автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии строительства и способы повышения устойчивости городских подземных бесканальных теплопроводов

{у

с--"'

■ ^ ~ ^

и*

/

АОЗТ «Ленгазтеплострой»

На правах рукописи

Кикичев Наиль Гусупович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ БЕСКАНАЛЬНЫХ ТЕПЛОПРОВОДОВ

Специальности 05.15.04 «Строительство шахт и подземных сооружений»; 05.23.18 «Сооружение подземного пространства городов»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор технических наук, профессор Л.К. Горшков доктор технических наук, профессор А.Г. Протосеня

Санкт-Петербург, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение............................................................................................... 3

1. Анализ существующих методов сооружения подземных бесканальных теплопроводов, постановка задач исследований.......................................... 9

1.1. Геолого-технические условия строительства подземных трубопроводов различного назначения в С.-Петербурге........................................... 9

1.2. Канальные и бесканальные прокладки подземных трубопроводов......... 13

1.2. Анализ способов сооружения и обделок подземных бесканальных

теплопроводов и задачи исследований.......................................................... 18

2. Выбор и обоснование способов повышения устойчивости и долговечности обделок подземных бесканальных теплопроводов....................................... 39

2.1. Выбор эффективных обделок теплопроводов................................... 39

2.2. Технико-технологические мероприятия по обеспечению гидрозащиты

и коррозионной стойкости бесканальных трубопроводов.................................. 44

2.3. Разработка покрытий для увеличения ресурса труб бесканальных тепловых сетей............................................................................................... 59

3. Напряженно-деформированное состояние и температурные деформации бесканальных самокомпенсирующихся трубопроводов.................................66

3.1. Основные положения теории расчета..............................................66

3.2. Продольный изгиб бесканального трубопровода с учетом сопротивления окружающего грунта........................................................................... 72

3.3. Температурные напряжения в бесканальном трубопроводе.................. 83

3.4. Оценка НДС трубопровода при действии внутреннего давления и внешней нагрузки........................................................................................... 94

4. Испытания теплоизолированных самокомпенсирующихся труб в натурных

условиях............................................................................................................................................................................................120

4.1. Условия проведения испытаний......................................................................................................120

4.2. Испытания самокомпенсирующейся трубы в армопенобетонной теплоизоляции со свободными концами нагревом до 180°С..........................................................................125

4.3. Испытания нагревом защемленной самокомпенсирующейся трубы в армопенобетонной теплоизоляции............................................................................................................................134

4.4. Испытания защемленной самокомпенсирующейся трубы в пеноурита-новой теплоизоляции............................................................................................................................................................142

4.5. Оценка долговечности бесканального самокомпенсирующегося трубопровода..............................................................................................................................................................................................147

5. Испытания вакуумных самокомпенсирующихся труб-секций на экспериментальном стенде..............................................................................................................................................................149

5.1. Методика проведения эксперимента и результаты испытаний........................149

5.2. Анализ результатов испытаний......................................................................................................169

5.2.1. Определение тепловых потерь....................................................................................................169

5.2.2. Определение напряженно-деформированного состояния..................................175

6. Опытно-промышленные испытания бесканального способа строительства теплопроводов из самокомпенсирующихся труб и использование результатов исследований..............................................................................................................................................................................195

6.1. Опытно-промышленные испытания............................................................................................195

6.2. Направления практического использования результатов исследований.. 202

Заключение......................................................................................................................................................................................205

Литература..........................................................................................211

Введение

Актуальность темы диссертации. Масштабы и темпы развития теплофикации и централизованного теплоснабжения в нашей стране ставят новые задачи, связанные с проектированием, наладкой, эксплуатацией, а также с конструктивным и технологическим совершенствованием тепловых сетей (теплопроводов и сопутствующих им строительных конструкций ).

В настоящее время радиусы теплоснабжения достигают 15-20 км, диаметры магистральных теплопроводов'доходят до 1000-1400 мм, едиными системами теплоснабжения охватываются крупные промышленные центры и жилые массивы с населением в несколько сот тысяч человек. При этом существенно возрастают удельные затраты на транспортирование тепла, капиталовложения в тепловые сети достигают 50-60 % стоимости ТЭЦ [1].

Но темпы строительства и ввода в действие новых тепловых сетей, темпы реконструкции устаревших тепловых сетей недостаточны и отстают от темпов ввода тепловых мощностей на ТЭЦ. Кроме того, вследствие недостаточного развития тепловых сетей часто не может быть использована и имеющаяся в городах тепловая мощность ТЭЦ. Отставание темпов строительства тепловых сетей в значительной мере объясняется, как это было сказано выше, высокой стоимостью конструкций теплопроводов, большими затратами на стройматериалы и трубы. Значительно сдерживает строительство тепловых сетей, как и других инженерных коммуникаций, и недостаточная индустриальность проектируемых конструкций, в первую очередь, конструкций тепловой изоляции трубопроводов. ^

Применяемые методы прокладки теплопроводов весьма разнообразны, но в каждом случае выбирается такое решение, которое при возможно меньших затратах обеспечивает наибольшую надежность, наилучшие условия эксплуатации

и индустриальность строительства трубопроводов. Практика подземного строительства инженерных коммуникаций, в частности, теплопроводов, в больших городах, в том числе и в С.-Петербурге, показала перспективность бесканальных прокладок, широкое применение которых сдерживается рядом специфических трудностей. Поэтому совершенствование технологий и технических средств для подземного строительства бесканальных трубопроводов с целью устранения этих трудностей является актуальной научно-технической задачей,-имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Важность и актуальность применения бесканальных прокладок подчеркивается тем, что их внедрение может на 30-40 % снизить капитальные затраты на сооружение тепловых сетей в условиях городской застройки [2].

Однако в проектной практике часто используются расчетные предпосылки, не отражающие реальные условия работы бесканальных подземных теплопроводов. В первую очередь это касается узлов компенсации температурных деформаций. Поэтому рассмотрение компенсационных задач, в частности, применения самокомпенсирующихся труб /СКТ/, также является весьма актуальным, так как позволит значительно упростить технологию прокладки бесканальных трубопроводов.

Актуальной задачей при бесканальных прокладках будет и задача обеспечения коррозионной стойкости, механической прочности и гидравлической защиты тепловой изоляции СКТ.

Цель работы: повышение эффективности индустриальных способов строительства, надежности и устойчивости городских подземных бесканальных теплопроводов.

Идея работы: снижение продольных и радиальных деформаций и напряжений

в бесканальных трубопроводах с антикоррозионной, тепловой и гидравлической защитой на основе использования секций самокомпенсирующихся труб и специальных компенсационных узлов.

Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании закономерностей распределения напряжений и деформаций в самокомпенсирущихся бесканальных трубопроводах с защитной оболочкой, в оценке влияния элементов самокомпенсирующихся бесканальных трубопроводах с защитной оболочкой, в оценке^ЕЗшяния элементов самокомпенсации на снижение уровня продольных и радиальных деформаций и напряжений, разработке средств антикоррозионной защиты трубопроводов, а также в экспериментальном определении зависимости величины теплопотерь от изменения глубины вакуума при установке температурных мостов /диафрагм/ в самокомпенсирующихся трубопроводах.

Научные положения, защищаемые в работе:

1.Технология строительства городских подъемных бесканальных трубопроводов с армопенобетонной или пенополиуретановой защитными оболочками и использованием секций самокомпенсирующихся труб и компенсационных узлов заводского изготовления обеспечивает высокую индустриальность прокладок трубопроводов, их надежность и устойчивость при эксплуатации в условиях городской застройки.

2.Разработанная и экспериментально проверенная расчетная методика оценки напряженно-деформированного состояния /НДС/ бесканальных трубопроводов, учитывающая наличие безотпорной зоны в трубопроводах с упругой теплозащитной оболочкой, позволяет определять температурные и механические напряжения и деформации в бесканальных трубопроводах в зависимости от изменения внутреннего давления, внешней нагрузки и перепада температур теплоносителя внутри труб и наружной окружающей среды; при этом

теплозащитная оболочка способствует выравниванию температурных напряжений в стенке трубы и вместе с грунтом играет роль упруго-податливого винклеровского основания для стальной трубы.

3.Эффективные меры антикорризионной и гидравлической защиты бесканальных трубопроводов обеспечиваются применением комбинаций плакированных труб из хромистых ферритных и аустенитно-ферритных сталей, не склонных к хлоридному растрескиванию, с газотермическими покрытиями, повышающими как общую коррозионную стойкость труб всех типов, так и стойкость плакированных труб и мест их 'рединений с неплакированными участками.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается системным характером исследований, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований, положительным опытом внедрения разработок в практику городского подземного строительства тепловых сетей.

Практическая ценность работы заключается в совершенствовании технологии и технических средств бесканальной прокладки тепловых сетей, в индустриализации подземного строительства трубопроводов с нанесением на них теплозащитных оболочек в заводских условиях, разработке эффективных мероприятий по антикоррозионной и гидравлической защите бесканальных трубопроводов и широком внедрении прогрессивных методов прокладки теплопроводов в условиях городской застройки.

Личный вклад автора в выполнение работы состоит в анализе и обобщении опыта прокладки бесканальных трубопроводов, постановке задач исследований и выборе методики их решения, аналитической оценке напряженно-деформированного состояния трубопроводов, разработке практических рекомендаций и внедрении их в производство.

Реализация результатов работы. Технология и технические средства бесканальной прокладки широко используются в АОЗТ "Ленгазтеплострой" при инженерной подготовке территорий для массовой жилой застройки, для газо- и теплоснабжения городских районов С.-Петербурга и других субъектов Федерации. Результаты аналитических исследований по оценке НДС трубопроводов тепловых сетей могут найти применение для подготовки специалистов по освоению подземного пространства.

-Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах. По материалам работы получено два патента РФ.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах АОЗТ "Ленгазтеплострой" /СПб., 1992-96/; Международных семинарах по современным методам строительства тепловых сетей в России /СПб.: Ленэкспо, 1996/; международной конференции "Экология й развитие Северо-Запада РФ /СПб., 1997/; XI Российской конференции по механике горных пород /СПб., 1997/, Симпозиуме "Энергетика - 97"(СПб., 1997).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 2^страницах машинописного текста, содержит 3 5" таблиц, Н рисунков, список литературы из 60 наименований.

В первой главе выполнен анализ существующих методов сооружения подземных бесканальных теплопроводов, сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены критерии выбора и обоснование способов повышения устойчивости и долговечности обделок подземных бесканальных теплопроводов, рассмотрены технико-технологические мероприятия по обеспечению гидрозащиты и коррозионной стойкости трубопроводов, а также

приведены материалы по разработке покрытий для увеличения ресурса труб бесканальных тепловых сетей.

Третья глава посвящена оценке напряженно - деформированного состояния бескаиальных трубопроводов, работающих в условиях, где действуют внешние нагрузки, внутреннее давление и значительные перепады температур. Приводятся расчетные методики определения температурных напряжений в трубах, учета сопротивления грунта при расчете трубопровода на продольный изгиб, оценки НДС труб при действии внутреннего давления и внешней нагрузки.

•В чг -вертой главе приводятся результаты испытаний теплоизолированных самокомпенсирующихся труб в натурных условиях. /

Пятая глава посвящена анализу результатов испытаний вакуумных самокомпенсирующихся труб-секций на специальном экспериментальном стенде.

В шестой главе дается опытно - промышленная оценка строительства подземных бесканальных теплопроводов из самокомпенсирующихся труб в условиях городской застройки в г. С.-Петербурге. I

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ СООРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ БЕСКАНАЛЬНЫХ ТЕПЛОПРОВОДОВ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Геолого-технические условия строительства подземных трубопроводов различного назначения в Санкт-Петербурге

"Подземные прокладки тепловых сетей и других инженерных коммуникаций размещаются на глубине, как правило, не превышающей 5-7 м, т.е. они располагаются в зоне выветривания грунтов. Сами грунты могут быть разделены на два вида: почвы и собственно грунты. Для С.-Петербурга мощность почвы не велика - до 0,5 м. Грунты залегают как выше уровня грунтовых вод, так и ниже уровня последних.

Глубина уровня грунтовых вод колеблется в зависимости от топографических, геологических и гидрогеологических условий. Для С.-Петербурга в условиях равнинной / низинной / местности, где выпадает большое количество осадков / до 500 мм / при низкой их испаряемости / до 400 мм, по Вильду /, уровень грунтовых вод находится в непосредственной близости от поверхности вод.

При механическом выветривании приповерхностных отложений образовались первичные обломочные / щебень, гравий песок, пылеватые частицы / составляющие грунтов. При химическом выветривании / вторичном / образованы различные пластичные грунты / глины, суглинки /.

Среди глинистых грунтов выделяют три группы: каолиниты, гидрослюды

/ иллиты / и монтмориллониты / бентониты /. Для грунтов С.-Петербурга характерны глины, состоящие на 75 %' и больше из монтмориллонита и байделита, т.е. бентонитовые/ кембрийские/глины.

По размерам частиц грунты С.-Петербурга разделяются следующим образом:

Таблица 1.1

Вид грунтов Размер частиц, мм

глинистые 0,001

пылеватые 0,001-0,05

- песчаные 0,05-2,0

гравийные 2,0

Приведенная классификация грунтов по гранулометрическому составу соответствует классификации В.В.Охотина, приведенной в работе [ 37 ].

Пористость грунтов характеризуется такими понятиями, как микро- и макропористость. Под микропористостью понимается пористость при размере пор меньше 1 мм, макропористостью - более 1 мм. Крупные поры преобладают у крупнообломочных и песчаных грунтов, микропоры - у пылеватых и глинистых грунтов. Пористость гравийных отложений составляет от 26 до 48 % их объема. Большинство песков имеет пористость в естественном залегании в пределах 3050%'. У плотных глин пористость может снижаться до 30 %.

Глинистые грунты после химического выветривания могут оставаться на месте материковой породы / элювиальные грунты / или могут переноситься и переоткладываться в других местах / денудированные грунты /. Глинистые грунты, отложившиеся в водной среде, отличаются от элювиальных и носят название делювиальных, которые, кроме первичных /песчаных, пылеватых и собственно глинистых частиц/, могут образовывать и вторичные частицы агрегатного

стр�