bbk 000000

УДК 628.147:658.26.004.18

Орлов В. А., Шлычков Д. И., Коблова Е. В.

Эффективность реновации трубопроводов профилированными полимерными трубами

Аннотация

Приведены результаты аналитических исследований по определению величины возможного прогиба при отслоении части полимерного трубопровода по причине эллипсности или дефектов внутренней поверхности старого трубопровода, а также степени влияния теплового расширения на состояние отслоенной части полимерной трубы после пуска ремонтного участка в эксплуатацию. Приводятся расчетные примеры возможного обратного прогиба U-образной оболочки при различной длине отслоения и различных температурах. Установлены допустимые значения линейных повреждений старого трубопровода, не приводящие к предельному прогибу в период бестраншейной реновации.

Ключевые слова

профилированный полиэтиленовый трубопровод , температурное воздействие , бестраншейная реновация

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В практике бестраншейной реновации ветхих трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения широко используются методы протаскивания в ремонтные участки профилированных (деформированных) U-образных полимерных труб и последующего их распрямления без образования межтрубного пространства (кольцевого зазора) и без нанесения защитных полимерных покрытий (рис. 1) [1]. В некоторых случаях может наблюдаться «обратная» деформация полимерной трубы или защитного покрытия в результате проявления ряда негативных процессов: деформация ветхих труб, нарушающая плотное прижатие новой трубы к старой; образование вакуума при опорожнении трубопровода; изменение температурного режима транспортируемой жидкости; высокая степень коррозионного обрастания внутренней поверхности ветхого трубопровода, в результате чего уменьшается исходная величина условного прохода и т. д.

Задача аналитических исследований состояла в выявлении технической сущности происходящих процессов. При этом определялась величина возможного прогиба при соответствующем отслоении части полимерного трубопровода (т. е. при спонтанном образовании локального межтрубного пространства) по причине эллипсности или дефектов внутренней поверхности старого трубопровода, а также влияния теплового расширения на состояние отслоенной части полимерной трубы после пуска ремонтного участка в эксплуатацию.

Полимерные трубы (термопласты) по сравнению с металлическими подвергаются значительной деформации при нагревании без нарушения их целостности [2]. Эта особенность известна проектировщикам и строителям, которые учитывают линейное удлинение полимерных труб [3], однако практически не обращают внимание на их объемное тепловое расширение при изменении температуры транспортируемых жидкостей (в частности, сточных вод). Тепловое расширение твердых тел характеризуется коэффициентом линейного расширения К_л (табл. 1) и коэффициентом объемного расширения К_о,связь между которыми в первом приближении имеет вид [4]:

К_о = 3К_л.                                   (1)

Ниже приведен пример фрагмента конструкции ветхого металлического трубопровода внутренним диаметром 200 мм, в который после ремонта помещен плотно прилегающий к внутреннему периметру полиэтиленовый трубопровод наружным диаметром 200 мм (рис. 2). Рассмотрим случай изменения длины кольцевого отрезка поперечного среза полиэтиленовой трубы (единичная длина p = 1 м) на предмет ее возможной «обратной» деформации по причине эллипсности по контуру боковой поверхности ветхого трубопровода и повышении температуры транспортируемой жидкости на 1°С.

Для полиэтилена, одного из самых распространенных материалов труб, К_л = 0,00022, а К_о= 0,00066 м³/(м·С). Расчет величины удлинения кольцевого отрезка поперечного среза трубыР производится по формуле:

Р = P₀(1 + ∆tК_л),                           (2)

где Р₀ – первоначальная длина кольцевого отрезка, м; ∆t – перепад температур, С.

Р = 0,628(1 + 1·0,00022) = 0,62813816 м.

Считая, что толщина стенки полиэтиленовой трубы составляет 0,004 м при внешнем диаметре 0,2 м, первоначальный объем тела трубы W_нач будет равен:

W_нач = W_нар – W_вн,                             (3)

где W_нар – объем цилиндра трубы по наружной образующей, м³; W_вн – то же, по внутренней образующей, м³.

W_нач = 0,25pωd²_нар – 0,25pωd²_вн = 0,00246176 м³,

где d_нар, d_вн – наружный и внутренний диаметр полиэтиленовой трубы соответственно, м.

При нагревании на 1°С и полном отслоении полимерной трубы от ветхой объем тела трубы увеличивается до W_кон:

W_кон = W_нач(1 + ∆t3К_л) = 0,002463385 м³.      (4)

Условно принимая толщину стенки полимерной трубы неизменной, т. е. 0,004 м, при новой длине кольцевого отрезка Р = 0,62813816 м новый наружный диаметр полимерной трубы после повышения температуры определяется из соотношения:

Р = ωd_нар^нов,                                   (5)

гдеd_нар ^нов = 0,200044 м.

Таким образом, повышение температуры транспортируемой жидкости на 1°С приводит к увеличению диаметра протянутой в ветхий трубопровод полимерной трубы. Другими словами, диаметр полимерного трубопровода становится больше, чем диаметр ветхой трубы, в которую протягивается полимерная труба. Эти обстоятельства при наличии дефектов на боковой поверхности ветхого трубопровода могут явиться толчком к «обратной» деформации полимерного трубопровода, так как замкнутое пространство не позволяет ему распрямиться. В итоге из-за возникших напряжений может произойти полное или частичное отслоение участка полимерной трубы на каком-либо отрезке по длине окружности ветхого трубопровода, а также и внутренний прогиб в шелыге, в лотке или с боковых сторон, т. е. там, где возможны нарушения эллипсности или дефекты внутренней поверхности, не позволяющие полимерной трубе плотно прилегать к ветхой.

Цель последующих исследований заключалась в расчете величины возможного прогиба при описанных выше исходных данных и сравнении ее с предельно допустимым значением (3%), на основании чего делается вывод о работоспособности трубопроводной системы. При этом необходимо рассмотреть два базовых случая: частичное отслоение и прогиб полимерного трубопровода на определенном участке старого; полное отслоение из-за неплотного начального прилегания полимерного трубопровода к старому.

Для решения поставленной задачи по первому случаю необходимо задать начальные условия: пусть в результате неплотного прилегания полимерной трубы в зоне дефектов внутренней поверхности старого трубопровода частичное отслоение произошло в лотковой части трубопровода на участке 0,1 м по длине окружности при ее общей длине Р₀ = 0,628 м. Опуская результаты расчетных операций, принимаем величину прогиба равной 24,63 мм. Таким образом, при внутреннем диаметре ветхого трубопровода 200 мм, отслоении по длине 0,1 м и повышении температуры транспортируемой жидкости на 1°С прогиб отслоенной части полимерного трубопровода составит 24,63 мм, или 12,32% при допустимом значении прогиба 3%.

Для изучения динамики изменения величины прогиба и выявления строгой тенденции степени его проявления проведены расчеты при следующих условиях:

• отслоение по длине окружности трубы 0,1 м и пошаговое увеличение температуры транспортируемой жидкости на 2, 3, 4 и 5°С;
• отслоение по длине 0,05 м и пошаговое изменение температуры от 1 до 5°С.

Результаты расчетов для трубопровода диаметром 200 мм представлены в табл. 2.

Во втором случае отслоение и тепловое расширение происходит по всей длине окружности трубы, так как полимерный трубопровод неплотно прилегает к внутренней поверхности старой трубы. По сравнению с первым случаем становится неизвестной длина дуги S_АМВ (рис. 2) поперечного сечения полимерной трубы, которая
после «обратной» деформации может иметь разные значения, обусловленные тепловым режимом и упругими характеристиками материала трубопровода. Руководствуясь этим обстоятельством, в задачи исследований входило определение прогиба как следствия теплового расширения при тех же дефектах старого трубопровода.

Для решения данной задачи принимаем температурный диапазон 1–5°С аналогично первому случаю, длину дуги дефектного участка 0,05 м, т. е. предельную длину для достижения прогиба 3% в первом случае, определяем величину прогиба при реновации старого трубопровода диаметром 0,2 м. В конечном счете задача сводится к сопоставлению прогибов при двух расчетных случаях (с учетом влияния температурного расширения) и рекомендациям по реновации трубопроводов профилированными полимерными трубами при плотном и неплотном их начальном прилегании. Опуская результаты промежуточных расчетов, получаем данные, приведенные в табл. 3, из которых следует, что для второго случая (неплотное прилегание трубопровода) длина зоны дефекта старого трубопровода по длине окружности, с учетом непревышения предельно допустимого прогиба в 3%, должна составлять для диаметра 0,2 м менее чем 0,05/1,1734 =  0,0426 м, или 42,6 мм.

Выводы

Одним из основных условий, исключающих прогибы профилированных полимерных труб или защитных покрытий в старом трубопроводе, должно быть наличие идеально подготовленной внутренней поверхности трубы, в том числе без эллипсности, которая провоцирует отслоения и прогибы. Проведенные расчеты показывают, что чем больше линейные габариты повреждения ветхого трубопровода по его периметру, тем больше величина возможного дефекта (отслоения, прогиба) полимерного трубопровода.

Список цитируемой литературы

1. Храменков С. В., Примин О. Г., Орлов В. А. Бестраншейные методы восстановления трубопроводов. – М.: Прима-Пресс, 2002.
2. Пластмассовые трубопроводы, их характеристики и область применения: Справочник (перевод со шведского). – NPG (Северное объединение производителей пластмассовых труб), 1999.
3. Проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводов из полимерных материалов: Справочник проектировщика. – М.: Стройиздат, 1985.
4. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. – М.: Наука, 1964.