bbk 000000

УДК 621.644.075.004.6

Похил Ю. Н., Григоращенко В. А., Ланкевич Н. В.

Инновационные технологии бестраншейной замены аварийных трубопроводов

Аннотация

Представлены инновационные технологии и комплекты оборудования, применяемые на городских водопроводных и канализационных сетях для бестраншейной замены аварийных трубопроводов диаметром до 600 мм. Предлагаемые технологии отличаются принципиальной новизной, высокой экономической эффективностью, не требуют проведения земляных работ, оборудование и механизмы просты в изготовлении. Применение современных технологий позволяет отказаться от строительства новых коммуникаций, а после реконструкции действующих сетей полностью восстанавливаются и улучшаются их технические характеристики. Отечественные разработки имеют более высокие технико-экономические показатели, чем у зарубежных аналогов (по производительности в 1,3 раза, по долговечности в 2–2,5 раза). На технологии и механизмы получено 57 патентов, в том числе 7 зарубежных, продано 24 лицензии.

Ключевые слова

герметичность , бестраншейная прокладка , водонесущие трубопроводы , инновационная программа , пневмомолот , трос , лебедка , расход воды

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Общая протяженность уличных и внутриквартальных водонесущих сетей диаметром 100–600 мм в России составляет 1550 тыс. км. Изношено и требует замены 464,5 тыс. км труб. Ежегодно эта цифра увеличивается на 31 тыс. км, в то время как заменяется только 9–10 тыс. км труб. Повседневное нарушение герметичности трубопроводов водоснабжения негативно влияет на здоровье населения: практически во всех регионах России это приводит к вспышкам острых кишечных инфекций, гепатита и тяжелым желудочным заболеваниям. Другой негативный момент заключается в огромных материальных потерях, которые из года в год несет Россия вследствие аварийного состояния подземных инженерных коммуникаций. По официальным данным, неучтенные расходы воды в системах водоснабжения составляют в среднем по России 15% (3,4 млрд. м³/год) от всей подачи воды, а в ряде городов утечки достигают 30%.

Помимо экономического ущерба, связанного с потерями питьевой воды (на ее производство и подачу затрачиваются очень большие средства), появляются экологические и другие проблемы. Утечки обусловливают повышение уровня грунтовых вод и подтопление городских территорий. Это, в свою очередь, приводит к просадке зданий, сооружений и дорожных покрытий, а также к существенному нарушению водного баланса, влияющего на сохранность зеленых насаждений.

Траншейная технология замены трубопроводов не может быть использована в центральных районах крупных городов по причине невозможности перекрытия транспортных магистралей и нарушения нормальной жизнедеятельности учреждений, предприятий и жилых массивов. По мнению отечественных и зарубежных экспертов, решение проблемы видится в широком распространении современных бестраншейных технологий, создании новых технологий и комплектов оборудования для замены отслуживших свой срок коммуникаций и прокладки новых, особенно из неметаллических материалов. Это позволило бы в ближайшие годы значительно сократить (а в перспективе и полностью исключить из практики) проведение трудоемких и дорогостоящих земляных работ, перекрытие магистральных дорог, улиц и проездов.

В 1992–1996 годах в рамках Государственной инновационной программы «Новое поколение технологий и комплектов оборудования для реконструкции подземных инженерных сетей» специалистами Института горного дела Сибирского отделения РАН, НПК «Комбест» и МУП г. Новосибирска «Горводоканал» разработаны многовариантная технология и комплекты оборудования для бестраншейной замены аварийных трубопроводов диаметром до 600 мм. Сущность технологии заключается в следующем (рис. 1).

В аварийном трубопроводе от входного колодца к выходному прокладывается тяговый трос, одним концом присоединяемый к лебедке, установленной на выходном колодце, а другим – к рабочему органу, размещенному во входном колодце. Основу рабочего органа составляет специальная пневматическая машина ударного действия – пневмомолот. На его передней части размещается конусный расширитель с приспособлением для крепления нового пластмассового трубопровода. К передней части пневмомолота присоединяется тяговый трос, к задней – страховочно-возвратный трос. Тяговая лебедка приводится в действие от пневматического двигателя, позволяющего использовать один источник энергии – компрессор. Для безопасности ведения работ пневмодвигатель предпочтительнее электрического.

Характеристика двигателя позволяет менять тяговое усилие на тросе в диапазоне 10–150 кН в зависимости от давления сжатого воздуха, подаваемого к двигателю. Крутящий момент пневматического двигателя остается постоянным или даже возрастает при снижении скорости вращения вплоть до полной остановки. Указанная выше механическая характеристика весьма важна, поскольку постоянное натяжение троса обеспечивает устойчивую работу пневмомолота и максимальную передачу ударной нагрузки расширителю. Натяжение троса лебедки компенсирует отдачу ударника пневмомолота и обеспечивает работу в установившемся режиме. Кроме того, исключается передача знакопеременной нагрузки на стенки образуемой скважины, что повышает ее устойчивость. Возможен доступ к пневмомолоту в случае его отказа: для этого необходимо отключить тормоз лебедки и при помощи страховочно-возвратного троса извлечь пневмомолот для проведения ремонта или замены.

При подаче сжатого воздуха к лебедке, а затем к пневмомолоту рабочий орган начинает передавать ударную нагрузку на заменяемый трубопровод и, в зависимости от выбранной схемы производства работ, разрушает его в массиве грунта или выбивает в выходной колодец. Для уменьшения степени дробления при разрушении трубопровода на его стенках нарезают опережающие продольные борозды, являющиеся концентраторами напряжения. В образуемую рабочим органом скважину затягивается присоединенный к нему пластмассовый трубопровод. Отдельные секции или части трубопровода с помощью резьбовых соединений наращиваются во входном колодце либо свариваются в плеть, которая подается в колодец через наклонную скважину, пробитую с поверхности.

Изучение проблемы уплотняемости грунта в режиме циклических воздействий позволило получить важную с практической точки зрения энергетическую оценку возможности расширения грунтовой полости с учетом комбинированных усилий, развиваемых пневмомолотом и лебедкой. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что наиболее эффективными режимами работы этих механизмов являются такие, при которых упругая реакция грунтового массива и отдача пневмомолота полностью компенсируются статическим усилием, а энергия пневмомолота используется на разрушение старых трубопроводов и расширение скважин. Расчетная схема силовых воздействий, возникающих в системе «пневмомолот – расширитель – лебедка – массив грунта» при расширении скважины, приведена на рис. 2.

В момент передачи ударного импульса А₀ контакт пневмомолота с расширителем и расширителя с грунтом обеспечивается натяжением троса лебедки F_л. Под действием ударного импульса расширитель, перемещаясь по скважине с диаметром D₀, своим корпусом разрушает старый трубопровод и расширяет скважину до диаметра D₁. На время движения расширителя включается в работу барабан лебедки и удерживает трос в натянутом состоянии. После остановки расширителя трос воспринимает упругую реакцию грунта F_упр и препятствует обратному перемещению расширителя. При движении ударника вперед трос также воспринимает силу реакции Q, обусловленную избыточным давлением сжатого воздуха в задней камере пневмомолота.

Таким образом, эффективность работы системы зависит от прочностных характеристик грунта – коэффициента сцепления, угла внутреннего трения, пористости, геометрических размеров и материала аварийного и прокладываемого трубопроводов, глубины заложения, мощности пневмомолота и лебедки, угла наклона расширителя . Комплект оборудования и, в первую очередь, его рабочий орган должен быть пригоден для выполнения работ по реконструкции ветхих трубопроводов в любых сжимаемых грунтах. Поэтому для определения технических требований, которым должны соответствовать рабочие органы, разработаны компьютерные программы, позволяющие изучать и учитывать различные комбинации перечисленных выше параметров.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработан ряд механизмов, входящих в комплекты оборудования, определены их рациональные технические характеристики и конструктивные особенности, обеспечивающие реализацию технологических схем. При этом выбор силовых параметров осуществлялся с учетом геометрических размеров заменяемого и прокладываемого трубопроводов, а конструктивные схемы рабочих органов разрабатывались с учетом предельной компактности, простоты и надежности соединительных узлов, способности преодолевать ремонтные вставки и муфты, а также нечувствительности к влажности и колебаниям температуры. Механизмы, входящие в комплекты оборудования, показаны на рис. 3. На рис. 4 приведены конструктивные схемы пневмомолотов.

Отличительные особенности вариантов по рис. 4, а, б заключаются в возможности подачи энергоносителя как со стороны задней, так и передней части пневмомолота. Для этого в передней части корпуса установлена специальная воздухоподводящая трубка, входящая через канал в передней части ударника в камеру рабочего хода. При подключении воздухоподводящего шланга к трубке задняя часть патрубка закрывается заглушкой. При подключении воздухоподводящего шланга к патрубку (к задней части пневмомолота) заглушка устанавливается на воздухоподводящую трубку. Возможность подачи энергоносителя со стороны передней части пневмомолота позволяет поместить воздухоподводящую магистраль в заменяемом трубопроводе, что существенно облегчает монтаж рабочего органа и соединение секций заменяющего трубопровода в стесненных условиях рабочего канализационного колодца. Кроме того, по мере продвижения пневмомолота представляется возможным уменьшить длину воздухоподводящей магистрали, снизив тем самым потери давления сжатого воздуха.

Конструктивная схема, представленная на рис. 4, в, позволяет производить запуск пневмомолота с помощью троса лебедки. После подачи в пневмомолот сжатого воздуха натяжением троса срабатывает пусковой клапан, который открывает расположенные в носовой части выхлопные отверстия, и пневмомолот включается в работу. Конструкция позволяет осуществлять запуск при любой длине воздухоподводящего шланга и заменять участки трубопроводов длиной 150–200 м.

С 1996 г. комплекты оборудования серийно выпускаются Новосибирским машиностроительным заводом ОАО «Сиблитмаш», Экспериментальными мастерскими Института горного дела Сибирского отделения РАН.

Техническая производительность одного комплекта зависит от конкретных условий и в отдельных случаях достигает 500 м в месяц. Стоимость замены одного погонного метра коммуникаций по сравнению с открытым способом снижается в 2–2,5 раза, в отдельных случаях – до 5–7 раз.

В настоящее время эта технология широко используется ремонтно-строительными организациями городских Водоканалов во всех федеральных округах Российской Федерации, в том числе в Москве, Омске, Красноярске, Благовещенске, Хабаровске и др.

Предлагаемые технологии отличаются принципиальной новизной, обладают высокой экономической эффективностью, не требуют проведения земляных работ. Оборудование и механизмы просты в изготовлении. Отечественные разработки имеют более высокие технико-экономические показатели, чем у зарубежных аналогов (по производительности в 1,3 раза, по долговечности в 2–2,5 раза). Гарантийный срок службы отечественных комплектов составляет 1,5 года, окупаемость – 2–3 месяца.

На технологии и механизмы, входящие в комплекты оборудования, получено 57 патентов, в том числе 7 зарубежных, продано 24 лицензии. Работа «Замена сетей водоотведения в городских условиях без производства земляных работ» отмечена Премией Правительства России в 2000 г.

За последние 15 лет выпущено и передано в эксплуатацию ремонтно-строительным организациям городских Водоканалов более 100 комплектов оборудования для бестраншейной замены трубопроводов различного диаметра.

С 1994 по 2009 г. силами НПК «Комбест» в Новосибирске заменено свыше 50 км аварийных трубопроводов диаметром до 600 мм.

Выводы

Преимущества ремонта водонесущих трубопроводов бестраншейным методом очевидны: затраты на ремонт снижаются в 6–8 раз, а производительность работ возрастает в десятки раз. Наблюдается процесс постепенного перехода от традиционных строительных материалов к новым. В частности, при прокладке и реконструкции трубопроводов все чаще применяются полимерные трубы. По сравнению со стальными или чугунными они имеют ряд неоспоримых преимуществ: легкость транспортировки и монтажа, высокую коррозионную стойкость, больший срок эксплуатации, невысокую стоимость, гладкость внутренней поверхности. Применение современных технологий позволяет отказаться от строительства новых коммуникаций и путем реконструкции полностью восстановить и улучшить их технические характеристики.