Определение минимальной толщины стенки участка проектируемого стального трубопровода

12 мая 2016 г.

В случае использования для строительства трубопроводных систем городов стальных труб перед проектировщиком встают вопросы определения минимальной толщины их стенки. При этом решение данной задачи должно сводиться не только к проведению прочностного расчета участка трубопровода, но и к комплексному изучению ситуации на всей напорной сети, которая может влиять на безаварийную работу ее отдельных участков. Вопросы определения толщины стенки приобретают еще большую значимость, когда речь заходит о реконструкции и замене старых (ветхих) участков сети в городах со сложившейся инженерной инфраструктурой.

В данной ситуации необходимо решить следующие задачи:

  • определение требуемой минимальной толщины стенки, которая обеспечит в течение нормативного срока эксплуатации (20 лет для стали) нормальную (безаварийную) работу трубопровода с учетом широкого изменения (моделирования во времени) внешних условий эксплуатации и окружающей обстановки. Впоследствии это позволит на стадии проектирования правильно обосновать применение труб соответствующей марки с соответствующей толщиной стенки;
  • определение минимальной расчетной (ожидаемой) толщины стенки в реальных условиях эксплуатации и окружающей обстановки для принятия решения о возможности последующей эксплуатации и методе реновации трубопровода в зависимости от толщины стенки и соответственно несущей способности трубы.

При решении данных задач невозможно обойтись без исчерпывающих сведений о наличии подземных вод над трубопроводными трассами; об агрессивности грунтов; скученности подземной инженерной инфраструктуры (соседствующих коммунальных трубопроводов различного назначения); плотности и характере наземной инфраструктуры (транспортных магистралей, в том числе, электрифицированных средств передвижения); степени технической (например, электрохимической) защиты, т. е. установок станций катодной защиты (СКЗ).

Решение комплексной задачи проектирования значительно упрощается при использовании автоматизированной системы, которая на основе учета всех перечисленных выше и прочих обстоятельств помогает проектировщику принять оптимальное решение.

Согласно принятому алгоритму автоматизированного расчета, базу которого составляет обширный аналитический и архивный материал по эксплуатации стальных городских водопроводных сетей, толщина стенки трубопровода (S, см) может рассчитываться по следующей формуле:

ф313

где D — внутренний диаметр трубопровода в см; Рвнут — внутреннее давление транспортируемой воды, м вод. ст.; h— средняя глубина залегания шелыги трубы, м; Ρ— плотность грунта, кг/м3; R — временное сопротивление разрыву металла, кг/см2 (зависит от марки сталей, в расчетной формуле принимается автоматически равным 40% от исходного значения за счет переводного коэффициента 0,8); К — коэффициент однородности металла (безразмерный); Рпод.вод — давление подземных вод, кг/см2, Рпод.вод= 10-1 (h - l), где l — средний горизонт воды (расстояние от поверхности земли до уровня воды, м), 10-1 — переводной коэффициент из м вод. ст. над шелыгой труб в атмосферы (или кг/см2); m1, ..., m5 — коэффициенты в виде массива чисел mi, отображающих внешние условия эксплуатации и окружающую обстановку.

Расшифровка значений коэффициентов mi

m1 — для оценки отсутствия или наличия подземной воды соответствующего качества. Принимается один из четырех вариантов: m1 — 0,375 — отсутствие воды; m1 = 0,3542 — наличие пресной воды; m1 = 0,3384 наличие слабоминерализованной воды; m1 = 0,3126 — наличие минерализованной воды.

m2 — для оценки наличия или отсутствия СКЗ; принимается один из двух вариантов: m2 = 0,3125 — наличие СКЗ и m2 = 0,1876 — отсутствие СКЗ.

m3 — для оценки грунтов и динамики старения труб в зависимости от срока эксплуатации, лет (принимается один из множества вариантов, в зависимости от срока эксплуатации (таблица ниже)).

Значение коэффициента m3 в зависимости от грунтов и сроков эксплуатации

1-4 года

5-9 лет

10-14 лет

15-19 лет

20 лет и более

Грунты

0,1875

0,1856

0,1838

0,1820

0,1790

Суглинок

0,1696

0,1679

0,1663

0,1647

0,1617

Сухой песок

0,1518

0,1503

0,1488

0,1474

0,1444

Сухой пылевидный грунт

0,1339

0,1326

0,1313

0,1300

0,1270

Сухой пылевидный грунт с глинистыми включениями

0,1166

0,1149

0,1138

0,1127

0,097

Влажный песок

0,0982

0,0972

0,0963

0,0953

0,0913

Влажный пылевидный грунт

0,0804

0,0796

0,0788

0,0781

0,0741

Влажный пылевидный грунт с глинистыми включениями

0,0626

0,0620

0,0613

0,0608

0,0558

Глина

m4 — для оценки скученности подземных коммуникаций: высокая (с 2 и более пересечениями) над участком трубопровода — 0,0; то же под участком трубопровода — 0,0156; низкая (с 1 пересечением) над участком трубопровода — 0,0312; то же под участком трубопровода — 0,0469; отсутствие пересечений с коммуникациями — 0,0625.

m5 — для оценки скученности наземных объектов: ж/д пути и/или автомобильные трассы — 0,0; мосты и/или путепроводы — 0,0156; наличие водных преград —0,0312; наличие жилых строений на расстоянии менее 10 м — 0,0469; отсутствие каких-либо объектов — 0,0625.

На рисунке ниже представлено основное диалоговое окно: в его левой части — учитываемые алгоритмом программы параметры, в правой части — их диапазоны (в виде стандартных границ), а в центре в свободных полей и раскрывающихся списков — вводимая исходная информации для проектирования.

Полное содержание, т.е. перечень исходных параметров проектирования с их расшифровкой и конкретными исходными данными, соответствующими информации в диалоговом окне на рисунке ниже, для виртуального участка 12-13 представлено в таблице ниже.

Основное диалоговое окно (электронный паспорт) программы расчета толщины стенки участка трубопровода

3.26

Структура электронного паспорта (меню и подменю) участка напорной сети для определения минимальной толщины стенки металлического трубопровода

Номер участка — 12-13

 

Количество участков — до 999

Исходная информация

 

Диапазоны

Диаметр трубопровода (внутренний), см

150

10-200

Средняя глубина залегания шелыги трубы, м

1,6

1,0-12

Период эксплуатации, лет

10-14

б диапазонов: 1-4; 5-9; 10-14; 15-19; 20 лет и более

Длина участка, м

100

10,0-999,0

Временное сопротивление разрыву металла, кг/см2

800

200-4000

Коэффициент однородности металла

0,8

0,8-1,0

Внутреннее давление воды в трубе, м вод, ст.

15,5

10,0-200,0

Сведения о подземной воде

Средний горизонт воды (от поверхности земли), м:

0,5

0,5-12,0

а) пресная

Пресная

б) слабоминерализованная

 

 

в) минерализованная

 

 

Отсутствие воды

 

 

Сведения о грунтах

Средняя плотность, кг/м3

1200

1000-3000

Преобладающие грунты:

а) суглинок

 

 

б) сухой песок

 

 

в) сухой пылевидный грунт

 

 

г) сухой пылевидный грунт с глинистыми включениями

 

 

д) влажный песок

 

 

е) влажный пылевидный грунт

 

 

ж) влажный пылевидный грунт с глинистыми включениями

Влажный пылевидный грунт с глинистыми включениями

з) глина

 

 

Сведения о защитных технических мероприятиях

Наличие СКЗ

Наличие СКЗ

Отсутствие СКЗ

 

Сведения об окружающей обстановке 

Скученность подземных коммуникаций:

а) высокая над участком трубопровода (с 2 и более пересечениями)

 

 

б) высокая под участком трубопровода

 

 

в) низкая над участком трубопровода (с 1 пересечением)

 

 

г) низкая под участком трубопровода

 

 

д) отсутствие пересечений с коммуникациями

Отсутствие пересечений с коммуникациями

Скученность наземных объектов:

а) ж/д пути и/или автомобильные трассы

 

 

б) мосты и/или путепроводы

 

 

в) наличие водных преград

 

 

г) наличие жилых строений на расстоянии менее 10 м

 

 

д) отсутствие каких-либо объектов

Отсутствие каких-либо объектов

В структуре электронного паспорта и в алгоритме автоматизированного расчета параметр Длина участка непосредственно не задействован, однако в паспорте отмечается протяженность участка трубопровода. Это сделано преднамеренно, не только для полноты описания картины, но и для того, чтобы проектировщик мог проанализировать, как меняются показатели состояния грунтов вдоль протяженной трассы, подземных вод и их состава, скученности подземных коммуникаций и наземных объектов. В связи с этим указанные выше параметры должны соизмеряться с протяженностью трубопровода и быть ориентированными на худшие условия его эксплуатации из предлагаемого программой перечня, даже если лишь незначительная часть трубопровода проложена в сложных геологических, гидрогеологических и других условиях.

Заполнение исходной информации в электронном паспорте участка не требует специальных навыков и доступно любому пользователю.

  1. Запуск программы и автоматическое открытие промежуточного диалогового окна в виде таблицы с базовой информацией, помещенной в кодированные строки, соответствующие тем участкам трубопроводной сети, в которых должна быть проведена корректировка параметров (например, в соответствии с данными последнего диагностического или теледиагностического обследования, инженерных изысканий или уточненной исполнительской документации на момент проводимых исследований).
  2. Отыскание в промежуточном диалоговом окне кодированной строки, которая требует корректировки (путем нажатия клавиши F4); при необходимости введения строки для нового участка нажимается одновременно комбинация клавиш F4 + Shift.
  3. Автоматическое появление основного диалогового окна и внесение корректив на соответствующем участке посредством нажатия кнопок в главном меню и подменю электронного паспорта.
  4. Автоматический запуск программы на счет кнопкой Ok и получение итогового расчета — толщины стенок на соответствующем участке.
  5. Распечатка (при необходимости) паспортов участков и итоговой расчетной информации для составления архива и последующего экспертного анализа.

В данном конкретном примере с представленными выше исходными данными минимальная толщина стенки составляет 0,623 см выше.

Варьируя показатели исходных паспортных данных, проектировщик может отследить динамику изменения толщины стенки. Например, при снижении уровня грунтовых вод на 1 м и стабильности других параметров, толщина стенки, согласно расчетам, уменьшается до 0,59 см. В то же время, при отсутствии горизонта воды над трубопроводом толщина стенки составит 0,586 см; а при увеличении внутреннего давления в трубе на 10 м (до 25,5 м) и сохранении исходных параметров расчетная толщина стенки увеличится до 0,96 см.

Практика проектирования показывает, что для диаметра трубопровода 1,5 м при перечисленных исходных вариантах паспортных данных расчетная толщина стенки оценивается как относительно малая. Это может быть объяснено тем, что трубопровод по отношению к ряду таких показателей, как малая скученность подземных и наземных объектов, наличие вдоль трассы пресных вод, а также установка СКЗ, находится в относительно благоприятных условиях залегания и эксплуатации.

Разработанная автоматизированная программа позволяет хранить в архиве данные по 999 участкам трубопроводной сети, что позволяет проектировщику одновременно сохранять в архиве исходную и расчетную информацию для интересующих его участков сети, выбирать соответствующую марку стали, обосновав применение труб с определенной толщиной стенки.

Согласно СНиП 3.05.04-85 «Наружные сети и сооружения водоснабжения», минимальная толщина стенки трубы не может быть менее 0,2 см, а проектная (т. е. принимаемая в проекте на строительство сети по соответствующему ГОСТ на трубы) зависит от их диаметра и корректируется расчетом по предлагаемой автоматизированной программе.

Пользователь также может произвести анализ складывающейся ситуации, например, рассчитав проектную толщину стенки трубопровода по данным классификационной таблицы ниже.

Оценка ситуации и принятие решения по реновации

Расчетная (ожидаемая) минимальная толщина стенки (S, см) на данный момент времени

Оценка ситуация и рекомендации

 

Принимаемое решение в случае необходимости ремонта

Меньше минимальной, т. е. 0,2 см

Обязательно проведение натурных экспериментов по определению реальной толщины стенки и фиксации всех типов дефектов

В случае подтверждения информации необходима замена участка трубопровода или его восстановление с усилением несущей способности (например, использование полимерных рукавов или других защитных покрытий на основе экспертного заключения)

В диапазоне 0,2-1,0 см (между минимальной и проектной)

Проведение натурных экспериментов по определению реальной толщины стенки; проведение прочностного расчета по определению остаточного ресурса трубопровода; обязательное моделирование влияния окружающей обстановки во времени

В случае единичных дефектов (например, свищей) целесообразен метод восстановления с помощью нанесения ЦПП (если несущая способность трубы не нарушена) или использование полимерных рукавов или других защитных покрытий на основе экспертного заключения

Больше проектной, т. е. 1,0 см

Трубопроводная система работоспособна (т, е. несущая способность не нарушена) и может эксплуатироваться до истечения нормативного срока службы трубопровода с периодическим моделированием влияния окружающей обстановки во времени

Ремонт не предусматривается