CC BY
95
2/2009 ВЕСТНИК
ТАКТИКА РЕНОВАЦИИ ВОДОПРОВОДНЫХ И ВОДООТВОДЯЩИХ СЕТЕЙ
В.А. Орлов
МГСУ
Начавшийся 21 век следует считать веком совершенствования трубопроводных систем, где основная роль отводится оперативной реконструкции, осуществляемой, как правило, бестраншейными методами с использованием современных полимерных материалов [1].
При решении вопросов выбора конкретного участка реновации на объектах городских водоканалов РФ приходится сталкиваться с задачей определения среди них наиболее ущербного с технической точки зрения объекта по совокупности показателей. Для этого используется термин «тактика», под которым подразумеваются приемы и способы достижения какой-либо конкретной цели. В рассматриваемом случае целью является оперативная реновации трубопроводов.
В результате исследований последних лет установлено, что на сегодняшний день нет завершенных концептуальных положений по тактике реновации объектов городского водопровода и канализации, которая сводится в большинстве случаев к реакции на повреждение сети, т.е. аварийной ситуации.
В рамках разработки тактики реновации инженерных сетей решаются несколько базовых задач:
-комплексный анализ ситуации на подземных трубопроводах с описанием проявления тех или иных дефектов (повреждений, патологий);
-установление связей между дестабилизирующими факторами, их ранжирование и разработка на этой основе паспортов участков трубопроводов, по которым определяется первоочередной и потенциальные объекты реновации;
-определение способов поддержания оптимальных гидравлических параметров работы восстановленных и невосстановленных напорных и безнапорных трубопроводов;
-оценка прочностных характеристик новых трубных конструкций после реновации;
-выбор оптимального метода реновации из числа бестраншейных.
На основании анализа отечественных и зарубежных литературных источников и практики работы МГУП «Мосводоканал» установлено, что в коммунальном секторе старение подземных трубопроводных коммуникаций и другого оборудования различного назначения достигли критических уровней: порядка 60 % подземных трубопроводных коммуникаций исчерпали нормативный срок службы и нуждаются в оперативном ремонте. Подземные трубопроводы систем водоснабжения и водоотведения находятся под постоянным стрессом. В качестве нагрузок (рисунок 1) надо отметить давление грунта, подземных вод, горизонт которых часто расположен над действующим трубопроводом в результате подтопления территорий, временных и постоянных статических и динамических нагрузок, а также наличие агрессивных грунтов. Кроме того, трубопроводы проявляют чувствительность в межсезоный период и в период чрезвычайных ситуаций (взрывах, стихийных бедствиях, землетрясениях), что приводит к их деформациям, появлению трещин и переломов, прежде всего в верхней и нижней частях трубы.
ВЕСТНИК МГСУ
2/2009
Рис. 1 Нагрузки на подземные трубопроводы и последствия их проявления
Так, для водопроводных сетей характерно относительно равномерное распределение большинства дефектов (коррозионные обрастания, биообрастания, свищи, трещины) по всему периметру внутренней поверхности с постепенным зарастанием живого сечения и снижением пропускной способности трубопровода. Для безнапорных водоотводящих сетей характерными дефектами являются истирание лотковой части песком и газовая коррозия части свода. В результате воздействия кислоты на трубопровод, а также малой концентрации кислорода и конденсации воды происходит постепенное разрушение трубопровода.
Комплексная оценка технического состояния трубопроводов водопроводных и водоотводящих сетей с помощью телевизионных установок (телероботов), обработка архивной и исполнительской документации позволили составить детальный классификатор дефектов, установить причинно-следственные связи между дестабилизирующими работу сети факторами, провести ранжирование факторов и разработать паспорт участка трубопровода. Для проведения операций ранжирования потребовалось применение соответствующего аппарата (графово-матричного метода), описывающего модель системы взаимодействия факторов с установлением численных (рейтинговых) значений отдельного участка сети, по которым определялась его приоритетность реновации.
В качестве способов поддержания оптимальных гидравлических параметров работы восстановленных и невосстановленных напорных и безнапорных трубопроводов принято использование близких по гидравлическим сопротивлениям ремонтных материалов (защитных покрытий), которые обеспечивают расчетные параметры потока. Для определения реальной степени гидравлической совместимости новых и старых участков сети потребовалось проведение гидравлических экспериментов на новых типах защитных покрытий, в частности полиэтиленовых трубах, полимерных рукавах, цементно-песчаных облицовках, наносимых на внутреннюю поверхность трубопроводов. В результате исследований установлены зависимости коэффициента удельного сопротивления А от диаметра ё (для водопроводных труб):
2/2009_М|ВУ™ИК
12 5 2791
-для стальной трубы с полимерным покрытием: Аполим. = 5.10 .ё^ -для полиэтиленовой трубы ПЭ 80: Аполиэт. = 9.1012.ё-5,316
12 5 2279
-для стальной трубы с цементно-песчаным покрытием: АцПп = 4.10 .ё^ "для полиэтиленовой трубы ПЭ 100: Аполиэт. = 6.1013.ё-5,7276 а также зависимости коэффициента Шези С от гидравлического радиуса Я (для водо-отводящих труб).
-для полимерного покрытия: С=17,0431пЯ - 17,0381п(ё) + 208,2 -для полиэтиленовой трубы: С=14,2451пЯ - 14,2391п(ё) + 179,29 -для цементно-песчаного покрытия: С=20,7131пЯ-19,8981п(ё)+233,84 В качестве методов оценки прочностных характеристик новых трубных конструкций после реновации, т.е. «старая труба + защитное покрытие» принято рассматривать три расчетных состояния: из условий прочности в лотке, деформаций в своде и проверки по условиям устойчивости при двух эксплуатационных состояниях, т.е. нарушении и ненарушении несущей способности восстанавливаемых трубопроводов [2]. При этом конечная цель сводится к определению толщины и модуля упругости защитного покрытия, обеспечивающего несущую способность восстановленного участка. Прочностной расчет ремонтного участка, например, асбестоцементного трубопровода сводится к нижеследующим операциям.
В первом эксплуатационном состоянии трубная конструкция «асбоцементная труба + полимерный рукав» деформируется, не разделяясь по слоям, имея расчетную толщину стенки С, м, приведенную к толщине стенки асбоцементной трубы диаметром Д м, по формуле (1):
с = са + , (1)
где Са - толщина стенки асбестоцементной трубы, м; dn - толщина стенки полимерного рукава, м; Еа - модуль деформации асбоцементной трубы, МПа; Еп - модуль деформации материала рукава, МПа.
Необходимые толщина стенки С и модуль деформации полимерного рукава Еп должны определяться из условия прочности асбестоцементной трубы Ка, МПа, имеющей приведенную толщину стенки С по формуле (2):
^ Р + ^ Р < к , (2)
2С
где Р - внутреннее давление жидкости, МПа; р - нормировочный множитель, МПа, учитывающий нагрузки от горного давления и транспорта, передаваемые асбестоцементной трубой на полимерный рукав, и определяемый по формуле (3):
19
Р = Н +-, (3)
3 + н
где Н - глубина заложения трубопровода, м; а*в - безразмерный параметр напряженного состояния трубной конструкции, рассчитываемый по эмпирической формуле (4):
¿>е = 220,37е 11272а (4)
в зависимости от величины безразмерного параметра а, рассчитываемого по формуле (5):
а = 2сЮ (5)
В результате расчетов определяются необходимая толщина полимерного рукава Си и его модуль деформации Е„.
ВЕСТНИГ 2/2009
Во втором эксплуатационном состоянии трубная конструкция «асбестоцементная труба + полимерный рукав» представляет изношенную асбестоцементную трубу с уменьшенной по сравнению с первоначальной толщиной стенки К]-йа и с пониженными деформативной К2.Еа и прочностной характеристиками К3.Яа, где К¡, К2, К3 - коэффициенты износа трубы, меньшие единицы и определяемые по результатам диагностического обследования трубопровода.
Необходимые толщина йп и модуль деформации Еп рукава определяются из условия прочности с учетом «старения» трубопровода: полимерный рукав проверяется из условия его деформативности в предположении, что он, будучи плотно прижатым к асбестоце-ментной трубе, испытывает деформации внутренней поверхности трубы £д, которые не должны превышать 0,005 (в долях единицы) или 0,05 (в %) по формуле (6):
* р й Р
£в=£*в—+--< 0,005, (6)
К2Еа 2й К2Еа
где е*в - эмпирический безразмерный параметр, определяемый по формуле (7):
ев = 2829,7е16'965а (7)
в зависимости от величины а, рассчитанной ранее по формуле (5)
Выбор оптимального метода реновации из числа бестраншейных проводится с помощью специальных автоматизированных компьютерных программ. В основе методического подхода решения задачи поиска оптимального метода бестраншейного восстановления трубопроводов лежат итерационные операции, сущность которых заключается в переборе и анализе соответствующего количества технических, технологических, эксплуатационных и стоимостных показателей существующих методов бестраншейного восстановления на предмет их использования в конкретной ситуации.
Алгоритм решения задачи включает два последовательных базовых цикла: ограничений и оптимизации. В цикле ограничений последовательному рассмотрению подлежат ограничения по диаметрам. В цикле оптимизации заложена необходимая информации по повреждениям (патологиям), которые могут быть устранены при использовании соответствующих методов бестраншейной реновации трубопроводов.
В таблице 1 для сравнения представлен примерный алгоритм тактики реновации водопроводных сетей, выполненных из стали и асбестоцемента (железобетона, чугуна).
Для безнапорных водоотводящих сетей алгоритм тактики реновации будет идентичным второму столбцу таблицы 1, за исключением пункта 4.
Таблица 1
Тактика реновации водопроводных сетей, выполненных из различных материалов
Объект реновации - стальные трубопроводы Объект реновации - асбестоцементные, железобетонные и чугунные трубопроводы
1 2
1. Разбивка участков трубопроводов на категории по возрасту: -категория 1а: трубы со сроком эксплуатации, превышающим нормативный, -категория 16: то же без превышения нормативного срока; (приоритет 1а) 1. Разбивка участков трубопроводов на категории по возрасту: -категория 1а: трубы со сроком эксплуатации, превышающим нормативный, -категория 16: то же без превышения нормативного срока; (приоритет 1а)
2/2009 ВЕСТНИК
1 2
2. Отбор объектов на предмет: - внешней защиты от коррозии: - категория 11а - при наличии внешней защиты, - категория 116 - при отсутствии внешней защиты; (приоритет 116) - внутренней защиты от коррозии: - категория 11в - при наличии внутренней защиты, - категория 11г - при отсутствии защиты; (приоритет Пг) 2. Определение статической несущей способности (стендовые испытания): - категория Па - не обеспечивается несущая способность; - категория ГГб - обеспечивается несущая способность; (приоритет Па) Условия прочности: - а/ц трубы Ящ < 600 т/м2 (6 МПа); - железобетонной трубы (бетона В40) Яж6 < 210 т/м2 (2,1 МПа); - чугунной трубы Яч < Я.104 т/м2 (Я.102 МПа), где Я = 2,4 - 4 в зависимости от диаметра
3. Отбор по степени коррозионного воздействия (общего, желобкового, точечного): - категория Ша - при наличии коррозии; - категория Шб - при отсутствии коррозии); (приоритет Ша) 3. Определение степени деформации труб: - категория Ша - деформация менее (3 %); - категория Шб - деформация более 3 %; (приоритет Шб)
4. Определение остаточной толщины стенки (остаточного ресурса) и статической несущей способности: - категория 1Уа - не обеспечивается несущая способность; - категория ГУб - обеспечивается несущая способность; (приоритет ГУ а) 4. Увеличение удельного гидравлического сопротивления: -категория ГУ а - увеличение до 30 %; -категория ГУб - увеличение более 30 % (приоритет ГУб) Удельные сопротивления А для трех материалов труб из: асбестоцемента: А = 0,0024а-4'9384 железобетона: А = 0,00Ш-5Д901 чугуна А = 0,0017а-5,2558
5. Определение степени деформации труб: - категория Уа - деформация менее (3 %); - категория Уб - деформация более 3 %; (приоритет Уб)
6. Увеличение удельного гидравлического сопротивления: -категория УГа - увеличение до 30 %; -категория УГб - увеличение более 30 % Удельное сопротивление А для стали: А = 0,00Ш-5'1716 (приоритет УГб) 5. Минимальные приведенные затраты на реновацию при рассмотрении нескольких альтернативных технологий.
7. Минимальные приведенные затраты на реновацию при рассмотрении нескольких альтернативных технологий.
Литература
1. Храменков C.B. / Стратегия модернизации водопроводной сети // Стройиздат.- 2005.- 315 с.
2. Орлов В.А. / Защитные покрытия трубопроводов //АСВ.- 2009.- 128 с.
Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ».
