Размещено на http://allbest.ru

РЕФЕРАТ

водопроводный трубопровод ремонт

Выпускная квалификационная работа на тему «Технология локального ремонта трубопроводов систем водоснабжения г. Краснодара» состоит из введения, 5 глав, вывода, списка использованных источников. Общий объем составляет 60 страниц печатного текста, включая 5 таблиц, 13 рисунков, список литературы из 48 наименований.

Объектом исследования являются стальные эксплуатируемые трубопроводы системы водоснабжения г. Краснодара. Цель работы состоит в совершенствовании способа бестраншейного локального ремонта трубопроводов с нанесением цементно-песчаной смеси.

Для достижения поставленной цели были поставлены задачи:

- провести анализ современного технического состояния стальных трубопроводов системы водоснабжения в г. Краснодаре;

- провести обзор существующих технологий локального бестраншейного ремонта стальных трубопроводов;

- проведение теоретического исследования по обоснованию рабочего процесса нанесения цементно-песчаного защитного покрытия на локальный участок внутренней поверхности трубопровода;

- проведение теоретического исследования по обоснованию рабочего процесса условий движения тороидальной оболочки и технологического шланга;

- оценка прочности получившегося цементно-песчаного покрытия;

- оценка экономической эффективности технологического процесса нанесения цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность участка трубопровода.

Полученные данные могут использоваться для усовершенствования технологии бестраншейного ремонта стальных трубопроводов систем водоснабжения с применением цементно-песчаного раствора.

ВВЕДЕНИЕ

водопроводный трубопровод ремонт

Актуальность работы. Трубопроводные системы являются неотъемлемой частью инфраструктуры современных населенных мест, а сети водоснабжения являются одним из функционально значимых элементов и наиболее уязвимым. Причинами низкой надежности современных трубопроводов являются: высокий физический износ, неправильный выбор материала труб и класса их прочности, несоблюдение технологии укладки и монтажа труб, отсутствие необходимых мер по защите трубопроводов от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды, воздействия гидравлических ударов, снижение долговременной прочности и т.п.

Проведя анализ данных, предоставленных ООО «Краснодар Водоканал» о техническом состоянии трубопроводов системы водоснабжения, можно сделать вывод о протяженности трубопроводов, их материале и физическом износе. Общая протяженность водопроводных сетей составляет 1 263,67 км, из них магистральных - 140,05 км, уличных сетей -549,5 км. На внутриквартальные и внутридворовые сети приходится 574,12 км.

Протяженность трубопроводных сетей, выполненных из стали, с амортизационным износом до 50% составляет 186,65 км, с амортизационным износом свыше 70% составляет 365,55 км и нуждающихся в капитальном ремонте с износом до 100% составляет 104,42 км.

Решить данную проблему можно экономически эффективными методами бестраншейного восстановления трубопроводов систем водоснабжения г. Краснодара.

Степень разработанности проблемы. Проблемой технологии восстановления поврежденных эксплуатируемых трубопроводов, находящихся в эксплуатации, и способах их антикоррозийной защиты занимались Храменков С.В., Ольгаренко В.И., Свистунов Ю.А., Гринь В.Г., Орлов В.А., Бухин В.Е., Сергеев Е.М., Калачев И.Ф., Белобородов В.Н., Савченко В.Т. Результаты их исследований публиковались в таких журналах как «Трубопроводы и экология», «Водоснабжение и санитарная техника», а также монографиях и диссертациях.

Материалы выпускной квалификационной работы докладывались на научно-практических конференциях в Кубанском государственном аграрном университете.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в совершенствовании способа бестраншейного локального ремонта трубопроводов с нанесением цементно-песчаной смеси.

Для достижения поставленной цели были поставлены задачи:

- провести анализ современного технического состояния стальных трубопроводов системы водоснабжения в г. Краснодаре;

- провести обзор существующих технологий локального бестраншейного ремонта стальных трубопроводов;

- проведение теоретического исследования по обоснованию рабочего процесса нанесения цементно-песчаного защитного покрытия на локальный участок внутренней поверхности трубопровода;

- проведение теоретического исследования по обоснованию рабочего процесса условий движения тороидальной оболочки и технологического шланга;

- оценка прочности получившегося цементно-песчаного покрытия;

- оценка экономической эффективности технологического процесса нанесения цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность участка трубопровода.

Научная новизна. Автором научно обоснована технология бестраншейного восстановления трубопроводов системы водоснабжения, включающая в себя диагностику их технического состояния и нанесение цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода.

Теоретическая значимость работы заключается в составлении уравнений движений тороидальной оболочки при принудительном ее перемещении и факторов, влияющих на ее движение.

Практическая ценность работы. Разработанные технологические процессы, оснастка и оборудование для бестраншейного восстановления трубопроводов позволяют решить проблему повышения надежности функционирования систем водоснабжения, снизить затраты материальных и трудовых ресурсов. В работе применялись лабораторные исследования по определению критических напряжений комбинированного защитного покрытия на основе ЦПС.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили положительные оценки на научно-практических конференциях Кубанского государственного аграрного университета.

Публикации. По материалам работы опубликованы в 2 работы.

Диссертация состоит из введения, пять глав, выводов, списка литературы из 48 наименований. Работа изложена на 60 страницах машинописного текста, в том числе 5 таблиц, 13 рисунков.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ ГОРОДА КРАСНОДАРА

1.1 Технические характеристики системы водоснабжения и её основные элементы

Система водоснабжения представляет собой комплекс инженерных сооружений для обеспечения определенной группы потребителей водой в требуемых количествах и требуемого качества. Кроме того, система водоснабжения должна обладать определенной степенью надежности, т.е. обеспечивать снабжение потребителей водой без недопустимого снижения установленных показателей своей работы в отношении количества или качества подаваемой воды (перерывы или снижение подачи воды или ухудшения ей качества в недопустимых пределах)

Система водоснабжения населенного пункта должна обеспечивать получение воды из природных источников, её очистку, если это необходимо требованиями потребителей и подачу к местам потребления. Для выполнения этих задач служат следующие сооружения, входящие обычно в состав системы водоснабжения:

1. водоприемные сооружения, при помощи которых осуществляется прием воды из природных источников;

2. водоподъемные сооружения, при помощи которых осуществляется прием воды из природных источников;

3. водоприемные сооружения, т.е. насосные станции, подающие воду к местам ее очистки и потребления;

4. сооружения для очистки воды;

5. водоводы для очистки воды;

6. водоводы и водопроводные сети сооружения для транспортирования и подачи воды к местам ее потребления;

7. башни и резервуары, играющие роль регулирующих и запасных емкостей в системе водоснабжения. [3, 4, 15]

Системы водоснабжения можно классифицировать по ряду признаков: по видам потребителей, используемых источников, территориальному охвату, способу подачи воды, кратности её использования, видам обслуживаемых объектов и способу доставки и распределения воды.

По видам потребителей разделяют на хозяйственно-питьевые, противопожарные, производственные, сельскохозяйственные, поливочные.

Эти типы систем могут быть как самостоятельными, так и объединенными. Их объединяют в случае одинаковых предъявляемых требований, а так же с целью экономической эффективности.

В зависимости от видов используемых источников могут быть системы, использующие воду из поверхностных источников (реки, водохранилища, озера, моря, океаны); системы, забирающие воду из подземных источников (грунтовые воды, артезианские); системы смешанного типа (при использовании различных видов водоисточников).

По территориальному охвату выделяют системы локального водоснабжения (одного объекта) или местные; групповые или районные, обслуживающие группу объектов.

По способу подачи воды - самотечные (гравитационные), напорные (с механической подачей воды), комбинированного типа.

В зависимости от кратности использования потребляемой воды бывают прямоточные (однократное использование); с использованием воды (двух, трех кратные); оборотные (многократное использование воды, осуществляемое по замкнутой, полузамкнутой схеме или со сбросом части воды - продувкой); комбинированные.

По видам обслуживаемых объектов - городские, поселковые, промышленные, сельскохозяйственные.

По способу доставки и распределения воды делят на централизованные, децентрализованные и комбинированные. [3, 4, 15]

1.2 Трубопроводы систем водоснабжения

В практике строительства трубопроводов систем водоснабжения используются металлические и неметаллические трубы. К металлическим трубопроводам относят трубы из чугуна и стали, к неметаллическим относят асбестоцементные трубы, железобетонные и пластмассовые трубы, которые в последнее время получили широкое распространение.

Чугунные трубы принадлежат к числу раструбных, т.е. имеют на одном конце раструб. Они изготовляются методом стационарного литья в песчаные формы, а также методом центробежного и полунепрерывного литья, внутренним диаметром от 50 до 1200 мм и длиной от 2 до 7 м. Для предохранения от коррозии чугунные водопроводные трубы при изготовлении внутри и снаружи покрывают нефтяным битумом [24,25]

Стальные трубы для водопроводных систем бывают двух видов - электросварные и водогазопроводные [24,25]. Трубы имеют гладкие концы, соединятся путем сварки. Стальные трубы выдерживают наибольшие давления, удобны при монтаже. В большинстве случаев используются трубы, выпускаемые без нанесения на внешнюю и внутреннюю поверхность стенок антикоррозийного покрытия.

Асбестоцементные трубы выпускаются диаметрами от 100 до 500 мм и длиной 3,95, 5,00 и 5,95 м. Они отличаются стойкостью к коррозии, морозоустойчивостью, относительной легкостью и невысокой стоимостью. Основные недостатки - хрупкость и низкая сопротивляемость ударам и динамическим нагрузкам

Железобетонные трубы обладают целым рядом преимуществ по сравнению с трубами из других материалов. Они достаточно прочны, выдерживают давление до 2Мпа, срок службы достигает 50 лет. Железобетонные трубы изготовляются в большом диапазоне диаметров (от 200 до 2400 мм, длиной 2,5, 5,0 и 10,0 м) и на различные внутренние давления (0,5, 1,0, 1,5 и 2,0 Мпа). Трубы не подвергаются обрастанию с внутренней поверхности, что обеспечивает постоянство их пропускной способности. Соединение труб раструбное с использованием резиновых уплотняющих колец. Трубы армируются стальными предварительно напряженными продольными стержнями и спиральной арматурой.

Пластмассовые трубы изготавливаются:

а) из полиэтилена высокой плотности с внутренним диаметром до 300 мм четырех классов прочности на давление от 2,5 до 10 кгс/см2;

б) из полиэтилена низкой плотности с внутренним диаметром до 150 мм тем же давлением;

в) из винипласта диметром до 250 мм на давление до 2,5 кгс/см2.

Пластмассовые трубы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими трубами. Они имеют небольшой вес, отличаются высокой стойкостью против коррозии, долговечны. Гарантийный срок службы составляет 50 лет. С годами пластмассовые трубы не зарастают изнутри, а значит, не меняют свою пропускную способность в течение всего срока службы. Они не подвержены разрушению блуждающими токами, что очень важно для городских условий. Также одно из их важнейших достоинств в том, что они не боятся подвижек грунта, поэтому не разрушаются из-за колебаний почвы. Трубы соединяют при помощи муфт с уплотнительными кольцами, фланцев, путем склеивания, путем торцевой сварки и электросварки.

1.3 Общая информация о существующей системе водоснабжения г. Краснодар

Город Краснодар делится на четыре административных округа Прикубанский, Западный, Центральный, Карасунский. Системы водоснабжения и водоотведения обслуживает муниципальное унитарное предприятие водопроводно-канализационного хозяйства ООО «Краснодар Водоканал» (МУП ВКХ «Водоканал»), которое является одним из старейших предприятий столицы Кубани. Его официальной датой образования считается 16 декабря 1894 года.

В 1909 году началось бурение скважин, и с 15 июня 1910 года горожане стали получать артезианскую воду, для обеззараживания которой был применен серебряный фильтр. Первая скважина действует и поныне, а потребители нашего города получают только артезианскую воду.

Существующая система водоснабжения состоит из 10 крупных водозаборов и 15 микроводозаборов, на которых эксплуатируется 486 скважин. Предприятие имеет 11 насосных станций II подъема и 183 насосные станции III подъема (подкачки), 85 резервуаров. Водозаборные сооружения оборудованы насосными станциями в количестве 15 шт., их пропускная способность - 350-400 т.м3/сут., степень износа - 36%, возраст - 30-40 лет.

Город делится на четыре административных округа: Прикубанский, Западный, Центральный, Карасунский и ряд сельских поселений. На деятельность «Водоканала» административное деление округа не оказывает.

По последней переписи населения численность города составляет 791 354 человек. Численность населения, обеспеченного услугами водоснабжения и водоотведения, составляет 775 173 человека. По степени благоустройства, население подразделяется следующим образом:

• пользующиеся водой с уличных колонок (норма 50 л);

• пользующиеся водой из дворовых колонок (норма 70 л);

• жилые дома, имеющие водопровод и канализацию без газа (норма - 117 л/чел в сут.);

• жилые дома, имеющие водопровод и канализацию с газовыми приготовительными плитами (норма 127 л/чел в сут.);

• жилые дома с водогрейными колонками (норма 248 л/чел в сут.);

• жилые дома с центральным горячим водоснабжением (норма 273 л/чел в сут.).

Из общего количества населения, обслуживаемого МУП ВКХ «Водоканал» услугами водоснабжения пользуется 85,5 % (14,5 % получают воду из ведомственных источников), услугами водоотведения - 83 %.

Суммарная протяженность водопроводных сетей составляет 1 263,67 км, возраст - 20-60 лет. Трубы и трубопроводная арматура изготовлены в бывшем Советском Союзе и в России. Около 40 % чугунных труб находится в эксплуатации более 20 лет. Около 35% стальных труб эксплуатируются более 20 лет. Более 90% всех водоводов составляют чугунные и стальные трубы, а полиэтиленовые трубы начали применяться только в последние 15 лет и их доля незначительна. Общий износ водопроводных сетей составляет около 70%. [28]

Катодная защита труб не применяется. При строительстве водопроводных сетей выполняется битумная обработка труб с обмоткой изоляционной пленкой.

В последние годы на предприятии широко внедряются новые технологии, методы производства работ и оборудование. Для обнаружения скрытых утечек применяется течеискатель ''ТЕАККОРР-4000'', который позволяет сократить время их поиска в три раза. Приобретена передвижная лаборатория для телевизионного обследования и диагностики сетей водопровода, канализационных коллекторов и артскважин, позволяющая принять оперативное и оптимальное решение по их ремонту.

На предприятии внедрена и используется программа «Кадастр водопроводных сооружений», которая включает в себя все водопроводные сети, с указанием диаметров, детализированы колодцы и камеры, состояние колодцев и запорной арматуры. Контроль давления в системе водоснабжения осуществляется с помощью телемеханики и путем непосредственного измерения давления по контрольным точкам. На запорно-регулирующей арматуре, установленной на трубопроводах сети водоснабжения периодически проводится профилактический ремонт, в случаях выхода ее из строя, проводится замена. Качество запорно-регулирующей арматуры имеет удовлетворительное состояние.

Таблица 1.1 - Сведения о подаче, реализации и потерям воды за 2015 г.

№ п/п	Месяц	Подача воды, тыс.м3/мес. по приборному учету ПЭО	Реализация воды, тыс.м3 в месяц	Утечки, неучтенные расходы
				Тыс.м3 в мес.	%
1	2	3	4	5	6
1.	Январь	8675,2	6168,1	2357,4	27,2
2.	Февраль	7883,5	5972,2	1771,0	22,5
3.	Март	8545,2	5886,5	2510,8	29,4
4.	Апрель	8272,4	6181,8	1944,6	23,5
5.	Май	8614,4	6150,5	2316,4	26,9
6.	Июнь	8454,2	6152,7	2154,1	25,5
7.	Июль	8650,0	5942,8	2560,0	29,6
8.	Август	8977,4	6006,6	2821,3	31,4
9.	Сентябрь	8373,2	6059,5	2167,1	25,9
10.	Октябрь	8859,6	6021,1	2680,4	30,3
11.	Ноябрь	8371,3	5985,0	2238,7	26,7
12.	Декабрь	8648,1	6380,2	2121,1	24,5
	Итого: за год	102324,5	72907,0	27642,9	27,0
	Среднее значение: в месяц в сутки	8527,0 280,3	6075,6 199,7	2303,6 75,7	27,0 27,0

Таблица 1.2 - Объем реализации воды по группам потребителей в 2015 г.

Средние значения	Всего реализовано,тыс. м3	Реализация воды по группам водопотребителей
		Население	Бюджетные организации	Социально значимые предприятия	Прочие потребители
		тыс.м3	%	тыс.м3	%	тыс.м3	%	тыс.м3	%
месяц сутки	6075,6 199,7	4126,95 135,7	67,9 67,9	1685,0 55,4	27,7 27,7			263,7 8,7	4,4 4,4

1.4 Техническое состояние сетей водоснабжения города Краснодара

По данным отчетов ООО «Краснодар Водоканал» за 2015 год о техническом состоянии трубопроводов системы водоснабжения число аварий на километр водопроводных сетей приходится 2,6. Количество проведенных ремонтных работ на водопроводных сетях 2549 шт. Уровень потерь воды в системе составляет 28,5 %.По количеству утечек в системе, включая утечки с водоразборных колонок, в 2015 году поступило заявок - 4159 шт.

Для предупреждения утечек утверждена программа капитальных ремонтов и замены водопроводных сетей, приобретены приборы учета, более современное оборудование, действует лаборатория, оборудованная течеискателями.

Также систематизировав полученные данные можно сделать вывод и о протяженности трубопроводов, их материале и физическом износе. Общая протяженность водопроводных сетей составляет 1 263,67 км, из них магистральных - 140,05 км, уличных сетей -549,5 км. На внутриквартальные и внутридворовые сети приходится 574,12 км.

По материалам и диаметрам сети подразделяются: на стальные 656,61 км, железобетонные 15,5 км, чугунные 481,85 км, асбестоцементные 9,17 км, полиэтиленовые 100,54 км (Рис. 1.1).

Протяженность трубопроводных сетей, выполненных из стали, с амортизационным износом до 50% составляет 186,65 км, с амортизационным износом свыше 70% составляет 365,55 км и нуждающихся в капитальном ремонте с износом до 100% составляет 104,42 км.



Рис.1.1 - Протяженность сетей водоснабжения г. Краснодара, км.

Таблица 1.3 - Сведения о техническом состоянии сетей водопровода г. Краснодар на 31.12.2015 год

Диаметр труб, мм	Протяжённость сетей с амортизационным износом	Всего по диаметрам
	до 50%, км	до 70%, км	до 100%, км
	сталь	чугун	а/ц	ж/б	пластмасс	сталь	чугун	а/ц	ж/б	пластмасс	сталь	чугун	а/ц	ж/б	пластмасс
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
до 100	109,43	35,46			31,37	228,54	56,91				101,15	9,87	1,39			574,12
150	2,30	51,55			14,14	50,89	23,90				1,05	9,71	2,11			155,65
200	5,14	89,00			10,89	25,40	43,10				1,25	16,30	3,05			194,12
225					2,85								0,36			3,21
250	0,43	0,12			0,84	20,45	18,60					0,04				40,47
300	0,28	51,55			22,95	14,14	23,37					10,59	2,20			125,09
350	0,04												0,06			0,10
400	3,57	21,48			5,12						0,68					30,86
500	14,86	9,80			8,60	6,16					0,29					39,71
600	0,11	4,50			2,96	19,97										27,54
700	4,20	3,40			0,70											8,30
800	12,80	1,00			0,03				15,50							29,33
1000	33,50	1,60			0,07											35,17
ВСЕГО:	186,65	269,47	0,00	0,00	100,54	365,55	165,88	0,00	15,50	0,00	104,41	46,51	9,17	0,00	0,00
ВСЕГО:		1 263,67

Классификация видов повреждений трубопроводов при авариях на водопроводной сети г. Краснодара приведена на рис. 1.1.

Рис.1.2 Виды повреждений на водопроводной сети г. Краснодара

Из представленных данных видно, основной характер повреждений на стальных водопроводах является образование свищей в следствии коррозии 37%, на чугунных водопроводах - разрушение стыков 6%, на асбоцементных водопроводах - переломы 21%,

Таким образом, возникает необходимость восстановления стальных трубопроводов водопроводной сети.

Решить данную проблему можно экономически эффективными методами бестраншейного восстановления трубопроводов систем водоснабжения г. Краснодара.

2. ЗАЩИТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИИ

2.1 Основные причины нарушения работоспособности трубопроводов

Причинами низкой надежности трубопроводов являются: высокий физический износ; неправильный выбор материала труб и класса их прочности; несоблюдение технологии укладки и монтажа труб; отсутствие необходимых мер по защите трубопроводов от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды, воздействия гидравлических ударов; и т.п. [4].

Процесс, приводящий к нарушению работоспособности трубопроводных систем, называют отказом. Выделяют основные виды причины отказов: заводские, строительные и эксплуатационные.

К заводским причинам относят металлургические дефекты труб, использование сталей с нерасчетными характеристиками прочности, отклонения от расчетных характеристик (толщина стенки, диаметр труб, величина притупления кромок), а также дефекты сварных соединений труб, выполняемых на строительной площадке и в заводских условиях.

К строительным причинам отказов относят механические повреждения труб при транспортировке, строительстве и эксплуатации, вмятины, царапины, приварка крепежных элементов, а также перенапряжение труб, обусловленное нарушениями требований проекта или ошибками проектных решений, - довольно частая причина разрушений труб.

Примерами эксплуатационных отказов служат перенапряжение труб в результате действия неучтенных нагрузок, нарушение правильного режима эксплуатации и несвоевременное обследование трубопроводов и выявление опасных участков (выпучены, интенсивная коррозия). [1, 2, 29]

2.2 Коррозия металлических трубопроводов

Отсутствие надежной наружной и внутренней гидроизоляции, агрессивность грунтовых вод, грунта и транспортируемой воды, наличие блуждающих токов, приводит к значительной коррозии металлических труб, и сокращает фактический срок их службы. Зарастание внутренней поверхности продуктами коррозии или карбонатными отложениями приводит к снижению пропускной способности трубопроводов, повышению затрат электроэнергии на транспортирование воды.

Внутренняя поверхность металлических трубопроводов водоснабжения, как правило, не имеющая защитного покрытия в условиях агрессивности воды, подвергается коррозии. Этот процесс приводит к образованию на поверхности трубы выемок, каверн, свищей и уменьшает толщину стенки трубы.

Коррозионной активностью обладают природные воды с малым содержанием минеральных солей и низким щелочным резервом. Продукты коррозии металлических трубопроводов, состоящие, в основном, из окислов железа, отлагаются на внутренней поверхности труб водопроводной сети. В большей степени отложения проявляются на удаленных от водопроводных станций и тупиковых участках сети, в частности на вводах. Слой отложений в трубах на отдельных участках достигает 10…15 мм. В результате сечение трубы уменьшается до 50%. Износ трубы из-за коррозии местами достигает 45%. Продукты коррозии представляют собой рыхлый пористый осадок, легко разрушающийся при механическом воздействии. Интенсивная коррозия стальных трубопроводов в результате появления в воде растворенных окислов железа приводит к ухудшению качества воды в системе.

Процессы коррозионных разрушений бывают общие и местные. Сплошная коррозия охватывает всю поверхность металла, она бывает: равномерная (рисунок 2.1, а), неравномерная (рисунок 2.1, б) и избирательная (рисунок 2.1, в).

Рисунок 2.1 - Сплошная или общая коррозия

а) равномерная коррозия; б) неравномерная коррозия; в) избирательная коррозия

Местная коррозия охватывает отдельные участки поверхности трубы.

Рисунок 2.2 - Виды местной коррозии на поверхности металла

а) пятна; б) язвы в) точечные поражения; г) сквозная; д) нитевидная; е) зернистая

Отсутствие на внутренней поверхности стальных трубопроводов антикоррозийной защиты и под действием непрерывного контакта металла с коррозионной средой создают благоприятные условиях для развития всех видов коррозии.

Также, по мнению различных авторов, в процессе образования коррозионных отложений в них также могут включаться транспортируемые водой примеси в виде глинистых частиц и песка. Эти частицы минерального происхождения образуют на стенках трубы отложения различной формы и плотности, приводящие к ухудшению гидродинамических характеристик трубопроводов, увеличению энергетических затрат на транспортировку воды и потерям воды.

2.2 Внутренняя антикоррозийная защита металлических трубопроводов

Процесс коррозии стальных трубопроводов представляет собой основную причину возникновения разгерметизации, в результате которой на поверхности трубы появляются трещины, разрывы и каверны. И поэтому, защита трубопроводов от коррозии является задачей не только строителей или изготовителей, но также специалистов создающих проекты и тех, кто будет ими пользоваться.

В настоящее время существуют технологии нанесения внутренних защитных покрытий на поверхность трубопроводов, позволяющие продлить срок их эксплуатации. Различают неметаллические и металлические внутренние защитные покрытия.

Неметаллические покрытия бывают цементные, лакокрасочные полиэтиленовые, структурные и неструктурные. Неструктурные покрытия в процессе нанесения образуют оболочки, которые прочно связанны с внутренней поверхностью трубы. При нанесении структурных покрытий образуется кожух, который в случае разрушения основной трубы, остается как самостоятельный элемент. [6, 7, 8, 14, 18].

Для создания надежной антикоррозийной защиты внутренней поверхности металлических трубопроводов она должна быть очищена. Вопросы очистки решались Шишкиным В.В., Кряжевских Н.Ф., Панченко В.П., Черебедовым Д.Н. [2, 3].

2.2.1 Лакокрасочные покрытия

Для изоляции внутренней поверхностей стальных труб применяют сополимер, краску, эмаль, полистирольную смолу, пропилен. Они создают на внутренней поверхности трубы барьер, которые ограничивает доступ коррозионной среды к поверхности металла.

Поверхности труб перед нанесением лакокрасочного покрытия необходимо тщательно подготовить. Сначала поверхность трубы очищают от жировых загрязнений, ржавчины и окалины. Некачественная подготовка может привести к отслаиванию покрытия и развитию подпленочной коррозии.

Для удаления жировых загрязнений трубы погружают в стационарные ванны при температуре 70 - 90 °С. Длительность обезжиривания зависит от количества загрязнений и обычно составляет 3 - 10 мин. Качество обезжиривания проверяют внешним осмотром. Хорошо обезжиренная поверхность равномерно смачивается водой. При наличии остатков жировых загрязнений вода на поверхности металла собирается каплями.

Для очистки поверхности трубы от ржавчины и окалины используют дробеструйный или пескоструйный метод. В качестве абразивного материала применять песок, дробленную чугунную или стальную крошку зернистостью 0,6 - 0,8 мм. Абразивный материал обеспечивает тщательную очистку поверхности и придает ей шероховатость, необходимую для получения высокой адгезии покрытия к металлу.

Дробеструйную или пескоструйную очистку производят при помощи аппаратов нагнетательного типа, давление воздуха должно составлять 0,5 - 0,6 МПа (5 - 6 кгс/см²). Очистку внутренней поверхности трубы производят в закрытой камере при вращении трубы.

После очистки поверхность должна иметь ровный серо-матовый цвет. Качество очистки определяют визуально путем сравнения с эталоном при одинаковой освещенности. После окончания очистки необходимо тщательно удалить остатки абразивного материала и пыль обдувкой сухим и чистым воздухом давлением не ниже 0,2 - 03 МПа (2 - 3 кгс/см2).

Технология нанесения лакокрасочных покрытий заключается в методе пневматического распыления в четыре слоя общей толщиной 150 мкм. Лакокрасочный материал подается на окрашиваемую поверхность специальными краскораспылителями, равномерно перемещаемыми внутри трубы. Скорость перемещения определяется из необходимости нанесения максимально возможного количества краски (толщина одного слоя) на единицу поверхности без подтеков и наплывов.

Качество нанесенного покрытия определяют по толщине и внешнему виду. Для измерения толщины покрытия используют толщиномеры. Внешний вид покрытия оценивают визуально. Покрытие не должно иметь пузырей, подтеков, наплывов и непрокрашенных мест.

Выявленные дефекты и повреждения защитного покрытия должны быть устранены до засыпки трубопровода. При ремонте защитного покрытия обеспечивают его однотипность, монолитность и сплошность. Отремонтированные места подлежат вторичной проверке. Защитное покрытие наносят на сварные стыки труб, а также места повреждений.

Качество нанесенного покрытия определяют по толщине и внешнему виду. Для измерения толщины покрытия используют толщиномеры. Внешний вид покрытия оценивают визуально. Покрытие не должно иметь пузырей, подтеков, наплывов и непрокрашенных мест.

Лакокрасочные покрытия имеют следующие недостатки:

- повышенные требования, предъявляемые к качеству подготовки поверхности трубопровода;

- небольшая толщина образуемого защитного слоя;

- низкая абразивная стойкость;

- непродолжительный срок эксплуатации.

2.2.2 Полимерные покрытия

Полимерные антикоррозийные покрытия применяются для труб диаметром 57-1420 мм при температурах строительства и эксплуатации трубопроводов от - 40° до + 60°С. Защитные полимерные покрытия бывают двух и трехслойного типа.

Двухслойное покрытие состоит из подклеивающего слоя на основе сэвилена толщиной 250-350 мкм и наружного защитного слоя на основе экструдированного полиэтилена толщиной 1,5-3,0 мм. В трехслойном покрытии на поверхность трубы дополнительно наносят адгезионную грунтовку на основе порошковой эпоксидной краски толщиной 50-70 мкм.

Для нанесения покрытия используют поточные линии, которые обеспечивают дробеструйную очистку труб, их нагрев до заданной температуры и последующее нанесение покрытия методом боковой или плоскощелевой экструзии полимерных композиций.

Для покрытий предъявляются следующие требования:

· толщина покрытия должна быть 2ч3,5 мм;

· высокая диэлектрическая сплошность;

· ударная прочность;

· адгезия покрытия к стали;

· стойкость к катодному отслаиванию;

· стойкость к термоокислительному старению.

2.2.3 Металлические покрытия

Среди металлических покрытий для защиты стальных труб наибольшее применение получили цинковые покрытия.

Преимущества цинкового электролитического покрытия труб перед другими методами заключаются в возможности регулировки толщины покрытий, раздельном нанесении покрытия на внутреннюю и внешнюю поверхности, в 2-3 раза уменьшенном расходе металла покрытия. [1;6-8]

К металлическим покрытиям водопроводных труб предъявляются следующие основные требования: скорость коррозии таких покрытий в условиях эксплуатации должна быть незначительной, растворение металлической основы через поры и повреждения покрытия должно быть ограничено или полностью заторможено путем химического или электрохимического воздействия самого покрытия. При выборе металла покрытая необходимо принимать во внимание физические, химические, электрохимические и механические свойства покрытия, такие, например, как поверхностная твердость, износостойкость, водостойкость, прочность на изгиб, электродный потенциал и др.

Недостатками металлических защитных антикоррозийных покрытий являются:

- повышенные требования, предъявляемые к качеству подготовки поверхности трубопровода;

- сложность технологии нанесения;

- сложность нанесения защитного слоя в трассовых условиях.

2.2.4 Покрытия на основе цемента

Технология нанесения внутреннего цементно-песчаного покрытия эффективно применятся для восстановления работоспособности трубопроводов хозяйственно-питьевого назначения и в качестве защиты новых и эксплуатируемых трубопроводов от коррозии.

Технологии нанесения внутренних защитных покрытий на основе цементно-песчаного раствора получили широкое распространение благодаря относительной простоте нанесения и низкой стоимости работ. После нанесения раствора трубопровод может быть пущен в эксплуатацию через 3-5 суток, покрытие сохраняется в течение длительного срока эксплуатации. Цементно-песчаное покрытие имеет высокую прочность и хорошую сопротивляемость механическим нагрузкам.

Диаметры санируемых трубопроводов могут быть от 150 до 1500 мм., при этом толщина покрытия может составлять 3-13 мм. Покрытие имеет хорошую адгезию и сохраняет свои защитные свойства даже в зоне, прилегающей непосредственно к сварному шву.

Для приготовления растворов применяется портландцемент марки не ниже М 400, мелкозернистый кварцевый песок и вода.

Основной характеристикой цемента как антикоррозионной среды является величина pH поровой и капиллярной влаги цемента. Она равняется примерно 12. При этих значениях pH железо в широкой области потенциалов находится в пассивном состоянии, то есть в состояния повышенной коррозионной устойчивости, вызванной преимущественным торможением анодного процесса растворения металла. При этом коррозия практически прекращается. Толщина пассивирующего слоя на железе при разных условиях составляет 20 - 100 А. Структура пассивирующего слоя представляет собой: внутренний слой, прилегающий к металлу, Fe₃0₄; за ним следует Fe₂0₃ и, наконец, наружный, граничащий с раствором, окисел с повышенным содержанием кислорода по сравнению со стехиометрическим составом Fe₂0₃. Щелочной характер поровой и капиллярной влаги цемента объясняется насыщением ее ионами, Са⁺ и ОН. Гидроокись кальция переходит в раствор вследствие гидратации клинкерных материалов.

Гидроокись кальция является наиболее растворимой составной частью цемента. Ее растворимость при 25°С составляет 1,3 г/л.

Незначительная скорость коррозии стали под слоем цемента связана с образованием на ее поверхности пассивирующего слоя, поэтому наличие на поверхности трубы значительного количества продуктов коррозии может затруднить его образование. Известно, что значительно прокорродированная арматура после погружения в плотный бетон продолжает интенсивно корродировать. [4].

Работы по нанесению цементно-песчаных покрытий на новые или на существующие трубопроводы включают проведение подготовительных технических мероприятий, а также подготовку и приготовление компонентов смеси. Перед нанесением защитных покрытий необходимо удалить имеющиеся на поверхности труб продукты коррозии и другие отложения, препятствующие образованию пассивирующего слоя, при этом не требуется такой тщательной очистки, как при нанесении других видов покрытий. Работы по нанесению цементно-песчаных покрытий не производятся при установившейся среднесуточной температуре наружного воздуха менее 5 °С.

Применение метода нанесения цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность стальных трубопроводов обеспечивает предотвращение дальнейшего развития коррозии и появление минеральных отложений и биологических обрастаний. Тонкая и гладкая поверхность облицовки после ее затирки обеспечивает снижение гидравлического сопротивления и потерь напора в трубопроводах при незначительном уменьшении его внутреннего диаметра. Также в процессе транспортировки по трубам питьевой воды сохраняются ее качества.

Несмотря на высокие технологические, эксплуатационные показатели и большой срок службы, цементно-песчаные и цементно-полимерные покрытия для антикоррозионной защиты стальных и чугунных трубопроводов до сих пор мало применяются в РФ, хотя широко используются в таких странах, как США, Англия и Франция [6].

3. ТЕХНОЛОГИИ БЕСТРАНШЕЙНОГО РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

3.1 Технологии бестраншейного ремонта трубопроводов

В последние годы получили большое распространение бестраншейные способы для ремонта и реконструкции действующих трубопроводов, нанесения защитных покрытий на сварные стыки труб, фасонные части и на места повреждений

Практика показала, что бестраншейные технологии выгодны не только с точки зрения экономии ресурсов, но и нередко являются единственным возможным способом решить инженерные задачи ремонта и реконструкции трубопроводных коммуникаций, особенно в условиях города, на производственных и социальных объектах, при пересечении действующих транспортных магистралей.

Ремонт трубопроводов бестраншейным методом позволяет снизить затраты на ремонт до 50% и сократить время выполнения работ в виду отсутствия земляных работ. [43, 41]

Самое большое распространение из существующих методов бестраншейного ремонта трубопроводов получили методы:

- нанесение цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность ремонтируемого трубопровода;

- использование пневмопробойника для создания нового полимерного трубопровода на месте старого;

- использование гибкого комбинированного рукава, позволяющего формировать новую композитную трубу внутри старой;

- «длиннотрубный метод», заключающийся в протаскивании относительно гибкой полимерной трубы внутрь ремонтируемого трубопровода;

- метод «лайнера», включающий протаскивание с помощью лебедки пластиковой трубы, т.е. создание новой полимерной трубы внутри старой при помощи обмоточной машины и пластмассовой бесконечной профильной ленты;

- локальный ремонт.

Рис. 3.1 Способы бестраншейного ремонта трубопроводов

3.2 Методы диагностики технического состояния трубопроводов

Диагностика технического состояния эксплуатируемых трубопроводов является одним из важнейших показателей, влияющих на его работоспособность. Значение степени изношенности трубопровода определяют показатели надежности его работы. Разработке критериев надежности работы закрытых трубопроводов посвящены работы Ц.Е. Мирцхулавы [58], Ю.М. Косиченко, В.Н. Щедрина [51], Н.Н. Абрамов [8], Ю.А. Ильин [48], В.Г. Гринь, Ю.А. Свистунов [5], В.И. Ольгаренко[60].

Выбор способа ремонта эксплуатируемого трубопровода базируется на анализе технико-экономических показателей его технического состояния. Определяющим фактором, в данном случае, следует считать наличие нарушений сплошности стенок трубопровода и их количества на испытуемом участке.

В настоящее время наиболее распространенными методами диагностики трубопроводов являются (рис. 3.2):

Методы определения технического состояния трубопровода
		Рентгеновский метод
		Ультразвуковой метод
		Акустико-эмиссионный метод
		Магнитными методами
		Методом расходов

Рис. 3.2 Методы определения технического состояния трубопровода

Каждый из указанных методов имеет свои недостатки.

Недостатками рентгеновского метода являются сложность и высокая стоимость применяемого оборудования, возможность диагностики трубопроводов находящихся на поверхности и большая вероятность ошибок регистрации дефектов.

Недостатками ультразвукового и акустико-эмиссионного методов являются повышенные требования, предъявляемые к подготовке поверхности диагностируемого трубопровода, сложность определения местоположения дефекта.

Недостатками магнитного метода являются сложность применяемого оборудования и высокая стоимость применяемых материалов, невозможность диагностики трубопроводов, расположенных под землей и находящихся в эксплуатации.

Недостатками метода расходов являются высокие затраты энергетических и материальных ресурсов, не представляется информация о местоположении дефектов трубопровода

3.3 Предлагаемый способ диагностики технического состояния трубопроводов

Учитывая выявленные недостатки методов диагностики технического состояния трубопровода, в результате проведенного анализа, авторами разработан способ, (рисунок 3.1) согласно патента РФ № 2164321, принцип которого, заключается в фиксировании изменения рабочего давления агента в трубопроводе в замкнутом пространстве, образованном торцом трубопровода, снабженного заглушкой 4 и гибкой тороидальной оболочкой 2.

Заглушка снабжена тремя отверстиями: через одно из которых подается рабочий агент, другое предназначено для пропуска ленты 3, а третье служит для подключения измерительной аппаратуры 9.

Рисунок 3.3 - Способ определения местоположения дефекта трубопровода, Патент РФ № 2164321.

Технологический процесс определения местоположения дефектов трубопровода выглядит следующим образом, в начало диагностируемого трубопровода помещается гибкая тороидальная оболочка 2, через которую продевают ленту 3, охватывающую оболочку по дуге в 180⁰. Ленту 3 после этого закрепляют на заглушке 4. Другой ее конец продевают через отверстие в заглушке 5 и закрепляют на барабане 6. После этого заглушка герметично закрепляется на трубопроводе 1, и начинают подавать рабочий агент 10 при постоянном давлении через трубопровод 8, под действием которого гибкая оболочка 2 перемещается по трубе 1. При перекатывании через дефект, в стенке трубопровода датчик давления 9, установленный на заглушке фиксирует изменение давления, а тороидальную оболочку 2 останавливают при помощи ленты 3. Местоположение дефекта определяется по длине ленты 3 с помощью счетчика оборотов 7, расположенным на барабане 6.

Недостатком данного устройства является наличие одной петли бесконечной ленты 3, что приводит к неравномерному нагружению тороидальной оболочки.

Для устранения данного недостатка предлагается дополнительно ввести еще одну бесконечную ленту, что позволит более равномерно распределить нагрузку на оболочку.

Диагностика технического состояния трубопровода может быть получена путем перемещения оболочки внутри трубопровода, при этом материал оболочки должен обладать пьезосвойствами. Получаемые электрические сигналы по бесконечной ленте и кабелю передаются на запоминающее устройство и после диагностики трубопровода, полученные данные сравниваются с эталонными.

3.4 Комбинированная технология бестраншейного ремонта трубопроводов с применением цементно-песчаной смеси и полимерного экрана

Анализ отечественного и зарубежного опыта по выбору способа бестраншейного ремонта трубопроводов для восстановлении их гидравлических и прочностных характеристик показывает, что он должен базироваться на комбинированном защитном покрытии, состоящем из цементно-песчаного слоя, ингибирующего процесс коррозии и армирующего технологического рукава [5, 14, 41]. Технологический рукав служит для восприятия нагрузок от внутреннего давления жидкости и снижения гидравлических сопротивлений.

Предлагаемая технология предусматривает следующие технологические операции:

- диагностика технического состояния восстанавливаемого трубопровода;

- диагностика технического состояния трубопровода;

- очистка трубопровода (на основании рекомендаций);

- нанесение цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность трубопровода;

- диагностика качества защитного покрытия.

Существующие технологии бестраншейного ремонта металлических трубопроводов базируются на формировании защитного слоя путем нанесения цементно-песчаной смеси (ЦПС) на внутреннюю поверхность трубопровода с последующим заглаживанием формирующим конусом [47].

К преимуществам покрытий на основе цемента можно отнести долговечность, невысокую стоимость применяемых материалов, способность ингибировать процесс коррозии.

Рисунок 3.4 - Способ нанесения защитного покрытия цементно-песчаной смеси на внутреннюю поверхность ремонтируемого трубопровода.

При формировании защитного покрытия путем продвижения в ремонтируемом трубопроводе конуса его качество зависит от многих показателей: соотношения компонентов ЦПС, скорости перемещения заглаживающего конуса и материала, из которого изготовлен последний и т. д. Указанные недостатки возникают вследствие наличия тангенциальных напряжений на границе торцевой части заглаживающего конуса, цементно-песчаной смеси и внутренней поверхности трубопровода.

Предлагаемая технология предусматривает формирование защитного слоя за счет перемещения по трубопроводу тороидальной оболочки вместо заглаживающего конуса. Чтобы выяснить характер движения оболочки, обратимся к рассмотрению траектории движения точки, принадлежащей поверхности оболочки, находящейся внутри трубы. Так какоболочка обладает осевой симметрией, то можно рассматривать движение точки только в этом сечении [19, 76].

Рисунок 3.5 - Схема для расчета траектории движения точки поверхности оболочки.

(3.1)

Анализ системы уравнений, характеризующих траекторию движения оболочки внутри трубы, позволяет сделать вывод о том, что параметры траектории определяются линейными размерами оболочки и не зависят от скорости её движения в трубе.

Особо следует отметить, что траектория движения оболочки имеет участок, на котором точка находится в состоянии покоя. Координаты этой точки зависят только от размеров оболочки. Действительно, взяв производную, убедимся, что скорость движения точки на этом участке равна 0, т.е. x(t) = V(t)= 0.

Наличие указанной точки имеет важное значение для реализации технологического процесса нанесения защитного слоя на внутреннюю поверхность трубопровода.

В данном случае на границе оболочки и цементно-песчаной смеси не возникает тангенциальных напряжений, а значит, улучшается его качество: повышается равномерность наносимого слоя, уменьшается шероховатость полученной поверхности, что в свою очередь влияет на гидравлические характеристики ремонтируемого трубопровода.

Однако и в этом случае качество получаемого защитного покрытия зависит от многих факторов. Это вытекает из анализа зависимости условий движения оболочки внутри трубопровода [19].

Рисунок 3.6 - Схема расчета движения-качения тороидальной оболочки в трубопроводе.

Таким образом, условие движения тороидальной оболочки может быть представлено следующим выражением:

(3.2)

где Р1 - избыточное давление, развиваемое компрессором;

Ра - атмосферное давление;

РТ - давление в оболочке;

l - длина оболочки;

fт - площадь соприкосновения оболочки с поверхностью трубы;

б - радиус закругления оболочки.

На основании уравнения (3.2) движение оболочки внутри трубы обеспечивается соотношением многих факторов, значительно изменяющихся во времени и по длине трубопровода, что усложняет процесс качественного нанесения равномерного гидравлически гладкого защитного слоя.

Для оптимизации технологии нанесения защитного антикоррозионного слоя на внутреннюю поверхности металлического трубопровода предлагается после нанесения защитного покрытия на основе ЦПС создать дополнительный защитный экран из полимерной пленки, который позволит улучшить гидравлические показатели ремонтируемого трубопровода. Это достигается применением устройства по патенту РФ № 2182275.

Рисунок 3.7 - Способ облицовки внутренних поверхностей труб термопластичным пленочным материалом.

1 - источник питания; 2 - герметичная камера; 3 - барабан; 4 - кабель; 5 - отверстием для подачи рабочего агента; 6,9 - фланец; 7 - трубопровод; 8 - термопластичный рукав; 10 - тороидальная оболочка; 11 - перемычка; 12,13 -ролики; 14,15 - бесконечные токопроводящие ленты.

Устройство (рисунок 3.7) состоит, из источника питания 1 и системы подачи рабочего агента, герметичной камеры 2 с размещенным в ней барабаном 3 с кабелем 4. Герметичная камера 2 снабжена отверстием 5 для подачи рабочего агента и выходным отверстием с фланцем 6, служащего для присоединения трубопровода 7, в котором предварительно уложен рукав 8 из пленочного термопластичного материала, посредством фланца 9.

В трубопроводе 7 размещают эластичную оболочку 10, выполненную из токопроводящего материала, через внутреннюю поверхность которого продеты бесконечные токопроводящие ленты 14 и 15 огибающие данную оболочку 10 и ролики 12 и 13, соединенные токопроводящей перемычкой 11 к которой подведен кабель 4.

Суть предлагаемого способа заключается в том, что в герметичную камеру 2 помещают барабан 3 с расположенным на нем шлангом 8. Конец шланга 8 сматывают с барабана. После этого в герметичную камеру 2 подается избыточное давление от системы подачи рабочего агента (на рисунке не показана) через отверстие 5. Под действием избыточного давления шланг 8 укладывается по длине трубопровода 7. После чего по шлангу подается цементно-песчаная смесь, которая при помощи рабочей головки распыляется в местах дефекта на внутренней поверхности трубопровода.

Внутрь трубопровода 8 помещается тор 10, затем через отверстие 5 в герметичную камеру 2 подают рабочий агент. Под действием избыточного давления тор 10, перекатываясь, перемещается внутри трубопровода 8, прижимая его к внутренней поверхности трубопровода 7.

4 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАЩИТНОГО ЦЕМЕНТНО-ПЕСЧАНОГО ПОКРЫТИЯ

4.1 Методика исследований

Для проведения испытаний был проведен анализ наиболее часто встречающихся по форме дефектов. В результате оказалось, что наиболее часто встречаются 3 формы дефектов: 1 - приближенно круглой формы; 2 - щель прямоугольной формы; 3 - комбинация из двух предыдущих, т.е. круглое сквозное проржавление с отходящей от него щелью.

Поэтому в качестве оценки прочности покрытия были созданы образцы с перечисленными выше видами дефектов в 3-х кратной повторности. В качестве внутренней изоляции подлежащей испытанию были выбраны комбинированные покрытия: 1 - цементно-песчаного раствора + эпоксидная смола; 2 - цементно-песчаного раствора + эпоксидная смола + стеклоткань + эпоксидная смола. Итого исследовалось 18 образцов.

Относительная погрешность при определении внутреннего давления испытываемого образца составила:

(4.1)

Теоретическое обоснование расчета прочности покрытия.

Рассмотрим методику расчета прочности стальной трубы с комбинированным внутренним покрытием, схема которой приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема для расчета прочности стальной трубы с комбинированным покрытием.

1 - комбинированное покрытие (труба); 2 - стальная труба (оболочка).

При подаче давления P труба (комбинированное покрытие) стремится расшириться. Однако со стороны оболочки (стальной трубы) на трубу будет действовать контактное напряжение P_к, так как модуль упругости оболочки значительно больше модуля трубы. Тогда точка В трубы получит перемещение U₁, а точка В оболочки - U₂, которые равны между собой.