автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии скоростного устранения аварийных утечек воды из подземных трубопроводов

Введение.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Состояние и перспективы развития водонесущих трубопроводных систем.

1.2. Последствия разгерметизации трубопроводов для окружающей среды и человека

1.2.1. Влияние утечки из разгерметезированного трубопровода.

1.2.2. Влияние аварийно-ремонтных работ.

1.3. Существующие технологии ремонта и продления срока службы действующих трубопроводов.

1.3.1 Технологии ремонта с полным разрытием траншеи.

1.3.2. Технологии ремонта с частичным разрытием траншеи.

1.4. Предпосылки метода бестраншейного ремонта.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ БЕЗ ВСКРЫТИЯ ТРАНШЕИ.

2.1. Условия реализации метода.

2.2. Оценка влияния грунтов на выход воды при аварийных ситуациях.

2.3. Определение мест утечек и размеров повреждений стенок труб и стыковых соединений

2.4. Исследование закономерностей движения водного потока в разгерметизированном трубопроводе.

2.4.1. Уравнение баланса удельной энергии в разгерметизированном трубопроводе

2.4.2. Коэффициенты уравнения баланса.

2.4.3. О зоне влияния аварийного отверстия.

2.5. Транспортирование герметизирующего элемента.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ГЕРМЕТИЗАЦИИ.

3.1 Подбор состава технологической смеси.

3.1.1 Формирование требований к смеси.

3.1.2 Обоснование выбора герметизирующего раствора.

3.1.3 Подбор компонентов герметизирующего раствора.

3.1.4. Подбор состава герметизирующего раствора.

3.2. Моделирование процесса герметизации в лабораторных условиях.

3.2.1. Принцип действия лабораторной установки.

3.2.2 Предварительные исследования на лабораторной установке.

3.3. Многофакторное исследование процесса герметизации.

3.3.1. Планирование многофакторного эксперимента.

3.3.2. Выбор выходного параметра.

3.3.3. Определение факторного пространства.

3.3.4. Выбор основных уровней и интервалов варьирования.

3.3.5. Построение плана эксперимента.

3.3.6. Обработка экспериментальных данных.

3.3.7. Анализ математической модели и движение по градиенту.

3.4 Оценка прочности перекрытого отверстия.

3.4.1 Резкое повышение давление.

3.4.2 Возникновение вакуума.

3.5 Герметизация трубопроводов при отрицательных температурах наружного воздуха.

3.5.1. Определение минимальной и максимальной допустимой температуры технологической смеси.

3.5.2. Теплотехнические расчеты.

3.5.3. Расчет охлаждения воды и смеси в сбросном рукаве.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ.

4.1. Технологическое оборудование.

4.1.1. Установка для приготовления растворных смесей.

4.1.2. Дозатор технологической смеси.

4.2. Передвижной ремонтный комплекс.

4.3. Основные этапы ремонтных работ.

4.4. Проведение ремонтных работ на аварийных участках.

4.4.1 Герметизация стального водовода диаметром 219 мм.

4.4.2 Результаты испытания технологии на других объектах.:.

Выводы по главе.

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ.

5.1 Эффективность эксплуатации ремонтного комплекса.

5.1.1 Себестоимость устранения утечки предлагаемым методом.

5.1.2 Себестоимость устранения утечки традиционным способом.

5.1.3. Соотношение затрат по сравниваемым вариантам.

5.1.4. Расчет срока окупаемости ремонтного комплекса.

5.1.5. Годовой экономический эффект эксплуатации одного комплекса.

5.2 Эффективность производства ремонтных комплексов.

Выводы по главе.

В настоящее время около 20 % всех находящихся в эксплуатации сетей водоснабжения на территории страны находятся в ветхом состоянии. По расчетам НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды [1] годовые потери воды в городах России составляют около 37 % водопотребления. Статистика показывает, что около 70 % повреждений приходится на трубы диаметром до 300 мм. Главной причиной износа труб является их низкая коррозионная стойкость. В связи с этим, темпы потери работоспособности металлических трубопроводов систем водоснабжения, теплоснабжения и канализации значительно превосходят темпы их восстановления традиционными способами. Такая ситуация чревата экономическими и социальными потерями, что наносит значительный экологический ущерб, создает угрозу здоровью населения. Устранение аварийных утечек из подземных напорных трубопроводов традиционным способом с разрытием траншеи дорогостояще и сопряжено со значительными трудностями. Положение усугубляется при ремонте трубопроводов в условиях городской застройки, при пересечении дорог, при близком расположении кабелей связи и других коммуникаций, а также в зимнее время. При вскрытии траншеи нарушается внешний облик населенного пункта, ухудшаются условия движения транспорта и пешеходов, загрязняется окружающая среда и т.д. В связи с этим актуальными являются разработки в области нетрадиционных технологий герметизации и восстановления пропускной способности действующих трубопроводных коммуникаций, обеспечивающие быстрое и эффективное решение проблемы.

Вышеизложенные положения определили цель диссертационной работы: разработать и исследовать экологически чистую технологию ремонта напорных трубопроводных систем, позволяющую оперативно (в короткие сроки) ликвидировать утечки без вскрытия траншеи из подземных водонесущих коммуникаций.

Технология ремонта (герметизации) трубопроводов без вскрытия траншеи лишена всех вышеперечисленных недостатков и позволяет значительно сократить период отключения из работы поврежденного участка. Большим достоинством технологии является то, что при проведении ремонтных работ происходит сплошная герметизация трубопровода, то есть одновременно с основной, явно выраженной утечкой, попутно устраняются скрытые, невыявленные, что позволяет сэкономить воду, повышает санитарную надежность сетей и снижает ущерб, наносимый окружающей среде в связи с подтоплением подземного пространства. Герметизация трубопроводов осуществляется по всей длине участка независимо от конфигурации трассы. Применяемые при ремонте материалы разрешены Государственным комитетом по санитарно-эпидемиологическому надзору Российской Федерации для контакта с питьевой водой. Диссертационная работа имеет следующую структуру: В первой главе диссертационной работы выполнен системный анализ отечественных и зарубежных технологий ремонта трубопроводных коммуникаций. Создана классификация типов существующих конструктивных решений в этой сфере. Показано негативное влияние разгерметизированных трубопроводов на окружающую среду и человека. В заключение главы поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе сформулированы условия для реализации предлагаемой технологии, произведена оценка влияния грунтов на выход воды при аварийных ситуациях, исследованы основные гидравлические закономерности движения водного потока в перфорированном трубопроводе. Разработана методика оценки размеров повреждения. Показаны необходимые условия для транспортирования герметизирующего элемента до места утечки.

Третья глава содержит лабораторные и стендовые исследования процесса герметизации, которые включают в себя определение качественного и количественного состава технологического раствора, планирование и проведение многофакторного исследования процесса герметизации. Выполнены теплотехнические расчеты и эксперименты, необходимые для проведения ремонтных работ в зимнее время и работ на трубопроводах горячего водоснабжения и теплотрассах.

В четвертой главе разработано необходимое технологическое оборудование и состав передвижного комплекса для проведения работ на аварийных участках. Проведен анализ натурных испытаний технологии на аварийных участках подземных сетей водоснабжения и теплоснабжения г. Новосибирска. По данным натурных испытаний разработаны рекомендации по использованию технологии.

В пятой главе проведено технико-экономическое сравнение затрат по предлагаемой технологии с затратами по ремонту традиционным способом. Выполнен расчет срока окупаемости ремонтного комплекса. Показан годовой экономический эффект эксплуатации одного комплекса. Выполнен инвестиционный проект для предприятия, планирующего производить ремонтные комплексы.

В заключительной части работы представлены основные выводы по результатам проведенных исследований.

Автор работы выражает искреннюю признательность научному руководителю д.т.н. проф. Дубенчаку В.Е., научному консультанту к.т.н. доц. Купцу К.Л., коллективу кафедры "Гидравлика и водоснабжение" СГУПС за конструктивную помощь в проведении работ и ценные советы и замечания, сделанные в процессе оформления диссертационной работы.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В работе выполнен системный анализ отечественных и зарубежных технологий ремонта трубопроводных коммуникаций. Создана классификация типов существующих конструктивных решений в этой сфере. Показано негативное влияние разгерметизированных трубопроводов на окружающую среду и организм человека.

2. Предложена технология бестраншейного ремонта подземных коммуникаций, которая по экономическим, экологическим и техническим параметрам превосходит традиционно используемые в практике водоснабжения методы ремонта. В основе предложенной технологии лежит идея самогерметизации трубопровода за счет использования энергии вытекающей из аварийного отверстия рабочей жидкости.

3. Проведены исследования по оценке влияния грунтов на выход воды на дневную поверхность при аварийных ситуациях. Предложены теоретические зависимости, позволяющие оценить характер проявления аварийной утечки в зависимости от глубины заложения трубопровода, грунтовых условий, давления воды в трубопроводе и размеров аварийного отверстия. Определены минимальные эквивалентные диаметры аварийных отверстий, при которых вода появляется на поверхности земли.

4. Разработана методика определения величины утечки, позволяющая использовать технологическое оборудование непосредственно на месте про» ведения ремонтных работ.

5. Исследованы закономерности движения водного потока в разгерметизированном трубопроводе. Получено уравнение баланса энергии делящегося потока. Произведена оценка границ зоны влияния аварийного отверстия.

6. Предложена рациональная конструкция герметизирующего элемента, в виде эластичного ядра с пластичной оболочкой и потокочувствительным хвостовиком, позволяющая сформировать совместно с технологической смесью надежное перекрытие аварийного отверстия, выдерживающее как давле

137 ние изнутри трубы, так и в случае образования в трубопроводе вакуума.

7. Обоснован и выбран качественный состав технологической смеси: вяжущее - цемент марки М-400, заполнитель - натрий-бентонитовая глина, добавки - метасиликат кальция (жидкое стекло) и полиакриламид. Для полевых работ по условиям вязкости и сроку схватывания удовлетворяет раствор следующего состава: глина/цемент-1:1 с водотвердым отношением - 0,9, с добавлением 2х-процентов водных растворов полиакриламида и жидкого стекла.

8. Был спланирован и поставлен полный четырехфакторный эксперимент, в котором варьировали: соотношение размеров герметизирующего элемента и отверстия, длину хвостовика герметизирующего элемента, количество одновременно вводимых элементов в расчете на одно отверстие и скорость транзитного потока. Получено уравнение регрессии. Анализ данных эксперимента показал, что для проведения работ в реальных условиях необходимо выдерживать соотношение размеров герметизирующего элемента и отверстия - 1,35, длину хвостовика 30 мм, количество герметизирующих элементов на одно отверстие- 7 и скорость транзитного потока 0,15 м/с.

9. Проведены оценочные расчеты прочности перекрытого отверстия. Рассмотрены случаи резкого повышения давления и возникновения вакуума в загерметизированном трубопроводе. Получено, что при резком повышении давления наиболее вероятный вариант разрушения перекрытия - срез (скольжение) по граням, совпадающим с малым диаметром отверстия. На лабораторной установке определены значения касательных напряжений, возникающих в перекрытом герметизирующим элементом отверстии. Проведено сравнение с напряжениями при максимальном вакууме, получено, что предложенное перекрытие выдерживает вышеуказанные напряжения. ,

10. Определены верхний и нижний температурный пределы приготовления технологической смеси для герметизации теплотрасс или трубопроводов систем горячего водоснабжения, а также для проведения ремонтных работ в зимних условиях. Получено общее снижение температуры по тракту движения смеси в процессе ее закачки в ремонтируемый трубопровод, в зависимости от температуры наружного воздуха. Составлены графики для определения допустимой продолжительности периода прекращения движения технологической смеси в условиях ее охлаждения.

11. Сформулирован принцип действия установки для приготовления технологических растворов, разработана ее конструкция.

12. Разработан состав передвижного ремонтного комплекса, необходимого для производства работ. Разработана методика проведения ремонтных работ, которая рассмотрена на примере конкретного аварийного участка.

13. Создан и внедрен производственный комплекс, с помощью которого на протяжении пяти лет проводились производственные испытания технологии, результаты которых подтвердили основные выводы по итогам теоретических и экспериментальных исследований.

14. Проведен анализ натурных испытаний технологии. Установлены границы целесообразности применения разработанной технологии.

15. Произведена технико-экономическая оценка разработанной технологии, показана высокая экономическая эффективность применения технологии ремонта в практике водоснабжения. Себестоимость ремонта по разработанной технологии в сравнении с традиционным способом составляют от 7 до 40 % в зависимости от диаметра трубопровода.

16 Разработан инвестиционный проект предприятия по изготовлению соответствующего технологического оборудования, согласно которого при производительности 10 комплексов в год затраты окупятся за 4 года.

1. Ромейко B.C. Подземный Чернобыль // Деловой мир. 1994. № 27. -С. 6.

2. Ромейко B.C. Подземный Чернобыль- мрачная фантазия или, увы, близкая реальность? // Трубопроводы и экология. -1998. №2 . -С. 5.

3. Ромейко B.C. Трубы и ускорение развития экономики. -М.: Экономика, 1989. -124с.

4. Кюн Г., Шойбле Л., Шлик X. Закрытая прокладка непроходных трубопроводов. -М.: Стройиздат, 1993. -168 с.

5. Ромейко B.C., Баталов В.Г., Готовцев В.И., Дубенчак В.Е., Симонова И.А. Защита трубопроводов от коррозии. М.: ВНИИМП. 1998. -208с.

6. Эксплуатация систем водоснабжения, канализации и газоснабжения: / Справочник под ред. В.Д. Дмитриева, Б.Г. Мишукова. Л.: Стройиздат, 1988, -383 с.

7. Байер. К. Методы обновления и ремонта, профилактический ремонт, технические и экономические аспекты // Материалы международного конгресса "Вода: экология и технология." -М, 1994. -С 367-368.

8. Каммерер Г., Молзен К. Новые методы для санации чугунных трубопроводов// Rohrsanierer. 1993 №4 С24.

9. А.С. 1404750 (СССР). Способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

10. А.С. 1420294 (СССР). Способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

11. А.С. 1511508 (СССР). Способ покрытия внутренней поверхности трубопровода.

12. А.С. 1359550 (СССР). Способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

13. А.С. 1555589 (СССР). Способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

14. Нидунг Ю. Ремонт трубопроводов для питьевой воды при помощи труб изнутри цементным раствором наносимым центробежным способом // Der Rohrsanierer. 1990 №1 -С 88.

15. А.С. 1739573 (СССР). Устройство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

16. А.С. 1739725 (СССР). Устройство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

17. А.С. 1667459 (СССР). Устройство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

18. А.С. 1739727 (СССР). Устройство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

19. А. С. 1739722 (СССР). Устройство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

20. А.С. 1739721 (СССР). Устройство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

21. А.С. 1739728 (СССР). Устройство для формирования покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

22. А.С. 1739574 (СССР). Устройство для формирования покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

23. А.С. 1565542 (СССР). Устройство для нанесения жидкости на внутреннюю поверхность труб.

24. А.С. 1739572 (СССР). Устройство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

25. А.С. 1739723 (СССР). Устройство для формирования покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

26. А.С. 1739726 (СССР). Устройство для формирования покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

27. А.С. 1739724 (СССР). Устройство для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

28. А.С. 1739730 (СССР). Способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

29. А.С. 1609510 (СССР). Устройство для нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность действующего трубопровода.

30. А.С. 1733833 (СССР). Установка для нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

31. А.С. 1611014 (СССР). Устройство для нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

32. А.С. 1122861 (СССР). Устройство для ремонта трубопровода.

33. Пневмопробойники. К.С. Гурков, ВБ. Климашко, В.Д. Плавских и др. Новосибирск. АН СССР Ин. горного дела, 1990. -210 с.

34. Пат. 2103444 (Россия). Способ бестраншейной прокладки трубопроводов.

35. Кунц K.JL, Ким И.Л. Ремонт трубопроводов без вскрытия траншей. Вопросы водо36