автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Разработка и исследование ниппельного соединения эмалированных трубопроводов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ Санкт-Петербургский Государственный технический университет Читинский политехнический институт

на правах рукописи

СОКОЛОВ Анатолий Васильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

НИППЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЭМАЛИРОВАННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

ЧИТА 1994

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ Санкт-Петербургский Государственный технический университет Читинский политехнический институт

на правах рукописи

СОКОЛОВ Анатолий Васильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НИППЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЭМАЛИРОВАННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

05.23.07. Гидротехническое и мелиоративное строительство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (в форме научного доклада)

Научный руководитель доцент, к. т.н. Заслоновский В. Е

ЧИТА 1994

Работа выполнена в Читинском политехническом институте. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Штыков В. И. кандидат технических наук, доцент Полетаев Ю. Б.

Ведушдя организация - ТОО компания "ИНВЭКО"

(Ленгипроводхоз)

Защита состоится " " 1994 г. в час. в ауд. 411

ПГК на заседании специализированного совета Д 063. 38.19 при Санкт-Петербургском Государственном университете по адресу: 195251 Санкт-Петербург, Политехническая улица,29.

С научным докладом можно ознакомиться в библиотеке Санкт-ПетерОургского Государственного технического университета.

Научный доклад разослан " " 1994 г.

Ученый секретарь специализировонного совета, доцент, к. т. н.

Морозов В. И.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших факторов обеспечивающих рост продуктивности сельхозугодий и обеспечивающих устойчивость урожаев является уровень влагообеспеченности земледельческой зоны, который может быть обеспечен за счет орошения земель. Наибольшее распространение в России получили закрытые оросительные системы выполняемые из труб, позволяющие легко регулировать режим орошения и экономно расходовать воду. Оросительная сеть является основным элементом систем орошения, ее стоимость составляет от 40 до 70% общих затрат на орошение и поэтому решение задач направленных на ее совершенствование дает значительный экономический эффект. Совершенствование конструкций трубопроводов может осуществляться по таким направлениям как: уменьшение толшины трубопроводов с обеспечением защиты от коррозии; применение неметаллических труб; создание специальной арматуры и фасонных частей; разработка совершенных способов монтажа. При разработке совершенных методов монтажа одним из решающих условий является способ соединения труб.

Актуальность проблемы. Надежность работы трубопровода во многом определяется надежностью самого массового элемента соединения. Отсюда вытекает особая актуальность проблем связанных с подбором, исследованием, конструированием и монтажем соединений, особенно для защищенных антикоррозийными покрытиями труб, использование которых возможно как в оросительных системах так и в других отраслях народного хозяйства!водоснабжение, водоотведение и др.) В данной работе исследовалось и разрабатывалось соединение для тонкостенных стальных труб, с двухсторонним эмалевым покрытием. Она проводилась в соответствии с планом разработки и внедрения новой техники МВХ РСССР на 1988-90 г.

Целью исследований, является разработка конструкции соединения для труб с двухсторонним стеклоэмалевым покрытием, разработка методики теоретического расчета соединения с ее экспериментальной проверкой, предложение новой технологии монтажа с ее производственным опробыванием и определением экономической эффективности предложенных мероприятий за исключением определения гидравлических характеристик и долговечности соединения в экстремальных условиях эксплуатации, которые являются задачами отдельных исследований) . Все проведенные исследования и полученные результаты выполнены автором или в соавторстве при его непосредственном участии.

Задачами исследований для успешного решения рассматриваемой проблемы являются: 1.Систематезировать и дать научно обоснованную

классификацию известных соединений трубопроводов. 2. Для труб с двухсторонним эмалевым покрытием с использованием классификации разработать соединение наиболее отвечающее требованиям по монтажу и эксплуатации. 3. Разработать методику и выполнить теоретический расчет соединительного элемента. 4. Провести экспериментальную проверку теоретических положений. 5. Предложить новую технологию монтажа трубопроводов и опробовать ее в производственных условиях. 6. Определить техника-экономическую эффективность от внедрения нового соединения.

Методика исследований в соответствии с целями и задачами предусматривала теоретические расчеты, лабораторные и полевые эксперименты, а также производственную проверку разработанной расчетной методики и технологии монтажа при отработке опытной партии соединений и ее испытании.

Научная новизна работы заключается в: предложении нового научно обоснованного принципа построения классификации соединений; новой конструкции соединения для труб с двухсторонним стеклоэма-левым покрытием, защищенной авторским свидетельством; разработке методики теоретического расчета соединительного элемента, позволяющей учитывать дефекты реальных труб; разработке новой технологии монтажа трубопроводов с новым соединением.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе проведенных исследований предложена новая конструкция соединения для труб с эмалевым покрытием и технология их монтажа позволяющие укладывать грубы без нарушения антикоррозийного покрытия с большей надежностью, меньшими затратами труда, большей производительностью и снижением капитальных вложений в строительство.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Классификация соединений трубопроводов. 2. Конструкция соединения. 3. Методика теоретического расчета. 4. Технология строительства трубопроводов с новым соединением.

Апробация и реализация работы. Результаты работы докладывались на: 1. Всесоюзной научно-технической конференции по применению полимерных материалов в сельском строительстве. Челябинск 1988 г. 2. Всесоюзном семинаре по проектированию, строительству и эксплуатации водохозяйственных систем. Пенза 1989 г. 3. Х-й научно-практической конференции ОмСХИ по гидромелиоративному и водохозяйственному строительству в Сибири. Омск 1989 г. 4. ХХХ-й научной конференции ВСТИ. Улан-Уде 1991 г. 5. Международной научно-технической конференции по повышению долговечности и эффективности работы конструкций сельскохозяйственных зданий и сооружений. Челябинск 1992 г. Предложенная конструкция ниппельного сое-

динения участвовала в Республиканском конкурсе проводимом МВХ РСФСР е 1988 г. ив числе трех наиболее прогрессивных была рекомендована к внедрению в системе МВХ РСФСР. Результаты работы использованы в 1990-92 г. в объединениях "Пензаводпром" и "Росво-давтоматика".

Основой для составления доклада явились печатные работы автора, приведенные в списке источников.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ И ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ СОЕДИНЕНИЯ ЭМАЛИРОВАННЫХ ТРУБ

При строительстве закрытых оросительных систем в настоящее время применяются трубы различных типов и из различных материалов, такие как стальные тонкостенные, чугунные, асбоцементные водопроводные, железобетонные, железобетонные со стальным сердечником, алюминевые, пластмассовые. Специально для закрытых оросительных систем выпускают стальные электросварные тонкостенные трубы с антикоррозийным покрытиями внутренней и внешней поверхности лаком "Этиноль," полиэтиленом, цементнопесчаной смесью и др. Широкое распространение получили трубы с двухсторонним стек-лозмалевым покрытием / 8 /.

Способы соединений труб достаточно разнообразны и в настоящее время ставятся в зависимость только от материала труб, что по нашему мнению неправильно, так как одинаковый способ соединения может применяться для труб из различных материалов, например муфтовое соединение применяется и для асбоцементных труб и для чугунных с гладкими концами и для стальных тонкостенных.

Трубопроводы, являясь основным элементом закрытой оросительной сети, определяют обшую надежность работы объекта/3/, а она, в свою очередь, зависит от надежности соединения труб. Многообразие применяемых соединений трубопроводов вызвано поисками такого соединения, которое отвечало бы ряду требований, предъявляемых к нему в процессе строительства и эксплуатации. Наиболее значительными являются по /8,12,13 / следующие: 1. Герметичность трубопроводов, как при внутреннем избыточном давлении так и при возможном возникновении вакуума. 2. Равнопрочность соединения трубам при монтаже и эксплуатации а также возможность передачи осевых или боковых усилий, в том числе и от температурных воздействий. 3. Способность соединения, при необходимости, подвергаться сборке-разборке. 4. Хорошие гидравлические характеристики, экономичность, простота, удобство и скорость монтажа и др.

В настоящее время известно несколько сот различных типов и

модификаций соединений отечественных и зарубежных фирм, авторов. Реально выпускаются промышленностью и применяются несколько десятков разновидностей соединений трубопроводов в различных отраслях народного хозяйства. Однако применение того или иного соединения при проектировании и строительстве трубопровода носит, по большей части интуитивный характер. Это происходит из-за отсутствия достаточной информации о соединениях, ее разрозненности, отсутствия обоснованной классификации их т.е. невозможности достаточно быстро и правильно соориентироваться на определенный тип соединения, его модификацию. Такой подход приводит к нерациональному, а в ряде случаев и к неправильному использованию использованию соединений. В известных монографиях /5, 8 / данные о соединениях и их конструкциях приводятся в связи с трубами, для которых они предназначены.

В нашем исследовании разработана классификация, которая позволяет систематизировать сведения о соединениях трубопроводов и послужит основой для создания базы данных на ЭВМ. В ее основу положен принцип построения по уровневой структуре, с учетом важности требований указанных выше. По способу обеспечения наиболее важного требования - герметичности все соединения можно разделить, на первом уровне, на три класса (рис.1).

Рис. 1. Классы соединений труб, а - самоуплотняющиеся; б - независимые; в - разуплотняющиеся.

Класс независимых соединений (Рис.16) включает в себя такие соединения, которые связывают две трубы "жесткой связью" (например сварные, паяные, клеевые и т.п.). При условии равнопрочности соединения с трубой, выполнения его без нарушения технологии, качественно, такое соединение должно обеспечивать полную герметичность в диапазоне любых рабочих давлений среды, предусмотренных для данного трубопровода. По обе стороны от класса независимых соединений находятся два взаимно противоположных, по взаимодействию с рабочей средой в трубопроводе, класса соединений - самоуплотняющиеся (Рис. 1а) и разуплотняющиеся (Рис. 1в).

К самоуплотняющимся соединениям относятся такие, конструкция которых позволяет усиливать уплотнения и увеличивать герметичность с повышением рабочего давления среды в трубопроводе. Верхний предел рабочего давления таких соединений определяется пределом рабочего давления соединяемых труб. Нижний предел рабочего давления определяется конструкцией соединения.

а.

К разуплотняющемся соединениям относятся такие, которые ухудшают герметичность с повышением рабочего давления среды. Нижним пределом рабочего давления таких соединений является нулевое давление, а верхний предел зависит от конструкции соединения.

Таким образом можно принципиально отметить, что для трубопроводов низкого давления более эффективными будут соединения класса (1в), для трубопроводов высокого и сверхвысокого давления - соединения класса (1а), а в промежуточных областях все три класса могут успешно конкурировать.

Следующие уровни классификации базируются на вышеуказанных требованиях 2 и 3.

Все прочие требования к соединениям, указанные выше (4), не являются принципиально существенными и сводятся к конкретным представителям соединений в подгруппах (4 уровень классификации). Таких представителей обнаружено 10 (10 подгрупп). Разработанная классификация изображена на рис.2.

На основании приведенной классификации разрабатывалась и исследовалась новая конструкция соединения для труб с двухсторонним стеклозмалевым покрытием ТЭГ-300.

В настоящее время соединение труб ТЭГ-300 осуществляется на сварке. Трубы состоят из электросварного тонкостенного (до 4 мм) прямошовного цилиндра формуемого из двух лент-штрипсов и сварива-

1 |Класс 1 Самоуплотняющиеся Независимые Разуплотняющиеся

1 |П0Д- дасткие нежесткие жестк. нежестк. жесткие нежесткие

|класс 1

1 |Группа 1 1 1 1 | разъемные | § о [0 со от а. о X разъемные неразъемн. разъемные неразъемн. разъемные неразъемн. разъемные неразъемн. разъемные неразъемн.

1 ]Под-

|группы

11-10 г

Рис. 2. Классификация трубных соединений Представители соединений (подгруппы): 1 - сварные, 2 - клеевые, 3 - муфтовые, 4 - раструбные, 5 - резьбовые, 6 - ниппельные, 7 -фланцевые, 8 - бугельные, 9 - прессовые, 10 - быстроразборные.

емых электросварочными автоматами. Для того, чтобы сваривать трубы при монтаже на их концах выполняются гладкие обечайки с большей толщиной. Это необходимо для того чтобы обеспечить прочность сварного шва выполняемого в полевых условиях ручной сваркой и за счет большей толщины обечайки удлинить время коррозии шва и следовательно срок службы трубопровода, так как при сварке выгорает эмаль и шов, а также часть материала трубы оказываются не защищенными. Вопросы защиты шва с внутренней стороны трубы оказываются не решенными, хотя с внешней стороны они могут быть решены при использовании изолирующих материалов.

При разработке конструкции соединения ставилась задача избежать недостатков присущих соединению на сварке. В случае использования предлагаемой конструкции на трубах не выполняется обечайка и таким образом сокращается ряд технологических операций, связанных с изготовлением трубы. Так же исключается трудоемкий процесс сварки в полевых условиях и выгорание защитного слоя, что ведет к повышению надежности соединения и увеличению срока службы трубопровода.

Разработка конструкции соединения велась по ступеням приведенной выше классификации. При этом выявились следующие требования, которым должно удовлетворять соединение: 1. Соединение должно быть самоуплотняющимся. 2. Соединение должно обеспечивать линейные температурные перемещения и возможность небольшого углового смещения (2-4 )при монтаже и эксплуатации и поэтому относится к нежестким. 3. Соединение должно быть разборным.

При выборе конкретной конструкции соединения дополнительно учитывалось: минимальное изменение технологии изготовления труб на заводе вызываемых применением нового соединения; простота, надежность и технологичность конструкции соединения; стойкость материала к агрессивным воздействиям среды его дешевизна и недефицитность; упрощение технологии монтажа и снижение затрат на строительство трубопровода.

С учетом вышеизложенного предложено соединение ниппельного типа (подгруппа 6) с ниппелем из полимерного материала. В качестве полимера могут быть использованы полиэтилен (ПНД и ПВД) и по-ливинилхлорид (ПВХ ,при температурах до - 10 С), как наиболее распространенные и относительно дешевые. Соединение труб осуществляется путем надвижки концов соединяемых труб на ниппель. Наружный диаметр ниппеля может быть равен внутреннему диаметру трубы или быть больше на величину натяга. Схема соединения приведена на рис. 3.

По данной схеме был изготовлен ряд образцов и проведана

/

2

- 7 -. 1

£

Рис. 3. Схема ниппельного полимерного соединения, а - до сборки; б - после сборки. 1 - трубы; 2 - полимерный ниппель; 3 - упорный бурт.

а

экспериментальная проверка соединения с использованием установки описание, которой дается в разделе 3. Проверка показала принципиальную работоспособность соединения.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПОЛИМЕРНОГО НИППЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА*

Исходя из описания соединения изложенного выше видно, что основным его элементом является ниппель из полимерного материала. Герметичность соединения обеспечивается контактным давлением по поверхности ниппеля и труб, создаваемым за счет избыточного давления рабочей среды в трубопроводе и монтажного натяга. Монтажный натяг необходим для обеспечения герметичности в начальный период работы трубопровода до проявления эффекта самоуплотнения. Возникающие при монтаже усилия, за счет того, что диаметр ниппеля больше внутреннего диаметра трубы на величину натяга могут привести к недопустимым деформациям ниппеля. Таким образом главной задачей теоретического расчета является определение максимально допустимого натяга 6" из условия обеспечения устойчивости формы ниппеля.

Анализируя литературные источники /1,2,6/ и основываясь на работах /10,11 / автором сделан вывод, что ниппель как конструкция может быть представлен в виде цилиндрической оболочки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой с внешней стороны равной контактному давлению, возникающему при посадке ниппеля. В отличие от известной схемы ниппель имеет подкрепление в центральном сечении в виде тонкого кольца (рис.3) не учитвавшееся в расчетах.

В качестве полимерных материалов для ниппелей предлагается использовать ИНД, ПВД и ПВХ. Характеристики материалов приняты по нормативно-справочной литературе/ 5 /.

* Научный консультант раздела 2 к. т. н. доцент Шестаков В. Г.

- о _

\ X1- \

^ ~! |м л^ 'м |

Рис. 4. Схема ниппельного стыкового соединения. 1,3 - концы стыкуемых труб. 2-ниппель из полимерного материала, и - внутренние радиусы конической части ниппеля. - внутренний радиус стальной трубы. гг = - наружный радиус оболочки. - величина допуска на натяг.

В данной работе решались следующие задачи: исследовать оболочку ниппеля на устойчивость в большом и малом от нагрузок при монтаже, установить влияние отклонений от цилиндричности поверхности соединяемых труб на напряженно деформируемое состояние ниппеля, провести расчеты прочности ниппеля.

Рассмотрим случай при монтаже ниппеля с натягом. В момент вдЕижения в трубу ниппеля ( представляющего собой цилиндрическую оболочку) с натягом он может терять устойчивость в малом с образованием одной полуволны вдоль образующей п =1. Число волн (рис.4) образующихся по кругу оболочки конечной длины в пролете в результате потери устойчивости в большом, зависит от параметра п, отношения толщины к радиусу Ь/Иср, отношения длины оболочки к радиусу 1 /1?ср , материала оболочки.

На основании теоретических исследований устойчивости цилиндрических оболочек конечной длины в литературе /1,2/ приводится уравнение, которое может быть использовано для определения критической нагрузки (в нашем случае критического давления) при потере устойчивости при п = 1 и 1/Я ср < 8 : ,

Р*р п (1)

—тЧ^^т3)2 где: Рср - средний радиус цилиндрической оболочки; Ь - толшина стенки; 1 - длина оболочки; К = #*!?ср"П /1; ш=2,3,4,5...

Как показывают исследования приведенные в литературе /1,2,4/ евиду начального прогиба оболочки (например, в результате отклонений от цилиндричности внутренних поверхностей труб) концентраций напряжений и других факторов реальные значения критических .нагрузок лежат в пределах верхнего и нижнего значений критического давлений:

~ в (2)

Ркр= 0.78 Ркр

*р (3)

Принципиальный график устойчивости оболочки в малом и в большом приведен на рис. 5. Р

^стС1л Л

-ч б н и 5

РиГмл р а ¿нио'ес^

Рис.5. Принципиальный график устойчивости оболочки.

При давлении Р < Ркр оболочка устойчива в малом и в большом, при Ркр < Р < Ркр оболочка устойчива в малом, неустойчива в большом.

для оболочек из ПНД Ркр н „ ___„д „н

Рассчитывая по формулам 2 и 3 имеем: = 0,37 МПа из

Практические расчеты на устойчивость

МПа, Ркр = 0,26 МПа; из ПВД - Ркр = 0,094 МПа, ркр ПВХ - Ркр = 0,70 МПа, Ркр = 0,50 МПа.

О, 067

оболочки при внешнем

давлении следует вести по верхнему критическому давлению с учетом коэффициента условий работы Ку = 0,8 т.е. Ррасч= РкрхКу.

Для оболочки из ПНД - Ррасч = 0,3, из ПВД - Ррасч = 0,075, из ПВХ - Ррасч = 0,56 (в МПа).

Была составлена программа для ПЭВМ и рассчитаны графики верхних критических давлений для ниппелей из ПНД, ПВД, и ПВХ в реальных диапазонах значений Яср/1 и 1/Нср. Задаваясь значениями 1/йср (желательно в диапазоне от 1 до 3 ), по величине необходимого значения Ркр можно получить значения ЯсрА следовательно и толщины ниппеля.

Максимально допустимый натяг с учетом жесткости составных труб рассчитывается по формуле /4/:

Ррасч ^ Тс

г;

г*

Гс -

Ргаи

-тр

Ъ\

г{ -

-цл

ГР

(4)

где: Ео и Етр - модули деформации материала ниппеля и трубы соответственно; ^о и^тр - коэффициенты Пуассона. Остальные обозначения аналогичны приведенным выше.

Вследствии несовершенства технологии изготовления эмалированных труб они имеют отклонения в размерах и форме поперечного се-

чения. Необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние ниппеля номинального размера с учетом отклонения от цилинд-ричности соединяемых труб.

Если наружный диаметр ниппеля равен номинальному (в нашем случае Двн = 291 мм), то при монтаже за счет отклонений от ци-линдричности внутренних поверхностей соединяемых труб ниппель

Предполагаем,что по длине ниппеля условия нагружения идентичны, поэтому, выделяя участок ниппеля единичной длины, ведем расчет кольца под действием сжимающей силы Р приходящейся на единицу длины оболочки. В результате решения известных уравнений (подробно изложенных в работах автора /10,11/) получены значения

Рс, сЗтах, С$ Ь, (Зрасч. Для ниппелей из ПНД они приведены в таблице 1.

Таблица 1

1 1 I £(мм 1 1 Рс, МПа 1 6 шах, МПа 6*. МПа 1 ^ ' I Орасч, МПа | 1 |

1 2 | 0.3 | 0,85 5,30 1 1 1 6,15 |

1 з | 0,47 | 0, 85 8,31 1 9,16 |

1 4 | 0,63 | 0,85 11,14 I 11,99 |

1 5 | | | 0,79 | 1 0,85 13,64 1 14,19 | 1 1

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА НИППЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Целью экспериментальной проверки теоретического расчета ниппеля было выявление возникающих в нем напряжений от монтажных усилий и соответствие их теоретическим значениям.

В качестве экспериментального образца был взят ниппель из опытной партии изготовленный из ПНД по размерам, соответствующим принятым в теоретическом расчете.

На ниппель наклеивались тензометрические датчики в количестве 4 штук (база датчиков 20 мм). Они наклеивались на внутреннюю поверхность ниппеля на расстоянии 0,5£ (£.- половина длины ниппеля) от торца ниппеля по окружности через 90°. Измерения проводились прибором ИД-70 вначале до посадки ниппеля в трубу, а затем после посадки. По измеренным деформациям рассчитывались напряжения и сравнивались с расчетными. Отклонения были в пределах -6-17%, от расчетных. Полученные значения меньше расчетных, что объясняется наличием кольца в центральном сечении ниппеля.

Исследование стыковых соединений на герметичность проводились в лаборатории труб и трубных соединений ЧитШ на установке подробно описанной в /12,17/. Она позволяет подвергать соединения избыточному давлению до 3,5 МПа, а при подключении вакуум-насоса создать пониженное давление до - 0,08 МПа, а также имитировать изгибы стыка, просадки секций труб. Схема установки приведена на рис. 7.

Первоначально испытаниям подвергались опытные образцы ниппелей изготовленных для соединения стальных труб с Двн = 105 мм. Внутренняя поверхность трубы шлифовалась до зеркального блеска с целью приблизить ее шероховатость к трубам со стеклоэмалевым покрытием. Проведенные испытания показали, что во всем диапазоне (до 3,5 МПа) утечки отсутствуют и это подтверждает теоретическую модель (гл. 1).

Рис. 7. Схема установки для испытаний соединений трубопроводов

на герметичность 1 - верхний резервуар; 2 - нижний резервуар; 3 - испытуемый образец; 4 - насос; 5 - вакуум-насос; 6 - вентили; 7 - манометр (вакуумметр); 8 - трубопроводы; 9 - сборный лоток; 10 -мерный цилиндр.

При испытаниях на реальных трубах (Двн= 291 мм) на некоторых образцах наблюдались утечки в виде просачивания или подкапывания, которые исчезали по мере повышения давления и проявления самоуплотняющей способности ниппеля. Характерный график приведен на

рис. 8.

30 20 10

На реальных трубах всегда имеются микродефекты (сколы, трещины наплывы и т.д.) и хотя ниппель при рабочих давлениях обеспечивает герметичность, для ликвидации протечек в диапазоне малых давлений предложено ввести тонкий слой герметика между ниппелем и трубой.

Непосредственно при монтаже трубопроводов, как правило, удается укладывать трубы соосно не допуская смещения их как по вертикали так и по горизонтали. Однако, при засыпке трубопровода или из-за неравномерной осадки основания возможно изменение положения трубопровода. Поскольку сами трубы имеют достаточную жесткость, то смещения проявляются в соединениях и характеризуются углом между осями соседних труб.

Эксперимент по моделированию перекоса труб проводился на установке (рис.9) на трубах Д = 105 мм и на трубах ТЭГ-300 с полиэтиленовыми ниппелями с промазкой мастикой МБР-90. После установки собранного соединения создавался перекос от 0 до 6 между осями труб, затем повышалось давление до 1.6 МПа. Во всех случаях утечек из соединения не наблюдалось.

Все измерения проводились с достаточной для практических целей точностью, поверенными приборами и инструментами. Проводился анализ погрешностей измерений, которые, как оказалось, не превышали: для линейных размеров-0,34 - 0,68%, для относительных де-формаций-0,61 - 1,61%, для объемов утечек- 5X.

Рис.9. Схема эксперимента с перекосом труб 1 - трубы; 2 - соединение; 3 - измерительный прибор.

4. КОНСТРУКЦИЯ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

С учетом выводов из теоретических и экспериментальных результатов, изложенных в предыдущих разделах, была разработана конструкция соединения ниппельного типа для напорных трубопроводов и защищена авторским свидетельством N 1657826. Соединение

Рис. 10. Соединение с ниппельным полимерным элементом. 1,2- трубы; 3 - полимерный ниппель; 4 - конические переходы; б'- бурт; 6 - кольцевые проточки; 7, 8 - слои герметика; 9 -внутренний пластичный запорный клин; 10 - слои герметика; 11 -наружный запорный клин; 12 - излишки герметика; А - запорная часть; Б - калибрующая часть.

5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИППЕЛЕЙ И МОНТАЖА ТРУБОПРОВОДОВ С ИХ ПРИМЕНЕНИЕМ

Полимерный ниппель из полиэтилена изготавливается методом литья под давлением на литьевых машинах с объемом впрыска до 1500 куб. см. По заказу и при участии лаборатории труб и трубных соединений ЧитПИ на НПО "Пластик" (г.Москва) была спроектирована и на П/0"Авиационный завод" (г. Улан-Уде) изготовлена пресс-форма на типоразмер ниппеля для труб ТЭГ-300. При этом использованы результаты теоретических расчетов размеров по приведенной выше методике. На П/0 "Оргсинтез" (г.Казань) сотрудниками лаборатории совместно со специалистами трубного производства была отработана технология изготовления ниппелей и выпущена опытная партия ниппелей.

Технология монтажа трубопроводов с применением полимерного ниппельного соединения отличается от базовой технологии монтажа труб ТЭГ на сварке специфическими операциями соответствующими только данному соединению, но в то же время ряд операций идентичны. Технология разработана для подземной прокладки труб и должна осуществляться в соответствии с требованиями СНиП 3. 07. 03-85 "Ме-

изображено на

лиоративные сооружения. Правила производства и приемки работ", а также в полном соответствии с проектом.

Для монтажа трубопроводов разработан нормокомплект инструментов и механизмов из 1? наименований. В нормокомплект входят обычные инструменты и инвентарь, применяемые на строительстве трубопроводов, за исключением приспособления для посадки ниппеля в трубу и механизма для стыковки труб, разработанных в ЧитПИ при непосредственном участии автора. Ниже приводятся их описание и схемы.

Приспособление для посадки ниппеля в трубу состоит из двух монтажных столиков 1 с упором 4, которые соединяются между собой тягами 9, винта с гайкой 2, барабана 5 для ниппеля 6, регулируемой площадки с роликами 3 для укладки трубы 7, трех откидных крючков 8, располагаемых на барабане 5 под углом К.''^. (рис.11)

Рис.11. Схема приспособления для посадки ниппеля в трубу

Механизм для стыковки труб (рис.12.) служит для натяга последующей трубы на ниппель и состоит из тележки на колесиках 4, к которой крепятся четыре захвата 8, с прижимными щеками 9, двух зажимных винтов 10, двух гидроцилиндров 11, гидронасоса 6, гидрораспределителя 7, бачка для масла 5, соединительных шлангов 1.2,

Последовательность операций по монтажу трубопровода такова:

зачищается дно траншеи, подготавливается мастика, производится посадка ниппеля в трубу на приспособлении (рис. 11), трубы со вставленными ниппелями развозятся вдоль траншеи, трубы стропуются и подаются в траншею, там они укладываются на место и стыкуются при помощи механизма (рис.12). Затем производится подбивка трубы грунтом, частичная засыпка, гидравлическое испытание и окончательная засыпка траншеи.

6. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Основываясь на вышеизложенных исследованиях и предложенной конструкции соединения были выполнены отдельные участки трубопроводов со стыковым соединением с полимерным ниппелем. В цехе ПО "Пензаводпром", выпускающем трубы ТЭГ-300, производилось испытание участка трубопровода с четырьмя стыками (акт от 22.01.1988). Испытания показали, что в диапазоне от 0 до 3.5 МПа утечек не +наблюдалось. После испытаний на ПО "Пензаводпром" на полигоне ЧитПИ был заложен опытный участок из труб ТЭГ-300 с шестью стыками и из труб Д = 152 мм с пятью стыками. Наблюдения велись в течении 1988-93гг., колебания температур окружающей среды составляли от - 44 до + 42 °С. Каждый год в период с апреля по сентябрь регулярно 1 раз в неделю производилось наполнение трубопроводов и их опрессовка давлением до 2,4 МПа. За время наблюдений течей воды и нарушений целостности стыков не наблюдалось. В июне 1991 г. был произведен монтаж, а в сентябре того же года испытание опытно-производственного участка трубопровода на Махалинской оросительной системе в совхозе "Махалино" Кузнецкого района Пензенской области. По результатам испытаний комиссия МВХ PCICP дала положительное заключение (акт от 25.10.1991г.). По результатам работы подготовлены и представлены в концерн "Росводстрой" ТУ на производство ниппелей и на монтаж трубопроводов с их использованием. Получены справки о применении результатов исследований при расчете, выпуске опытной партии ниппелей и испытании опытных участков.

7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НИППЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Расчет экономической эффективности выполнен по показателям сравнительной экономической эффективности новой техники. За базовый вариант принят способ соединения труб с обечайками на сварке. Экономическая эффективность определялась согласно /7/ в расчете на год. Годовой экономический эффект от внедрения новой конструкции соединения представит собой суммарную экономию всех произ-

водственных ресурсов, которая может быть получена от внедрения. Он определяется по формуле /7/:

Э = (П - Ен*К) *А (5)

где: Э - годовой экономический эффект, руб; П - прирост прибыли, руб; К - удельные капвложения на производство ноеой продукции, руб; Ен - нормативный коэффициент эффективности КВЛ равный 0,15; А - годоеой объем продукции в натуральном выражении.

Полный расчет приведен в работе /12/. В ценах 1991 г. экономический эффект составит 1,2 млн. руб. С учетом рыночных отношений, инфляции, роста цен на энергоносители коэффициенты к договорным ценам ожидаются в 1994 г. в пределах 450-500 и общий экономический эффект ориентировочно составит 540-600 млн. руб.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Выполненые исследования позволили прийти к следующим выводам и предложениям:

1. Новая классификация, выполненная на основании обобщения сведений по известным соединениям трубопроводов, позволяет систе-матезировать их и подбирать наиболее приемлемые виды соединений для конкретных условий, а в отдельных случаях давать направление в разработке новых соединений.

2. Используя материалы положенные в основу классификации соединений и принципы ее построения, создано новое соединение с полимерным ниппельным элементом. Конструкция и способ соединения защищены авторским свидетельством N 1657826.

3. Теоретические исследования конструкции ниппельного полимерного соединительного элемента, как цилиндричекой оболочки конечной длины, привели к созданию методики расчета ниппельного соединения, которая была использована для расчета конкретной конструкции соединения эмалированных труб. Указанная методика может быть распространена и на другие виды труб.

4. Проведенные эксперименты подтверлщают, что конструкция ниппельного соединения с полимерным соединительном элементом работоспособна и допущения, лежащиие в основе теоретических расчетов, обоснованны.

5. Разработанные приспособления, оснастка, механизмы и технологии выпуска ниппелей и монтажа трубопроводов позволяют использовать ниппельное соединение в производстве.

6. Проведенные производственные испытания соединения и технологии монтажа показали их хорошую применимость и экономическую эффективность, которая в ценах 1994 г. может быть в пределах

40-600 млн. руб.

Работу следует продолжить в следующем направлении:

- разработка соединений других видов труб;

- создание базы данных по трубным соединениям на ПЭВМ и сое-инение ее с алгоритмом решения изобретательских задач с целью онструирования соединений, полностью отвечающих заданным требо-аниям.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Боярышников С. В. Основы строительной механики машин. М. Ыашино-сгроениие, 1973 - 456 с. . Вольмир А. С. Устойчивость деформируемых систем. М. Наука, 1967 - 984 с.

. Мирцхулава Ц. Е. Надежность гидромелиоративных сооружений. М. Колос, 1974 - 279 с.

Пономарев С. Д. , Бидерман В. П. и др. Расчеты на прочность в машиностроении. т. 3, М. Машгиз, 1959 - 1118 с. Справочник проектировщика. Проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводов из полимерных материалов. Под ред. Ш?стопала А. а и Ромейко ЕС. М. Стройиздаг, 1985 - 304 с. Справочник проектировщика расчетно-теоретический. В 2х кн. кн. 2 под ред. Уманского А. А. , изд. 2-е перераб. и доп. М. Строй-издат, 1973 - 416 с.

Типовая методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений рацпредложений. М. ВНИПИ, 1986 -8 с.

Устройство закрытых оросительных систем, трубы, арматура, оборудование. Справочник. Под ред. Дикаревского В. С. М. Агропром-издат, 1986 - 255 с.

РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДОКЛАДА

Долговечное полимерное соединение напорного трубопровода и технология его монтажа В сб. Повышение долговечности и эффективности работы конструкций сельскохозяйственных зданий и сооружений. Материалы международной научно-технической конференции. УДНТП общества "Знание" РФ. Челябинск 1992 (в соавт. Зас-лоноеский В. R , Жигжитжапов Б. 0.)

. Основы расчета полимерного ниппеля на прочность, жесткость и устойчивость. Читинский политехнический институт, Чита 1993 17 с. ил. Библ. 8 назв. Депонировано в ВИНИТИ 07.04.93 N 864-В-93. (в соавт. Заслоновский В. а , Шестаков В. Г.).

11. Определение конструктивных параметров самоуплотняющегося ниппеля напорных трубопроводов. Труды ХХХ-й научной конференции ВСТИ Улан-Уде, 1991 (в соавт. Шэстаков В. Г., Заслоновский ЕЕ)

12. Отчет о научно-исследовательской работе. Разработка, исследование и внедрение стыкового соединения напорных трубопроводов. На правах рукописи. ЧитПИ, Чита, 1990г. N гос^. per. 017001934.

(в соавт. Заслоновский В. Е , Жигжитжапов ¡В. О. и др.)

13. Отчет о научно-исследовательской работе.;' Внедрение стыкового ниппельного соединения напорных трубопроводов. На правах рукописи ЧитПИ, Чита 1991г. N гос. per. 01910015295. (в соавт. Заслоновский В. Е , Жигжитжапов Б. О. и др.

14.Применение стыковых соединений в мелиораи

)

щи и их классифика-

ция. Тезисы докладов к зональному семинару. Пенза, 1989 г. (в соавт. Заслоновский В. Е) |

15. Применение стыковых соединений трубопроводов в мелиорации и их классификация. Труды Х-й научно-практической конференции по гидромелиоративному строительству в Сибири. ОмСХИ Омск 1989 г. (в соавт. Заслоновский В. Е).

16.Стыковое соединение трубопровода и способ его монтажа. А. С. N 1657826 от 22. 02.1991 г. ( в соавт. Заслоновский К Е , Жигжитжапов Б. 0. и др) опубл. 23. 06. 91 бюл. • N 23.

17. Стенд для испытаний полимерных трубопроводов и соединений. Тезисы. Всесоюзной научно-технической конференции. Челябинск, 1988 г. ( в соавт. Заслоновский В. Е ,Жиг!житжапов Б.О.).

Заказ а'// . Подп. к печати 28.02.94. Тираж 100 экз. Уч. -изд. л. 1. О

Ротапринт Читинского политехнического института