Проведение прочностных расчетов ветхих напорных и безнапорных трубопроводов, восстанавливаемых полимерным рукавом

12 мая 2016 г.

Наиболее эффективным средством восстановления трубопроводов с обеспечением их несущей способности является использование технологии бестраншейной реновации путем нанесения полимерных рукавов (чулков).

Весомым преимуществом полимерных рукавов является то, что ими, при подборе соответствующих синтетических клеевых составов, могут быть восстановлены трубопроводы из различных материалов. При этом образуется двухслойная трубная конструкция, способная воспринимать все действующие на трубопровод нагрузки. При принятии решения в пользу применения полимерного рукава в зависимости от типа повреждений оптимальным можно признать вариант отсутствия деформаций и разрывов старого трубопровода, минимальных прогибов, смещений и трещин. Целесообразно применение рукавов и при износе внутренней поверхности трубопровода, коррозии на внутренней его стенке, свищах.

Основные требования к восстановленному трубопроводу после проведения ремонтных работ с использованием полимерного рукава: герметичность; плотное прилегание рукава (без складок) к внутренней поверхности восстанавливаемого трубопровода; стойкость к истиранию при высоконапорной чистке восстановленного трубопровода.

Необходимо особо подчеркнуть, что повышение несущей способности восстановленной полимерным рукавом трубной конструкции является весомым аргументом его широкого использования, по сравнению например с цементно-песчаным защитным покрытием, которое не обеспечивает повышения прочностных характеристик ремонтного участка трубопровода. В то же время гидравлические характеристики обоих покрытий приблизительно одинаковы на начальный момент эксплуатации трубопроводов, а стоимость работ по реновации трубопроводов полимерным рукавом значительно превышает стоимость нанесения цементно-песчаных покрытий.

Основная задача автоматизированной системы прочностного расчета двухслойной конструкции «старый трубопровод + полимерный рукав» заключается в автоматизации достаточно трудоемкого для ручной обработки прочностного расчета и оперативном получении информации по параметрам совместной работы двух материалов. В конечном итоге автоматизированной программой производится выбор толщины стенки полимерного рукава для обеспечения самонесущей конструкции «старый трубопровод + полимерный рукав» с учетом предлагаемого перечня исходных данных, включая справочные данные по прочностным характеристикам трубопровода и полимерного рукава, в частности, модуля упругости.

Ниже рассмотрен перечень вариантов совместной работы ветхих трубопроводов из разных материалов, восстанавливаемых полимерным рукавом, а также автоматизированные программы прочностных расчетов с выделением специфических особенностей в зависимости от материалов изготовления старых трубопроводов.

Конструкция напорной системы «сталь + полимерный рукав»

Если в результате автоматизированного расчета остаточный ресурс напорного трубопровода определен как нулевой, то это указывает либо на его замену новым либо на необходимость восстановления прочностных характеристик, которые в период длительной эксплуатации полностью исчерпались. Алгоритм оценки прочности новой двухслойной трубной конструкции «сталь + полимерный рукав» включает выполнение четырех последовательных этапов.

1. Расчет на устойчивость двухслойного трубопровода с определением:

  • диапазона изменения параметра R/d (R — внешний радиус трубы; d — суммарная толщина стенки двухслойной трубы) при известных значениях остаточной толщины ветхой стальной трубы;
  • толщины стенки полимерного рукава (с соответствующим значением модуля упругости);
  • приведенной по жесткости к металлу толщины полимерного рукава.

2. Прочностной расчет по предельным состояниям на растяжение в лотковой части двухслойного трубопровода.
3. Прочностной расчет по предельным деформациям (прогибам) в своде двухслойного трубопровода.
4. Проверка на устойчивость полимерного рукава как самостоятельной конструкции при воздействии внешнего давления (грунтовых вод).

Автоматизированная программа предусматривает наличие входной информации в виде бланков исходных (паспортных) данных о состоянии напорного трубопровода и справочных данных по прочностным характеристикам:

  • внешний диаметр участка трубопровода, м;
  • глубина залегания трубопровода (от поверхности земли до лотка), м;
  • высота грунтовых вод над лотком трубы, м;
  • внутреннее давление воды в трубопроводе, м вод. ст. или т/м2;
  • проектная (начальная) толщина стенки трубопровода, мм;
  • остаточная толщина стенки трубопровода (по данным диагностики), мм;
  • проектная толщина полимерного рукава, мм;
  • объемный вес материала трубы, т/м3;
  • объемный вес грунта, т/м3;
  • объемный вес транспортируемой воды, т/м3;
  • усредненный объемный вес полимерного рукава, т/м3.

В качестве справочных данных вводятся следующие сведения:

  • предел текучести стали, МПа;
  • модуль упругости для стали, т/м2;
  • модуль упругости для полимерного рукава, т/м2;
  • модуль деформации грунтового массива, т/ма;
  • коэффициент Пуассона для стали;
  • коэффициент Пуассона для грунта;
  • продольные предельные наклоны земной поверхности;
  • продольные деформации земной поверхности.

Выходная информация представляется в виде четырех форм:

  • форма 1 — результаты расчета из условий устойчивости многослойного трубопровода;
  • форма 2 — результаты расчета из условий прочности в лотке многослойного трубопровода;
  • форма 3 — результаты расчета из условий деформации в своде многослойного трубопровода;
  • форма 4 — результаты расчета из условий устойчивости полимерного рукава как самостоятельной конструкции при отслоении и овализации.

Форма 1 (устойчивость многослойного трубопровода)

В результате проведения расчетов определяется и выводится на принтер следующая информация:

  • приведенная по жесткости к металлу (стали) толщина полимерного рукава, мм;
  • суммарная толщина стенки многослойной трубы, мм;
  • требуемый диапазон соотношения R/d;
  • реальное соотношение R/d;
  • назначаемое соотношение R/d;
  • требуемая минимальная толщина стенки многослойной трубы, мм;
  • новая, приведенная по жесткости к металлу (стали), толщина полимерного рукава, мм;
  • новая толщина полимерного рукава, мм;
  • приведенный объемный вес многослойного трубопровода, т/м3.

Форма 2 (прочность в лотке многослойного трубопровода)

Предусматривает распечатку следующих результатов прочностного расчета:

  • растягивающих напряжений от собственного веса трубы, МПа;
  • сжимающих напряжений от грунтовых вод, МПа;
  • растягивающих напряжений от внутреннего давления воды, МПа;
  • контактных напряжений от горного давления с учетом колесных нагрузок, МПа;
  • суммарных значений контактных и растягивающих напряжений (∑σ0), МПа.

Для детального анализа динамики изменения величин напряжений выходная информация также должна включать сведения о следующих промежуточных параметрах расчета:

  • контактных напряжениях, т/м2: Q1, A1, S1;
  • нагрузках на контуре горной выработки, т/м2: Р0, Р2.

По результатам расчетов делаются соответствующие выводы:

  • остаточная толщина стенки обеспечивает несущую способность трубы (∑σ0 < Ry для стали, т. е. 270 МПа);
  • остаточная толщина стенки не обеспечивает несущую способность трубы (∑σ0 > Ry для стали, т. е. 270 МПа).

Форма 3 (деформации в своде многослойного трубопровода)

Предусматривает распечатку следующих результатов прочностного расчета:

  • деформаций от собственного веса трубы, м;
  • деформаций от внешнего давления грунтовых вод, м;
  • деформаций от внутреннего давления с учетом наличия грунтовой воды, м;
  • деформаций от горного давления с учетом колесных нагрузок, м;
  • суммарных деформаций (∑U), м.

Выводу на печать подлежат также промежуточные расчетные данные по:

  • допустимым наклонам (Uп.накл), м, и деформации земной поверхности (Uп.деф), м;
  • предельным деформациям (3D)/100)для многослойной трубы, м;
  • степени овализации многослойной конструкции, %. 

По результатам расчетов делаются выводы:

  • остаточная толщина стенки обеспечивает несущую способность многослойного трубопровода (∑U > Uп.накл и Uп.деф);
  • остаточная толщина стенки не обеспечивает несущую способность многослойного трубопровода (∑σ0 > Uп.накл и Uп.деф и 3D/100).

Форма 4 (устойчивость полимерного рукава как самостоятельной конструкции при отслоении и овализации)

Форма 4 предусматривает распечатку следующих результатов прочностного расчета:

  • расчетные значения R/dn;
  • расчетные значения (Епл/4Н)1/3.

Если неравенство выполняется, то толщина стенки полимерного рукава принимается равной dn, а если не выполняется, то толщина стенки подлежит уточнению:

dn>R/(Епл/4Н)1/3

На распечатку выдается окончательное значение толщины стенки полимерного рукава с учетом повышающих коэффициентов К1 и К2.

В автоматизированной программе предусматривается наличие:

  • входной информации в виде бланков исходных (паспортных) данных о состоянии трубопровода и справочных данных по прочностным характеристикам;
  • выходной информации в виде таблиц.

Каждому участку трубопровода (если на предмет реновации рассматривается трубопроводная сеть) присваивается номер, что автоматически сохраняет исходные и расчетные данные для последующей работы с массивом участков.

Первое диалоговое окно программы представлено на рисунке ниже.

Первое диалоговое окно автоматизированной программы

3.29

Работа пользователя состоит в проведении следующих операций.

1. Нажать кнопку Исходные данные; на экране дисплея появляется бланк входной информации (рисунок ниже).

2. После внесения исходных данных нажать на кнопку Ok и на экране дисплея снова появится первое диалоговое окно.

3. Нажать кнопку Справочные данные по прочностным характеристикам; на экране дисплея появляется бланк входной информации с выделенными кнопками Ok и Отмена. В качестве исходных данных в обязательном порядке необходимо представить сведения по прочностным характеристикам (рисунок ещё ниже).

Исходные данные для автоматизированного расчета

3.30

Примечания:
• в случае отсутствия информации (высота грунтовых вод над лотком трубы) необходимо предварительное проведение инженерно-геологических изысканий (например, шурфования), а при невозможности их организации принять величину залегания вод равной глубине залегания трубопровода, что увеличит запас прочности;
• объемный вес грунта определяется по типу превалирующего грунта вдоль трассы трубопровода (для песка — 1,5 т/м3; суглинка — 1,7; глины — 1,9; скальных пород — 2,1 т/м3).

Сведения по прочностным характеристикам

3.31

4. После внесения исходных данных нажать кнопку Ok и на экране дисплея появится первое диалоговое окно.

5. Последовательно нажать кнопки выходной информации:

  • форма 1 — устойчивость многослойного трубопровода;
  • форма 2 — расчет из условий прочности в лотке многослойного трубопровода;
  • форма 3 — расчет из условий деформации в своде многослойного трубопровода;
  • форма 4 — расчет на устойчивость полимерного рукава как самостоятельной конструкции при отслоении и овализации.

Ниже в качестве примера представлены типовые распечатки для произвольного участка по четырем указанным выше формам с промежуточными расчетными данными для анализа.

Форма № 1

Устойчивость многослойного трубопровода:

  1. Приведенная по жесткости к металлу толщина полимерного рукава (d*, мм 2.740)
  2. Суммарная толщина стенки многослойной трубы (d, мм 3.740)
  3. Требуемый диапазон изменения соотношения (R/d <= 109="" 49="" p="">
  4. Реальное соотношение (R/d <= 187="" 16="" p="">
  5. Назначаемое соотношение (R/d <= 109="" 49="" p="">
  6. Требуемая минимальная толщина стенки многослойной трубы (мм 6.393)
  7. Новая приведенная по жесткости к металлу толщина полимерного рукава (d*, мм 5.393)
  8. Новая толщина полимерного рукава (dп, мм 23.620)
  9. Приведенный объемный вес многослойного трубопровода (Y*, т/куб 2.000)

Форма № 2

Расчет из условий прочности в лотке многослойного трубопровода

  1. Растягивающие напряжения от собственного веса, МПа (7,533)
  2. Сжимающие напряжения от грунтовых вод, МПа (-4,380)
  3. Растягивающие напряжения от внутреннего давления воды, МПа (65,693)
  4. Контактные напряжения от горного давления, МПа (7,105)
  5. Суммарное значение контактных и растягивающих напряжений, МПа (75,952)

Сведения о расчетных параметрах:

  • Параметры контактных напряжений: q1 = -10.09, а1 = 5322074, S1 = -0.07571
  • Параметры нагрузки на контуре горной выработки т/куб.м: Р0 = 10.133, Р2 = 3.378

Вывод по расчету из условий прочности в лотке:

Толщина стенки многослойного трубопровода ОБЕСПЕЧИВАЕТ несущую способность трубы.

Форма № 3

Расчет из условий деформаций в своде многослойного трубопровода

  1. От собственного веса трубы, м (0,0000127256)
  2. От внешнего давления грунтовых вод, м (0,0000265691)
  3. От внутреннего давления с учетом наличия грунтовых вод, м (-0,0003719672)
  4. От горного давления и колесных нагрузок, м (0,0044532450)
  5. Допустимые наклоны (Uп.накл.) и деформации земной поверхности Uп.деф.),м (Uп.накл=0,0080, Uп.деф=0,0211764706)
  6. Предельные деформации (3%) для многослойной трубы 3D/100, м (0,042)
  7. Суммарное значение деформаций в своде, м (0,0041205725)
  8. Степень овализации многослойной конструкции,% (0,29)

Вывод по расчету из условий деформаций в своде:

Толщина стенки многослойного трубопровода ОБЕСПЕЧИВАЕТ несущую способность трубы

Форма № 4

Расчет на устойчивость полимерного рукава как самостоятельной конструкции про отклонении и овализации 

  1. Расчетное значение (R/dп=58,333)
  2. Расчетное значение (Eпл/4Hв / 1/3=25,000)
  3. Неравенство (R/dп<=Eпл/4Hв / 1/3). Проектная толщина стенки  полимерного рукава (dп=12,00 мм)
  4. Базовая толщина стенки полимерного покрытия, мм (dп=28,000)
  5. Откорректированная толщина стенки полимерного рукава с учетом повышающих коэффициентов К1 и К2, мм (dп>=35,700)

Анализ полученных данных, представленных в четырех выходных формах, показывает, что диктующим вариантом принятия толщины стенки полимерного рукава являются результаты по форме 4 «Расчет на устойчивость полимерного рукава как самостоятельной конструкции при отслоении и овализации», где откорректированная толщина стенки полимерного рукава принимается равной не менее 35,7 мм, тогда как по другим формам (например, по форме 1) результирующая толщина стенки полимерного рукава при пересчете со стартового значения 12 мм составила 23,62 мм.

Конструкции напорных и безнапорных систем «материал трубопровода + полимерный рукав»

В качестве объекта изучения автоматизированным программным комплексом прочностных возможностей восстановленных трубопроводов рассмотрены конструкции «асбестоцемент + полимерный рукав», «железобетон + полимерный рукав» и «чугун + полимерный рукав», которые могут работать как в напорном, так в безнапорном режиме.

В отличие от стальных трубопроводов, где определяется их остаточный ресурс по толщине стенки, для труб из других материалов техническое состояние, как правило, оценивается двумя факторами — полной потерей несущей способности и обладанием ей при наличии некоторых дефектов, условно относящихся к категории незначительных (например, расхождение стыков, мелкие трещины, деформации тела трубы и т. д.). При этом техническое состояние старых трубопроводов определяется путем всестороннего анализа образцов материала изготовления в специализированных лабораториях.

Ниже в качестве примера приводится анализ работы универсального автоматизированного комплекса по прочностному расчету трубной конструкции «асбестоцемент + полимерный рукав». Другие трубные конструкции рассчитываются аналогично, безусловно, имея свою специфику в методиках проведения прочностного расчета.

Работа с программой включает следующие операции.

  1. Введение сведений о материале трубы (асбестоцемент, железобетон, чугун).
  2. Выбор (нажатием кнопки) режима работы трубопровода: безнапорный или напорный.
  3. Уточнение (выбор) режима эксплуатации (например, несущая способность старого трубопровода нарушена — трубопровод поврежден и способен только передавать, не деформируясь, нагрузки от горного давления, транспортные нагрузки и собственный вес на полимерный рукав, который должен помимо указанных нагрузок воспринимать все остальные: давления грунтовых вод, внутреннего наполнителя и собственный вес; несущая способность не нарушена — потеря герметичности трубопровода при сохранении несущей способности).
  4. После выполнения операций, нажать кнопку ввода исходных данных, после чего появится второе диалоговое окно (рисунок ниже).
  5. Последовательно (сверху вниз) вводят исходную проектную информацию в соответствующие позиции второго диалогового окна.
  6. По завершении ввода информации нажимают кнопку Выполнить расчет и появляется выходная форма в виде построчной информации.

Условие примерах трубопровод из асбестоцемента (ВТ9, диаметром 0,5 м); режим напорный; несущая способность нарушена (коэффициенты снижения первоначальной толщины стенки, снижения степени деформации трубы и снижения прочности трубы принимаются равными 0,8).

Диалоговое окно универсальной программы прочностного расчета напорных и безнапорных трубных конструкций

3.33

В данной задаче параметры полимерного рукава должны определяться из условия общей его устойчивости как самостоятельной конструкции, несмотря на то, что рассматривается двухслойная трубная конструкция «асбестоцемент + полимерный рукав», чем обеспечивается запас прочности в случае полного выхода из строя асбестоцементного трубопровода.

Выходная форма

Прочностной расчет трубных двухслойных конструкций

Асбестоцемент

Напорный режим

Несущая способность нарушена

Исходные данные:

Внутренний диаметр трубопровода = 0,500 м

Глубина залегания трубопровода = 2,000 м

Высота грунтовых вод над лотком трубы = 1,000 м

Модуль упругости полимерного рукава = 500000 т/кв.м

Проектная толщина стенки полимерного рукава  = 0,00100000 м

Внутреннее давление (м.вод.ст.) = 40,0000 т/кв.м

Модуль упругости материала трубы = 2000000 т/кв.м

Проектная толщина стенки трубы = 0,0288000 м

Предел прочности материала трубы = 480 т/кв.м

Коэфф. снижения первоначальной толщины стенки трубы = 0,80

Коэфф. снижения степени деформации трубы = 0,80

Коэфф. снижения прочности трубы = 0,80

Вывод по расчету:

Надежность конструкции НЕ обеспечена! Необходимо увеличить проектную толщину стенки полимерного рукава:

Требуемая толщина стенки полимерного рукава не dп >= 0,04000 м или 40,00 мм.

Конструкции безнапорных систем «материал трубопровода + полимерный рукав»

Ниже приводится руководство пользователя автоматизированным программным комплексом по проведению прочностных расчетов восстановленных трубных конструкций «керамика + полимерный рукав», «кирпич + полимерный рукав», которые работают при безнапорном режиме течения жидкости. Описываемый автоматизированный комплекс является универсальным с точки зрения возможности проведения прочностных расчетов для двух указанных трубных конструкций.

Первое диалоговое окно автоматизированной программы представлено на рисунке ниже.

Инструкция пользователя включает следующие операции.

1. Введение сведений о материале трубы (керамика или кирпич).

2. Выбор (нажатием кнопки) режима работы трубопровода: безнапорный или напорный.

Первое окно универсальной программы прочностного расчета безнапорных трубных конструкций

3.34

3. Заполнение исходной проектной информации (диаметр трубы, глубина ее залегания, высота грунтовых вод над лотком, модуль упругости полимерного рукава или проектная толщина стенки полимерного рукава (в зависимости от требований определения расчетного модуля упругости или толщины стенки полимерного рукава).

4. По завершении ввода информации нажать кнопку Выполнить расчет и появится выходная форма в виде построчной информации.

Условие примера: трубопровод из керамики диаметром 0,6 м; глубина залегания 7,0 м; высота грунтовых вод над лотком 2,0 м; модуль упругости полимерного рукава 200 000 т/м2; проектная толщина стенки полимерного рукава не указывается (начальное значение в программе принимается по умолчанию). Специфика данной задачи состоит в том, что параметры полимерного рукава определяются из условия местной устойчивости, а не как самостоятельной конструкции, т. е. полимерный рукав может деформироваться с частичным отслоением от керамического трубопровода (например, с образованием вмятин). Это условие характерно и для кирпичных трубопроводов. 

Выходная форма

Расчет безнапорной трубной конструкции «керамика + полимерный рукав»

Исходные данные:

Внутренний диаметр трубопровода = 0,600 м

Глубина залегания трубопровода = 7,000 м

Высота г.в, над лотком трубы = 2,000 м

Модуль упругости полимерного рукава = 200000 т/кв.м

Вывод по расчету

  1. Начальная (задаваемая) толщина рукава (dп, м = 0,010)
  2. а = dп/R1  (0,034)
  3. p (16,53)
  4. Напряженное состояние; Sigma*B (-2,436); Sigma (-40,270<1200)
  5. Деформативное состояние; U* (354,124807); U (0,008781<0,0074)

После проведения итераций толщина рукава принимается равной: dn = 0.02326 м или 23.26 мм

Расчетные данные показывают, что автоматизированным комплексом проведена корректировка начальной толщины рукава (принятой по умолчанию) с 0,01 м до 0,02326 м, которая обеспечивает необходимые прочностные параметры при исходном модуле упругости полимерного рукава.