Исследование и разработка технологии монтажа трубопроводов из полимерных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.08, кандидат технических наук Катков, Виктор Евгеньевич

• Катков, Виктор Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Катков, Виктор Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ И СОСТАВЛЕНИЕ БАНКА ДАННЫХ ПО КОНСТРУКЦИЯМ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ СВОЙСТВАМ ТРУБ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. База данных "TYPE".

1.2. База данных "KONSTR".

1.3. Изучение областей возможного применения полиэтиленовых и металлопластовых труб в строительстве.

1.3.1. Системы водоснабжения и канализации,

1.3.2. Система промышленных трубопроводов ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОУПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ.В.ПЛАСТМАССОВЫХ ТРУБОПРОВОДАХ.

2.1. Способы определения остаточных"-термоупругих напряжений

2.2. Результаты экспериментального определения термоупругих напряжений в трубах из полиэтилена. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛОПЛАСТОВЫХ ТРУБ.

3.1. Анализ методов расчета напряженно-деформированного состояния конструкций из композитных материалов.

3.2. Моделирование напряженно-деформированного состояния металлопластовой трубы.

3.3. Гидростатические и гидроциклические испытания образцов труб с соединениями.

3.4.Усоверженствание конструкции МПТ и прогнозирование и работоспособности.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОНТншА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРУБ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ.

4.1. Систематизация технолгии процесса стыковой сварки полиэтиленовых труб и ее контроля

4.2. Совершенствование технологии монтажа полиэтиленовых трубопроводов.

4.3. Разработка технологии монтана металлопластовых труб

4.3.1, Традиционные методы стыковой сварки.

4.3.2. Разработка нового неразъемного соединения и технология его осуществления.

5, ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ ТРУБ ИЗ ТЕРМО- 92 ПЛАСТОВ. и Л. Технико-экономическое обоснование опытного внедрения 92 работы.

5,2. Технико-экономическая оценка применения труб из термопластов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологии монтажа трубопроводов из полимерных материалов»

Основным направлением технического прогресса в строительстве является дальнейшая индустриализация строительных и монтажных работ на основе применения новых конструкторских и проектных решений, внедрения более эффективных и прогрессивных видов материалов и изделий, совершенствования технологии и организации производства, а также повышения качества строительно-монтажных работ»

Значительное снижение расхода металла, топлива и трудозатрат может быть достигнуто в результате более широкого использования пластмассовых труб, в частности в коммунальном водоснабжении и канализации, газовых распределительных сетях, В настоящее время в общем объеме потребления труб основное место занимают стальные трубы - 85%, в то время как в экономически развитых странах их доля не превышает 40-45%. Анализ эксплуатации трубопроводных систем показывает, что во многих случаях стальные трубы используются нерационально, их применение не обосновывается технологическими требованиями, и они могут быть заменены на неметаллические, из которых наиболее эффективными при диаметре до 200-250 мм являются трубы из полимерных материалов: полиэтилена, полипропилена, поливи-нилхлорида.

Перспективы применения пластмассовых труб в промышленном строительстве определены рядом директивных документов, которыми предусмотрено увеличение производства труб из полимерных материалов до 2000 года в 4-6 раз.

В перспективе следует ожидать, что дальнейшее развитие производства труб из полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида в России в области гражданского и промышленного строительства, будет происходить в направлении возрастания диаметров труб, расширения их диапазона по рабочему давлению и освоения труб новых конструкций, На эту тенденцию указывает мировой опыт производства и использования труб» Так международный стандарт Д50Н 161 и основанные на нем национальные стандарты (например, ФРГ, Норвегии, Финляндии) предусматривают использование труб из ПНД диаметрами до 2000 мм. В последнее время отдельные зарубежные фирмы предлагают программу труб, включающую трубы из полимерных материалов различных конструкций и соединительных деталей к ним диаметрами до 4000 мм.

Изготовление пластмассовых конструкций и труб, как правило. менее трудоемко и энергоемко, чем из других материалов. Они с успехом заменяют трубы и конструкции из легированных сталей, драгоценных металлов, бетона и дерева, позволял экономить промышленно важные материалы и стали, а в ряде случаев исключить проблему защиты от коррозии, что в 10-15 раз продлевает срок их службы по сравнению со стальными, в 8-10 раз уменьшить массу и не менее чем на 15-20% снизить расходы на транспорт.

Благодаря высокой коррозионной стойкости пластмассовых трубопроводов значительно повышается срок их службы в агрессивных средах. Так, например, при транспортировке 10'/. серной кислоты трубопровод из стали марки К18Н1ОТ выходит из строя через 1 год эксплуатации, трубопровод из полиэтилена - через 4 года, из винипласта -через 15 лет [11.

Кроме того, преимуществом трубопроводов из полимерных материалов перед металлическими является их большая пропускная способность, так как внутренняя поверхность большинства пластмассовых трубопроводов имеет меньшую шероховатость по сравнению со стальными. Так, при прочих равных условиях, пропускная способность пластмассового трубопровода диаметром 90 мм такая же, как стального диаметром 125 мм.

Пластмассовые трубы легко поддаются механической обработке, легко свариваются и склеиваются. Трудозатраты на изготовление и монтаж таких трубопроводов значительно ниже, чем стальных. Так, трудоемкость наиболее массовых операций - резки и сварки пластмассовых труб в 2-3 раза ниже, чем стальных. Трудозатраты на изготовление и монтаж полиэтиленовых или пропиленовых трубопроводов в 3-4 раза ниже, чем изготовление и монтаж трубопроводов из нержавеющей стали.

Производство и применение пластмассовых труб во всех странах непрерывно растет, и специалисты считают, что такая тенденция сохранится в будущем, Из множества видов термопластов преимущественное применение для производства труб получили полиолефины и неп-ластифицированный поливинилхлорид.

Напорная труба является типичным примером использования термопластов в качестве конструкционного материала. Срок службы трубопроводов, например систем подачи и распределения воды, составляет десятки лет и должен быть соизмерим с долговечностью зданий и сооружений, Успех такого применения предопределяется спецификой механических свойств полимерных материалов и труб из них. При этом в первую очередь имеется в виду ярко выраженная температурно-вре-менная зависимость механических свойств термопластов и возникающая в связи с этим проблема длительной прочности, ползучести и релаксации напряжений,

В связи с этим в диссертации с учетом современного представления о длительной прочности и ползучести полимерных материалов и анализа условий работы и основных схем нагружения трубопроводов излагаются вопросы несущей способности пластмассовых труб и разработка технологии их монтажа.

Главным качественным показателем напорных труб и соединений является их несущая способность, поэтому контроль качества элементов трубопровода в конечном счете свидится к оценке их несущей способности. Несущая способность пластмассовой трубы определяется двумя характеристиками: длительной прочностью и деформацией ползучести. В зависимости от конкретных условий нагружения трубопровода и природы полимера определяющим является один из указанных показателей. В работе сформулированы принципы и критерии и описаны методы контроля качества труб и соединений.

Несмотря на возрастающий объем применения пластмассовых труб, с о е д и н е н и я и х м а л о и с с л е д о в а. н ы: ре ж и м ы п о л у ч е н и я с о е д и н е н и й, конструктивное оформление элементов соединений, технология их выполнения разработаны недостаточно. Этим объясняется подробное изложение в диссертации материала по стыковым соединениям.

Рассматриваются пути расширения пределов применения пластмассовых труб по температуре и давлению. Особый интерес представляет повышение несущей способности пластмассовой трубы за счет ее армирования, Анализируется влияние температурного и временного факторов на взаимодействие полимерной матрицы с армирующим каркасом ме-таллопластовой трубы.

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является разработка технологии сооружения трубопроводов из полимерных материалов в промышленном и гражданском строительстве.

ОСНОВНЫМИ ЗАДАЧАМИ исследований явились:

1. Обоснование областей эффективного применения труб и путей расширения пределов рабочих температур и давлений:

2, Усовершенствование технологии монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб.

- б

3. Экспериментальное исследование несущей способности трубопроводов из полиэтиленовых и металлопластовых труб,

4, Разработка технологии монтажа трубопроводов из металлопластовых труб с равнопрочными с телом трубы соединениями.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Исследована несущая способность полиэтиленовых и металлопластовых труб.

2, С целью повышения надежности системы трубопроводов из металлопластовых труб создано равнопрочное с телом трубы неразъемное соединение.

3. Разработана технология монтажа трубопроводов из металлопластовых труб с неразъемными соединениями,

4, Оптимизирована конструкция металлопластовой трубы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

1. Систематизирован и составлен банк данных по конструкциям и зк с п л у а т а ц и о н н ы м с войства м труб и з п о л и м ерны х матер и а л о в.

2. Усовершенствована и внедрена в производство технология монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб,

3. Разработана и внедрена в производство технология монтажа трубопроводов из металлопластовых труб с неразъемными соединениями

4. С учетом требуемого рабочего давления произведен расчет опт и м а л ь но й к о нстру к ц и и м е т а л л о п л а с т о в о й трубы. К о н с т ру к ц и я с ра с ч и-танными параметрами внедрена в производство.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Результаты разработки легли в основу "Инструкции по применению полиэтиленовых труб при сооружении трубопроводных коммуникаций" и "Инструкции по применению труб термопластовых армированных металлической сеткой при сооружении трубопроводных систем", утвержденных Госстроем РБ, а также ТУ 2248-96 "Трубы метадлопластовые и соединительные детали к ним" и РД по монтажу трубопроводов из МПТ.

По разработанным технологиям монтажа полиэтиленовых и металлопластовых трубопроводов построены и успешно работают газо- и нефтепроводы во многих НГДУ АНК "Башнефть", а также Объединения "Нижневаптовскнефтегаз". АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения работы докладывались на конференциях молодых специалистов и ученых УГНТУ, Всероссийской научно-практической конференции "Новые высокие технологии и проблемы реструктури 7 ривания и приватизации предприятий" (г.Екатепинбург-95 ), Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России", первом Международном конгрессе "Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности" (г.Тюмень-96). Комплекс разработок, выполненных при непосредственном участии автора, экспонировался на международной выставке "Нефть и газ" (Уфа, апрель 1996г. ).

ПУБЛИКАЦИИ, Основные положения диссертации изложены в 18 печатных работах.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ,

Диссертационная работа состоит из введения, пяти основных разделов, выводов и рекомендаций; включает список литературы из 80 наименований и 6 приложений, 20 рисунков и 19 таблиц. Объем работы составляет 141 страниц машинописного текста.

Заключение диссертации по теме «Технология и организация строительства», Катков, Виктор Евгеньевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1, Разработана, расчетная модель для оценки напряжений в монтируемом полиэтиленовом трубопроводе при укладке трубы в траншею и при засыпке ее грунтом. Предлагается расчет геометрических параметров дуги укладываемого трубопровода из полиэтилена, изогнутого в виде "змейки",

2, Выполнены экспериментальные работы по оценке остаточных термоупругих напряжений в полиэтиленовых трубах и даны рекомендации по учету этих напряжений пои укладке трубопровода и его эксплуатации ,

3, Даны рекомендации по совершенствованию технологии монтажа полиэтиленовых трубопроводов,

4, Разработана конечноэлементная модель металлопластовой трубы СМПТ), при помощи которой было исследовано напряженно-деформированное состояние МПТ при рабочем давлении и проведены численные исследования на ЭВМ * Результаты исследования показали:

- наиболее напряженным элементом конструкции является арматура в окружном направлении:

- шаг армирующей сетки в окружном направлении несущественно влияет на напряженно-деформированное состояние труб и может задаваться из конструкционных соображений. Наиболее существенное влияние оказывает шаг арматуры в продольном направлении.

5, Разработана и внедрена в производство технология монтажа трубопроводов из металлопластовых труб, а также равнопрочное с телом трубы неразъемное соединение МПТ, По результатам разработки соединения получен патент,

6, Полученные в результате исследований рекомендации по монтажу полиэтиленовых трубопроводов позволят повысить качество стыковки труб, повысить надежность монтируемых трубопроводов с учетом мер по уменьшению остаточных напряжений в трубах, увеличить производительность монтажа трубопроводов,

7, Результаты исследований металлопластовых трубопроводов позволили получить рекомендации по усовершенствованию конструкции металлопластовых труб, по прогнозированию их работоспособности и способствовали развитю промышленного производства МПТ в Башкирии и более широкому внедрени МПТ в том числе и в отрасли гражданского и про

- 100 мышленного строительства. По результатам работы даны предложения по расширению применения полиэтиленовых и металлопластовых труб в Министерство строительства и жилищной политики РБ,

8, Опытное внедрение разработок автора - система очистки северного водозабора из ПЭ труб С г,Нфа) и ПЭ газопровод протяженностью 7 км СдЛарказы Ермекеевского р-на) позволило получить по сравнению со стальными трубами экономию о т.п. на 1 км в ценах 1991 г., а также строительство опытного трубопровода из МПТ протяженностью 6.5 км (НГДУ "Краснохолмскнефть") позволило получить экономический эффект 8856 т.п. на 1 км в ценах 1995 г., что подтверждено справкой о внедрении,

9. Предполагаемый экономический эффект от внедрения результатов работы в Республике Башкортостан составит 500 т.р. в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Катков, Виктор Евгеньевич, 1998 год

1. Лобанов Л.М., Касаткин B.C., Пивторак В.А., Андрушенко С.Г, Определение остаточных напряжений методом голографической интерферометр и и с и с п о л ь з о в а н и е м о д н о й г о л о г ра мм ы. // Докл. АН СССР.•! О О "7 М 7 С К Т

2. X О и J , II ü . — J J { — J О i L. .

3. Рассоха A.A. Исследование технологических остаточных напряжен и й м е т о да м и г о л о г ра фи ч е с к о й и с п е к л.-и нтерфером е т р и ч е с к о й диагностики.// Проблемы прочности, 1983, N 1.- 111-115 с.

4. Джонсон К, Механика контактного взаимодействия, М,: Мир, 1989,- 510 с,

5. Винокуров В.А,, Григоряну Г.А. Сварочные деформации напряжения. М.: Машиностроение, 1984,- 280 с.

6. Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. Методы акустического контроля металлов. / Под ред. Алешина Н.П. М.: Машиностроение, 1989,- 456 с.

7. Гуща. О.И., Махорт Ф.Г., Чернооченко A.A. Применение акус-тоупругости объемных и поверхностных волн для определения напряжений, // Технология остаточных напряжений. Матер. 3 Всес. симпозиума, М., 1988,- 134-141 с.

8. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение. 1988.- 272 с.

9. Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оболочек. М.: Наука, 1974,- 446 с.

10. Алфутов H.A. Зиновьев П,А., Попов Б,Г, Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М,: Машиностроение, 1984,- 446 с.

11. Болотин В.В., Новичков Ш,Н, Механика многослойных конструкций, М,: Машиностроение, 1980,- 375 с.

12. Ганеева М,С, Основные нелинейные соотношения уточненной теории многослойных ортотропных нетонких оболочек. // Статика и динамика, оболочек 1 977. Вып. 8,- 19-31 с.

13. Дудченко A.A., Лурье С.А., Образцов И.Ф. Анизотропные многослойные пластины и одолочки. /7 Итоги науки и техники: сер. механика деформируемого твердого тела, т. 15. М.: ВИНИТИ, 1983.— 3-68 с,

14. Елпатьевский А.Н., Васильев В.В. Прочность цилиндрических конструкций из армированных материалов. М.: Машиностроение, 1972,- 108 с,

15. Королев В.И. Слоистые анизотропные пластины и оболочки из армированных пластмасс. М.: Машиностроение, 1905,- 272 с.

16. Пластинки и оболочки из стеклопластиков. / В.Л.Башанов, И. И.Гольденблат, В. Р. .Копнив и др.; М.: Высшая школа, 1970,- 407 с,

17. Родионова В,А. Теория тонких анизотропных оболочек с учетом поперечных сдвигов и обжатия. Л.: ЛГУ, 1983,- 116 с.

18. Тарнопольский И.М., Розе А.В. Особенности расчета деталей из армированных пластмасс. Рига: Зинатне, 1969,- 274 с.

19. Тетере Г.А. Пластины и оболочки из полимерных и композиционных материалов. Обзор. // Механика полимеров, 1977, N 4 -486-492 с.

20. Стриковский Л.Л., Стриковская Г.Г. Пути улучшения качества и эксплуатационных свойств металлопластовых труб. /'/ Сб. Строительство в атомной промышленности, 1984, N 1, ДСП.

21. Агапчев В.И., Катков В.Е., Штанев С.Л., Виноградов Д. А., Пермяков Н.Г. Конечнозлементная модель металлопластовой трубы. // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: сб. научных трудов ИПТЗР, Уфа 1995,

22. Тиме Г., Кауфхольд Р., Лаутеншлегер П. Сварка пластмасс. -М.: Стройиздат, 1 987.- 120 с.

23. Руководство по технологии монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб на нефтегазопромыслах. / ротапринт ВНИИСПТнефти,1. П О Л 1 с г.1 ич , ьЗ С ,

24. Басов Н.И., Любартович В.А., Любартович С.А. Контроль качества полимерных материалов. М.: Химия, 1990.- 58 с.

25. Кайгородов Г.К., Логинов B.C. Полиэтиленовые подземные га„ т, . m т . ц . .) n Q 4 ? qd О и и е Lc ! и . — J i , . П8 » иа , i j J i , — JO С,б, Металлополимерные материалы и изделиялого M,I Химия, 1979.- 105 с.

26. Зайцев К,И. Контактная сварка пластмасс в строительстве. -М.: Стройиздат, 1982.- 60 с.

27. Логинов B.C. Строительство газопроводов из неметаллических труб. М.: Стройиздат, 1978.- 151 с.

28. Инструкция по эксплуатации и ремонту полиэтиленовых газопроводов. Саратов: ротапринт Гипрониигаз, 1987.- 21 с.

29. Аксенова. Г.В., Кашковская Е.А. Контроль качества сварных соединений труб из полиэтилена по характеру разрушения при осевом растяжении. // Автоматическая сварка, 1980, N2,- 51-63 с.

30. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на. языке Бейсик для персональных ЭВМ. // Справочник. М.: Наука,4 поп "> л >"> пi j .| .j , — li и с

31. Ехлаков C.B. Расчет параметров полиэтиленовых трубопроводов, прокладываемых в виде "змейки". // Пластические массы, 1988, N2.- 54 с.

32. Виноградов Ю.Г., Орлов К,С., Попова Л.А. Материаловедение для монтажников внутренних санитарно-технических систем, оборудования и машинистов строительных машин. М.: Высшая школа, 1987.64 с.

33. Сладков A.B. Проектирование и строительство наружных сетей водоснабжения и канализации из плластмассовых труб. -М.: Стройиздат, 188.- 208 с.

34. ГОСТ 18599-83 Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия.

35. ГОСТ 24157-80 Трубы из пластмасс. Метод определения стойк'пгттл пли ППГТПаНнПМ янптпрннрм пяп прнмм

36. ANSI/ASTM D2992-77 Obtaining hypostatic design basis for reinforced, thermosetting resin pipe and fittings.

37. API Specification for line pipe, polyethylene line pipe.

38. ГОСТ 25,601-80 Методы механических испытаний композиционны х м а т е риа л о в с п о л и м ернои м а т ри ц е и iко м п о з и т о в j

39. Агапчев В.И., Виденеева Н.Г., Катков В.Е., Пермяков Н.Г. Технология применения и технические средства для монтажа металлоп-ластовых труб. // Новые высокие технологии: тез. докладов Всероссийской научно-технической конференции, Екатеринбург 1995.

40. Агапчев В.И,, Пермяков Н.Г., Виноградов Д.А,, Катков В.Е. Пластмассовые трубы и их работоспособность в условиях нефтегазоп-ромыслов. /7 Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов: сб. научных трудов ИПТЗР, Уфа 1995.

41. Проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводов из полимерных материалов. /' под ред. А.Н.Шестопала и В.С.Ромейко /7 Справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1985,- 231 с.

42. Шмелева И.А., Тарпинский В.Д., Иейнкин М.З. и др. Свароч-но-монтажные работы при строительстве трубопроводов.' // Справочник. М,: Недра, 1990,- 142 с,

43. Давыдов 10. С., Воронина. М.П., Гольянова Е.С., Евтушенкова Н.Н., Шапиро Г.И. Химическая стойкость труб из термопластов. Каталог, Черкассы, 1981.

44. ТУ 2248-96 Трубы металлопластовые и соединительные детали к ним.

45. НПЦ 1.00.000 ТО Стенд для гидравлических испытаний металлопласт овых труб с законцовками.

46. СНиП 3.05,04-85 Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации.

47. СН 478-80 Инструкция по проектированию и монтажу сетей водоснабжения и канализации из пластмассовых труб.

48. Агапчев В.И., Виденеева Н.Г., Виноградов Д.А,, Катков В.Е, Пев м я ко в Н.Г. П р и м е не ни е мет а л л о п л а с т о в ы х труб . // Проблемы нефтегазового комплекса России: тез. докладов Всероссийской научно-технической конференции, Уфа. 1995.

49. Пермяков Н.Г., Веклова Л.И., Шматова М.Ф. Эффективность применения пластмассовых труб. // Методы и средства эффективной эксплуатации трубопроводов. // труды ВНИИСПТнефть 1990 г.- 100с.

50. Пермяков Н.Г. и д.р. Способ муфтового соединения труб. Патент РФ Н 2111397, БИ Н 14 от 20.05.98 г.