CC BY
22УДК 697.34:662.998
С.А. ТИХОМИРОВ, канд. техн. наук (sergtihomirov@yandex.ru), А.Л. ТИХОМИРОВ, канд. техн. наук, С.Г. ШЕИНА, д-р техн. наук
Ростовский государственный строительный университет (344022 г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162)
Тепловой неразрушающий метод контроля состояния строительных конструкций подземных теплопроводов
Рассмотрены нормативные методы технической диагностики строительных и в том числе теплоизоляционных конструкций подземных теплотрасс. Предложен тепловой неразрушающий метод диагностики бесканальных теплопроводов, приведен алгоритм реализации предложенного метода на практике. Описаны пути решения задач основных этапов проведения контроля, таких как измерение фактических температур поверхности грунта (покрытия) над прокладкой с использованием тепловизионной техники и математического моделирования температурных полей теплотрасс для различных состояний строительных конструкций и технологических режимов. Дано математическое описание процесса теплопереноса в системе теплопровод-грунт. Проведено сравнение фактических термограмм, полученных в результате экспериментальной апробации предложенного метода, с результатами численного моделирования.
Ключевые слова: диагностика, теплотрасса, тепловизор, температурное поле.
S.A. TIHOMIROV, Candidate of Sciences (Engineering) (sergtihomirov@yandex.ru),
A.L.TIHOMIROV, Candidate of Sciences (Engineering), S.G.SHEINA, Doctor of Sciences (Engineering)
Rostov State Building University (162,Socialisticheskaya Street, Rostov-on- Don, 344022, Russian Federation )
Thermal Non-Destructive Method for Control over Conditions of Building Structures of Underground Heating Mains
Normative methods for the technical diagnostic of building, including heat Insulating, structures of underground heating mains are considered. The thermal non-destructive method for diagnostics of trenchless heat lines is proposed, an algorithm of implementing the proposed method in practice is given. Ways of the solution of problems at the main stages of control conducting, such as the measurement of factual temperatures of soil surface (covering) over the laying with the use of thermal imaging equipment and the mathematical simulation of temperature fields of heating mains for different conditions of building structures and technological regimes, are described. The mathematical description of the heat transfer process in the «heating line - soil» system is given. The comparison of factual thermograms, obtained as a result of experimental approbation of the proposed method, with the results of numerical simulation is made.
Keywords: diagnostics, heating main, thermal imager, temperature field.
В настоящее время с целью снижения капитальных затрат преимущественно ведется строительство бесканальных теплотрасс [1].
Характерной особенностью бесканальной конструкции является непосредственный контакт изолированных теплопроводов с влажным грунтом, что определяет специфические, весьма тяжелые в отношении тепловлажност-ных воздействий условия эксплуатации трубопроводов и теплоизоляции. Теплоизоляционные конструкции подземных тепловых сетей эксплуатируются в условиях переменного температурно-влажностного режима, обусловленного сезонными и суточными изменениями температуры теплоносителя и изменениями влажности окружающей среды.
Правилами технической эксплуатации тепловых энергоустановок предписано для контроля состояния подземных теплопроводов, теплоизоляционных и строительных конструкций, производить шурфовки (местные вскрытия) на тепловых сетях.
Регламентируемое указанным документом количество шурфов (1 шурф на 1 км трассы) при многочисленных пересечениях с водостоками, канализацией, водопроводом, в разнообразных грунтовых и гидрологических условиях является явно недостаточным.
В настоящее время при строительстве бесканальных тепловых сетей нормативными документами предписано использовать стальные трубы с индустриальной тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке, оснащенных проводниками системы оперативного дистанционного контроля (ОДК) увлажнения или нарушения тепловой изоляции. Однако на значительном количестве бесканальных трубопроводов, проложенных без системы ОДК, не может быть применена данная прогрессивная технология.
В работах [2—5] приведены применяемые в настоящее время методы диагностики тепловых сетей.
При решении задачи оперативной диагностики необходимо выполнить следующие требования: контроль должен осуществляться неразрушающим методом; не должны налагаться ограничения на длину исследуемого участка с целью локализации конкретных, неблагополучных с точки зрения состояния тепловой изоляции и трубопроводов мест; проведение контроля не должно нарушать теплового и гидравлического режима работы сети, т. е. нормального теплоснабжения абонентов.
Подземные трубопроводы тепловых сетей являются мощными источниками тепла и в процессе работы создают в грунте температурное поле, отличное от собственного температурного поля земли. Любое нарушение состояния строительной или теплоизоляционной конструкции теплопровода, а также режима его работы, приводит к изменению температурного поля, в том числе к изменению температуры в поверхностном слое грунта. Нестабильность тепловой характеристики поверхности грунта над прокладкой свидетельствует, как правило, о нарушении изоляции либо о негерметичности трубопроводов. Однако в случае увлажнения тепловой изоляции или ее полного разрушения на участке значительной протяженности, на поверхности грунта возникает повышенный, но равномерный температурный фон. Аналогичный по своей величине температурный фон может возникнуть в ряде случаев, не связанных с какими-либо нарушениями, к примеру при сравнительно небольшой глубине заложения теплопровода, при повышении температуры теплоносителя, вызванном технологическими требованиями и т. д. Иными словами, влияние различных факторов может привести в конечном итоге к одному и тому же распределению температур в поверхностном слое грунта. В таких случаях
26
научно-технический и производственный журнал
июнь 2015
ÏÀ ®
Reports of the VI Academic reading «Actual issues of building physics»
Рис. 1. Результаты математического моделирования теплопереноса участка бесканальной теплотрассы
требуется количественная оценка поверхностной температуры, а также глубокий анализ структуры температурного поля, создаваемого трубопроводом в грунте, с учетом всех природных и эксплуатационных факторов, влияющих на его формирование.
Таким образом, располагая данными фактической поверхностной температуры грунта над прокладкой и проводя математическое моделирование возможных вариантов температурных полей в грунте вокруг подземного теплопровода с использованием данных технологических параметров работы сети и метеорологических факторов в зоне обследования, можно сделать вывод о состоянии тепловой изоляции подземного теплопровода и о состоянии прокладки в целом.
Предлагаемый метод теплового неразрушающего контроля строительных конструкций подземных теплотрасс предполагает следующий алгоритм проведения диагностики.
I. Подготовительный этап
1. Выбор участка теплотрассы
2. Изучение проектной и исполнительной докумен тации исследуемой прокладки
3. Разработка плана обследования участка
II. Этап натурных исследований
1. Измерение температуры поверхности грунта (покрытия) над прокладкой
2. Измерение скорости ветра
3. Измерение температуры воздуха
4. Измерение температуры теплоносителя
5. Обработка результатов измерений и оценка погрешностей
III. Расчет температурных полей
1. Расчет температурного поля исследуемого участка для условий нормального состояния прокладки
2. Математическое моделирование различного состояния прокладки
IV. Построение термопрофилей, полученных расчетным и экспериментальным путем
V. Сравнение результатов и заключение о состоянии прокладки
Рис. 2. Результаты экспериментального обследования участка бесканальной теплотрассы
Более подробно остановимся на основных элементах представленной блок-схемы.
Измерение температуры.
Анализ существующих методов измерения температуры поверхности показал, что для практического применения предлагаемого метода диагностики наиболее эффективным представляется метод термографии.
Теоретические основы и методика использования метода термографии — визуализации с помощью тепловизора распределения температуры на поверхности исследуемого объекта с целью обнаружения и анализа источников потерь тепла и дефектов строительных конструкций подробно изложены в [6].
Не меньший интерес представляет использование термографии в энергетических системах, в частности в системах транспорта теплоносителя [7, 8].
Для устранения систематической инструментальной погрешности прибора предлагается измерять не абсолютные значения температуры поверхности грунта (покрытия) над прокладкой, а разность между максимальной зафиксированной над прокладкой температурой и температурой грунта в термически ненарушенном состоянии, т. е. вне зоны теплового воздействия теплопровода. Обозначим этот перепад температуры через А© и условимся называть его в дальнейшем определяющей разностью. Вследствие того что измерения в указанных точках производятся одной и той же инфракрасной системой, при определении величины А© систематическая инструментальная погрешность устраняется.
Принципиально важным вопросом проводимых измерений является оценка и устранение погрешности, вызванной неверным определением коэффициента теплового излучения исследуемой поверхности. Для получения объективной величины, определяющей разности температуры А©, излучательная способность поверхности грунта (покрытия) над прокладкой и излучательная способность поверхности грунта в термически ненарушенном состоянии, т. е. вне зоны теплового воздействия теплопровода, должны быть одинаковыми.
Математическое моделирование температурных полей.
Для решения задачи определения температурного поля вокруг подземных теплопроводов необходим учет многих факторов и условий, в том числе:
fj научно-технический и производственный журнал
®
июнь 2015 27
— наличие естественного температурного поля земли, возникающего вследствие воздействия природных факторов;
— необходимость задания граничных условий, соответствующих реальному теплообмену в системе теплопровод — грунт — атмосфера;
— несимметричность задачи при двух- и многотрубной прокладке теплопроводов;
— наличие тепловой изоляции на трубах;
— расположение в зоне прокладки инженерных сооружений, термически влияющих на температурное поле теплопроводов.
Рассматривается задача о стационарном температурном поле в грунте вокруг бесканального двухтрубного теплопровода диаметром Б. Тепловая изоляция трубопроводов характеризуется размером б. Вследствие того, что в трубопроводах тепловых сетей имеет место развитое турбулентное течение с большим коэффициентом теплоотдачи от горячей воды к внутренней поверхности, температура этой поверхности принимается равной температуре теплоносителя. Глубина заложения теплопровода — И, межцентровое расстояние между осями труб — Ь. Коэффициенты теплопроводности грунта и тепловой изоляции составляют Хгр и Хиз, коэффициент теплоотдачи от поверхности грунта в атмосферу — а. Температуры теплоносителя в подающей и обратной линиях соответственно равны т1 и т2 . Учитывая, что при работе тепловых сетей градиент температур вдоль оси трубопровода значительно меньше, чем в радиальном направлении, исходная задача теплопроводности рассматривается как двухмерная.
Математическое описание процесса теплопереноса в системе теплопровод—грунт включает уравнение Лапласа для областей «грунт» и «тепловая изоляция»
V2t=0,(1) У\з=0,
(1)
На границах Г1 и Г3 (наружная поверхность труб) приняты граничные условия I рода:
^из Г1 т1,(2);
^из Г3 т2,(3).
На границах Г2 и Г4 (поверхность изоляции-грунт) заданы условия сопряжения
3tH3 3trp
^изГ2 — *трГ2 :
(4)
9t„
dt„
К* r4-Vp
иизГ4
= t,
■грГ4 •
На границе «поверхность грунта — пользуется граничное условие III рода:
(5)
атмосфера» ис-
= a(trp-tB);y = О,
(6)
где У2—оператор Лапласа и соответствующие краевые условия.
где ^ — температура наружного воздуха.
В основу алгоритма решения задачи положена разностная аппроксимация дифференциальных уравнений в частных производных и краевых условий на неравномерной сетке.
На рис. 1, 2 приведены результаты математического моделирования и экспериментального обследования участка бесканальной теплотрассы с заведомо известными техническими и теплофизическими характеристиками. Сравнение термограмм, полученных математическим и экспериментальным путем, показывает хорошее схождение результатов и подтверждает нормальное технологическое состояние прокладки.
Список литературы
1. Ковалевский В.Б. Энергоэффективность тепловых сетей бесканальной прокладки // Новости теплоснабжения. 2014. № 5. С. 45-48.
2. Исаев В.В., Рондель А.Н., Шаповалов Н.Н. Опыт инструментального диагностирования подземных трубопроводов тепловых сетей для оценки их технического состояния при определении мер по обеспечению надежности систем теплоснабжения. // Новости теплоснабжения. 2013. № 4. С. 31-34.
3. Писчасов С.А. Методы диагностики тепловых сетей. // Новости теплоснабжения. 2014. № 5. С. 38-44.
4. Лукьяненко В.А. Применение метода акустической эмиссии при диагностировании трубопроводов тепловых сетей. // Новости теплоснабжения. 2014. № 3. С. 32-35.
5. Карлов К.Р., Байбаков С.А. Использование оптоволоконной техники для мониторинга состояния подземных тепловых сетей. // Новости теплоснабжения. 2012. № 8. С. 23-28.
6. Основы современной строительной термографии / Под ред. д.т.н. И.Л. Шубина. М.: НИИСФ РААСН. 2012. 176 с.
7. Феткуллов М.Р. О замене гидравлических испытаний тепловых сетей методами неразрушающего контроля. // Новости теплоснабжения. 2013. № 11. С. 32-35.
8. Самойлов Е.В. Место акустической томографии в комплексном подходе к техническому диагностированию трубопроводов тепловых сетей. // Новости теплоснабжения. 2013. № 10. С. 46-48.
References
1. Kovalevsky V.B. Energy Efficiency ductless heat networks strip. Novosti teplosnabzheniya.2014. No. 5, pp. 45-48. (In Russian)
2. Isaev V.V., Rondelle, A.N., Shapovalov N.N. The experience of instrumental diagnostics of underground pipelines of thermal networks to assess their technical condition in determining measures to ensure the reliability of heat supply systems. Novosti teplosnabzheniya.2013. No. 4, pp. 31-34. (In Russian)
3. Pinchasov S.A. Methods of diagnostics of thermal networks. Novosti teplosnabzheniya. 2014. No. 5, pp. 38-44. (In Russian)
4. Lukyanenko V.A. The acoustic emission method in the diagnosis of heat pipelines. Novosti teplosnabzheniya. 2014. No. 3, pp. 32-35. (In Russian)
5. Charles K.R., Baibakov S.A. the Use of fiber-optic techniques for condition monitoring of underground thermal systems. Novosti teplosnabzheniya. 2012. No. 8, pp. 23-28. . (In Russian)
6. Osnovy sovremennoi stroitel'noi termografii [The foundations of modern building thermography]. Under the General editorship of D. I. L. Shubin. M.: NIISF RAASN, 2012. 176 p.
7. Fedulov M.R. About replacing hydraulic tests of thermal networks by NDT methods. Novosti teplosnabzheniya. 2013. No. 11, pp. 32-35. (In Russian)
8. Samoilov E.V. Place acoustic tomography in a comprehensive approach to the technical diagnostics of pipelines of thermal networks. Novosti teplosnabzheniya. 2013. No. 10, pp. 46-48.
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 28 июнь 2015 Ы *
