/Б. (5)
Во втором эксплуатационном состоянии конструкция чугун + полимерный рукав представляет изношенную чугунную трубу с уменьшенной по сравнению с первоначальной толщиной стенки К1СЧ и с пониженными деформативной К2ЕЧ и прочностной характеристиками К3ЯЧ, где К1, К2, К3 — коэффициенты износа трубы, меньшие единицы и определяемые по результатам диагностического обследования трубопровода.
Величины Сп и Еп определяются из условия прочности с учетом «старения» трубопровода: полимерный рукав проверяется из условия его деформативности в предположении, что он, будучи плотно прижатым к чугунной трубе, испытывает деформации
16
ЯБН 1997-0935. Уе5Шк MGSU. 2012. № 2
внутренней поверхности трубы ее, которые не должны превышать 0,005, доли единиц, или 0,05, %, по формуле * р й Р
ея = ея — — +--^ 0,005, (6)
9 9 К2Вч 2аКгЕч ' ' ^
где б9 — эмпирический безразмерный параметр, определяемый по формуле
е*е = 2829,7е-16'965а (7)
в зависимости от величины а, рассчитанной ранее по формуле (5).
С использованием программы по расчету двухслойных трубных конструкций «Рукав», проанализированы различные варианты исходного состояния чугунного трубопровода и выявлены зависимости толщины полимерного рукава от глубины залегания трубопровода и горизонта подземных вод. Рассмотрим два из них.
Исходные данные для случая ненарушения несущей способности чугунного трубопровода:
внутренний диаметр трубопровода й, м 0,6
глубина залегания трубопровода Н, м 3,5
высота грунтовых вод над лотком трубы НТБ, м 1
модуль упругости полимерного рукава Еп, т/м2 100000
проектная толщина стенки полимерного рукава м 0,001;
внутреннее давление Р, т/м2 или м вод. ст. 20.
Для случая нарушения несущей способности к исходным данным добавляется информация о следующих коэффициентах снижения, например:
первоначальной толщины стенки трубы К1 0,6;
степени деформации трубы К2 0,6;
прочности трубы К3 0,6.
Результаты прочностных расчетов двухслойной конструкции «чугун + полимерный рукав» для этих вариантов приведены ниже: Пример 1
Материал труб — чугун. Напорный режим, несущая способность не нарушена. Исходные данные:
Внутренний диаметр трубопровода 0,600 м
Глубина залегания трубопровода 3,5 м
Высота грунтовых вод над лотком трубы 1,000 м
Модуль упругости полимерного рукава 100000 т/м2
Проектная толщина стенки полимерного рукава 0,0010000 м
Внутреннее давление (м вод. ст.) 20,0000 т/м2
Модуль упругости материала трубы 10000000 т/м2
Проектная толщина стенки трубы 0,0158000 м
Предел прочности материала трубы 26000 т/м2
Вывод по расчету: надежность конструкции ОБЕСПЕЧЕНА! Пример 2
Материал труб — чугун. Напорный режим, несущая способность нарушена. Исходные данные:
Внутренний диаметр трубопровода 0,600 м
Глубина залегания трубопровода 3,500 м
Высота грунтовых вод над лотком трубы 1,000 м
Модуль упругости полимерного рукава 100000 т/м2
Проектная толщина стенки полимерного рукава 0,0010000 м
Внутреннее давление (м. вод. ст.) 20,0000 т/м2
Модуль упругости материала трубы 7500000 т/м2
Проектная толщина стенки трубы 0,0118500 м
Предел прочности материала трубы 19500 т/м2
Коэфф. снижения первоначальной толщины стенки трубы Коэфф. снижения степени деформации трубы Коэфф. снижения прочности трубы
0,6 0,6 0,6
Вывод по расчету: Надежность конструкции НЕ ОБЕСПЕЧЕНА! Необходимо увеличить толщину стенки полимерного рукава: требуемая толщина стенки полимерного рукава не менее 14 мм.
Проводя анализ и интерпретацию полученных расчетных данных следует отметить, что в первом случае для обеспечения несущей способности конструкции чугун + полимерный рукав толщина полимерного рукава Сп при модуле упругости ЕП = 100000 т/м2 составляет минимальную величину 1 мм, а при нарушении несущей способности при том же модуле упругости она возрастает в 14 раз.
Если в варианте нарушения несущей способности принять модуль упругости полимерного рукава 200000 т/м2 (т.е. в два раза больше), то требуемая толщина рукава уменьшится до 7 мм, а при 400000 т/м2 она составит 4 мм. При этом изменение диапазона грунтовых вод не отражается на параметрах рукава. С помощью автоматизированной программы отслеживались диапазоны изменения параметров рукава при увеличении глубины залегания Н, но с постоянным модуле упругости Еп = 400000 т/м2 и была установлена зависимость Сп = /(Н): Сп =0,0582^ + 3,2849 при неизменном модуле упругости.
Выводы. 1. Использование автоматизированной программы прочностного расчета двухслойных конструкций «материал трубопровода + полимерный рукав» предоставляет возможность широкого перебора параметров полимерного рукава с выявлением закономерностей при любом изменении исходной информации, а также выбора наиболее приемлемого с технической и экономической точек зрения варианта с установленным проектом диапазоном прочностных характеристик.
2. Программа позволяет специалистам делать заключение о возможности применения метода бестраншейного ремонта «полимерный рукав» для конкретного объекта с учетом местных условий и состояния трубопровода, а также предъявлять подрядным организациям требования, выполнение которых позволит обеспечить надлежащее качество выполняемых работ и надежность восстанавливаемых участков трубопровода.
Библиографический список
1. Храменков С.В., Орлов В.А., Харъкин В.А. Оптимизация восстановления водоотводящих сетей. М. : Стройиздат, 2002. 159 с.
2. Орлов В.А., Харъкин В.А. Стратегия и методы восстановления подземных трубопроводов М. : Стройиздат, 2001. 95 с.
Поступила в редакцию в феврале 2012 г.
Об авторах: Орлов Владимир Александрович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (МГСУ), 129337, Москва, Ярославское шоссе, дом 26, (499) 183-36-29, [email protected];
Примин Олег Григорьевич — доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора по научным исследованиям, ОАО «МосводоканалНИИпроект», 105005, Москва, Плетешковский пер. д. 22, 8 (499)261-53-84, [email protected];
Щербаков Владимир Иванович — доктор технических наук, профессор кафедры гидравлики, водоснабжения и водоотведения, ФГБОУ ВПО «ВГАСУ», 394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, +7 (473) 271-52-68, [email protected].
Для цитирования: Орлов В.А., Примин О.Г., Щербаков В.И. Прочностные характеристики двухслойных конструкций «трубопровод — полимерный рукав» // Вестник МГСУ. 2012. №
2. С. 15—19.
18
ISSN 1997-0935. Уеэгтк MGSU. 2012. № 2
V.A. Orlov, O.G. Primin, V.I. Scherbakov
DURABILITY-RELATED CHARACTERISTICS OF DOUBLE-LAYER STRUCTURES OF PIPELINES CONNECTED TO POLYMERIC SLEEVES
Results of the research aimed at the development of the basic criteria and principal methodological approaches to the calculation and design that underlies any repair undertaking associated with the restructuring of engineering networks through the application of a polymeric sleeve. It is noteworthy that the pipeline material and the degree of its deprecation, identified on the basis of the residual pipe thickness, the length and the diameter of each pipeline section being repaired, the media pumped into the pipeline, the adjacent ground and subterranean infrastructure, the presence of any subterranean waters and other factors are to be considered in each specific case.
A software programme designated for the calculation of the durability of double-layer structures of pipelines connected to polymeric sleeves has been developed. The software makes it possible to consider a wide range of properties of a polymeric sleeve to identify its behavior driven by any alterations in the input information, and to select the most economical and technologically efficient option within the limits imposed by the durability-related requirements pre-set in the design.
The ultimate objective of the software programme is to assess the applicability of the trench-less repair method involving a polymeric sleeve in each specific case by taking account of the environment and the condition of the pipeline. The software is also capable of developing the requirements to be fulfilled by subcontractors in order to assure the appropriate quality of any repair work performed and the reliability of any pipeline sections repaired.
Key words: technique, algorithm, software program, hydraulic parameters, gravity pipelines, pressure pipelines, polymeric sleeve.
References
1. Hramenkov S.V., Orlov V.A., Har'kin V.A. Optimizacija vosstanovlenija vodootvodjaschih setej [Optimization of Repairs of Water Ppelines]. Moscow, Strojizdat, 2002, 159 p.
2. Orlov V.A., Har'kin V.A. Strategija i metody vosstanovlenija podzemnyh truboprovodov [Strategy and Methods of Restoration of Subterranean Pipelines]. Moscow, Strojizdat, 2001, 95 p.
About the authors: Orlov Vladimir Alexandrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, [email protected], 8 (499) 183-36-29;
Primin Oleg Grigor'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Assistant to the General Director in charge of scientific research, OAO MosvodokanalNIIproekt (Open Joint Stock Company Moscow Research Institute of Water Supply Networks Design), Office 8, 22 Pleteshkovskij pereulok, Moscow, 105005, Russia, [email protected], 8 (499) 261-53-84;
Scherbakov Vladimir Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Hydraulics, Water Supply and Water Removal, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering (VGASU), 84 20-letija Oktjabrja st., Voronezh, 394006, Russia, [email protected], 8 (473) 271-52-68.
For citation: Orlov V.A., Primin O.G., Scherbakov V.I. Prochnostnye harakteristiki dvuhslojnyh kon-strukcij «truboprovod — polimernyj rukav» [Durability-related Characteristics of Double-Layer Structures of Pipelines Connected to Polymeric Sleeves], Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, Issue # 2, pp. 15—19.
