автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Защитные покрытия как фактор обеспечения гидравлических и прочностных показателей водопроводных и водоотводящих трубопроводов

На правах рукописи

Аверкеев Илья Алексеевич

«ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ КАК ФАКТОР ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ПРОЧНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДОПРОВОДНЫХ И ВОДООТВОДЯЩИХ ТРУБОПРОВОДОВ»

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005537358

Москва 2013

005537358

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Орлов

Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Алексеев Михаил Иванович, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры водопользования и экологии;

Комаров Анатолий Сергеевич, кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Глакомру» Ведущая организация: ОАО «МосводоканалНИИпроект»

Защита состоится ИО^фР 2013 г. в 1,2 часов СЮ минут на

заседании диссертационного совета Д 212.138.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, в 9 студии «Открытой сети образования в строительстве».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « 2-2 » ОиУо£>р 2013 Учёный секретарь /Р^

диссертационного совета Гогина Елена Сергеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Эффективность работы систем водоснабжения городов во многом определяется техническим состоянием трубопроводных сетей. Текущее положение таково, что около 70% инженерных трубопроводных коммуникаций в РФ находятся в неудовлетворительном состоянии. Аварийность городских сетей водоснабжения за последнее десятилетие возросла практически в 5 раз и составляет в среднем по РФ порядка 70 случаев на 100 км трубопроводов.

Предупреждение старения подземных трубопроводов систем водоснабжения путём их оперативной реновации и модернизации с использованием новых защитных ремонтных материалов, локализующих разнообразные дефекты и позволяющих значительно продлить срок службы трубопроводов, является одним из наиболее актуальных мероприятий водоканалов по обеспечению эффективности и надёжности работы систем водоснабжения городов и населённых пунктов. Аналогичные проблемы и способы их решения характерны и для напорных сетей водоотведения.

Используемые в качестве ремонтных материалов внутренние защитные покрытия трубопроводов помимо выполнения ими функций надёжного барьера между транспортируемой средой и окружающим пространством позволяют обеспечить повышение прочности трубной конструкции и улучшить её гидравлические характеристики.

В условиях ярко выраженной мировой тенденции значительного снижения водопотребления в городах (например, в Москве до 160 л/чел в сутки) по причине вывода промышленных объектов за пределы городов (из-за их нерентабельности или необходимости сохранения нормальной экологической среды в регионе), проведения мероприятий по экономии питьевой и технической воды, рационализации водопользования и т.д., скорости в распределительных сетях объединенных систем хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения резко снижаются (до 0,1-0,3 м/с), что негативно отражается на органолептических характеристиках транспортируемой воды, увеличивая время её пребывания в системе. В данной ситуации применение внутренних защитных покрытий, приводящих к сужению диаметров участков трубопроводов, можно рассматривать как одно из эффективных мероприятий повышения скоростей течения воды в распределительной сети при условии обеспечения требуемых противопожарных расходов.

Внутренние защитные покрытия являются эффективным средством устранения многих типов дефектов металлических и неметаллических труб, среди которых можно выделить две основные категории: механические и коррозионные. К механическим следует отнести: трещины и сколы на раструбах труб; кольцевые или круглые трещины и свищи, более характерные для малого диаметра труб; продольные и спиралевидные трещины, которые могут разрываться.

На коррозионную устойчивость трубопровода влияет множество факторов, среди которых можно отметить: качество стали; наличие

коррозионной защиты; толщина стенки трубы; наличие защитной внешней облицовки или покрытия; использование соответствующих материалов и технологий засыпки траншеи; величина рН, щелочность воды, а также тип и доза дезинфицирующего средства в воде; тип бактерий, присутствующих в биологической пленке на внутренней поверхности трубопровода; скорость течения воды.

На основе опыта эксплуатации Московского водопровода, установлено, что наиболее распространенным дефектом стальных трубопроводов водопроводных сетей является образования сквозных проржавлений -свищей (около 67% общего количества повреждений). На чугунных трубопроводах основными причинами возникновения аварийных ситуаций является нарушения герметичности раструбных соединений (12%) и переломы труб (16%).

Применение традиционных способов реконструкции трубопроводов (с отрывом траншеи и полной заменой аварийного трубопровода) при современной большой плотности подземных инженерных коммуникаций и застройки территорий в крупных городах РФ трудно реализуемо и потребует существенных финансовых и трудовых затрат, при этом серьезно затрудняя повседневную жизнь населения.

Поэтому в сфере реконструкции трубопроводов целесообразно использовать новые бестраншейные технологии реновации труб, которые активно развиваются в последние десятилетия. Бестраншейные технологии ремонта наряду с оперативностью и экономичностью (по сравнению с традиционными методами реконструкции) позволяют не нарушать сложившуюся градостроительную и экологическую обстановку.

Одним из основных способов восстановления трубопроводов является нанесение различных защитных покрытий на его внутреннюю стенку. Нанесение покрытия может производиться набрызговым методом, протягиванием сплошных оболочек (рукавов, чулков), использования навивочных (ленточных) методов, а также с помощью точечного ремонта трубопроводов, например, установкой специальных бандажей.

Опыт эксплуатации Московского водопровода свидетельствует, что одними из приоритетных участков реновации сетей должны являться трубы диаметром 300 и 400 мм, поскольку эффект от санации по снижению аварийности на данных трубопроводах наибольший.

Передовыми методами бестраншейной реновации трубопроводов в широкой гамме диаметров являются методы нанесения на внутреннюю поверхность трубы защитного полимерного покрытия с помощью набрызгового метода или с помощью протягивания полимерного рукава (чулка). Применение данных методов реновации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения связано с рассмотрением широкого спектра факторов последующей эксплуатации сетей при данных местных исходных условиях. Нанесение слоя защитного полимерного покрытия на внутреннюю стенку трубопроводов ведет к уменьшению диаметра трубопровода, при этом изменяются и гидравлические характеристики восстанавливаемой ветки

трубопровода. Важным фактором является прочностная составляющая новой двухслойной конструкции («труба + защитное покрытие»). Для её оценки важно определить характер поведения защитного покрытия в зоне дефекта трубопровода при воздействии как внутренних негативных факторов (к примеру: избыточное давление), так и внешних (давление от грунта и грунтовых вод). Также важно учитывать вопросы энергоэффективности при применении того или иного защитного полимерного покрытия на различных участках трубопроводных сетей городов.

Таким образом, можно утверждать, что необходимо получение наиболее полных исчерпывающих сведений по современным защитным полимерным покрытиям в области их физико-механических и прочностных характеристик, а также гидравлических характеристик (в плане энергоэффективности). Результатом обработки данных сведений должен стать метод подбора способа реновации трубопроводов для конкретных условий, одновременно учитывающий несколько ключевых факторов последующей эксплуатации трубопровода, в числе которых: прочностные показатели конструкции и сопротивление покрытия внешним и внутренним негативным факторам воздействия, гидравлическое соответствие восстанавливаемых участков сети нормативным показателям работы сетей, а также общая энергетическая и экономическая эффективность проведенной реновации.

Объект исследования. Напорные трубопроводы, восстанавливаемые внутренним защитным набрызговым полимерным покрытием Scotchkote 169НВ (производитель в России: компания "ЗМ-Россия").

Предмет исследования. Проведение испытаний: механических (на универсальной электромеханической разрывной машине Instron 3345), прочностных (на базе компьютерного комплекса Ansys), гидравлических (на базе специального гидравлического стенда), а также компьютерного моделирования (с использованием комплекса Bentley WaterGEMS) защитного полимерного покрытия Scotchkote 169НВ для определения ключевых прочностных и гидравлических характеристик материала покрытия, работающего в системе "трубопровод + защитное покрытие" на реальном объекте.

Научно-техническая_гипотеза_диссертации. Проведенные

экспериментальные исследования с покрытием Scotchkote 169НВ и полученные на их основе зависимости основных прочностных и гидравлических характеристик системы "трубопровод + защитное покрытие", должны послужить доказательством эффективности применения нового типа покрытия как с прочностной, так и гидравлической точки зрения, в сравнении с другими методами санации.

Цели и задачи работы. Целью работы является комплексный анализ набрызговых и сплошных внутренних полимерных защитных покрытий с оценкой эффективности их применения для обеспечения требуемых прочностных и гидравлических показателей восстанавливаемых распределительных сетей объединенных систем хозяйственно-питьевого и

противопожарного водоснабжения, а также напорных трубопроводов систем водоотведения.

Задачами работы являются:

-изучение мирового опыта применения методов бестраншейной реновации трубопроводов со сравнительным анализом их возможностей по обеспечению требуемых прочностных и гидравлических характеристик восстанавливаемых конструкций напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения;

-изучение физико-механических характеристик защитного набрызгового полимерного покрытия БсокИк^е 169НВ на универсальной электромеханической разрывной машине; описание и анализ данных полученных экспериментальным путем и данных, полученных из технических паспортов производителя защитных покрытий;

-исследование прочностных характеристик двухслойной конструкции («труба + защитное покрытие») с помощью моделирования на базе использования различных автоматизированных программных комплексов; интерпретация результатов исследований с разработкой методики подбора и применения защитного полимерного покрытия с альтернативными параметрами при различных исходных характеристиках восстанавливаемого трубопровода;

-проведение стендовых гидравлических испытаний напорных трубопроводов с набрызговым покрытием ЗсйсИкйе 169НВ; интерпретация результатов исследований с получением гидравлических характеристик двухслойной трубной конструкции (коэффициентов гидравлического трения и коэффициентов удельного сопротивления);

-проведение исследования изменений гидравлических характеристик реальной водопроводной сети объединённой системы хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения при сквозном уменьшении внутренних диаметров трубопроводов сети при нанесении защитных полимерных покрытий с учётом обеспечения требуемых пожарных расходов;

-технико-экономическая оценка эффективности применения способов бестраншейной реновации трубопроводов с применением покрытий В^сЫоЛе 169НВ и других альтернативных защитных покрытий.

Методологической и теоретической основой исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области исследования гидравлических характеристик трубопроводов из различных материалов и с различными нанесенными на их внутреннюю стенку защитными покрытиями, а также труды в области прочностного исследования трубопроводов и исследования физико-механических свойств полимерных материалов.

При проведении экспериментального и аналитического исследований были применены актуальные методы определения физико-механических, прочностных и гидравлических характеристик трубопроводов и наносимых на их внутреннюю поверхность полимерных защитных покрытий. В их числе: проведение механических испытаний материалов с полимерной

матрицей, определение изменения физико-механических характеристик трубных конструкций из полимерных материалов (методика Г.К. Клейна), формирование и расчёт модели в среде конечно-элементного анализа Ansys, проведение испытаний на гидравлическом стенде кафедры "Водоснабжение" МГСУ, формирование и расчет модели водопроводной распределительной сети в компьютерной среде Bentley WatetGEMS. Научная новизна работы:

-на основе данных, полученных в ходе аналитических и экспериментальных испытаний на универсальной электромеханической разрывной машине, разработаны модели прочностного расчёта двухслойной конструкции напорного стального трубопровода и защитных полимерных покрытий (Scotchkote 169НВ и полимерного рукава); получены зависимости прочностных возможностей двухслойных конструкций, которые позволяют определить наиболее целесообразные и эффективные варианты применения защитных полимерных покрытий (толщина рукава или толщина набрызгового слоя Scotchkote 169НВ), исходя из условий эксплуатации трубопроводов;

-получены эмпирические зависимости коэффициента гидравлического трения и удельного гидравлического сопротивления реконструируемого трубопровода от его нового внутреннего диаметра;

-произведено гидравлическое исследование реальной водопроводной сети города при сквозном уменьшении внутренних диаметров трубопроводной сети на 1 и 2 сортамента с помощью нанесения на внутреннюю поверхность труб покрытий Scotchkote 169НВ и защитного полимерного рукава с учетом обеспечения требуемых пожарных расходов; по итогам данного исследования получены кривые изменения ключевых гидравлических характеристик сети ("напора-скорости"), а также эмпирические зависимости, показывающие динамику изменений напоров в "пожарных" узлах сети и скоростей движения воды в смежных к данным узлам трубопроводах. Основные положения, выносимые на защиту:

-результаты экспериментальных и аналитических исследований физико-механических характеристик защитных покрытий Scotchkote 169НВ и полимерного рукава;

-результаты компьютерного моделирования прочностной модели двухслойной конструкции «труба + защитное покрытие» со сквозным дефектом в виде свища, проведенного в системе конечно-элементного анализа Ansys, а также результаты компьютерного расчета на специальных автоматизированных программных комплексах с учетом внешних дестабилизирующих факторов;

- результаты стендовых гидравлических испытаний в лаборатории МГСУ с представлением ключевых зависимостей определения гидравлических характеристик трубопроводов с защитным покрытием;

-результаты гидравлических исследований (моделирования работы) реальной водопроводной сети города с учетом изменений внутренних диаметров трубопроводов распределительной сети при реновации участков

покрытиями Scotchkote 169НВ и защитным полимерным рукавом, проведенными в среде компьютерного автоматизированного анализа Bentley WaterGEMS;

-технико-экономическая оценка эффективности применения методов реновации напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения с использованием покрытий Scotchkote 169НВ и других покрытий.

Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты прочностных и гидравлических исследований докладывались:

-на Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов "Современные экологически безопасные и энергосберегающие технологии в природопользовании", 26-28 апреля 2011 г., г. Киев.

-на IV Международной Научно-практической конференции "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях" в рамках ХП Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи НТТМ-2012 (призер Премии II степени поддержки талантливой молодежи Минобрнауки за работу "Защитные покрытия как фактор обеспечения прочностных показателей труб"), 26-29 июня 2012 г., г. Москва;

-на 30-ой Международной выставке-конференции по бестраншейным технологиям NO-DIG 2012, 10-15 ноября 2012 г., г. Сан-Пауло, Бразилия;

-на XVI Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Строительство -формирование среды жизнедеятельности", 24-26 апреля 2013 г., МГСУ, г. Москва (Диплом II степени за работу "Прочностной аспект применения напыляемого быстрополимеризующегося защитного покрытия трубопроводов").

Практическая значимость работы состоит в разработке методики выбора защитного покрытия на основе сопоставления прочностных и гидравлических характеристик двух типов покрытий с оценкой возможности локализации ими различного рода дефектов.

Результаты работы внедрены при проектировании и гидравлическом расчете трубопроводов на ряде объектов восстановления водопроводных сетей в городе Москве.

Соответствие специальности. Диссертационная работа соответствует специальности 05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов».

Личный вклад. Исследования, изложенные в диссертационной работе, выполнены автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации:

Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 75 наименований и приложения.

Общий объем диссертационной работы: 148 страниц машинописного текста (без приложений), 41 таблица, 39 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, её научная новизна и практическая значимость. Описаны объект и предмет исследований. Сформулирована научно-техническая гипотеза диссертации. Определены цели и задачи работы. Приведены данные об апробации диссертационной работы.

В первой главе на базе литературных источников произведен анализ мирового опыта применения защитных покрытий для бестраншейной реновации напорных трубопроводов водоснабжения и водоотведения. Установлено, что длительно применявшийся и успешно зарекомендовавший себя метод нанесения цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность ветхого трубопровода постепенно уступает своё место новым защитным покрытиям труб, которые способны обеспечить структурную целостность восстанавливаемых трубопроводов при относительной простоте их нанесения на внутреннюю стенку поверхности трубопровода и сопоставимости по затратам на производство строительных работ. Выделены два наиболее перспективных на сегодняшний день способа бестраншейной реновации трубопроводов водоснабжения и водоотведения - применение нового напыляемого быстрополимеризующегося покрытия Scotchkote 169НВ и использование гибкого полимерного рукава на основе эпоксидных, полиэфирных и других органических смол.

Была отмечена востребованность исследований гидравлических и прочностных показателей нового набрызгиваемого покрытия Scotchkote 169НВ в качестве перспективного варианта замены цементно-песчаному покрытию, которое не обеспечивает несущую способность восстанавливаемых трубопроводов. Также в качестве альтернативного варианта структурного защитного полимерного покрытия выявлена потребность проведения гидравлических и прочностных исследований сплошного покрытия в виде гибкого полимерного рукава на основе эпоксидного формовочного материала марки 1020-0.

В результате обработки литературных источников изучен и творчески переработан опыт отечественных и зарубежных ученых и специалистов, занимавшихся вопросами гидравлического и прочностного расчета водопроводных сетей. К их числу в первую очередь относятся труды Клейна Г.К., Абрамова H.H., Альтшуля А.Д., Шевелева Ф.А., Белостоцкого М.А., Храменкова C.B., Примина О.Г., Орлова В.А., Баклащова И.В., Зоткина С.П., Куличковского А., Звиршовской А. (оба из Польши) и многих других.

Во второй главе описано проведение экспериментальных исследований физико-механических характеристик покрытия Scotchkote 169НВ на специальном стенде - "Одноколонной испытательной универсальной электромеханической разрывной машине Instron 3345", в лаборатории кафедры "Водоснабжение" МГСУ согласно актуальной методике исследования композиционных материалов с полимерной матрицей, установленной ГОСТ 25.601-80.

После начала процедуры испытания, на персональный компьютер передавались в реальном времени данные по прикладываемой на образец нагрузке (Б, Н), деформации (е, мм/мм) и возникающему образце напряжению (а, МПа). Также на монитор персонального компьютера выводилась диаграмма деформирования (графическая зависимость а от е) (рис. 1).

ЗсоЬсЬ кс^е 169НВ

и 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0-05

Деформация при растяжении (mm/mm)

Рис. 1 Диаграмма деформирования покрытия Scotchkote 169НВ По итогам эксперимента получены физико-механические характеристики покрытия Scotchkote 169НВ в зоне упругих деформаций материала, а также в момент его разрыва - максимальное напряжение в образце о (МПА), продольная деформация б (мм/мм), удлинение х (мм), приложенная нагрузка F(H):

Таблица 1

Промежуточные данные испытания на растяжение покрытия Scotchkote

Нагрузка (F,H) Напряжение в образце (а, МПа) Продольная деформация (е, мм/мм) Удлинение (мм)

1337 13,92 0,047 9,165

Таблица 2

Окончательные результаты испытания на растяжение покрытия

Нагрузка (F,H) Напряжение в образце (о, МПа) Удлинение (мм)

1433 14,93 25,57

С помощью ключевых зависимостей теории механики деформирования твердых тел получены, а также посредством анализа справочно-технической литературы определены необходимые физико-механические характеристики покрытия вс^сЬк^е 169 НВ:

Таблица З

Физико-механические характеристики покрытия ЗсоІсЬкоге 169НВ

Наименование характеристики Значение характеристики

Максимальная разрывная прочность, МПа 14,93

Предел текучести, МПа 13,92

Максимальное удлинение, при разрыве, % 13

Модуль Юнга, МПа 296,2

Плотность, кг/'м^ 1500

Коэффициент Пуассона 0,3

Модуль сдвига, МПа 113,9

Модуль объемной упругости, МПа 246,8

Коэффициент объемного теплового расширения (при 20°С), °С1 5,76-10'5

Были проведены аналитические исследования по определению степени изменения физико-механических характеристик покрытия БсоІсЬкоІе 169НВ с течением срока службы. Учитывая новизну покрытия, за основу в качестве приближенного аналога принято исследование изменения физико-механических характеристик полиэтиленовых труб, произведенное Г.К. Клейном.

Таблица 4

Физико-механические характеристики покрытия Ясо^Икйе 169НВ при

Наименование характеристики Значение характеристики

Максимальная разрывная прочность, МПа 12,37

Модуль Юнга, МПа 225,2

Плотность, кг/м3 1500

Коэффициент Пуассона 0,3

Модуль сдвига, МПа 86,6

Модуль объемной упругости, МПа 187,7

Коэффициент объемного теплового расширения (при 20°С), "С-1 5,76-Ю"5

Также, на основе справочно-технической информации, были определены и представлены физико-механические характеристики формовочного материала марки 1020-0 на основе эпоксидной смолы для производства полимерного защитного рукава как альтернативного материала покрытию ЗсокЫсоге 169НВ.

Таблица 5

Физико-механические характеристики материала полимерного рукава

Наименование характеристики Значение характеристики

Максимальная разрывная прочность, МПа 60

Модуль Юнга, МПа 3500

Плотность, кг/м3 1200

Коэффициент Пуассона 0,3

Модуль сдвига, МПа 1346,2

Модуль объемной упругости, МПа 2916,7

Коэффициент объемного теплового расширения (при 20°С), "С1 5 -Ю-5

Данные исследования позволили сформировать компьютерную модель и провести исследование эффективности работы двухслойных трубных конструкций на основе набрызговых и рукавных защитных полимерных покрытий.

В третьей главе представлена прочностная компьютерная модель двухслойной конструкции "стальной трубопровод + покрытие 8со1сЬко1е 169НВ", сформированная в среде конечно-элементного анализа АпБуэ на основе физико-механических характеристик покрытия 8со1сЬко1е 169НВ, полученных экспериментальным путем.

Был произведен компьютерный прочностной расчет данной модели для шести временных промежутков эксплуатации двухслойной трубной конструкции: для абсолютно нового покрытия (0 лет), после 10 лет эксплуатации, 20, 30, 40 и 50 лет эксплуатации конструкции.

В результате получены графические и математические зависимости, описывающие изменение (снижение) критерия прочности защитного покрытия при увеличении размера дефекта с течением времени, (рис. 2).

Рис. 2 Графическая зависимость критерия прочности покрытия ЗсйсЪкоГе 169НВ от диаметра свища

Математические зависимости критерия прочности материала покрытия Scotchkote 169НВ от геометрического размера дефекта выглядят следующим образом: 0 лет эксплуатации - Кпртн0 = 215,2йГ''65\ 10 лет эксплуатации -Кпрт„л„ = 186,2W-1'66, 20 лет эксплуатации - Кпрочн20 = 18, 30 лет эксплуатации - К„рта30 = 179,5 Id"'-663, 40 лет эксплуатации -К„ртнА0 = 172,4<Г1-673, 50 лет эксплуатации - К„ртя50 = 165,&6d'h6n.

Одновременно с прочностным исследованием покрытия Scotchkote 169НВ было проведено исследование прочностных возможностей двухслойной конструкции на основе стальной трубы и защитного полимерного рукава. Исследование проводилось на базе компьютерных программ Resource и Rukav. Была определена требуемая толщина защитного полимерного рукава для обеспечения как несущей способности системы в целом, так и обеспечения несущей способности как отдельной самостоятельной конструкции при существенном разрушении трубопровода.

Таблица 6

Результаты определения требуемой толщины защитного полимерного рукава при санации стального трубопровода, внутренним диаметром 300 мм.

Наименование характеристики Значение

Ресурс трубопровода при общей коррозии, лет 2,4

Ресурс трубопровода при язвенной коррозии, лет 3,87

Суммарная толщина стенки многослойной трубы 3,558

Необходимая толщина стенки полимерного рукава, мм 5,766

Вывод: толщина стенки многослойного трубопровода обеспечивает несущую способность трубы

По итогам произведенных прочностных расчетов покрытия ЗсслсИксЛе 169НВ и защитного полимерного рукава была сформирована методика подбора необходимого защитного полимерного покрытия трубопровода при различных воздействиях и нагрузках на трубу, а также при различной степени коррозии участка трубопроводной сети. Было установлено, что набрызговое покрытие 5со1сЬко1е 169НВ может быть эффективно применено для санации трубопровод при наличии начальных сквозных дефектов в них диаметром до 5 мм, диаметром трубопровода Ву < 300 мм, а также при сохранении трубой несущей способности. Также определено, что защитный полимерный рукав может применяться для текущего профилактического ремонта сильно изношенных трубопроводов с возможностью обеспечения несущей способности как всей двухслойной конструкции, так и при работе в качестве самостоятельной конструкции. В то же время, нанесение защитного полимерного рукава является гораздо более трудоемким процессом, чем санация с помощью набрыговых быстрополимеризующихся покрытий. Поэтому реновацию участков трубопроводов с помощью полимерного рукава целесообразно производить при диаметрах Бу 300- 1400 мм.

Четвёртая глава диссертационной работы посвящена проведению экспериментов на опытной установке "Универсальный поверочный гидравлический стенд" кафедры "Водоснабжение" МГСУ (рис. 3). Опытный гидравлический стенд в своём составе имеет следующие основные элементы: накопительный бак, емкостью 4 м3; эстакаду, с жестко закрепленным над ней стальным трубопроводом с нанесенным покрытием 8со1сЫ<о1е 169НВ длиной 14 м и диаметром 0,0952 м (средняя толщина покрытия 0,0024 м); насосную установку на базе многоступенчатого насоса Сггипёйм СЛЕ 90-2-2, производительностью 90 м3/ч; ультразвуковой расходомер Ш-800. Для измерения перепадов давлений при определении потерь напора на измерительном участке установлены пьезометры. В системе гидравлического стенда установлена запорная арматура. Для проведения экспериментов использовалась стандартная методика, разработанная во ВНИИ ВОДГЕО. В ходе экспериментов производилось определение потерь напора и расходов проходящей по нему воды. Длина опытного участка составляла 10 метров.

Стальная тщ^о

с покрытием \ &оМ*о1е 169 ИЗ \

к ***

'Щ? • Пьезометр >п

Н.СКОПительнми

Рис. 3 Схема экспериментального гидравлического стенда.

Была произведена интерпретация результатов проведенных гидравлических экспериментов двухслойной конструкции "Стальная труба + 8со1сЬко1е 169 НВ". С помощью компьютерной программы Уо<За 2011 получены графическая и числовая зависимости потерь напора от расхода воды в трубопроводе, а также определен средний коэффициент гидравлического трения, который составил: Л = 0,01977 .

¡=40.5620,,да Я' = о 9888 Степенная зависимость

6 " С

а о

1 --------------V ...........

/

4

г ! 1

1 .

о о.оа. со*. ао!Ь оо2 от о.аз

Расход я, ма/с

Рис. 4 Графическая зависимость потерь напора Ь (м), от расхода Q (м^/с) для двухслойной трубной конструкции "сталь + 5согсЬко1е 169НВ".

Зависимость А/г = г = /(0 имеет степенной характер и выражается формулой: / = 4О,5620'-6529 , при Л2 = 0,9888 (рис. 4).

Используя ключевые гидравлические зависимости, определены коэффициенты гидравлического трения, а также удельные сопротивления трубопровода для широкого спектра диаметров труб при различных скоростях движения воды и расходах (рис. 5). ____

! ; Ï А = 0,001<1'5168 R2 ~ Ï

1

.....1.....:

!

|

г ...................

V in**«- —.—

О ОЛ О/. 0.6 0,8 1 1.2 1А 1А 1.S

Диаметр трубопровода, м

Рис. 5 Графическая зависимость удельного сопротивления от диаметра трубопровода.

Данная графическая зависимость имеет степенной характер и выражается формулой: А=0,001<Г5'168, при Л2 =1.

В пятой главе обозначена актуальность бестраншейной реновации ветхих трубопроводов в условиях сокращения удельного водопотребления в городах, а также её возможная эффективность благодаря обеспечению повышения скоростей течения воды в сетях до рекомендуемых значений, поддержания требуемых величин пожарных расходов и содействия экономии электроэнергии. Произведены исследования изменения гидравлических характеристик реальной водопроводной сети города на различные случаи пожарного расхода (внутреннего и наружного) при сквозном уменьшении диаметра трубопроводов на 1 и 2 сортамента с помощью санации защитным покрытием Scotchkote 169НВ и защитным полимерным рукавом. В качестве инструмента исследования принят автоматизированный программный комплекс Bentley WaterGEMS американской фирмы Bentley Systems. По итогам проведенных гидравлических исследований построены кривые напоров-скоростей, которые иллюстрируют изменение напора в "пожарных" узлах, а также изменение скорости в смежных к данным узлам участках сети в зависимости от степени сужения диаметров на участках трубопроводной сети (рис. 6, 7, 8 и 9).

Рис. 6 Кривые изменения напоров-скоростей в узле наружного пожара при различных общих пожарных расходах в сети при санации покрытием Бс^сМ^е 169НВ

Рис. 7 Кривые изменения напоров-скоростей в узле внутреннего пожара при различных общих пожарных расходах в сети при санации покрытием ЗсйсИЫе 169НВ

Узел наружного пожара

0.2 0.4 0.6 0,8 1.0 1.1

Скорость V, м/с

Рис. 8 Кривые изменения напоров-скоростей в узле наружного пожара при различных общих пожарных расходах в сети при санации защитным полимерным рукавом

Узел внутреннего пожара

.......

1т

гс«™««. ей

№0 5......! е........ ».........5°......... !?.......... 1?.........? Я........Я»

Скорость V, м/с

Рис. 9 Кривые изменения напоров-скоростей в узле внутреннего пожара при различных общих пожарных расходах в сети при санации защитным полимерным рукавом На основе полученных расчетных данных представлены ступенчатые графики, которые показывают изменение напора в узлах наружного и внутреннего пожаров в зависимости от величины пожарного расхода и степени сужения диаметров трубопроводной сети (рис. 10 и 11).

Рис. 10 Динамика изменения напоров в узлах наружного и внутреннего пожара водопроводной сети при сквозном уменьшении диаметров с помощью покрытия 8со1сЫсо1е 169НВ

----ухи шутрстгасго паящ»

X 1 1 ... • ■5 I -г | ¥ I г 1 • 1 1 ( I < а г | к "г 1 I 1 т « I

■

г™»,«.

Рис. 11 Динамика изменения напоров в узлах наружного и внутреннего пожара водопроводной сети при сквозном уменьшении диаметров с помощью защитного полимерного рукава

Установлено, что при сквозном уменьшении диаметров водопроводной сети на 1 и 2 сортамента с помощью нанесения покрытий БссйсЫыЛе 169НВ и защитного полимерного рукава в большинстве случаев (за исключением случая уменьшения диаметров на 2 сортамента и пожарного расхода 110+300л/с) выполняется требование минимального свободного напора в узлах водопроводной сети при пожаре: не менее 10 м вод. ст.

Проведена технико-экономическая оценка применения различных методов санации ветхих трубопроводов в сравнении с реконструкцией трубопровода открытым способом, которая показала, что санация защитным покрытием Бсо^Ысйе 169НВ является наиболее выгодным решением в случае необходимости перекрыть существующие сквозные дефекты на трубопроводе и восстановить его структурную целостность. Капитальные затраты на проведении санации стальных трубопроводов внутренним диаметром Бу=300мм и общей длиной равной 100 км составили приблизительно 300 тыс. рублей, в то время как капитальные затраты на санацию к примеру защитным полимерным рукавом составили 1092,3 млн. рублей. При открытой прокладке новых стальных труб в определенной ситуации возможен выигрыш в капитальных затратах, однако установлено, что величины последующих эксплуатационных затрат для новых стальных трубопроводов многократно превышает аналогичные затраты на трубопроводы санируемые различными бестраншейными методами (18,4 млн. рублей против 1,69 млн. соответственно), которые определяются лишь затратами на ежегодную теледиагностику состояния трубопроводов сети.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа мирового и отечественного опыта использования различных защитных покрытий для бестраншейной реновации ветхих трубопроводов водоснабжения и водоотведения определены наиболее востребованные на сегодняшний день методы восстановления трубопроводных коммуникаций, к числу которых относится нанесение на внутреннюю поверхность трубопровода цементно-песчаного покрытия (ЦДЛ), а также нанесение набрызговых или протягиваемых полимерных оболочек (чулков); отмечено, что наиболее перспективными на данный момент методами бестраншейной реновации сетей с образованием двухслойных трубных конструкций являются нанесение на внутреннюю поверхность трубопровода защитного быстрополимеризующегося покрытия 8со1сЬко1е 169НВ, а также санация с помощью протаскиваемого внутрь трубопровода с последующей полимеризацией защитного полимерного рукава.

2. В связи с практическим отсутствием на сегодняшний день объективных сведений по прочностным характеристикам полимерных защитных покрытий, а также необходимости разработки унифицированной методики их подбора с диапазонами соответствующих параметров, зависящих от различных исходных условий при проведении ремонтных работ, впервые проведено моделирование двухслойных конструкций «труба + защитное покрытие» в системе Апвуз с выявлением динамики изменения ключевых

прочностных характеристик конструкции от типа и диаметра дефекта во времени; проведён комплекс физико-механических и гидравлических исследований защитных покрытий.

3. В результате проведения прочностных экспериментов на стенде «Универсальная электро-механическая разрывная машина», а также с учетом исследований прочностных свойств подземных трубопроводов из пластмассы, проведенных Г.К. Клейном, определены физико-механические характеристики покрытия Scotchkote 169НВ с учетом его старения и в зависимости от срока эксплуатации покрытия, в числе которых: максимальная разрывная прочность оэ разр , МПа (диапазон от 12,37 до 16,7

МПа), модуль Юнга Е, МПа (от 225,2 до 600 МПа), плотность р, кг/м3 (1500 кг/м3), модуль сдвига G, МПа (от 86,615до 230,77 МПа), модуль объемной упругости К, МПа (от 187,67 до 500 МПа).

4. На основе нормативно-справочных данных и литературных источников сформированы и представлены физико-механические характеристики защитного полимерного рукава на основе эпоксидной смолы марки 1020-0, а именно: максимальная разрывная прочность ег , МПа (60 МПа), модуль

Юнга Е, МПа (3500 МПа), плотность р, кг/м3 (1200 кг/м3), модуль сдвига G, МПа (1346,2 МПа), модуль объемной упругости К, МПа (2916,7 МПа).

5. По результатам моделирования двухслойной трубной конструкции «сталь + покрытие Scotchkote 169НВ» в компьютерной среде конечно-элементного анализа Ansys получены графические и функциональные

зависимости критерия прочности материала (KvmH = ар°'у// ) от

геометрических размеров дефекта с учетом старения защитного полимерного материала покрытия с течением времени эксплуатации (для расчетного 50-летнего срока эксплуатации функциональная зависимость имеет вид: Кпроч„so =165,86<Г1,672, при R2 = 0,9974); параллельно с помощью программных комплексов прочностного расчета Resource и Rukav определены необходимые параметры проектирования, в частности, толщина защитного полимерного рукава от его модуля упругости при санации ветхого стального трубопровода при его соответствующих эксплуатационных состояниях.

6. По результатам исследований прочностных характеристик набрызгового покрытия Scotchkote 169НВ и протягиваемого полимерного рукава разработана методика определения наиболее приемлемого типа защитного покрытия и его толщины при проведении бестраншейной реновации ветхих трубопроводов в зависимости от различных внешних факторов воздействия на двухслойную трубную конструкцию.

7. Проведены стендовые гидравлические испытания двухслойной напорной трубной конструкции «сталь + Scotchkote 169НВ» внутренним диаметром 0,0952 м в широком диапазоне расходов; в результате проведенных экспериментов с обработкой данных в специальной компьютерной программе и математического моделирования определены:

классическая зависимость потерь напора от расхода г = 40,562gl6S39, коэффициент гидравлического трения Л =0,01977 и коэффициент удельного сопротивления А для различных внутренних диаметров трубопровода А=0,001сГ5'168.

8. Проведены исследования (моделирование) гидравлических характеристик реальной распределительной водопроводной сети при сквозном уменьшении диаметров на 1 и 2 сортамента в широком диапазоне расходов на пожарные нужды в городе. По итогам компьютерного моделирования установлено, что применение защитного покрытия Scotchkote 169НВ и полимерного рукава в качестве средства санации ветхих участков трубопроводов и, одновременно средства уменьшения их внутренних диаметров, не оказывает негативного влияния на гидравлический и санитарный режим водопроводной сети, или пропуск различных величин пожарных расходов.

9. Результаты работы внедрены при проектировании и гидравлическом расчете на ряде объектов реновации водопроводных сетей в городе Москве.

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах автора:

1 . Аверкеев И.А. Анализ автоматизированных программ расчета водопроводных сетей в целях гидравлического моделирования при реновации трубопроводов / Орлов В.А., Аверкеев И.А. // М.: МГСУ, Вестник МГСУ. 2013. № 3. с. 237-243;

2 . Аверкеев И.А. Поддержание оптимальных гидравлических параметров работы водопроводных сетей в условиях сокращенного водопотребления путем использования бестраншейных технологий/ Орлов В.А., Аверкеев И.А // М.: МГСУ, Вестник МГСУ. 2013. №4. с. 113-120;

3 . Аверкеев И.А. Гидравлическая составляющая альтернативных материалов труб и защитных покрытий при бестраншейной реновации напорных трубопроводов / Орлов В.А., Аверкеев И.А., Коблова Е.В. // М.: ООО "Издательство ВСТ", Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 6. с. 22-26;

4. Аверкеев И.А. Применение полимерного покрытия, обеспечивающего прочность системы / Орлов В.А., Аверкеев И.А. // М.: ООО "Технологии мира", Технологии мира. 2013. № 4. с. 25-27;

5. Аверкеев И.А. Исследование прочностных возможностей защитного покрытия водопроводных труб в период их реновации / Аверкеев И.А., Орлов В.А. // М.: ООО "Издательский дом "ЭкоМедиа" Вода Magazine. 2013. № 5. с. 46-47.

Статьи в сборниках, рекомендуемых ВАК РФ.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54,8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Аверкеев Илья Алексеевич

04201450212

ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ КАК ФАКТОР ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ПРОЧНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВОДОПРОВОДНЫХ И ВОДООТВОДЯЩИХ ТРУБОПРОВОДОВ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Орлов В.А.

Москва 2013

Введение........................................................................................................................5

Глава 1. Анализ мирового опыта применения защитных покрытий для бестраншейной реновации напорных трубопроводов водоснабжения и водоотведения............................................................................................................15

1.1 Покрытия, наносимые набрызговым методом..............................................16

1.1.1 Цементно-песчаные покрытия.................................................................16

1.1.2 Быстроотверждаемое полимерное покрытие Б^сЫоЛе 169НВ...........20

1.2 Сплошные покрытия в виде полимерных труб и рукавов............................26

1.2.1 Протаскивание гибкой, предварительно сжатой полимерной трубы (8луа§е1кшщ).........................................................................................................26

1.2.2 Протаскивание гибкой сложенной (и-образной) трубы (8Нр1тш§).....27

1.2.3 Использование гибких сегментов с зубчатой скрепляющей структурой (ТгоИкшщ)............................................................................................................29

1.2.4 Использование гибкого комплексного полимерного рукава (чулка) ...30

1.3 Навивочные (ленточные) покрытия................................................................35

1.4 Местные (точечные) покрытия........................................................................37

1.5 Оценка проведенного анализа и выбор наиболее перспективных защитных покрытий в качестве объектов прочностного и гидравлического исследований. Постановка задачи исследований................................................38

1.6 Краткие выводы по главе 1..............................................................................40

Глава 2. Определение физико-механических характеристик набрызгового покрытия 8со1сЫ«Ле 169НВ с помощью лабораторных испытаний на универсальной электромеханической разрывной машине. Анализ и обработка полученных данных...................................................................................................42

2.1 Анализ известных общих физико-механических характеристик покрытия ЗаЛсИкхЛе 169НВ. Причины поиска уточненных характеристик......................42

2.2 Методика проведения механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей на разрывной машине..............................43

2.3 Анализ полученных в результате эксперимента данных. Сопоставление экспериментальных данных с данными, указанными производителем покрытия..................................................................................................................48

2.4 Краткие выводы по главе 2..............................................................................57

3.1 Создание и исследование прочностной модели двухслойной трубной конструкции со сквозным дефектом (свищем) стального напорного трубопровода в системе конечно-элементного анализа Ansys..........................58

3.2 Проведение прочностных расчётов двухслойной конструкции при профилактическом ремонте трубопроводов без сквозных дефектов на специальных автоматизированных программных комплексах Resource и Rukav........................................................................................................................72

3.3 Разработка метода подбора необходимого типа защитного покрытия и его толщины для реновации труб различной степени поврежденности и воздействия внешних факторов............................................................................83

3.4 Краткие выводы по главе 3..............................................................................85

Глава 4. Проведение стендовых гидравлических испытаний на напорных трубопроводах с набрызговым покрытием Scotchkote 169НВ..............................86

4.1 Краткие сведения о гидравлическом расчете напорных трубопроводов ...86

4.2 Описание опытной установки. Методика проведения натурных исследований...........................................................................................................89

4.3 Интерпретация полученных результатов и их практическое использование.........................................................................................................93

4.4 Краткие выводы по главе 4............................................................................106

Глава 5. Проведение гидравлического моделирования на реальной водопроводной сети города с учетом обеспечения требуемого пожарного расхода и уменьшения диаметра труб...................................................................107

5.1 Актуальность вопросов бестраншейной реновации защитными покрытиями в условиях сокращения водопотребления в городах..................107

5.2 Исследование изменения гидравлических характеристик на реальном

объекте водопроводной сети города на различные случаи пожарного расхода (внутреннего и наружного) при сквозном изменении внутреннего диаметра

трубопроводов при нанесении защитного покрытия 8со1сЬко1е 169НВ и защитного полимерного рукава...........................................................................109

5.3 Технико-экономический эффект бестраншейной реновации трубопроводов систем водоснабжения путем уменьшения их диаметров при соблюдении норм на пожаротушение................................................................129

5.4 Краткие выводы по главе 5............................................................................137

Общие выводы..........................................................................................................138

Список литературы..................................................................................................141

Приложения..............................................................................................................149

Приложение А.......................................................................................................150

Приложение Б........................................................................................................155

Приложение В.......................................................................................................157

Актуальность работы. Эффективность работы систем водоснабжения городов во многом определяется техническим состоянием трубопроводных сетей. Текущее положение таково, что около 70% инженерных трубопроводных коммуникаций в РФ находятся в неудовлетворительном состоянии [21]. Аварийность городских сетей водоснабжения за последнее десятилетие возросла практически в 5 раз и составляет в среднем по РФ порядка 70 случаев на 100 км трубопроводов [21].

Предупреждение старения подземных трубопроводов систем водоснабжения путём их оперативной реновации и модернизации с использованием новых защитных ремонтных материалов, локализующих разнообразные дефекты и позволяющих значительно продлить срок службы трубопроводов, является одним из наиболее актуальных мероприятий водоканалов по обеспечению эффективности и надёжности работы систем водоснабжения городов и населённых пунктов [66]. Аналогичные проблемы и способы их решения характерны и для напорных сетей водоотведения.

Используемые в качестве ремонтных материалов внутренние защитные покрытия трубопроводов помимо выполнения ими функций надёжного барьера между транспортируемой средой и окружающим пространством позволяют обеспечить повышение прочности трубной конструкции и улучшить их гидравлические характеристики.

В условиях ярко выраженной мировой тенденции значительного снижения водопотребления в городах (например, в Москве до 160 л/чел в сутки) по причине вывода промышленных объектов за пределы городов (из-за их нерентабельности или необходимости сохранения нормальной экологической среды в регионе), проведения мероприятий по экономии питьевой и технической воды, рационализации водопользования и т.д., скорости в распределительных сетях объединенных систем хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения резко снижаются (до 0,1-0,3 м/с), что

негативно отражается на органолептических характеристиках транспортируемой воды, увеличивая время её пребывания в системе. В данной ситуации применение внутренних защитных покрытий, приводящих к сужению диаметров участков трубопроводов, можно рассматривать как одно из эффективных мероприятий повышения скоростей течения воды в распределительной сети при условии обеспечения требуемых противопожарных расходов [37].

Внутренние защитные покрытия являются эффективным средством устранения многих типов дефектов металлических и неметаллических труб, среди которых можно выделить две основные категории: механические и коррозионные [21]. К механическим следует отнести: трещины и сколы на раструбах труб; кольцевые или круглые трещины и свищи, более характерные для малого диаметра труб; продольные и спиралевидные трещины, которые могут разрываться. Продольные трещины возникают вследствие разломов под действием внешних нагрузок или чрезмерного внутреннего давления, спиралевидные характерны для труб большого диаметра.

На коррозионную устойчивость трубопровода, а соответственно и на срок его службы влияет множество факторов, среди которых можно отметить: качество стали; наличие коррозионной защиты; толщина стенки трубы; наличие защитной внешней облицовки или покрытия; использование соответствующих материалов и технологий засыпки траншеи; величина рН, щелочность воды, а также тип и доза дезинфицирующего средства в воде; тип бактерий, присутствующих в биологической пленке на внутренней поверхности трубопровода; скорость течения воды [21].

На основе опыта эксплуатации Московского водопровода, установлено, что наиболее распространенным дефектом стальных трубопроводов водопроводных сетей является образования сквозных проржавлений - свищей (около 67% общего количества повреждений). На чугунных трубопроводах основными причинами возникновения аварийных ситуаций является нарушения герметичности раструбных соединений (12%) и переломы труб (16%) [60]. Основными объектами образования различного рода дефектов

являются трубопроводы на вводах промышленных предприятий и домовые вводы диаметром до 200 мм. На данных сетях сосредоточено порядка 75% всех повреждений трубопроводов. Причинами возникновения дефектов зачастую являются такие факторы как: износ труб, низкое качество материала, избыточные напоры, а также внутренняя и наружная коррозии [62].

Можно говорить о том, что текущая ситуация с состоянием подземных трубопроводов водоснабжения и напорного водоотведения в стране требует эффективного решения в области реконструкции и реновации коммунальных

трубппрпиплнкту—сетей-Однако применение традиционных способов

реконструкции трубопроводов (с отрывом траншеи и полной заменой аварийного трубопровода) при современной большой плотности подземных инженерных коммуникаций и застройки территорий в крупных городах РФ трудно реализуемо и потребует существенных финансовых и трудовых затрат, при этом серьезно затрудняя повседневную жизнь населения.

Поэтому в сфере реконструкции трубопроводов целесообразно использовать новые бестраншейные технологии реновации труб, которые активно развиваются в последние десятилетия. Это направление является весомой альтернативой открытому способу реконструкции инженерных сетей, где используется широкий спектр внутренних защитных покрытий. Бестраншейные технологии ремонта наряду с оперативностью и экономичностью (по сравнению с традиционными методами реконструкции) позволяют не нарушать сложившуюся градостроительную и экологическую обстановку [48, 62].

Одним из основных способов восстановления трубопроводов является нанесение различных защитных покрытий на его внутреннюю стенку. Нанесение покрытия может производиться набрызговым методом, протягиванием сплошных оболочек (рукавов, чулков), использования навивочных (ленточных) методов, а также с помощью точечного ремонта трубопроводов, например, установкой специальных бандажей.

В настоящий момент на Московском водопроводе защищена внутренняя поверхность порядка 9% трубопроводов, при этом протяженность участков

сети, восстановленных защитными покрытиями, составляет более 2% от всей протяженности стальных трубопроводов [62].

Результаты экспериментальных исследований последних лет, проводимых на водопроводных сетях, показывают, что аварийность до восстановления на водопроводных сетях составляла 68%, а после реновации уже 27%. В то же время, на уже восстановленных участках аварийность не превышала 5%. Опыт эксплуатации Московского водопровода также свидетельствует, что одними из приоритетных участков реновации сетей должны являться трубы диаметром 300 и 400 мм, поскольку эффект от санации по снижению аварийности на данных трубопроводах наибольший [62].

Передовыми методами бестраншейной реновации трубопроводов в широкой гамме диаметров являются методы нанесения на внутреннюю поверхность трубы защитного полимерного покрытия с помощью набрызгового метода или с помощью протягивания полимерного рукава (чулка) [28, 55]. Применение данных методов реновации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения связано с рассмотрением широкого спектра факторов последующей эксплуатации сетей при данных местных исходных условиях. Нанесение слоя защитного полимерного покрытия на внутреннюю стенку трубопроводов ведет к уменьшению диаметра трубопровода, при этом изменяются и гидравлические характеристики восстанавливаемой ветки трубопровода [26, 34, 37]. В то же время нужно отметить, что, например, в Москве, наблюдается тенденция к снижению среднего водопотребления на одного человека в сутки, что ведет к уменьшению расхода, протекающего по трубам водопроводной сети города, а соответственно и существенному снижению скоростей в сетях водоснабжения и водоотведения [37, 42]. Важным фактором является прочностная составляющая новой двухслойной конструкции («труба + защитное покрытие»). Для её оценки важно определить характер поведения защитного покрытия в зоне дефекта трубопровода при воздействии как внутренних негативных фактором (к примеру: избыточное давление), так и внешних (давление от грунта и грунтовых вод) [29, 32, 41]. Также важно учитывать вопросы энергоэффективности при применении того или иного

защитного полимерного покрытия на различных участках трубопроводных сетей городов [49].

Таким образом, можно утверждать, что необходимо получение наиболее полных исчерпывающих сведений по современным защитным полимерным покрытиям в области их физико-механических и прочностных характеристик, а также гидравлических характеристик (в плане энергоэффективности). Результатом обработки данных сведений должен стать метод подбора способа реновации трубопроводов для конкретных условий, одновременно учитывающий несколько ключевых факторов последующей эксплуатации трубопровода, в числе которых: прочностные показатели конструкции и сопротивление покрытия внешним и внутренним негативным факторам воздействия, гидравлическое соответствие восстанавливаемых участков сети нормативным показателям работы сетей, а также общая энергетическая и экономическая эффективность проведенной реновации.

Объект исследования. Напорные трубопроводы, восстанавливаемые внутренним защитным набрызговым полимерным покрытием Scotchkote 169НВ (производитель в России: компания "ЗМ-Россия").

Предмет исследования. Проведение испытаний: механических (на универсальной электромеханической разрывной машине Instron 3345), прочностных (на базе компьютерного комплекса Ansys), гидравлических (на базе специального гидравлического стенда), а также компьютерного моделирования (с использованием комплекса Bentley WaterGEMS) защитного полимерного покрытия Scotchkote 169НВ для определения ключевых прочностных и гидравлических характеристик материала покрытия, работающего в системе "трубопровод + защитное покрытие" на реальном объекте.

Научно-техническая гипотеза диссертации. Проведенные экспериментальные исследования с покрытием Scotchkote 169НВ и полученные на их основе зависимости основных прочностных и гидравлических характеристик системы "трубопровод + защитное покрытие", должны послужить доказательством эффективности применения нового типа покрытия

как с прочностной, так и гидравлической точки зрения, в сравнении с другими методами санации.

Цели и задачи работы. Целью работы является комплексный анализ набрызговых и сплошных внутренних полимерных защитных покрытий с оценкой эффективности их применения для обеспечения требуемых прочностных и гидравлических показателей восстанавливаемых распределительных сетей объединенных систем хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения, а также напорных трубопроводов систем водоотведения.

Задачами работы является:

-изучение мирового опыта применения методов бестраншейной реновации трубопроводов со сравнительным анализом их возможностей по обеспечению требуемых прочностных и гидравлических характеристик восстанавливаемых конструкций напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения;

-изучение физико-механических характеристик защитного набрызгового полимерного покрытия 8со1сЫ«Ле 169НВ на униве