Технология мониторинга трубопроводов сельских коммуникаций

ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ

УДК 631.3.004.5; 621.792:519.86

В.И. Балабанов, доктор техн. наук, профессор В.Ю. Бойков, ст. преподаватель

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

технология мониторинга трубопроводов сельских коммуникаций

Рыночная экономика обусловила необходимость проведения работ по повышению качества, конкурентоспособности и безопасности выпускаемой продукции, выполняемых работ и услуг агропромышленного комплекса. Анализ зарубежного и отечественного опыта свидетельствует о том, что эффективные механизмы решения возникающих по этим направлениям проблем могут базироваться только на концепции управления качеством. Это требует проведения теоретических и экспериментальных исследований процессов повышения технологических уровней и эффективности технического сервиса машин, оборудования и коммуникаций в агропромышленном комплексе путем моделирования и оптимизации организационно-технологических решений на каждом этапе жизненного цикла оборудования.

Привлечение в качестве методологических средств исследования системного и комплексного подходов позволяет сформировать ряд направлений исследований, связанных с увеличением эффективности технического сервиса для повышения межремонтного ресурса машин и оборудования в сельском хозяйстве, внедрением новых прогрессивных технологических решений для обоснова-

94

ния эксплуатационно-технологических требований к новой и отремонтированной технике и условиям труда обслуживающего персонала. Проводимые в названных направлениях исследования показывают, что жизненные циклы машин, оборудования и строительных объектов сельского хозяйства могут быть также существенно увеличены за счет использования «интеллектуальных» технологий, включающих создание и применение оборудования и материалов, обеспечивающих непрерывный и независимый мониторинг трубопроводов.

Агрессивность гидрогеологической среды, наличие блуждающих токов, нарушение режимов подземных водотоков приводят к интенсивному изнашиванию трубопроводов и кабельных сетей, выполненных из традиционных материалов и слабо защищенных от агрессивных воздействий. Подземное хозяйство многих предприятий агропромышленного комплекса (АПК) находится в критическом состоянии, что влияет на жизнеспособность предприятий, значительно зависящих от нормального функционирования инженерных сетей. Поэтому необходима постоянно действующая система диагностики и мониторинга, а также активный поиск и разработка новых материалов и технологий для восста-

новления и повышения долговечности подземных инженерных систем.

Перед эксплуатирующими организациями стоят задачи обследования, единовременной проверки фактического состояния всех зданий предприятий АПК, их конструкций, оборудования, а также инженерных систем — в первую очередь теплотрасс, водопроводов, канализационных коллекторов, других сетей и коммуникаций с их обязательной паспортизацией. Это также требует организации системы постоянного мониторинга за их состоянием.

Используемые в АПК трубопроводы подвергаются агрессивному воздействию не только внешней, но и внутренней среды. Достаточно часто требуют восстановления трубопроводы в конструкциях сельскохозяйственной техники: приводах (гидравлическом и пневматическом) тормозов, гидроприводах рабочих органов на экскаваторах, системах выпуска отработавших газов различных транспортных средств, дизель-генераторов и в других установках.

Однако вопросы повышения технического уровня и эффективности технического сервиса трубопроводов на каждом этапе их переустройства пока недостаточно полно отражены в научных работах. Между тем существующий уровень внедрения результатов научных исследований и разработок в практику ремонта трубопроводных сетей АПК вызывает необходимость поиска и использования более достоверных критериев и методов количественной оценки реальной эффективности их технического сервиса. Это необходимо, с одной стороны, для обоснования целесообразности применения результатов исследований, а, с другой стороны, — для исследования причин, препятствующие их полноценному и эффективному использованию.

Установлено, что, несмотря на разнообразие режимов работы трубопроводов и характер их повреждения (механические, коррозионные, кавитационное), использование клеевых материалов (адгезивов) во многих случаях более целесообразно, чем применение традиционной сварки.

При ремонте с использованием адгезива важно определить условия его реализации, а именно требуемую толщину слоя, величину нахлестки, необходимость армирования, размеры жесткой накладки и т. д. От оптимизации этих параметров зависит экономическая эффективность и работоспособность деталей, восстановленных при помощи адгезива.

Проведенные расчеты показали, что адгезивный материал можно подбирать для ремонта конкретного трубопровода.

Авторами была исследована стальная деталь с круглым отверстием радиуса R0, на которую с одной стороны действовало дав-

ление жидкости (рис. 1). Отверстие имитировало повреждение стального образца. Была применена известная из прикладной теории упругости безмо-ментная теория расчета симметричных оболочек, частным случаем которой являются круглые, симметрично нагруженные пластины.

Клеевой шов рассматривали как упругую среду, создающую давление на пластину (жесткую накладку), которое пропорционально ее вертикальному перемещению:

А

где ю — вертикальное перемещение пластины; ? — первоначальная толщина клеевого шва; Ек — модуль упругости адгезионного материала.

Угол поворота нормали пластины после деформации

«=- ^,

&

где г — текущее значение радиуса.

В области клеевого шва деформация пластины описывается дифференциальным уравнением четвертого порядка

4 іі4д

г --------

іг 4

Е,г

+ 2г

з

іг3

- 3г

іг

2 +

2 іг

-(ь4г4 + з) = 0,

где Ь = 4 — параметр, введенный для удобства реВ 1 Вкъ

-1- В = -

шения уравнения, мм

- жесткость пла-

12

стины; Ек, Е — модуль упругости соответственно клеевого шва и пластины; к — толщина пластины; ц — коэффициент Пуассона.

Общее решение этого уравнения имеет вид

Ь = ад

где 11(Ьг), У1(Ьг) — функции Бесселя; /1(Ьг), К1(Ьг) — модифицированные функции Бесселя; С — константа.

Из граничных условий и из условия равновесия пластины в целом найдено частное решение для

Клеевой шов

Давлениежидкости р

Жесткая накладка

Рис. 1. Схема герметизации круглого отверстия адгезивным материалом --- Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 1'2008 ----------------------------- 95

рассматриваемого случая негерметичности трубопровода (емкости):

вертикальное перемещение пластины

ю =

Р^о

8ЬВ

[2/

нормальное напряжение в клеевом шве

.3,3

о =

рЯ0Ь

[2/і (ЬЛо) - Ь^о /о (Ь^о )Ґ /о (Ьг) + СоЬ3 В.

где Со =

м3

4 В

4 ЬЯ/1

_ ЬЯ0 2 ЬЯ0) - ЬЯ0 /0( ЬЯ0) _

Х^(ЬЯ)2 - (ЬЯ0)2^ ;Я0 — радиус отверстия; Я — радиус жесткой накладки.

Максимальное значение нормального напряжения в клеевом шве, возникающее на границе отверстия,

К )2

{ЬЯо)2 -1)-/

8[2/1

сти стали Е = 2,1105 МПа, коэффициент Пуассона ц = 0,25), толщиной к = 0,3 мм. Радиус отверстия составлял Я0 = ¿/2 = 6 мм. Внешнее давление р = 5 МПа ~ 50 атм.

Согласно сформулированным принципам разработана и внедрена технология ремонта трубопроводов, мониторинг состояния которых и определение места нарушения функционирования (протечки) осуществлялся за счет замыкания электрической цепи «корпус — проводник в изоляции трубопровода», а собственно ремонт включал в себя герметизацию отверстий в трубопроводе и восстановление проводника в изоляции при помощи жесткой накладки и адгезионного материала с диэлектрическими (для соединения накладки с трубой) и токопроводящими (для соединения накладки с нитью) свойствами (рис. 3).

Для технологии реконструкции и ремонта элементов трубопроводных сетей инженерного оборудования строительных объектов выбраны адгезивные материалы, которые при смешивании с различными наполнителями проявляли свойства широкого спектра. Использование адгезивов позволило восстановить потери металла от коррозии, механического изнашивания, кавитации и т. д. Составленная автором классификация адгезионных материалов представлена на рис. 4.

При практическом использовании на адгезионное соединение воздействуют различные силовые

где к = Я/Я0 — безразмерная величина, показывающая во сколько раз размер жесткой накладки больше размера отверстия.

Для каждого конкретного случая негерметичности (размер отверстия Я0) по выражениям (4) и (5) можно подобрать адгезионный материал с оптимальными характеристиками ([о], Ек), размеры жесткой накладки (радиус Я) и клеевого шва (толщину £).

На рис. 2 представлена зависимость максимального напряжения в клеевом шве от его толщины для двух значений к.

В качестве адгезионного материала применен клеевой состав с модулем упругости при растяжении Ек = 310 МПа, разрушающим напряжением при растяжении [о] = 19,4 МПа. В качестве жесткой накладки выбрана стальная пластина (модуль упруго-

Толшина клеевого слоя, мм Рис. 2. Зависимости напряжения в клеевом шве от его толщины

9е

к

і %. .

Токопроводящая

нить

г

Негерметичность Жесткая Адгезионный

трубопровода накладка состав

с токопроводя-

Адгезионный состав с диэлектриче-щими свойствами скими свойствами

Рис. 3. Схема герметизации отверстия в трубопроводе

8

1

Рис. 4. Классификация термостойких адгезивов

факторы, величина и направление которых определяет целесообразность применение того или иного адгезионного материала.

Исследования проводили на установке, создающей максимальное давление — 60 МПа, с исполь-

зованием составов «Маком-1» (модуль упругости при растяжении Ек = 5255 ± 84 МПа; разрушающее напряжение при растяжении [о] = 29,4 ± 2,0 МПа) и ПСК-ОВ1 (Ек = 310 ± 6,2 МПа, [о] = 35,2 ± 1,5 МПа), а также специальной оснастки.

Для сравнительных исследований теоретических и экспериментальных зависимостей, представленных на рис. 5, приняты следующие параметры клеевого соединения: диаметр жесткой накладки 20 мм; толщина клеевого шва 1 мм (для графиков в левой части рис. 5); толщина жесткой стальной накладки 0,3 мм (Е = 2,1105 МПа, д = 0,25).

Расчеты выполнены по формулам (4) и (5). Дополнительно измерена температура в различных точках системы выпуска отработавших газов на некоторых автомобилях. Искусственно созданная негерметичность восстановлена при помощи термостойкого состава по разработанному алгоритму с последующими полевыми испытаниями.

— —Теоретическая кривая - Экспериментальная кривая — —Разрушающее напряжение при растяжении

\\

\ 'X' \ у \\

V-/ '

\

3 4 5

Диаметр отверстия, мм

0,5

1,0

— —Теоретическая кривая Экспериментальная кривая

—Разрушающее напряжение при растяжении

1,5 2,0 2,5 3,0

Толшина клеевого слоя, мм

3,5

4,0

— —Теоретическая кривая - Экспериментальная кривая — —Разрушающее напряжение при растяжении

А

ч // N

\\ ^ У

-¿X

4 5

Диаметр отверстия, мм

— —Теоретическая кривая -| Экспериментальная кривая — —Разрушающее напряжение при растяжении

// \

// ^

// /У у\

,

0,5

1,0

1,5

2,0 2,5 3,0

Толшина клеевого слоя, мм

3,5

4,0

б

Рис. 5. Сравнительные зависимости теоретических и экспериментальных исследований:

а — состава «Маком-1»

0

а

0

Выводы

1. Анализ отечественных и зарубежных технологий переобустройства трубопроводов предприятий АПК и элементов конструкций сельскохозяйственной техники показал, что необходима постоянно действующая система их мониторинга и последующего восстановления.

2. Результаты лабораторных испытаний составов «Маком-1» и ПСК-ОВ1 с вероятностью 85.. .95 % подтвердили целесообразность использования предложенной математической модели, ими-

тирующей физические процессы при реконструкции и ремонте трубопроводов, для подбора адгезионного материала и выбора оптимальных размеров жесткой накладки и клеевого шва для ремонта трубопровода (емкости).

3. Адгезионные материалы, указанные на рис. 4, удовлетворяют широкому спектру условий эксплуатации трубопроводных сетей различного назначения. Использование этих материалов при ремонте инженерного оборудования позволило реализовать эффект ресурсосбережения и безопасности функционирования.

УДК 631.3.004.5:658.58

A.Е. Немцев, доктор техн. наук, ст. науч. сотрудник

B.В. Коротких, канд. техн. наук, зам. зав. лабораторией

Государственное научное учреждение НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства Сибирского отделения Российской академии сельскохозяйственных наук

требования к специализированному мобильному агрегату для технического обслуживания и ремонта мтп

На современном этапе развития производства добиться рентабельности агропромышленного комплекса возможно только при использовании прогрессивной инженерно-технической системы. Прогрессивность этой системы определяется эффективностью функционирования ее составляющих, среди которых одной из основных является система технического сервиса.

В настоящее время большинство сельскохозяйственных предприятий Российской Федерации находится в сложной экономической ситуации, в связи с чем их технический парк обновляется недостаточно. На начало 2004 г. обеспеченность хозяйств техникой составляла 40.60 %о [1]. Средний срок службы техники превышает нормативный, например, в АПК Новосибирской области, практически по всем маркам машин. Аналогичное положение и в других регионах РФ. Это снижает рентабельность хозяйств и требует применения рациональных форм технического сервиса (ТС) для техники, используемой в сельскохозяйственных предприятиях.

Для эффективного функционирования техники, особенно в периоды напряженных полевых работ, требуется ее оперативное диагностирование, техническое обслуживание (ТО) и устранение неисправностей в эксплуатационных условиях. Перечисленные операции с непродолжительным простоем машин можно проводить при помощи передвижных мастерских.

98

В 70-е годы ГОСНИТИ был разработан ряд передвижных средств технического обслуживания и ремонта: АТО-4822 ГОСНИТИ, АТ0-1500Г, АТ0-1768А ГОСНИТИ, МПР-817А ГОСНИТИ, ЛуМЗ-37031, МЗ-3904 и др. [2]. В качестве мобильных (базовых) агрегатов указанных передвижных мастерских использовали автомобили, самоходные шасси и прицепы к тракторам.

Также был разработан ряд комбинированных передвижных агрегатов для технического обслуживания и диагностики техники в условиях эксплуатации. В качестве мобильного (базового) агрегата использовали списанные зерноуборочные комбайны. Такие передвижные агрегаты применяли в Челябинской, Саратовской и Новосибирской областях. В частности, в СибИМЭ на базе комбайна СК-5 «Нива» с исправным двигателем и ходовой частью был разработан комплексный агрегат, предназначенный для выполнения операций по техническому обслуживанию и ремонту сельскохозяйственной техники [3].

В 90-е годы с учетом формирующейся многоук-ладности экономики АПК и созданием новых моделей транспортных средств специалисты ГОСНИТИ разработали и усовершенствовали ряд средств для диагностики, технического обслуживания и ремонта техники. К ним относятся КИ-28035, КИ-28012 ГОСНИТИ и др. [4].

Однако для указанных агрегатов характерны значительные простои при отсутствии необходимости ТО и ремонта обслуживаемых машин, а также