Аналитические проработки по учету гидравлической составляющей при проектировании ремонтных работ на трубопроводной сети

12 мая 2016 г.

Опыт эксплуатации и анализ отечественных и зарубежных исследований в области оценки надежности и планирования восстановления трубопроводных коммуникаций показали, что принцип работы, заключающийся в проведении ремонтно-восстановительных работ на трубопроводах только там, где произошла авария, ведет к застою в области реконструкции сетей. Отсюда возникает необходимость разработки научно обоснованной стратегии планирования восстановления трубопроводных сетей, где одним из главных критериев выбора материала новых труб или труб с защитными покрытиями является учет их гидравлических параметров.

Для выбора наиболее экономичного и надежного метода реновации старых трубопроводов с использованием защитных покрытий необходимо обеспечить требуемую пропускную способность восстанавливаемой системы, включающей как старые участки (не подвергнутые ремонту на данный момент времени), так и новые (отремонтированные). Под гидравлической совместимостью при выборе труб для перекладки или реновации старых (изношенных) участков напорных труб по условиям проектирования понимается равенство или близость абсолютных величин потерь напора на конкурентоспособных типах труб, выполненных из разных материалов и разных диаметров, а для безнапорных труб — равенство или увеличение скоростей течения жидкости от участка к участку, независимо от места расположения ремонтного участка по трассе, что гарантирует исключение подтопления в любой точке трубопроводной сети.

Термин «гидравлическая совместимость» для безнапорных сетей напрямую связан с транспортирующей способностью потока сточной жидкости в водоотводящих трубопроводах, которая, в первую очередь, определяется расчетной скоростью течения воды, при которой обеспечивается самоочищение труб и коллекторов, а также наполнением последних.

Решение задачи определения гидравлических характеристик труб, планируемых к перекладке или восстановлению, является составной частью тактики их реновации. Таким образом, для оценки ситуации необходимо наличие сведений о гидравлических характеристиках труб и ремонтных материалов (например, цементно-песчаных покрытий, полимерных защитных покрытий, новых типов полимерных труб и т. д.). Явным недостатком практики проектирования является то, что в некоторых ситуациях она вынуждена из-за отсутствия объективных данных по гидравлическим характеристикам новых материалов защитных покрытий руководствоваться методиками гидравлических расчетов, прочностными и гидравлическими показателями, представленными производителями труб, что не может являться объективным аргументом в пользу применяемого покрытия. В связи с этим возрастает роль экспериментальных гидравлических исследований, позволяющих унифицировать требования и подходы к определению специальных показателей материалов и к адаптации их к материалу действующего трубопровода. Очевидно, что выбор того или иного материала защитного покрытия или нового трубопровода должен сопровождаться подбором соответствующей технологии бестраншейного ремонта, к которым, в первую очередь, должны быть отнесены протягивание в старый трубопровод новых труб меньшего диаметра, нанесение защитных полимерных покрытий, набрызговых и ленточных технологий.

Если обратиться к вопросам реновации безнапорных водоотводящих сетей, то необходимо отметить практику широкого использовании для их восстановления полимерных труб и различного рода защитных покрытий, в том числе точечных (для местного ремонта). Строителям и проектировщикам часто приходится сталкиваться со случаями, когда необходим ремонт участка в середине трассы, в результате чего на ней как заплатка образуется новый участок трубопровода, причем больше, меньше или равный по диаметру старому. При этом вблизи мест стыковки труб разного диаметра и материала могут возникать явления гидравлического дисбаланса, проявляющегося в несоответствии реальных скоростей течения условиям проектирования.

Рассматривая аспекты транспортирующей способности потока сточной жидкости, различные исследователи затрагивали вопросы выявления как абсолютных значений скоростей, так и анализа неравнозначности скоростей транспортирования примесей по поверхности, в глубине потока и в лотковой части трубы при перемещении наносов. Результаты исследований показали, что чем больше в воде нераетворенных примесей и чем они крупнее, тем большее сопротивление движению будет испытывать поток. В результате встречаемых потоком сопротивлений твердые частицы переходят из слоя в слой по направлению к лотку. В лотках при недостаточной скорости, вызываемой нарастающей массой взвешенных частиц, могут образовываться донные отложения, уплотняющиеся с течением времени. Необходимо отметить тот факт, что полученные исследователями в разные годы эмпирические формулы для определения незаиливающей скорости характерны в основном для условий транспортирования песка. 

Попадая с ремонтного (нового) участка, имеющего, как правило, меньшую шероховатость на старый (невосстановленный) с большей шероховатостью, вода начинает терять скорость, т, е. движение жидкости становится равнозамедленным на определенном расстоянии по длине участка, пока скорость не достигнет значений, характерных для трубы соответствующей шероховатости. На этом расстоянии (в зоне дестабилизации скоростей) в результате своеобразного торможения (равнозамедленного движения жидкости) может образовываться подпор и осаждаться взвесь с образованием гряд наносов. С течением времени наносы могут перейти в стадию плотных несмываемых отложений. В этом и проявляется дисбаланс работы сети.  

Если со стороны проектировщиков не предусматриваются соответствующие контрмеры в отношении потенциального гидравлического дисбаланса, то резко возрастает ответственность организаций, занимающихся эксплуатацией водоотводящей сети. В их задачи войдет ликвидация возможных последствий дисбаланса, что, прежде всего, выразится в дополнительных (профилактических) прочистках участков, следующих за восстановленными, для своевременного удаления скапливающихся в их донной части плотных несмывающихся наносов. 

В работах автора и других сотрудников кафедры водоснабжения МГСУ на основе теоретических разработок по созданию математической модели работы сети и практического опыта предложена формула для определения протяженности зоны дестабилизации скоростей S, м:

S = (V02 - Vk2) / [(λ · V02 / 4R)-2gi]

где V0, Vk — скорости в сечениях соответственно на первом (восстановленном) участке и на втором (невосстановленном) по ходу движения жидкости, м/с; λ — коэффициент гидравлического трения материала невосстановленного участка; R — гидравлический радиус, м; i — уклон трубопровода; g — ускорение свободного падения, м/с2.

На базе использования данной математической зависимости и ряда классических формул, описывающих зависимости коэффициентов трения трубопроводов от различных показателей, разработан алгоритм и автоматизированная программа, одной из базовых задач которой является определение протяженности зоны дестабилизации скоростей S и условий, при которых она становится близкой к нулю.