Защитные полимерные покрытия для трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения

ВЕСТНИК 4/2009

ЗАЩИТНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ПОКРЫТИЯ

ДЛЯ ТРУБОПРОВОДОВ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ

В.А. Орлов, Е.В. Орлов, Д.И. Шлычков

МГСУ

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. В качестве примера отметим, что из 523 тыс. км городских водопроводных сетей в городах РФ срочного ремонта требуют 92 тыс. км, т.е. около 20 % сетей, а из 163 тыс. км городских безнапорных водоотводящих трубопроводов - 58 тыс. км, т.е. около 30 % сетей.

Существующее негативное техническое состояние трубопроводных коммуникаций наружных систем водоснабжения и водоотведения требует применения оперативных мер по их реновации и модернизации. Основным из перспективных путей для решения проблем ремонта и обновления ветхих трубопроводных сетей является применение различных внутренних защитных покрытий (труб, облицовок, клеевых составов, органических смол и т.д.), которые рассматриваются в качестве эффективных ремонтных защитных оболочек, локализующих различного рода дефекты трубопровода (например, свищи, трещины, нарушения в стыках и т.д.) и предотвращающих явления инфильтрации грунтовых вод в трубопровод и эксфильтрации транспортирующихся жидкостей в природную среду.

Успешной реализации задач оперативного восстановления и модернизации трубопроводных коммуникаций содействует современный строительный рынок, в котором из года в год наблюдается увеличение ассортимента тех материалов, которые способны стать эффективными для реновации подземных трубопроводов различного назначения. Имея свою специфику, соответствующую, с одной стороны, принятой технологии изготовления, а с другой - методу нанесения на внутреннюю поверхность изношенных (дефектных) участков трубопроводов, защитные покрытия предназначены играть роль не только эффективного средства для обеспечения физической целостности трубопроводной системы и надежного барьера между транспортируемой средой и окружающей природной обстановкой, но также способствовать восстановлению прочностных и гидравлических характеристик эксплуатируемых многие годы инженерных трубопроводных систем в целях продления их срока службы и повышения надежности работы трубопроводной сети.

Перед проектировщиком часто стоит выбор наиболее эффективного покрытия из нескольких альтернативных. В качестве критерия выбора того или иного защитного покрытия должны рассматриваться результаты диагностических обследований подлежащих восстановлению трубопроводов и заключения технической экспертизы по состоянию объекта реновации. В каждом конкретном случае рассмотрению подлежат материал изготовления трубопровода и степень его износа, определяемого по остаточной толщине стенки, а также прочностные характеристики с учетом протяженности ремонтного участка, его диаметра, вида транспортируемой среды и окружающей наземной и подземной инфраструктуры (в частности, степени ее скученности, типа грунтов, наличия подземных вод и ряд других факторов).

В настоящей статье анализируется один из перспективных типов защитных покрытий для восстановления трубопроводов, а именно полимерный рукав, технические сведения о котором согласно практике эксплуатации требуют уточнения. В частности, на сегодняшний день не выработан научный подход к прочностному расчету двухслойных конструкций «материал трубопровода + полимерный рука», а также отсутствуют справочные данные о гидравлических параметрах полимерных рукавов для водопроводных (удельное сопротивление А [1]) и водоотводящих (коэффициент Шези [2]) сетей, что сужает рамки применения полимерных рукавов. Также не изучен вопрос гидравлической совместимости в единой трубопроводной системе старых и новых участков подлежащего ремонту трубопровода [3]. Таким образом, конкретной задачей статьи является описание свойств полимерного рукава, подходов к их прочностному и гидравлическому расчету.

Химические, физические и механические свойства полимерного рукава

Основными материалами для изготовления полимерных рукавов служат два компонента: несущая конструкция, например, полимерные волокна (например, из полипропилена) и наполнитель (например, ненасыщенные полиэфирные UP или эпоксидные смолы ЕР). Смолы подбираются в зависимости от их химического состава, который способен противодействовать термическим, механическим и химическим нагрузкам, которые должны соответствовать полимерному рукаву как защитному материалу трубопровода. Различие химического состава смол обусловливает различные механизмы отверждения полимерного рукава.

Типы формовочных материалов зарубежного производства на основе UP и ЕР -смол согласно германским техническим нормам DIN 16946 представлены соответственно в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1

Общие показатели Тип 1130 Тип 1140

Теплостойкость повышенная Повышенная

Прочность на изгиб нормальная Повышенная

Плотность, г/см3 1,2 1,2

Прочность на изгиб, Н/мм2 (МПа) Мин. 60 мин. 110

Прочность на растяжение, Н/мм2 (МПа) Мин. 20 мин. 53

Модуль упругости, Н/мм2 (МПа) 3500 3500

Удлинение при разрыве, % <2 >2

Теплостойкость согласно ISO, ( R С°) 90 90

*

Таблица 1.2

Типы с юрмовочных материалов на основе EP - смол*

Диапазон о тверждения Тип 1020-0 Тип 1021-0 Тип 1140-0

тепловое отверждение тепловое отверждение холодное отверждение

Плотность, г/см3 1.2 1.2 1.2

Прочность на изгиб, Н/мм2 (МПа) 120 120 100

Прочность на растяжение, Н/мм2 (МПа) 60 60 50

Теплостойкость согласно ISO, (R С°) 85 100 70

* Все значения являются краткосрочными и относятся к чистым смолам; для прочности указаны средние значения

Прочностные свойства двухслойной конструкции «существующий трубопровод + полимерный рукав

В ходе операций по нанесению полимерного рукава на внутреннюю поверхность ремонтного участка трубопровода (как правило, из стали, асбестоцемента, чугуна, железобетона, керамики или кирпича) образуется двухслойная трубная конструкция, которая должна проверяться на допустимые растягивающие напряжения в лотковой части трубы и предельные прогибы в своде при воздействии собственного веса трубы, напряжений от внутреннего наполнителя и т.д. В конечном итоге задача сводится к определению толщины и модуля упругости защитного покрытия, обеспечивающего несущую способность восстановленного участка новой трубной конструкции для двух режимов работы сетей (напорного и безнапорного), а также для двух эксплуатационных состояний (ненарушения и нарушения несущей способности ремонтного участка трубопровода). Для перечисленных материалов труб, кроме стали, подход к прочностному расчету за некоторым исключением практически идентичен. Например, для ас-бестоцементной трубы упрощенный вариант прочностного расчета сводится к следующему.

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 + сп

Еа

где Са - толщина стенки асбестоцементной трубы, м; Сп - толщина стенки полимерного рукава, м; Еа - модуль деформации асбоцементной трубы, МПа; Еп - модуль деформации материала рукава, МПа.

Необходимые толщина стенки Си и модуль деформации полимерного рукава Еп должны определяться из условия прочности асбестоцементной трубы Яа, МПа, имеющей приведенную толщину стенки С по формуле (2):

+ ^Р ^ *а,

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):

Р = Н

3 + Н

*

где Н - глубина заложения трубопровода, м; ае - безразмерный параметр напряженного состояния трубной конструкции, рассчитываемый по эмпирической формуле (4):

8*е = 220,37е 11,272а

в зависимости от величины безразмерного параметра а, рассчитываемого по формуле (5):

а = 2а/Б

В результате расчетов определяются необходимая толщина полимерного рукава Си и его модуль деформации Еп.

4./2009 ВЕСТНИК _4/2009_МГСУ

Во втором эксплуатационном состоянии трубная конструкция «асбестоцементная труба + полимерный рукав» представляет изношенную асбестоцементную трубу с уменьшенной по сравнению с первоначальной толщиной стенки К1-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 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 асбестоцементной трубе, испытывает деформации внутренней поверхности трубы ев, которые не должны превышать 0,005 (в долях единицы) или 0,05 (в %) по формуле (6):

» р Б Р ее=8*—!— +--< 0,005,

К2 Еа К2Еа

где ее - эмпирический безразмерный параметр, определяемый по формуле (7):

е*е = 2829,7е"16'965а

в зависимости от величины а, рассчитанной ранее по формуле (5).

Гидравлические показатели полимерного рукава

Гидравлические показатели полимерного рукава определялись на специальном стенде в лаборатории МГСУ при напорном и безнапорном режимах течения жидкости.

Гидравлический стенд состоял из двух эстакад с жестко закрепленными на них стальными трубопроводами длиной 18 ми диаметром 100 с внутренним полимерным покрытием толщиной около 1 мм, накопительных емкостей габаритами 2x2x1 м и насосной установки, включающей два центробежных насоса марки АЦМП-80А/130-3,0/2 с регулируемым компьютерным приводом, что позволяло автоматически регулировать расход жидкости, изменяя частоту вращения рабочего колеса от 0 до 2900 об/мин. Для отбора статического и динамического давлений на напорных и безнапорных трубопроводах в 2-х их точках на расстоянии 10 м друг от друга установлены пьезометры и трубки Пито.

Практическое значение результатов проведенных экспериментов состояло в том, чтобы, определив зависимости потерь напора от расхода и выявив значения коэффициента гидравлического трения X для одного диаметра (100 мм), произвести на основе гидравлического моделирования пересчет полученных эмпирических зависимостей для других диаметров (таблица 1.3).

В экспериментах на напорном трубопроводе в качестве критерия гидромеханического подобия использовался коэффициент эквивалентной шероховатости кэ, который рассматривался в качестве гидравлической шероховатости [4], а для безнапорного -коэффициент Шези С, т.е. коэффициент, зависящий от гидравлического радиуса Я, м, и шероховатости смоченной поверхности трубопровода п [5]. В результате обработки экспериментальных данных и математического моделирования для напорного трубопровода была установлена следующая полуэмпирическая зависимость, выраженная в унифицированной форме через удельное сопротивление А для полимерного покрытия при любой его толщине стенки (8):

= 5.10.d'

12 i-5,2791

где ё - внутренний диаметр напорного трубопровода с учетом нанесенного защитного покрытия, м.

Таблица 1.3

Экспериментальные и расчетные значения X и удельного сопротивления А

Диаметр X А, с2/м6

Номер п.п. трубопровода, мм

1 100 0,012844106 134,14

2 150 0,011878231 15,678

3 200 0,011256579 3,424

4 250 0,010807523 1,059

5 300 0,010460268 0,403

6 400 0,009945434 0,088

7 500 0,009571826 0,0272

8 600 0,009281981 0,0104

9 700 0,009047066 0,0046

10 800 0,008850708 0,0023

Для безнапорного трубопровода с полимерным покрытием была получена эмпирическая зависимость коэффициента Шези С от гидравлического радиуса R, м, (9):

СПолим.= 17,043lnR-17,038ln

где d - внутренний диаметр безнапорного трубопровода с учетом нанесенного покрытия, м.

Полученные зависимости (8, 9) позволяют проектировщику произвести гидравлический расчет трубопроводов с полимерным покрытием в широких диапазонах диаметров и толщин защитного покрытия, используя стандартные методики [1, 2].

Выводы

1. Рассмотрены основные свойства полимерных рукавов, являющихся эффективными ремонтными материалами для ветхих водопроводных и водоотводящих трубопроводов.

2. Представлен методический подход к прочностному расчету двухслойных трубных конструкций «материал трубопровода + полимерный рукав» и расчетные зависимости для проектировщиков, занимающихся вопросами гидравлического расчета и проектирования ремонтно-восстановительных работ на трубопроводных сетях различного назначения.

Литература

1. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных сетей. Москва: Стройиздат. 1984. 116 с.

2. Лукиных A.A., Лукиных H.A. Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле академика H.H. Павловского. Москва: Стройиздат. 1974. 159 с.

3. Храменков C.B. Стратегия модернизации водопроводной сети. Москва: ОАО «Издательство «Стройиздат». 2005. 398 с.

4. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. Москва: Недра. 1970. 216 с.

5. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. Москва: Энергия. 1972. 312 с.

Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»