Спocoб ремoнта вoдoпрoпуcкнoй трубы пoд наcыпью
Автoр: Вылегжанин Андрей Анатoльевич
Изoбретение oтнocитcя к oблаcти ремoнта и, в чаcтнocти, к cпоcобам ремонта водопропуcкных труб. Целью изобретения являетcя cнижение трудоемкоcти заполнения раcтвором бетона проcтранcтва между дефектной трубой и новой трубой. Споcоб ремонта водопропуcкной трубы под наcыпью включает временное отведение водотока, установку во внутреннее очертание дефектной трубы с зазором новой трубы. Труба оснащена контрольными трубками, выступающими через потолочное перекрытие трубы в межтрубное пространство с определенным шагом. Заполнение бетонным раствором межтрубного пространства и его контроль осуществляют через контрольные трубки с последовательным их заглушением. Заполнение межтрубного пространства бетоном осуществляют посредством гибкого шланга, размещенного в направляющих, установленных с наружной стороны сверху новой трубы в межтрубном пространстве с перемещением его наружу и удалением по мере заполнения межтрубного пространства бетоном. Каждая секция новой трубы образована из нескольких колец, например трех, выполненных из металлического листового материала, предпочтительно гофрированного. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Известен традиционный траншейный способ укладки и замены водопропускных труб под земляными насыпями (Стр-во мостов и труб. Под ред. В.С.Кириллова. М.: Транспорт, 1975 г., с.527, рис.ХУ. 14, ХУ 15. Недостаток способа заключается в том, что для укладки водопропускной трубы необходимо рыть открытую траншею.
Известен способ реконструкции балочного моста с заменой его на одну или две водопропускные трубы (Содержание и реконструкция мостов. Под ред. В.О.Осипова. М.: Транспорт, 1986 г., с.311, 312, рис.Х 14, Х 15, Х 16). Такой способ повторяет недостатки предыдущего аналога, так как предусматривает разборку верхнего строения пути.
Известен «Способ замены водопропускной трубы», приведенный в описании к патенту RU 2183230. Способ предусматривает прокладку в зимнее время туннеля рядом с дефектной трубой, выдержку его до промерзания стенок, возведение крепи, выполнение вертикального отверстия в дорожном полотне для заливки бетона, укладку новой трубы в туннель, заливку бетона в пространство между трубой и тоннелем через вертикальное отверстие. После завершения работ старую тубу заглушают. Однако способ предусматривает возможность его реализации только в зимнее время.
Известен патент RU 2265692 «Способ ремонта водопропускной трубы под насыпью». Способ включает временное отведение водотока, возведение временной опоры с верхней плитой внутри дефектной трубы в месте ее дефекта и ее фиксации и установку частей новой трубы в дефектную трубу с двух ее противоположных сторон до упора торцов встречных частей новой трубы друг в друга. Для этого в обеих частях выполняют освобождения под стойку временной опоры, затем производят объединение торцов встречных частей новой трубы между собой и с временной опорой, заполняют бетонным раствором полости между дефектной и новой трубами и удаляют временную опору. Однако в способе не раскрыто то, каким образом производится заполнение бетоном пространства между дефектной и новой трубами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является «Способ ремонта водопропускной трубы под насыпью», приведенный в описании к патенту RU 2341612.
Способ предусматривает временное отведение водотока, установку секций новой трубы во внутреннее очертание дефектной трубы с зазором и заполнение бетонным раствором межтрубного пространства.
В потолочное перекрытие секций монтируют с определенным шагом контрольные трубки, выступающие в межтрубное пространство, производят первоначальное заполнение бетоном межтрубного пространства через окна, расположенные в верхней части боковых стенок секции, до нижнего уровня окон и заглушают окна, производят заполнение потолочной части межтрубного пространства бетоном через первую трубку до выхода бетона во второй трубке, заглушают первую трубку и подают бетон через вторую трубку до выхода его в следующей трубке и осуществляют последовательные аналогичные операции на всех секциях.
Недостаток способа заключается в сравнительно высокой трудоемкости, так как необходимо сначала выполнить боковые окна для первого заполнения бетоном через них межтрубного пространства, а затем заглушить их и далее производить последовательное заполнение бетоном через потолочные трубки.
Целью изобретения является снижение трудоемкости заполнения раствором бетона пространства между дефектной и новой трубами.
Поставленная цель достигается за счет того, что в способе ремонта водопропускной трубы под насыпью, включающем временное отведение водотока, установку во внутреннее очертание дефектной трубы с зазором новой трубы, снабженной контрольными трубками, выступающими через потолочное перекрытие трубы в межтрубное пространство с определенным шагом, заполнение бетонным раствором межтрубного пространства и его контроль через контрольные трубки с последовательным их заглушением, согласно изобретению заполнение межтрубного пространства бетоном осуществляют посредством гибкого шланга, размещенного в межтрубном пространстве с перемещением его наружу и удалением по мере заполнения межтрубного пространства бетоном.
Новую трубу образуют из нескольких секций, выполненных из металлического листового материала, предпочтительно гофрированного.
С наружной стороны вверху новой трубы устанавливают вертикальные направляющие в виде щитков для размещения и передвижения в них гибкого шланга в межтрубном пространстве, причем вертикальные направляющие выполняют с определенным шагом.
Заполнение бетонным раствором межтрубного пространства осуществляют с одного конца трубы одним гибким шлангом в направлении другого конца трубы или двумя гибкими шлангами встречно с двух концов трубы
Зазор между дефектной и новой трубами для заполнения бетоном межтрубного пространства устанавливают не менее 100 мм.
Шаг между соседними трубками для контроля заполнения бетоном межтрубного пространства устанавливают в зависимости от габаритов ремонтируемой водопропускной трубы, при этом на каждой секции или через одну должно быть не менее одной трубки.
Высоту выступания трубок в межтрубном пространстве устанавливают с образованием зазора между торцом трубки и потолком дефектной трубы не более 40 мм, при этом на каждую контрольную трубку с внутренней стороны потолочного перекрытия устанавливают заглушку после выхода из нее раствора бетона.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг.1 - продольное сечение дефектной водопропускной трубы до ремонта;
Фиг.2 - поперечное сечение водопропускной трубы до ремонта (увеличено);
Фиг.3 - продольное сечение дефектной водопропускной трубы в начале заполнения межтрубного пространства бетоном;
Фиг.4 - продольное сечение дефектной водопропускной трубы в конце заполнения межтрубного пространства бетоном;
Фиг.5 - поперечное сечение водопропускной трубы с установленным шлангом (увеличено);
Фиг.6 - поперечное сечение водопропускной трубы после ремонта (увеличено).
Способ ремонта водопропускной трубы 1, имеющей дефекты 2, расположенной под насыпью 3, включает временное отведение водотока, установку секций 4 новой трубы во внутреннее очертание дефектной трубы 1 и заполнение бетонным раствором 5 межтрубного пространства 6. Для заполнения межтрубного пространства бетонным раствором секции 4 устанавливают с зазором Н между дефектной трубой 1 и секциями 4 новой трубы величиной не менее 100 мм.
Секции новой трубы изготовляют из металлического листового материала, предпочтительно гофрированного.
С наружной стороны вверху секций 4 новой трубы устанавливают вертикальные направляющие 7 в виде щитков для размещения и передвижения в них гибкого шланга 8 в межтрубном пространстве 6, причем вертикальные направляющие выполнены с определенным шагом.
Кроме того, в каждую секцию 4, или через одну, или через две, в зависимости от длины восстанавливаемой трубы, предварительно устанавливают контрольные трубки 9, выступающие в межтрубное пространство 6. Трубки 9 устанавливают с образованием зазора между торцом трубки и потолком дефектной трубы 1 не более 40 мм, при этом каждая трубка 9 с внутренней стороны потолочного перекрытия выполнена с возможностью установки на нее заглушки 10.
Установку новой трубы в дефектную производят целиком путем предварительной сборки секций 4 в трубу и протаскивания ее во внутреннее очертание дефектной трубы 1 или последовательной подачей секций 4 внутрь дефектной трубы 1 и соединения там секций 4 между собой в единую трубу.
Протаскивание гибкого шланга 9 в межтрубное пространство 6 осуществляют после размещения и сборки секций 4 в полости дефектной трубы 1 или одновременно с подачей секций 4 в полость дефектной трубы 1, при этом направляющие щитки 7 обеспечивают ориентацию гибкого шланга 8 в межтрубном пространстве 6.
Кроме того, при больших длинах дефектной трубы 1 возможно встречное протаскивание двух гибких шлангов 8 осуществлять с двух сторон трубы (не показано).
После размещения секций 4 во внутренней полости дефектной трубы 1 заглушают тампонами межтрубное пространство с открытых концов трубы 1 (не показано).
Заполнение бетонным раствором 5 межтрубного пространства 6 осуществляют одним гибким шлангом 8 с перемещением его в направлении от одного до другого конца трубы до полного его удаления, или двумя гибкими шлангами 8 встречно с двух концов трубы.
Контроль заполнения межтрубного пространства 6 осуществляют по выходу раствора 5 бетона из очередной контрольной трубки 9. После чего трубку заглушают заглушкой 10, а шланг 8 продвигают наружу и осуществляют дальнейшее заполнение раствором 5 бетона межтрубного пространства 6 до выхода раствора 5 в следующей контрольной трубке 9, заглушают трубку 9 заглушкой 10 и цикл повторяют.
Достигнутый технический результат заключается в том, что предложенный способ позволяет снизить трудоемкость заполнения раствором бетона пространства между дефектной и новой трубами, одновременно обеспечивая надежный контроль полного заполнения межтрубного пространства.
Способ успешно прошел проверку на ремонте автомобильных дорог.
выбора труб и материалов для строительства и реконструкции трубопроводов водоснабжения
на объектах АО «Мосводоканал»
1. На стадии проектирования в зависимости от условий прокладки и метода производства работ выбираются материал, тип трубы (толщина стенки трубы, стандартное размерное отношение (SDR), кольцевая жесткость (SN), наличие наружного и внутреннего защитного покрытия трубы), решается вопрос усиления прокладываемой трубы с помощью ж/б обоймы или стального футляра. Для всех материалов труб необходимо проведение прочностного расчета на воздействие внутреннего давления рабочей среды, давления грунта, временных нагрузок, собственной массы труб и массы транспортируемой жидкости, атмосферного давления при образовании вакуума и внешнего гидростатического давления грунтовых вод, определение осевого усилия протягивания (продавливания).
2. Перед выбором метода реконструкции проводится техническая диагностика трубопровода с целью определения его состояния и остаточного ресурса.
3. Выбор материала трубопровода необходимо обосновать сравнительным технико-экономический расчетом. Расчет проводится с учетом требований АО «Мосводоканал». При пересечении с существующими инженерными коммуникациями или расположении трубопровода в их охранной зоне учитываются требования сторонних эксплуатирующих организаций. Технико-экономическое обоснование и прочностные расчеты трубопровода входят в состав проектно-сметной документации и предъявляются при рассмотрении проекта.
4. Все материалы, применяемые для прокладки водопроводных сетей (трубы, тонкостенных лайнеров, рукава и внутренние набрызговые покрытия) должны проходить дополнительные испытания на общетоксическое действие составляющих компонентов, которые могут диффундировать в воду в опасных для здоровья населения концентрациях и привести к аллергенным , кожно-раздражающим, мутагенным и другим отрицательным воздействиям на человека.
5.При прокладке полиэтиленовых труб без ж/б обоймы или стального футляра на урбанизированных и промышленных территориях должна быть подтверждена экологическая безопасность окружающего грунта по трассе проектирования. В случае наличия недопустимых загрязнений в грунте и грунтовых водах (ароматических углеводородов, органических химикалий и пр.) выполняется рекультивация грунта.
6. Стальные трубы, ранее использовавшиеся не для трубопроводов питьевого водоснабжения , не допускаются для устройства водопроводных байпасов.
7.Восстановленные бывшие ранее в эксплуатации стальные трубы не допускаются для новой прокладки и реконструкции водопроводных трубопроводов (трубы для рабочей среды). Возможно их использование для устройства футляров.
8. Стальные спиралешовные трубы (по ГОСТ 20295-85 с объемной термообоработкой) допускается использовать при устройстве футляров, байпасных линий.
9. При прокладке труб в футлярах выполняется забутовка межтрубного пространства цементно-песчаным раствором.
10.При новом строительстве стальных трубопроводов водопровода открытой прокладки (не имеющих стальных футляров и ж/б обойм) предусматривать в случае необходимости одновременную защиту трубы от электрохимической коррозии согласно ГОСТ 9.602-2005.
11.При реконструкции стальных трубопроводов (не имеющих стальных футляров и ж/б обойм) без разрушения существующей трубы и при оперативном восстановлении локальных и аварийных участков трубопроводов методами, не обладающими несущей способностью, предусматривать в случае необходимости одновременную защиту трубы от электрохимической коррозии согласно ГОСТ 9.602-2005.
12.Допускается применение литых фасонных частей из ВЧШГ с внутренним и наружным эпоксидно-порошковым покрытием, разрешенным для применения в системах питьевого водоснабжения (свидетельство о государственной регистрации, экспертное заключение о соответствии продукции Единым санитарно-эпидемиологическим и гигиеническим требованиям к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому надзору).
13.Специалисты АО «Мосводоканал» имеют право посещать заводы, поставляющие трубы, и знакомиться с условиями организации производства и контроля качества продукции, а также проводить проверку поставляемой продукции.
14. Испытания полиэтиленовых труб проводятся на образцах, изготовленных из труб.
14.1. Показатели характеристик материала трубы должны соответствовать следующим значениям:
Термостабильность при 200оС – не менее 20 мин.;
Массовая доля технического углерода (сажи) – 2,0-2,5% ;
Распределение технического углерода (сажи) или пигмента – тип I-II;
Относительное удлинение при разрыве образца трубы – не менее 350%.
14.2. При проверке сварного шва разрушение образца должно наступать при достижении относительного удлинения более 50% и характеризоваться высокой пластичностью. Линия разрыва должна проходить по основному материалу и не пересекает плоскость сварки. Результаты испытания считаются положительными, если при испытании на осевое растяжение не менее 80% образцов имеют пластичный характер разрушения I типа. Остальные 20% образцов могут иметь характер разрушения II типа. Разрушение III типа не допускается.
2.Технические требования по применению труб и материалов
для строительства и реконструкции канализации на объектах АО "Мосводоканал"
|
МГСН 6.01-03 |
|||
Для диаметра более 3000 мм | 2.2.3.1.Б. Монтаж стеклопластиковых труб, предназначенных для релайнинга, Стеклопластиковых труб, изготовленных по технологии методом непрерывной намотки стекловолокна на основе полиэфирных связующих; Hobas «quality DA», изготовленных методом центрифугирования, имеющих внутренний лайнер на основе винилэфирного связующего толщиной не менее 1,0 мм на муфтовом соединении с центровкой трубы. Кольцевая жесткость труб не менее SN 5000 Н/м2. ГОСТ Р 54560-2011, ГОСТ ИСО 10467-2013, СП 40-105-2001, МГСН 6.01-03 |
||
2.2.3.2.Б Монтаж композитных элементов из полимербетона МГСН 6.01-03 |
|||
Напорные канализационные трубопроводы |
|||
|
Новое строительство напорных трубопроводов |
|||
Траншейная прокладка | Бестраншейная прокладка |
||
3.1.Т. Укладка труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) с наружным цинковым покрытием и внутренним химически стойким покрытием ГОСТ Р ИСО 2531-2012, СП 66.133330.2011 | 3.1.Б. Монтаж труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) на неразъемном соединении с наружным цинковым покрытием и внутренним химическистойким покрытием в футляре с центровкой. МГСН 6.01-03 |
||
3.2.Т. Укладка стальных прямошовных труб с внутренним цементно-песчаным покрытием и наружной изоляцией весьма усиленного типа по ГОСТ 9.602-2005 с одновременным устройством электрозащиты при необходимости. ГОСТ 20295-85, МГСН 6.01-03 | 3.2.Б. Монтаж стальных прямошовных труб с внутренним цементно-песчаным покрытием и наружной изоляцией весьма усиленного типа по ГОСТ 9.602-2005 в футляре с центровкой. Диаметр до 500мм – сталь марки Ст20 Диаметр 500мм и более – сталь марки 17Г1С, 17Г1СУ ГОСТ 10704-91, ГОСТ 10705-80, ГОСТ 10706-76, ГОСТ 20295-85, МГСН 6.01-03 |
||
3.3.Т. Укладка: Стеклопластиковых труб, изготовленных по технологии FLOWTITE методом непрерывной намотки стекловолокна с применением ненасыщенных полиэфирных смол. Кольцевая жесткость укладываемых труб не менее SN 10000 Н/м2. Соединение муфтовое. Прокладка в железобетонной обойме или футляре. ГОСТ Р ИСО 10467-2013, СП 40-105-2001 | 3.3.Б . Монтаж: Стеклопластиковых труб Hobas «quality DA», изготовленных методом центрифугирования, имеющих внутренний лайнер на основе винилэфирного связующего толщиной не менее 1,0 мм; Кольцевая жесткость укладываемых труб не менее SN 10000 Н/м2. Соединение муфтовое. Прокладка в предварительно проложенном футляре с центровкой. |
||
3.4.Т. Укладка полиэтиленовых труб однослойных из ПЭ100 на сварном соединении в железобетонной обойме или футляре | 3.4.Б . ПЭ100 на сварном соединении в предварительно проложенном футляре. |
||
3.5.Т Для диаметров до 300мм включительно: Укладка труб напорных из полиэтилена ПЭ100 в грунтах с несущей способностью не ниже 0,1 МПа (песках) и устройстве основания и обратной засыпки в соответствии с требованиями «Регламента использования полиэтиленовых труб для реконструкции сетей водоснабжения и водоотведения» (раздел 4). ГОСТ 18599-2001, СП 40-102-2000 | 3.5.Б. Для метода ГНБ - ПЭ100-МП ГОСТ 18599-2001, МГСН 6.01-03, СП 40-102-2000 |
||
|
Реконструкция существующих напорных трубопроводов |
|||
Реконструкция с разрушением существующей трубы | 4.1.1.Б. Монтаж труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) на неразъемном соединении с наружным цинковым покрытием и внутренним химически стойким покрытием ГОСТ ИСО 2531-2012, СП 66.133330.2011, МГСН 6.01-03 |
||
4.1.2.Б. Монтаж стальных труб с внутренним цементно-песчаным покрытием и наружной изоляцией весьма усиленного типа по ГОСТ 9.602-2005. Диаметр до 500мм – сталь марки Ст20 Диаметр 500мм и более – сталь марки 17Г1С, 17Г1СУ ГОСТ 10704-91, ГОСТ 10705-80, ГОСТ 10706-76, ГОСТ 20295-85, МГСН 6.01-03 |
|||
4.1.3.Б. Монтаж труб напорных из полиэтилена ПЭ100-МП с наружным защитным покрытием от механических повреждений на базе минералонаполненного полипропилена. Соединение сварное. ГОСТ 18599-2001, МГСН 6.01-03, СП 40-102-2000 |
|||
4.1.4.Б. Монтаж: Стеклопластиковых труб Hobas «quality DA», изготовленных методом центрифугирования, имеющих внутренний лайнер на основе винилэфирного связующего толщиной не менее 1,0 мм; Стеклопластиковых труб, изготовленных по технологии FLOWTITE методом непрерывной намотки стекловолокна с применением ненасыщенных полиэфирных смол. Кольцевая жесткость укладываемых труб не менее SN 10000 Н/м2. Соединение муфтовое. ГОСТ Р ИСО 10467-2013, МГСН 6.01-03 |
|||
Реконструкция без разрушения существующей трубы | 4.2.1.Б. Монтаж труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) на неразъемном соединении с наружным цинковым покрытием и внутренним химически стойким покрытием с центровкой трубы. |
||
4.2.2.Б. Монтаж стальных труб с внутренним цементно-песчаным покрытием и наружной изоляцией весьма усиленного типа по ГОСТ 9.602-2005 с центровкой трубы. Диаметр до 500мм – сталь марки Ст20 Диаметр 500мм и более – сталь марки 17Г1С, 17Г1СУ ГОСТ 10704-91, ГОСТ 10705-80, ГОСТ 10706-76, ГОСТ 20295-85, МГСН 6.01-03 |
|||
4.2.3.Б. Монтаж труб напорных из полиэтилена ПЭ100 на сварном соединении. Предварительная подготовка внутренней поверхности трубопровода должна исключать недопустимые повреждения трубы при протаскивании. ГОСТ 18599-2001, МГСН 6.01-03, СП 40-102-2000 |
|||
4.2.4.Б . Монтаж: Стеклопластиковых труб Hobas «quality DA», изготовленных методом центрифугирования, имеющих внутренний лайнер на основе винилэфирного связующего толщиной не менее 1,0 мм; Стеклопластиковых труб, изготовленных по технологии FLOWTITE методом непрерывной намотки стекловолокна с применением ненасыщенных полиэфирных смол. Кольцевая жесткость укладываемых труб не менее SN 10000 Н/м2. Соединение муфтовое, с центровкой трубы. ГОСТ Р ИСО 10467-2013, МГСН 6.01-03 |
|||
4.2.5.Б . Инвертирование полимерно-тканевых и композитных рукавов с последующей вулканизацией с помощью теплоносителя или ультрафиолетового излучения: Полимерного рукава, изготавливаемого по технологии «Аарслефф» (Дания); Комплексного рукава, изготавливаемого по технологии "Бертос" (Россия) ТУ 2256-001-59785315-2009; Термоотверждаемого композитного армированного рукава, изготавливаемого по технологии COMBILINER TUBETEX KAWO (Чехия). Кольцевая жесткость рукавов принимается по расчету или по нормативным документам в зависимости от остаточного ресурса трубопровода. МГСН 6.01-03 |
|||
Прокладка дюкеров |
|||
5.1. Прокладка бестраншей-ными методами рабочей трубы в футляре с центровкой | 5.1.1. Трубы напорные из полиэтилена ПЭ100 ГОСТ 18599-2001, МГСН 6.01-03, СП 40-102-2000 |
||
5.1.2. Трубы стальные прямошовные с внутренним цементно-песчаным покрытием и наружной изоляцией весьма усиленного типа по ГОСТ 9.602-2005 Диаметр 500мм и более – сталь марки 17Г1С, 17Г1СУ |
|||
5.1.3. Трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) на неразъемном соединении с наружным цинковым покрытием и внутренним химическистойким покрытием с центровкой трубы. ГОСТ ИСО 2531-2012, СП 66.133330.2011, МГСН 6.01-03 |
|||
5.1.4. Монтаж: Стеклопластиковых труб, изготовленных по технологии методом непрерывной намотки стекловолокна на основе полиэфирных связующих; Стеклопластиковых труб, изготовленных по технологии «Стеклокомпозит» на основе полиэфирных смол; Стеклопластиковых труб Hobas «quality DA», изготовленных методом центрифугирования, имеющих внутренний лайнер на основе винилэфирного связующего толщиной не менее 1,0 мм; Стеклопластиковых труб, изготовленных по технологии FLOWTITE методом непрерывной намотки стекловолокна с применением ненасыщенных полиэфирных смол. Кольцевая жесткость укладываемых труб не менее SN 5000 Н/м2(для самотечных сетей) и SN 10000 Н/м2 (для напорных трубопроводов). Соединение муфтовое. ГОСТ Р 54560-2011(для самотечных сетей), ГОСТ Р ИСО 10467-2013, МГСН 6.01-03, СП 40-105-2001 |
|||
5.2. Прокладка методом ГНБ | 5.2.1. Трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) на неразъемном соединении с наружным цинковым покрытием и внутренним химическистойким покрытием. ГОСТ ИСО 2531-2012, СП 66.133330.2011, МГСН 6.01-03. |
||
5.2.2. Трубы напорные из полиэтилена ПЭ100-МП с наружным защитным покрытием от механических повреждений на базе минералонаполненного полипропилена. Соединение сварное. ГОСТ 18599-2001, МГСН 6.01-03, СП 40-102-2000 |
|||
5.3. Работы выполняются с поверхности воды | 5.3.1 . Трубы стальные прямошовные с внутренним цементно-песчаным покрытием и наружным балластным защитным бетонным покрытием, выполненным в заводских условиях. Диаметр до 500мм – сталь марки Ст20 |
Владельцы патента RU 2653277:
Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано при сооружении и/или реконструкции переходов магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия, построенные бестраншейными методами. В предложенном способе заполнение раствором межтрубного пространства осуществляют поэтапно. На каждом этапе раствор нагнетают в межтрубное пространство и после застывания раствора осуществляют подачу раствора последующего этапа. Заполнение межтрубного пространства осуществляют посредством двух нагнетательных трубопроводов, которые подают в межтрубное пространство с одного из концов тоннельного перехода на расстояние L. Для заполнения межтрубного пространства используют раствор, обладающий плотностью не менее 1100 кг/м 3 , вязкостью по Маршу не более 80 с и временем схватывания не менее 98 ч. Технический результат: повышение качества заполнения межтрубного пространства пластичным материалом при организации тоннельных переходов магистрального трубопровода под естественными или искусственными препятствиями, преимущественно заполненных водой, за счет создания сплошного, без образования пустот, пластичного демпфера, предотвращающего повреждение трубопровода при возможных механических или сейсмических воздействиях. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Способ заполнения раствором межтрубного пространства тоннельного перехода магистрального трубопровода
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано при сооружении и/или реконструкции переходов магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия, построенные бестраншейными методами.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ изготовления системы перехода магистрального трубопровода через дорогу, заключающийся в расположении трубопровода под дорогой в защитном кожухе и обеспечении герметичности межтрубного пространства между трубопроводом и защитным кожухом с помощью торцевых уплотнений. При этом межтрубное пространство между трубопроводом и защитным кожухом заполняют жидкой пластической массой на основе синтетических высокомолекулярных соединений (патент RU 2426930 C1, дата публикации 20.08.2011, МПК F16L 7/00).
Недостатком известного способа является его узконаправленное применение на переходах небольшой длины, преимущественно под автомобильными и железными дорогами с прямым профилем прокладки. Кроме того, вышеуказанный способ не применим для реализации работ по заполнению межтрубного пространства на тоннельных переходах с возможностью одновременного вытеснения воды.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создание пластичного демпфера в межтрубном пространстве, предотвращающего повреждение трубопровода при возможных механических и сейсмических воздействиях.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в повышении качества заполнения межтрубного пространства пластичным материалом при организации тоннельных переходов магистрального трубопровода под естественными или искусственными препятствиями, преимущественно заполненных водой, за счет создания сплошного, без образования пустот, пластичного демпфера, предотвращающего повреждение трубопровода при возможных механических или сейсмических воздействиях.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, способ заполнения раствором межтрубного пространства тоннельного перехода магистрального трубопровода характеризуется тем, что заполнение раствором межтрубного пространства осуществляют поэтапно, на каждом этапе раствор нагнетают в межтрубное пространство и после застывания раствора осуществляют подачу раствора последующего этапа, при этом заполнение межтрубного пространства осуществляют посредством двух нагнетательных трубопроводов, которые подают в межтрубное пространство с одного из концов тоннельного перехода на расстояние L, при этом для заполнения межтрубного пространства используют раствор, обладающий плотностью не менее 1100 кг/м 3 , вязкостью по Маршу не более 80 с и временем схватывания не менее 98 ч.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения расстояние L составляет 0,5-0,7 длины тоннельного перехода.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения дополнительно осуществляют устройство вспомогательного котлована для установки машины горизонтально-направленного бурения, осуществляющей подачу нагнетательных трубопроводов в межтрубное пространство.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения нагнетательные трубопроводы снабжают роликовыми или безроликовыми опорно-направляющими кольцами, обеспечивающими беспрепятственное перемещение нагнетательных трубопроводов в межтрубном пространстве.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения по мере заполнения межтрубного пространства нагнетательные трубопроводы выводят из межтрубного пространства.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения в процессе подачи нагнетательных трубопроводов в межтрубное пространство обеспечивают непрерывный контроль их скорости подачи и визуальный контроль положения относительно трубопровода.
Сведения, подтверждающие реализацию изобретения
На рис. 1 изображен общий вид приемного котлована с нагнетательными трубопроводами;
на рис. 2 изображен общий вид тоннельного перехода под водным препятствием с размещенными нагнетательными трубопроводами;
на рис. 3 изображен тоннельный переход с размещенными нагнетательными трубопроводами (поперечный разрез);
на рис. 4 изображен общий вид роликового опорно-направляющего кольца (поперечный разрез).
Позиции на чертежах имеют следующие обозначения:
1 - межтрубное пространство;
1 1 - тоннельный переход;
2 - естественное препятствие;
3 - приемный (стартовый) котлован;
4 - вспомогательный котлован;
5 - машина горизонтально-направленного бурения;
6 - стена приемного (стартового) котлована;
7 - технологическое отверстие в стене приемного (стартового) котлована;
8 - нагнетательные трубопроводы;
9 - опорный стол;
10 - роликовые опоры;
11 - роликовые опорно-направляющие кольца;
12 - трубопровод;
13 - стальной хомут опорно-направляющего кольца;
14 - прокладочный фрикционный материал опорно-направляющего кольца;
15 - ролики опорно-направляющего кольца;
16 - держатели роликов;
17 - тоннельная обделка;
18 - насосная станция.
Способ реализуется следующим образом.
Перед проведением работ по заполнению межтрубного пространства 1 тоннельных переходов 1 1 магистральных трубопроводов через естественные или искусственные препятствия 2, построенных бестраншейными методами (микротоннелированием), проводят вспомогательные технологические работы (рис. 1). Рядом с приемными (стартовыми) котлованами 3, выполненными с обоих концов тоннельного перехода 1 1 , обустраивают вспомогательные котлованы 4 под установку машины горизонтально-направленного бурения 5 для подачи нагнетательных трубопроводов, например машины горизонтально-направленного бурения (ГНБ) и иного вспомогательного оборудования (не показано). В стене 6 приемного (стартового) котлована 3 при помощи алмазного стенореза (не показано) пропиливают технологические отверстия 7 размерами 1,0×1,0 м, через которые пропускают два нагнетательных трубопровода 8, предназначенных для подачи заполнителя, приготовленного в виде раствора, в межтрубное пространство 1. В приемном (стартовом) котловане 3 производят монтаж опорного стола 9 с роликовыми опорами 10, обеспечивающими плавную подачу нагнетательных трубопроводов 8 в межтрубное пространство 1. В предпочтительном варианте реализации изобретения способ можно использовать как при организации тоннельных переходов 1 1 , имеющих прямолинейный профиль прокладки, так и при организации тоннельных переходов 1 1 , имеющих криволинейный профиль прокладки, включающий по существу наклонные концевые части и по существу прямолинейную центральную часть. Нагнетательный трубопровод 8 представляет собой сборно-разборный трубопровод, выполненный, например, из полиэтиленовых труб.
Подачу раствора в межтрубное пространство 1 (рис. 2) осуществляют посредством не менее двух нагнетательных трубопроводов 8, прокладку которых начинают с одного из концов тоннельного перехода 1 1 , заполненного водой. Прокладку нагнетательных трубопроводов 8 осуществляют на расстояние L, предпочтительно составляющее 0,5-0,7 длины тоннельного перехода 1 1 , что обеспечивает возможность подачи раствора в требуемую зону межтрубного пространства 1 и равномерное заполнение межтрубного пространства 1 без образования пустот с одновременным вытеснением воды в направлении приемного котлована 3, находящегося на конце тоннельного перехода, с которого начинают заполнение межтрубного пространства. Подачу нагнетательных трубопроводов 8 в межтрубное пространство 1 осуществляют с помощью машины 5 горизонтально-направленного бурения и нескольких роликовых опорно-направляющих колец 11, установленных на нагнетательные трубопроводы 8 (рис. 3), или безроликовых опорно-направляющих колец (не показаны). Роликовое опорно-направляющее кольцо 11 (рис. 4) включает в себя стальной хомут 13, устанавливаемый на нагнетательный трубопровод 8 через фрикционную прокладку 14, обеспечивающую надежную фиксацию кольца 11 с трубопроводом 8, по меньшей мере четыре полиуретановых колеса (ролика) 15, установленных в держателях 16, предпочтительно под углом 90° друг к другу. При этом по меньшей мере два ролика 15 опираются на поверхность тоннельной обделки 17, и по меньшей мере один из роликов 15 опирается на поверхность трубопровода 12, что обеспечивает плавное перемещение нагнетательных трубопроводов 8 по поверхности трубопровода 12 в межтрубном пространстве 1 в заданном направлении (рис. 3). Использование не менее двух нагнетательных трубопроводов 8 позволяет равномерно заполнять межтрубное пространство 1 раствором с обеих сторон от трубопровода 12, что позволяет сохранять проектное положение трубопровода. Для исключения «всплытия» трубопровода 12 заполнение межтрубного (тоннельного) пространства 1 раствором производится поэтапно. На каждом этапе раствор нагнетается в межтрубное пространство 1, где он, застывая, обретает свои прочностные свойства, и только после этого осуществляют подачу раствора последующего этапа. Таким образом, обеспечивается сплошное равномерное заполнение межтрубного пространства 1 раствором с одновременным вытеснением воды в приемный котлован 3 с последующей откачкой ее при помощи насосной станции 18. По мере заполнения межтрубного пространства 1 раствором нагнетательные трубопроводы 8 извлекаются из межтрубного пространства 1. После этого аналогичные операции по заполнению оставшейся части межтрубного пространства 1 проводят с другого конца тоннельного перехода 1 1 . При этом прокладку нагнетательных трубопроводов 8 осуществляют на расстояние незаполненной раствором части тоннельного перехода 1.
Применение предложенного способа обеспечивает возможность сплошного равномерного заполнения межтрубного пространства тоннельного перехода 1 1 без образования пустот. Кроме того, способ заполнения межтрубного пространства 1 позволяет производить работы на эксплуатируемом переходе магистрального трубопровода без остановки перекачки продукта.
Для обеспечения непрерывного контроля движения и положения нагнетательных трубопроводов 8 при перемещении в межтрубном пространстве 1, а также оценки общего состояния межтрубного пространства 1 на нагнетательные трубопроводы 8 могут быть установлены средства видеофиксации, например web-камера (не показаны). При перемещении нагнетательных трубопроводов 8 в тоннельном переходе 1 1 изображение со средства видеофиксации в режиме реального времени поступает на средство отображения информации, размещенное в машине 5 горизонтально-направленного бурения (не показаны). На основании получаемой информации оператор может ограничить скорость подачи нагнетательных трубопроводов 8 в зависимости от фактического положения выходных отверстий нагнетательных трубопроводов 8, например, в случае обнаружения каких-либо препятствий или отклонения нагнетательных трубопроводов 8 от заданной траектории.
Для создания пластичного демпфера, предотвращающего повреждение трубопровода 12 при сейсмических воздействиях, в качестве заполнителя применяется раствор, обладающий достаточной прочностью и упругопластичными свойствами. Межтрубное пространство 1 заполняется раствором, приготовленным на основе бентонитоцементного порошка с добавлением полимеров. В результате застывания раствора образуется материал, обладающий достаточной прочностью и упругопластичными свойствами и позволяющий защитить трубопровод 12 от возможных механических и сейсмических воздействий. Для приготовления раствора применяются смесительные станции (не показано). Для обеспечения требуемых характеристик материала раствор должен удовлетворять следующим характеристикам: плотность раствора не менее 1100 кг/м 3 ; условная вязкость раствора по Маршу не более 80 с; время схватывания (потеря подвижности) не менее 98 ч.
После заполнения межтрубного пространства 1 проводят вспомогательные технологические работы: установку герметизирующих перемычек на торцах тоннельного перехода (не показано), демонтаж нагнетательных трубопроводов 8 и вспомогательного оборудования, заделку технологического отверстия 7 в стене 6 приемного (стартового) котлована 3 и засыпку вспомогательного котлована 4.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает сплошное, без образования пустот, заполнение межтрубного пространства пластичным материалом путем подачи раствора по нагнетательным трубопроводам с возможностью одновременного вытеснения воды (в случае необходимости) на переходах магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия, построенных бестраншейными методами (микротоннелирование).
1. Способ заполнения раствором межтрубного пространства тоннельного перехода магистрального трубопровода, характеризующийся тем, что заполнение раствором межтрубного пространства осуществляют поэтапно, на каждом этапе раствор нагнетают в межтрубное пространство и после застывания раствора осуществляют подачу раствора последующего этапа, при этом заполнение межтрубного пространства осуществляют посредством двух нагнетательных трубопроводов, которые подают в межтрубное пространство с одного из концов тоннельного перехода на расстояние L, при этом для заполнения межтрубного пространства используют раствор, обладающий плотностью не менее 1100 кг/м 3 , вязкостью по Маршу не более 80 с и временем схватывания не менее 98 ч.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расстояние L составляет 0,5-0,7 длины тоннельного перехода.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют устройство вспомогательного котлована для установки машины горизонтально-направленного бурения, осуществляющей подачу нагнетательных трубопроводов в межтрубное пространство.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагнетательные трубопроводы снабжают роликовыми или безроликовыми опорно-направляющими кольцами, обеспечивающими беспрепятственное перемещение нагнетательных трубопроводов в межтрубном пространстве.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по мере заполнения межтрубного пространства нагнетательные трубопроводы выводят из межтрубного пространства.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе подачи нагнетательных трубопроводов в межтрубное пространство обеспечивают непрерывный контроль их скорости подачи и визуальный контроль положения относительно трубопровод.
Похожие патенты:
Изобретение относится к прокладке трубопроводов под автомобильными и железными дорогами с использованием энергии управляемого взрыва. Готовят рабочий и приемный котлованы.
Изобретение относится к строительству трубопроводов и используется при сооружении переходов под автомобильными, железными дорогами и водными преградами в качестве опор, предназначенных для протаскивания трубопровода внутри защитного кожуха или в бетонном туннеле.
Изобретение относится к прокладке трубопроводов под автомобильными и железными дорогами. Готовят рабочий и приемный котлованы.
Изобретение относится к средствам установки труб, а именно к центрирующим опорам для поддержания внутренней трубы внутри наружной. Центрирующая опора для внутренней трубы содержит охватывающий внутреннюю трубу пластмассовый хомут с изогнутым вдоль поверхности внутренней трубы стяжным замком и выполненные заодно с хомутом радиальные стойки в виде плоских пластин.
Изобретение относится к строительству трубопроводов и может быть использовано при сооружении переходов трубопроводов через водные преграды. Подводный трубопровод типа "труба в трубе" для перехода через водную преграду включает забалластированный на дне цилиндрический кожух с выведенными за пределы береговых водоохранных зон торцами и проложенный внутри него напорный продуктопровод.
Группа изобретений относится к облицовочному материалу для трубопровода и к способу облицовки трубопровода. Облицовочный материал инвертируется для того, чтобы быть вывернутым наизнанку для облицовки трубопровода P.
Изобретение относится к устройствам для строительства и ремонта линейной части трубопроводов, преимущественно находящихся под водой. Задачей изобретения является облегчение конструкции и снижение рисков загрязнения окружающей среды.
Изобретение относится к горному делу, в частности к устройствам для подводной добычи полезных ископаемых. Устройство может быть использовано также для прокладки нефтегазовых труб на морском дне и на суше, геологоразведочных изысканий, освоения торфяных месторождений, при строительстве в сложных геологических условиях.
Изобретение относится к области проведения ремонтных работ на аварийных участках магистрального трубопровода, расположенного на слабонесущих грунтах, и может применяться для центрирования труб перед сваркой встречных концов трубопровода при замене дефектного участка трубы.
Изобретение относится к буроукладочному устройству для бестраншейной укладки трубопровода, имеющему буровую головку для отделения горной породы, причем буровая головка имеет присоединительный элемент для направляющей бурильной колонны, имеющему насос для всасывания и отгрузки отделенной буровой головкой буровой мелочи и присоединительный элемент за буровой головкой, в которой предусмотрен по меньшей мере один всасывающий элемент для приема и отгрузки отделенной горной породы, и имеющему соединительный участок, который имеет присоединительный элемент для трубопровода, и к способу бурения и укладки для бестраншейной укладки трубопровода, в котором вдоль заданной линии бурения изготавливают направляющий ствол скважины от начальной точки до целевой точки, причем направляющий ствол скважины образуется путем продвижения направляющей буровой головки с направляющей бурильной колонной, в котором после достижения целевой точки к концу направляющей бурильной колонны присоединяют буроукладочную головку, которую соединяют с трубопроводом и посредством которой буровую скважину расширяют и одновременно путем извлечения направляющей бурильной колонны из буровой скважины на одной стороне и/или путем введения трубопровода в буровую скважину укладывают трубопровод, причем отделенную буровой головкой буровую мелочь гидравлически захватывают за буровой головкой буроукладочного устройства и посредством насоса отгружают из буровой скважины.
Изобретение относится к области строительства, эксплуатации и ремонта трубопроводов, транспортирующих газ, нефть и другие продукты и может быть использовано при прокладке подземного трубопровода в болотистой местности на болотах I типа. Способ заключается в разработке узкой траншеи специальной грунторезной машиной в вертикальной плоскости до 2 м глубиной, и плужными устройствами в горизонтальной плоскости шириной до 0,5 м. Затем забалластированный трубопровод протаскивают в траншее с помощью тяговых средств и трубоукладчиков. Балластировка трубопровода предотвращает его всплытие. Трубопровод при протаскивании оснащен заглушкой и конусообразным устройством для раскрытия траншеи. При вспучивании грунта при протаскивании трубопровода предусмотрено рыхление грунта бульдозером или экскаватором. Технический результат состоит в снижении трудоемкости работ при прокладке трубопровода, повышении надежности его работы. 3 ил.
Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано при сооружении иили реконструкции переходов магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия, построенные бестраншейными методами. В предложенном способе заполнение раствором межтрубного пространства осуществляют поэтапно. На каждом этапе раствор нагнетают в межтрубное пространство и после застывания раствора осуществляют подачу раствора последующего этапа. Заполнение межтрубного пространства осуществляют посредством двух нагнетательных трубопроводов, которые подают в межтрубное пространство с одного из концов тоннельного перехода на расстояние L. Для заполнения межтрубного пространства используют раствор, обладающий плотностью не менее 1100 кгм3, вязкостью по Маршу не более 80 с и временем схватывания не менее 98 ч. Технический результат: повышение качества заполнения межтрубного пространства пластичным материалом при организации тоннельных переходов магистрального трубопровода под естественными или искусственными препятствиями, преимущественно заполненных водой, за счет создания сплошного, без образования пустот, пластичного демпфера, предотвращающего повреждение трубопровода при возможных механических или сейсмических воздействиях. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
При бестраншейной реновации ветхих трубопроводных сетей путем протаскивания в них новых, меньшего диаметра, из полимерных и других материалов перед проектировщиками ставятся задачи определения нагрузок на протаскиваемый трубопровод и проверки несущей способности двухслойной трубной конструкции «старый трубопровод + протаскиваемый», пространство между которыми заполняется цементным раствором (ЦР).
Для определения нагрузок на реконструируемый трубопровод необходимо решить одну из классических задач гидростатики, т. е, определить величину и направление давления жидкостей (растворов различной консистенции) на криволинейную цилиндрическую поверхность труб.
Забутовка межтрубного пространства в основном необходима для устойчивости восстанавливаемого трубопровода и повышения прочности строительной конструкции после ремонта бестраншейным методом, а также для предотвращения возможных линейных удлинений полимерного трубопровода внутри старого под воздействием температуры окружающей среды и транспортируемой жидкости.
Решение задачи определения давления цементного раствора в межтрубном пространстве позволяет с учетом прочностных характеристик и геометрических размеров новых протягиваемых полимерных труб выявить их способность противодействовать всем видам нагрузок и, таким образом, гарантировать отсутствие деформаций при обеспечении несущей способности и физической целостности образующейся единой трехслойной трубной конструкции «старый трубопровод + цементный раствор + полимерный трубопровод». При этом на практике для противодействия нагрузок от ЦР возможен вариант предварительного заполнения полимерной трубы наполнителем, например, водой.
На ниже схематично изображен фрагмент поперечного разреза ремонтного участка трехслойной трубной конструкции единичной длины (1 м).
Поперечный разрез ремонтного участка трубопровода с забутовкой межтрубного пространства
1 — подлежащий реновации старый трубопровод внутренним диаметром D вн;
2 — новый полимерный трубопровод наружным диаметром d нар и внутренним диаметром d вн; 3—цементный раствор (ЦР) в межтрубном пространстве.
На практике задача исследований сводится к определению величины и направления воздействия давления ЦР на цилиндрическую поверхность, за которую принимается гонкая кромка полимерного трубопровода по длине окружности диаметром d вн, за вычетом соответствующего объема полимерного материала между наружной и внутренней стенками полимерной трубы, т. е. цилиндрического кольца, заключенного между диаметрами d нар и d вн.
Общий подход к решению данной задачи заключается в том, что определяются горизонтальная и вертикальная составляющие силы давления на оси координат и по правилам механики находится равнодействующая этих сил, которая и представляет собой силу давления на цилиндрическую поверхность. Ниже представлены варианты решения задачи определения нагрузки на трубопровод для четырех характерных случаев:
- при равномерной забутовке межтрубного пространства ЦР с учетом толщины стенки и материала изготовления трубы при отсутствии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе;
- то же при наличии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе;
- при неравномерной забутовке межтрубного пространства ЦР (например, с левой стороны от полимерной трубы) с учетом толщины стенки и материала изготовления трубы при отсутствии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе;
- то же при наличии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе.
Образцы эпюр возникающих давлений на цилиндрическую поверхность полимерного трубопровода представлены на рисунках ниже, где, для удобства и упрощения изображения трехслойной трубной конструкции, удалены контуры старого трубопровода и отсутствует горизонтальная штриховка, отображающая ЦР. При этом необходимо отметить, что для первых двух вариантов решения задачи в качестве результирующего давления рассмотрены соотношения между вертикальными составляющими (разница между положительным и отрицательным телами давлений), а горизонтальные составляющие, равномерно воздействующие с обеих сторон на цилиндрическую поверхность трубы, одинаковы и подлежат взаимоисключению.
Слева эпюры вертикальной составляющей результирующего давления ЦР на цилиндрическую поверхность трубы при равномерной забутовке и отсутствии воды
Справа эпюра давления воды на внутреннюю цилиндрическую поверхность трубы
Эпюра давлений ЦР на левую часть цилиндрической поверхности трубы при неравномерной забутовке с координатами центра давлений T d , вектором результирующей силы давления и углом ее наклона α
Согласно рисунку выше (с учетом единичной длины рассматриваемого трубопровода), положительным «+» V 2 телом давления ЦР на цилиндрическую поверхность (наклонная штриховка) является некий объем V AKLBM . Для определения данного объема необходимо рассчитать объем V AKLBM за вычетом половины площади окружности диаметром d вн. Для учета давления от массы верхней части полимерной трубы (до горизонтального диаметра), необходимо из полученного выше объема вычесть объем цилиндрического полукольца, ограниченного образующими полимерной трубы АМВВ"М"А". После соответствующих математических выкладок объем «+» V 2 составит:
С учетом того, что на образующую А"М"В" воздействуют разные по плотности вещества (ЦР и полимерный материал), положительная вертикальная составляющая силы давления «+» P z на цилиндрическую поверхность будет выражена с учетом различных объемных весов (плотностей) в виде произведения соответствующих объемов веществ на их объемный вес, т. е. γ цр и γ пм:
В свою очередь, отрицательным «-» V 2 телом давления ЦР на цилиндрическую поверхность (вертикальная штриховка) является некий объем V AKLB плюс половина объема фигуры с площадью окружности диаметром d за вычетом объема цилиндрического кольца, ограниченного образующими полимерной трубы АМВСС"А"М"В". После соответствующих математических выкладок объем «-» V 2 составит:
С учетом различных объемных весов, отрицательная вертикальная составляющая силы давления «-» Р z на цилиндрическую поверхность будет выражена в виде:
Результирующая вертикальная составляющая силы давления на цилиндрическую поверхность после соответствующих преобразований составит:
Знак «-» у результирующей силы давления свидетельствует о том, что эта сила в соответствии с принятой координатной сеткой символизирует выталкивающую (архимедову) силу.
В случае заполнения полимерного трубопровода водой в период забутовки межтрубного пространства возникает равномерно распределенная, противодействующая результирующей силе нагрузка на внутреннюю поверхность трубопровода, что уменьшает величину результирующей силы давления. Согласно рисунку выше и приведенным выше рассуждениям, положительный объем тела давления воды «+» W складывается из некоторого объема W A" NSB" и половины объема фигуры с площадью окружности диаметром d вн:
С учетом объемного веса воды у в положительная вертикальная составляющая силы давления воды «+»Р на внутреннюю цилиндрическую поверхность будет выражена в виде:
Тогда с учетом всех реальных нагрузок на цилиндрическую поверхность, исключая уравновешивающие друг друга горизонтальные составляющие с обеих сторон трубопровода, результирующая составляющая силы давления составит:
В отношении направлений результирующей силы необходимо отметить, что для двух первых рассматриваемых вариантов решений направления совпадут с вертикальной осью, проходящей через центры окружностей 0 и 0", и в зависимости от конкретных значений величин, входящих в формулы выше, могут быть как положительными, так и отрицательными.
Частным случаем неравномерного распределения давлений при забутовке межтрубного пространства является заполнение пространства ЦР с одной из сторон, рисунок выше. В этом случае возникает горизонтальная составляющая силы давления, воздействующая с одной стороны трубопровода (например, левой) и достигающая максимума в момент начала перелива ЦР на другую сторону (правую) цилиндрической поверхности трубы. В этом случае горизонтальная составляющая результирующей силы давления на единичную длину трубопровода определяется как площадь эпюры на вертикальную плоскость (аЪс), умноженная на объемный вес ЦР:
P" x = (d нар 2 / 2) γ цр.
Величина вертикальной составляющей результирующей силы давления на трубопровод определяется по формуле:
Другими словами, величина вертикальной составляющей представляет собой половину от величины, рассчитанной по формуле выше. Представленная формула выше справедлива для случая порожнего полимерного трубопровода.
Согласно правилам теоретической механики, равнодействующая сила давления на цилиндрическую поверхность трубопровода определяется из формулы:
P рав = √ (P" x 2 + P" z 2)
Для случая заполнения полимерного трубопровода водой в период забутовки межтрубного пространства равнодействующая сила давления определяется по формуле:
P рав = √ (P" x 2 + (P" z +P) 2)
Необходимо отметить, что в формуле выше величина P" z бралась со своим знаком, т. е. «+» или «-» по конкретным результатам расчета.
Определив величины равнодействующей силы, можно определить точку приложения и направление силы, т. е. угол α ее наклона к горизонту. Угол α определяется из треугольника сил, построенных по катетам P" z и P" х, например, через тангенс угла по формуле:
tgα= P" z / P" х
Точка приложения равнодействующей силы давления T d (т. е. центр давления) для криволинейных поверхностей определяется по следующим правилам: горизонтальная составляющая Р" х проходит через центр тяжести эпюры ABC (рисунок выше) и согласно правилам механики для рассматриваемого случая находится на расстоянии z = d нар /3 вверх от плоскости сравнения I—I. Вертикальная составляющая P" z должна проходить через центр тяжести поперечного сечения тела давления. Используя правила механики, для данного случая (объема полуокружности), рассчитываем, что точка T d должна лежать на расстоянии х = 0,212d нар слева от плоскости сравнения II-II. Таким образом, координаты центра давления составят: х — 0,212d нар и z = d нар /3. Для получения вектора равнодействующей силы давления из точки координат центра давления T d проводится прямая под углом α к горизонту.
После определения нагрузок на полимерный трубопровод должен производиться прочностной расчет, сущность которого состоит в проверке несущей способности нового трубопровода в период проведения забутовки по нескольким критериям, в частности, по условию прочности на воздействие внутреннего давления (I); условию предельно допустимой овализации (деформации) поперечного сечения трубы (II); условию устойчивости круглой формы поперечного сечения трубопровода (III).
Ниже рассмотрены методические подходы к прочностному расчету с различными вариантами проведения строительных работ и перечнем исходных данных для проектирования.
Исходные данные:
Диаметры: D = 0,4 м; d нар = 0,32 м; d вн = 0,29 м.
Объемные веса: γ цр = 25 ООО Н/м 8 ; γ пм = 9500 Н/м 3 ; γ В = 9800 Н/м 3 .
Проектное внутреннее давление транспортируемого вещества, соответствующее приведенному расчетному напряжению σ пр = 0,8 МПа.
В качестве полимерных используются полиэтиленовые трубы ПНД с проектируемым сроком эксплуатации 50 лет.
Старый чугунный трубопровод находится на глубине 10 м от поверхности земли и уровень грунтовых вод составляет Р гв = 10 м вод. ст. (ОД МПа); трубопровод имеет многочисленные повреждения в виде расхождения в стыках раструбов при сохранении остова трубы.
Проверка несущей способности по условию I
Новый полимерный трубопровод, протаскиваемый в старый и подвергнутый забутовке, изначально должен иметь расчетное сопротивление материала R* больше полного расчетного приведенного напряжения σ пр:
R* > σ пр.
Величина R* определяется по формуле:
R*=k 1 R н k y k c = 2,16 МПа,
где k 1 — коэффициент условий прокладки, 0,8; R н — нормативное длительное сопротивление материала стенки трубы, МПа (при эксплуатации 50 лет и температуре 20°С R н = 5 МПа); k y — коэффициент условий работы, 0,6; k c — коэффициент прочности соединений, 0,9.
Таким образом, условие соблюдается: 2,16 МПа >> 0,8 МПа.
Проверка несущей способности по условию II
Относительная деформация вертикального диаметра трубопровода (Е, %), не должна превышать предельно допустимой величины овализации поперечного сечения, которая для полиэтиленовых труб принимается равной 5%.
Величина Е определяется по формуле;
E = 100ςP пр θ / 4P л d нар ≤ [E]
где ς — коэффициент, учитывающий распределение нагрузки и опорной реакции основания, ς = 1,3; Р пр — расчетная внешняя приведенная нагрузка, Н/м, определяемая соответственно по формулам выше, для различных вариантов забутовки, а также отсутствия или наличия воды в полиэтиленовом трубопроводе; Р л — параметр, характеризующий жесткость трубопровода, Н/м 2:
где k e — коэффициент, учитывающий влияние температуры на деформационные свойства материала трубопровода, k e = 0,8; Е 0 — модуль ползучести материала трубы при растяжении, МПа (при эксплуатации 50 лет и напряжении в стенке трубы 5 МПа Е 0 = 100 МПа); θ — коэффициент, учитывающий совместное действие отпора основания и внутреннего давления:
где Е гр — модуль деформации засыпки (забутовки), принимаемый в зависимости от степени уплотнения (для ЦР 0,5 МПа); Р — внутреннее давление транспортируемого вещества, Р < 0,8 МПа.
Последовательно подставляя исходные данные в основные формулы выше, а также в промежуточные получаем следующие результаты расчета:
Анализируя полученные результаты расчетов для данного случая, можно отметить, что для уменьшения величины Р пр необходимо стремиться к снижению до нуля величины Р" z + Р, т. е. равенства по абсолютной величине значений Р" z и Р. Этого можно достичь изменением степени наполнения водой полиэтиленового трубопровода. Например, при наполнении равном 0,95, положительная вертикальная составляющая силы давления воды Р на внутреннюю цилиндрическую поверхность составит 694,37 Н/м при Р" z = -690,8 Н/м, Таким образом, регулируя наполнение, можно достичь равенства данных величин.
Подводя итог результатов проверки несущей способности по условию II для всех вариантов, необходимо отметить, что предельно допустимых деформаций в полиэтиленовом трубопроводе не возникает.
Проверка несущей способности по условию III
Первым этапом расчета является определение критической величины внешнего равномерного радиального давления Р кр, МПа, которое труба способна выдержать без потери устойчивой формы поперечного сечения. За величину Р кр принимается меньшее из значений, вычисленных по формулам:
Р кр =2√0,125P л E гр = 0,2104 МПа;
Р кр = P л +0,14285 = 0,2485 МПа.
В соответствии с расчетами по формулам выше принимается меньшее значение Р кр = 0,2104 МПа.
Следующим этапом является проверка условия:
где k 2 — коэффициент условий работы трубопровода на устойчивость, принимаемый равным 0,6; Р вак — величина возможного вакуума на ремонтном участке трубопровода, МПа; Р гв — внешнее давление грунтовых вод над верхом трубопровода, по условию задачи Р гв = 0,1 МПа.
Последующий расчет ведется по аналогии с условием II на несколько случаев:
- для случая равномерной забутовки межтрубного пространства при отсутствии воды в полиэтиленовом трубопроводе:
таким образом, условие выполняется: 0,2104 МПа>>0,1739 МПа;
- то же при наличии наполнителя (воды) в полиэтиленовом трубопроводе:
таким образом, условие выполняется: 0,2104 МПа >>0,17 МПа;
- для случая неравномерной забутовки межтрубного пространства при отсутствии воды в полиэтиленовом трубопроводе:
таким образом, условие выполняется: 0,2104 МПа >>0,1743 МПа;
- то же при наличии воды в полиэтиленовом трубопроводе:
таким образом, условие выполняется: 0,2104 МПа >>0,1733 МПа.
Проверка несущей способности по условию III показала, что устойчивость круглой формы поперечного сечения полиэтиленового трубопровода соблюдается.
В качестве общих выводов необходимо отметить, что выполнение строительных работ по забутовке межтрубного пространства для соответствующих исходных параметров проектирования не отразится на несущей способности нового полиэтиленового трубопровода. Даже в экстремальных условиях (при неравномерной забутовке и высоком уровне грунтовых вод) забутовка не приведет к нежелательным явлениям, связанным с деформацией или другими повреждениями трубопровода.