Совершенствование технологии строительства и способы повышения устойчивости городских подземных бесканальных теплопроводов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.04, кандидат технических наук Кикичев, Наиль Гусупович

• Кикичев, Наиль Гусупович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кикичев, Наиль Гусупович

Введение.

1. Анализ существующих методов сооружения подземных бесканальных теплопроводов, постановка задач исследований.

1.1. Геолого-технические условия строительства подземных трубопроводов различного назначения в С.-Петербурге.

1.2. Канальные и бесканальные прокладки подземных трубопроводов.

1.2. Анализ способов сооружения и обделок подземных бесканальных теплопроводов и задачи исследований.

2. Выбор и обоснование способов повышения устойчивости и долговечности обделок подземных бесканальных теплопроводов.

2.1. Выбор эффективных обделок теплопроводов.

2.2. Технико-технологические мероприятия по обеспечению гидрозащиты и коррозионной стойкости бесканальных трубопроводов.

2.3. Разработка покрытий для увеличения ресурса труб бесканальных тепловых сетей.

3. Напряженно-деформированное состояние и температурные деформации бесканальных самокомпенсирующихся трубопроводов.

3.1. Основные положения теории расчета.

3.2. Продольный изгиб бесканального трубопровода с учетом сопротивления окружающего грунта.

3.3. Температурные напряжения в бесканальном трубопроводе.

3.4. Оценка НДС трубопровода при действии внутреннего давления и внешней нагрузки.

4. Испытания теплоизолированных самокомпенсирующихся труб в натурных условиях.

4.1. Условия проведения испытаний.

4.2. Испытания самокомпенсирующейся трубы в армопенобетонной теплоизоляции со свободными концами нагревом до 180°С.

4.3. Испытания нагревом защемленной самокомпенсирующейся трубы в армопенобетонной теплоизоляции.

4.4. Испытания защемленной самокомпенсирующейся трубы в пеноурита-новой теплоизоляции.

4.5. Оценка долговечности бесканального самокомпенсирующегося трубопровода.

5. Испытания вакуумных самокомпенсирующихся труб-секций на экспериментальном стенде.

5.1. Методика проведения эксперимента и результаты испытаний.

5.2. Анализ результатов испытаний.

5.2.1. Определение тепловых потерь.

5.2.2. Определение напряженно-деформированного состояния.

6. Опытно-промышленные испытания бесканального способа строительства теплопроводов из самокомпенсирующихся труб и использование результатов исследований.

6.1. Опытно-промышленные испытания.

6.2. Направления практического использования результатов исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии строительства и способы повышения устойчивости городских подземных бесканальных теплопроводов»

Актуальность темы диссертации. Масштабы и темпы развития теплофикации и централизованного теплоснабжения в нашей стране ставят новые задачи, связанные с проектированием, наладкой, эксплуатацией, а также с конструктивным и технологическим совершенствованием тепловых сетей (теплопроводов и сопутствующих им строительных конструкций ).

В настоящее время радиусы теплоснабжения достигают 15-20 км, диаметры магистральных теплопроводов'доходят до 1000-1400 мм, едиными системами теплоснабжения охватываются крупные промышленные центры и жилые массивы с населением в несколько сот тысяч человек. При этом существенно возрастают удельные затраты на транспортирование тепла, капиталовложения в тепловые сети достигают 50-60 % стоимости ТЭЦ [1].

Но темпы строительства и ввода в действие новых тепловых сетей, темпы реконструкции устаревших тепловых сетей недостаточны и отстают от темпов ввода тепловых мощностей на ТЭЦ. Кроме того, вследствие недостаточного развития тепловых сетей часто не может быть использована и имеющаяся в городах тепловая мощность ТЭЦ. Отставание темпов строительства тепловых сетей в значительной мере объясняется, как это было сказано выше, высокой стоимостью конструкций теплопроводов, большими затратами на стройматериалы и трубы. Значительно сдерживает строительство тепловых сетей, как и других инженерных коммуникаций, и недостаточная индустриальность проектируемых конструкций, в первую очередь, конструкций тепловой изоляции трубопроводов. ^

Применяемые методы прокладки теплопроводов весьма разнообразны, но в каждом случае выбирается такое решение, которое при возможно меньших затратах обеспечивает наибольшую надежность, наилучшие условия эксплуатации и индустриальность строительства трубопроводов. Практика подземного строительства инженерных коммуникаций, в частности, теплопроводов, в больших городах, в том числе и в С.-Петербурге, показала перспективность бесканальных прокладок, широкое применение которых сдерживается рядом специфических трудностей. Поэтому совершенствование технологий и технических средств для подземного строительства бесканальных трубопроводов с целью устранения этих трудностей является актуальной научно-технической задачей,-имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Важность и актуальность применения бесканальных прокладок подчеркивается тем, что их внедрение может на 30-40 % снизить капитальные затраты на сооружение тепловых сетей в условиях городской застройки [2].

Однако в проектной практике часто используются расчетные предпосылки, не отражающие реальные условия работы бесканальных подземных теплопроводов. В первую очередь это касается узлов компенсации температурных деформаций. Поэтому рассмотрение компенсационных задач, в частности, применения самокомпенсирующихся труб /СКТ/, также является весьма актуальным, так как позволит значительно упростить технологию прокладки бесканальных трубопроводов.

Актуальной задачей при бесканальных прокладках будет и задача обеспечения коррозионной стойкости, механической прочности и гидравлической защиты тепловой изоляции СКТ.

Цель работы: повышение эффективности индустриальных способов строительства, надежности и устойчивости городских подземных бесканальных теплопроводов.

Идея работы: снижение продольных и радиальных деформаций и напряжений в бесканальных трубопроводах с антикоррозионной, тепловой и гидравлической защитой на основе использования секций самокомпенсирующихся труб и специальных компенсационных узлов.

Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании закономерностей распределения напряжений и деформаций в самокомпенсирущихся бесканальных трубопроводах с защитной оболочкой, в оценке влияния элементов самокомпенсирующихся бесканальных трубопроводах с защитной оболочкой, в оценке^ЕЗшяния элементов самокомпенсации на снижение уровня продольных и радиальных деформаций и напряжений, разработке средств антикоррозионной защиты трубопроводов, а также в экспериментальном определении зависимости величины теплопотерь от изменения глубины вакуума при установке температурных мостов /диафрагм/ в самокомпенсирующихся трубопроводах.

Научные положения, защищаемые в работе:

1.Технология строительства городских подъемных бесканальных трубопроводов с армопенобетонной или пенополиуретановой защитными оболочками и использованием секций самокомпенсирующихся труб и компенсационных узлов заводского изготовления обеспечивает высокую индустриальность прокладок трубопроводов, их надежность и устойчивость при эксплуатации в условиях городской застройки.

2.Разработанная и экспериментально проверенная расчетная методика оценки напряженно-деформированного состояния /НДС/ бесканальных трубопроводов, учитывающая наличие безотпорной зоны в трубопроводах с упругой теплозащитной оболочкой, позволяет определять температурные и механические напряжения и деформации в бесканальных трубопроводах в зависимости от изменения внутреннего давления, внешней нагрузки и перепада температур теплоносителя внутри труб и наружной окружающей среды; при этом теплозащитная оболочка способствует выравниванию температурных напряжений в стенке трубы и вместе с грунтом играет роль упруго-податливого винклеровского основания для стальной трубы.

3.Эффективные меры антикорризионной и гидравлической защиты бесканальных трубопроводов обеспечиваются применением комбинаций плакированных труб из хромистых ферритных и аустенитно-ферритных сталей, не склонных к хлоридному растрескиванию, с газотермическими покрытиями, повышающими как общую коррозионную стойкость труб всех типов, так и стойкость плакированных труб и мест их 'рединений с неплакированными участками.

Достоверность научных положений и выводов обеспечивается системным характером исследований, удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований, положительным опытом внедрения разработок в практику городского подземного строительства тепловых сетей.

Практическая ценность работы заключается в совершенствовании технологии и технических средств бесканальной прокладки тепловых сетей, в индустриализации подземного строительства трубопроводов с нанесением на них теплозащитных оболочек в заводских условиях, разработке эффективных мероприятий по антикоррозионной и гидравлической защите бесканальных трубопроводов и широком внедрении прогрессивных методов прокладки теплопроводов в условиях городской застройки.

Личный вклад автора в выполнение работы состоит в анализе и обобщении опыта прокладки бесканальных трубопроводов, постановке задач исследований и выборе методики их решения, аналитической оценке напряженно-деформированного состояния трубопроводов, разработке практических рекомендаций и внедрении их в производство.

Реализация результатов работы. Технология и технические средства бесканальной прокладки широко используются в АОЗТ "Ленгазтеплострой" при инженерной подготовке территорий для массовой жилой застройки, для газо- и теплоснабжения городских районов С.-Петербурга и других субъектов Федерации. Результаты аналитических исследований по оценке НДС трубопроводов тепловых сетей могут найти применение для подготовки специалистов по освоению подземного пространства.

-Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 9 печатных работах. По материалам работы получено два патента РФ.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах АОЗТ "Ленгазтеплострой" /СПб., 1992-96/; Международных семинарах по современным методам строительства тепловых сетей в России /СПб.: Ленэкспо, 1996/; международной конференции "Экология й развитие Северо-Запада РФ /СПб., 1997/; XI Российской конференции по механике горных пород /СПб., 1997/, Симпозиуме "Энергетика - 97"(СПб., 1997).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 2^страницах машинописного текста, содержит 3 5" таблиц, Н рисунков, список литературы из 60 наименований.

Заключение диссертации по теме «Строительство шахт и подземных сооружений», Кикичев, Наиль Гусупович

Выводы:

1.Теплоизоляция из вспененного полимера незначительно влияет на жесткость трубы при нагреве в отличие от теплоизоляции из армопенобетона, которая увеличивает продольную жесткость трубы на 11%.

2.Из анализа напряженно-деформированного состояния СК-труб в гофрах и в гладкой части при испытательных нагрузках установлено, что теплоизоляция, несколько разгружая гофр, не вызывает значительного увеличения напряжений в гладкой части. При этом винтовые гофры в бесканальном теплопроводе обеспечивают непрерывную компенсацию температурных деформаций.

4.5 Оценка долговечности бесканального СК-трубопровода

Согласно программе испытаний на ТЭЦ № 7 были проведены циклические испытания защемленной в стенде СК-трубы в армопенобетонной теплоизоляции нагревом до 17°С и внутренним давлением 0,8 МПа. Скорость нагрева по сравнению с эксплуатационными режимами была значительно более высокой («5°С/мин). Нагружение производилось прокачкой пара с параметрами 220°С и 1 МПа. Перепад температур за 30 мин. составлял 150°С. После двухчасовой выдержки труба охлаждалась прокачкой холодной воды в течение 1-1,5 ч.

На протяжении месяца таким образом было проведено 50 циклов нагружения. Для исследования состояния армопенобетонной теплоизоляции после циклических испытаний было вскрыто послойным шлифованием три участка изоляции в нескольких местах по длине трубы. В результате обследования установлено: повреждений и видимых трещин на изоляции не обнаружено, отслоения теплоизоляции от трубы и гидроизоляции от теплоизоляции не имело места; адгезия армопенобетона к трубе в зоне гофров полностью сохранилась.

Циклические прочностные испытания СК-трубы в пенополиуретановой теплоизоляции были проведены на стенде аналогично испытаниям трубы в армопенобетоне. После проведенных 35 циклов нагружения горячей водой и паром (температурный перепад составлял 150-160°С) было обследовано несколько мест на различной глубине теплоизоляции в зоне гофров и в гладкой части трубы. Отслоений от трубы и видимых трещин не обнаружено.

Особо следует отметить, что после всех температурных испытаний потемнения теплоизоляции в зоне контакта с трубой не наблюдалось, что свидетельствует о высокой термостойкости пенополиуретановой теплоизоляции экспериментального состава. Прочностные циклические испытания СК-труб в различных видах теплоизоляции показали, что адгезия и сплошность теплоизоляционного блока из монолитного материала, как "эластичного", так и "жесткого" типов не нарушается при компенсационной работе винтовых гофров СК-трубопроводов при нагружениях максимальными рабочими нагрузками порядка 50 циклов.

Однако, для получения окончательного ответа на вопрос о пригодности данных видов изоляции необходимо провести длительные циклические испытания с полным эквивалентом нагруженности за весь предполагаемый период эксплуатации (« 3 лет), что соответствует 100 полным циклам.

В процессе самокомпенсации, в связи с некоторым увеличением продольной жесткости теплоизолированных СК-труб в гофрах возникают более низкие изгибные напряжения и деформации. Из приведенных экспериментов следует, что в трубе с армопенобетонной теплоизоляцией напряжения в вершинах гофра уменьшились по сравнению с неизолированной трубой на 11 %, в трубе, изолированной пенополиуретаном, - на 7 %. Учитывая, что при определении долговечности СК-трубопроводов основополагающими характеристиками являются максимальные интенсивности деформаций и напряжений в вершине гофра, по-видимому, допустимо при определении ресурса теплоизолированных СК-теплопроводов пользоваться расчетными данными по НДС СК-труб без изоляции, при этом более низкий действительный уровень деформирования гофров в теплоизолированных трубах обеспечивает некоторый дополнительный запас долговечности.

Таким образом, расчетная долговечность трубопровода из исследуемых труб Ду=630 мм в теплоизоляции "жесткого" и "эластичного" типов превышает требуемую долговечность, при установленном 30-летнем сроке эксплуатации более, чем в 2 раза.

5. ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ САМОКОМПЕНСИРУЮЩИХСЯ

ТРУБ СЕКЦИЙ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ СТЕНДЕ 5.1 Методика проведения эксперимента и результаты испытаний

Изготовление и испытания опытного образца из двух секций вакуумных самокомпенсирующих труб (ВСКТ) проводилось на 4-ом эксплуатационном участке Красносельского предприятия тепловых сетей Ленинграда. Образец испытывался в экспериментальном стенде (рис5.1) , обеспечивающем жесткое закрепление концов рабочей трубы, что аналогично работе трубопровода в трассовом варианте с неподвижными опорами.

Опытный образец представляет собой две вакуумируемые секции длиной »5,5 м каждая с узлом стыковки и узлами крепления концов образца в стенде. Конструкция опытного образца приведена на рисунке 5.2. В качестве рабочих использованы CK трубы 0 630-7 мм с выпрямленными гофрами на одном конце, полученные разрезкой стандартной трубы на две части (поз.1). В качестве наружного защитного кожуха использованы гладкостенные трубы 0 820-9 мм (поз. 2). Рабочие СК-трубы со стороны выпрямленных концов и наружные защитные трубы соединены с элементами узла стыковки секций (поз. 3). Элементы узла стыковки секций представляют собой две обечайки 0 630x7 мм длиной 150мм и диафрагмой толщиной 6 мм.

В реальном трубопроводе при монтаже секций в плеть сначала свариваются внутренние обечайки (0 630 мм) элементов узла стыковки. Патрубное пространство узла стыковки (между диафрагмами соседних секций) изолируются полимерной теплоизоляцией и закрывается вварка полуколец 0 820 мм встык к наружным обечайкам (0 820 мм) элементов узла стыковки или приваркой полуколец большего диаметра и длины внакладку. Таким образом, обеспечивается жесткая связь между кожухами соседних секций. На опытном образце в зоне узла стыковки устанавливались измерительные приборы и тензодатчики, поэтому жесткая связь между соседними кожухами осуществлялась шестью стяжками расчетного сечения (поз.4). Со стороны концов образца рабочая труба заглушена донышками 0 720 мм толщиной 6 мм (поз.5), перекрывающими выходящие на торец гофры. Вплотную к донышкам 0 720 мм установлены донышки 0 798 мм толщиной 10 мм (поз. 6) для замыкания вакуумируемого межтрубного пространства, а также восприятия и передачи на раму стенда (поз.7) усилий, возникающих в рабочей трубе от дТ и Р. Усилия от донышек на раму передаются через специально установленные металлические прокладки (поз.8). Торец кожуха непосредственно приварен к раме стенда. Система подключения к рабочей трубе теплоносителей и холодной воды (поз.9) включает: вводную трубу 0 1 п/2 ; трубу 0 50 мм для подачи теплоносителей к концам рабочей трубы; смесительный бачок 0 250 и подключенные к нему трубопроводы 01п/2 пара, горячей воды, холодной воды с вентилями. Данная система позволяет регулировать режим нагружения по температуре до 200°С и давлению до 0,8 МПа. Контроль режима нагружения осуществляется термометром, установленным в гильзу (поз. 10) и манометром (поз.11). Удаление теплоносителей для рабочей трубы осуществляется через трубу 0 50 мм вентилем, установленную в нижней части образца (поз. 12). Система нагружения и контроля вварены в зоне стыковки секций. Межтрубное пространство одной из секций теплоизолировано минеральной ватой (поз. 13), вторая секция дополнительного теплоизоляционного слоя не имеет.

Рис.Ь.Т. Секция вакуумных самокомпенсирующихся труб в

XIV Хч XI

• • • • . , bßßßßßjß***j(jjjj >>ТП \fittrrita\rftirrrt глдЛ .J'l ' Л* • • * . • , <« •♦i" •, .'j >-•. •.•. ,. j. «. « j^y.'. y y i у,*./**/.».

II

1 / II . • б

U • к i» . • • • *. а» у/ /■ V Л'%.\v«%: vv- 1 / У / / У / У///** ггп X / /

J J 'jffif / ® /M /XII у ' * Рис »5.2

Лря^йя 'воЗа холодная пода слиб

2 i г г с , , г , т,, г. ч \ я * я я г\ \

1 1 • 1

WI \ХИ

VIII

Рис.5.5. Прогибомеры для измерения .перемещений

Рис.5.6. Вакуумное оборудование, приборы для определения показаний тензорезисторов и величины теплогютерь

Вакуумирование секций осуществляется через вваренные кожухи штуцера (поз. 14) сДн = 8 мм, Двн = 4 мм. Образец располагается на трех опорах из гнутого профиля 250-250-7 мм (поз. 15).

Целью проводимых испытаний явилось исследование работоспособности ВСКТ секций и эффективности их применения в сравнении с традиционными типами теплоизолированных теплопроводов. В ходе испытаний помимо отработки методов сборки секций исследовалось напряженно-деформированное состояние узла стыковки секций в рабочем и аварийном режимах, определялись теплопотери при различной глубине вакуума в межтрубном пространстве и возможность сохранения его необходимого уровня в течение времени.

Для решения поставленных задач были проведены серии замеров ряда параметров при различных режимах нагружения образца температурным перепадом и давлением.

Температура теплоносителя определялась ртутным термометром, установленным в специальную гильзу, вваренную в стенку рабочей трубы (рис. 5.2).

Температура на поверхности образца определялась термопарами хромель-капель, подключаемыми к потенциометру (рис. 5.4).

Внутреннее давление в рабочей трубе фиксировалось манометром 0-1,6 МПа с ценой деления 0,02 МПа.

Перемещения измерялись прогибомерами и индикатором часового типа (рис. 5.5). Схема установки измерителей перемещений приведена на рис. 5.4.

Система вакуумирования (рис. 5.4, 5,6) состояла из: вакуумного насоса ВН-461М (50 об/мин.) с трехфазным электродвигателем (540 об/мин.), вакуумных резиновых шлангов, специальных режимов для перекрытия шлангов в необходимых местах, вакууметров (-0,1) МПа с ценой деления 400 Па (мбар). Система вакуумирования включалась к секциям через штуцера и вваренные в стенки труб-кожухов. Места соединений дополнительно герметизировались пластилином.

Определение теплопотерь осуществлялось по методике и с помощью прибора, изготовленного Рижским отделением ТЭПа. Измерения проводились специально изготовленным датчиком, подключенным к потенциометру (рис. 5.4, 5.6). Датчик представляет собой трехслойную пластину размером 150-100 мм. Внутренний слой изготовлен из теплоизоляционного материала с известным коэффициентом теплопроводности, наружные слои из прорезиненной ткани. Между слоями заложена проволочная сетка с выводами к потенциометру. Датчик накладывается на поверхность образца в месте измерения и прижимается по контуру. По разности потенциалов на наружной и внутренней поверхностях датчика и коэффициенту тарировки определялась величина теплопотерь на данном участке образца. Для равномерного прижатия датчика по всему контуру и защиты его наружной поверхности от изменения потоков окружающего воздуха (ветра) была изготовлена прижимная рамка высотой 150 мм, повторяющая форму трубы-кожуха, на поверхности которой определялись теплопотери.

Напряженно-деформированное состояние узла стыковки рабочей трубы и диафрагм в процессе испытаний определялось с помощью тензометрирования. При температурных испытаниях использовались экспериментальные тензорезисторы ЦАГИ ЗСПК с базой 10 мм на клее ПИР-2. Схема наклейки тензорезисторов приведена на рис. 5.7. Для наклейки тензорезисторов участки на поверхности трубы и диафрагм в восьми местах площадью 12 кв.см, были очищены от ржавчины и других загрязнений. В каждой розетке были наклеены рабочие датчики в направлениях Z и 0. Компенсационными служили датчики, наклеенные в кольцевом направлении 0. Замеры проводились после сброса давления в рабочей

Рис. 5.7. Схема наклейки тензорезксторон ЩГИ ЗСиК трубе, поэтому в кольцевом направлении В нагрузки отсутствовали, соотношение деформаций в продольном и кольцевом направлениях известно. Таким образом, рабочие и компенсационные датчики работали в одинаковых температурных условиях, что позволило не вводить учет температурных характеристик каждого датчика.

Напряженно-деформированное состояние диафрагм при избыточном давлении в межтрубном пространстве (аварийная ситуация) определялось с помощью тензорезисторов КФ-5 с базой 10 мм на клее "циокрин". Схема наклейки тензорезисторов приведена на рис. 5.8. В каждой розетке было наклеено по три рабочих датчика в направлении Z. Компенсационный датчик находился на отдельной пластине из того же материала, так как испытания проходили без подогрева. Измерение показаний тензодатчиков производилось прибором ИСД-3.

Для создания избыточного давления в межтрубном пространстве при исследовании напряженно-деформированного состояния диафрагм в аварийной ситуации был использован компрессор.

Рабочие характеристики выкуумированных секций были получены в ходе температурных испытаний, проведенных в летний и осенний периоды при различных погодных условиях. В связи с этим нагрев образца паром регулировался таким образом, чтобы обеспечить температурный перепад между рабочей трубой и окружающим воздухом двух уровней д Т = 140°С и д Т = 90°С. Примененная система вакуумирования позволяла проводить замеры при любой глубине вакуума в интервале 1000^-8 мбар. Для получения минимального уровня вакуума требовалась непрерывная работа насоса в течение 8-10 часов.

При температурных испытаниях контролировались следующие характеристики:

- глубина вакуума в секциях;

- температура воздуха;

- температура нагрева рабочей трубы;

- внутреннее давление в рабочей трубе;

- температура на поверхности образца в отмеченных на рис. 5.4 точках;

- величина теплопотерь в тех же точках;

- время выдержки при установившейся температуре в рабочей трубе;

- подвижки концов стенда;

- подвижки концов образца;

- подвижки в узле стыковки секций;

- прогибы диафрагм;

- деформации в узле стыковке секций.

В ходе испытаний было установлено, что относительно стабильные показания температур кожуха и теплопотерь с его поверхности можно получить после 4-5 часов выдержки при постоянной температуре в рабочей трубе. Существенное влияние на показания оказывали погодные условия. Так резкие порывы ветра вызывали быстрое временное охлаждение внешней поверхности пластины-тепломера, попадание прямых солнечных лучей - ее нагрев. Эти факторы в ходе испытаний необходимо учитывать. Для уменьшения влияния внешних условий при замерах теплопотерь применялась специально изготовленная защитная рамка высотой 150 мм с помощью которой пластина-тепломер прижималась по контуру к наружной трубе-кожуху.

Усредненные величины температур и теплопотерь в местах замеров приведены в таблице 5.1. Измерение перемещений проводилось при различных температурных перепадах. Усредненные показания приборов в соответствии с рисунком 5.4, приведенные к одному температурному перепаду д Т = 100°С даны в таблице 5.2. l 179i 8

1/0 12] U 5 рис.5.6. Схема наклейки тензорезисторов КФ-5

Заключение

В работе приведено решение актуальной задачи подземного строительства -разработка эффективных способов сооружения подземных бесканальных теплопроводов. Основные результаты исследований сводятся к следующему:

1.Разработанная технология строительства городских подземных бесканальных трубопроводов с армопенобетонной или пенополиуретановой защитными оболочками и использованием секций самокомпенсирующихся труб и компенсационных узлов заводского изготовления обеспечивает высокую индустриальность прокладок трубопроводов, их надежность и устойчивость при эксплуатации в условиях городской застройки.

2.Разработанная и экспериментально проверенная расчетная методика оценки НДС бесканальных трубопроводов, учитывающая наличие безотпорной зоны в трубопроводах с упругой теплозащитной оболочкой, позволяет определять температурные и механические напряжения и деформации в бесканальных трубопроводах в зависимости от изменения внутреннего давления, внешней нагрузки и перепадов температур теплоносителя внутри труб и наружной окружающей среды.

3.Интенсивность и характер распределения температурных и механических напряжений и деформаций в самокомпенсирующихся бесканальных трубопроводах имеют функциональную зависимость от величины перепада температур, внешней нагрузки и внутреннего давления, а также определяются видом тепловой изоляции и формой закрепления трубопровода.

4.Проведены стендовые испытания секций самокомпенсирующихся теплопроводов 0 630 мм длиной 12 м в "жесткой" - армопенобетонной и "эластичной" - пенополиуретановой теплоизоляции при нагреве горячей водой и паром с температурой до 180°С. Установлено, что монолитная теплоизоляция из вспененного полиуретана незначительно влияет на продольную жесткость трубы в отличие от армопенобетонной теплоизоляции, которая увеличивает эту характеристику на 11 %. При этом при нагреве теплоизоляция несколько разгружает гофры, не вызывая значительного увеличения напряжений в гладкой части.

5.Проведены испытания опытно-промышленных участков самокомпенсирующихся теплопроводов с монолитной армопенобетонной теплоизоляцией при нагреве до 140°С и внутренним давлением до 2,0 МПа, которые подтвердили самокомпенсацию температурных деформаций при отсутствии общих продольных перемещений трубопровода и смещения неподвижных опор.

6.В двухтрубных теплопроводах выявлен эффект снижения теплопотерь за счет вакуумирования, он проявляется при глубине вакуума ниже 200 мбар. Наиболее резкое снижение теплопотерь происходит при вакууме менее 200 мбар. При вакууме Р = 10 мбар теплопотери в секции, дополнительно изолированные минераловатой, уменьшились в 4 раза. Кольцевые металлические диафрагмы, обеспечивающие замкнутость межтрубного пространства каждой секции являются тепловыми мостами, которые при толщине стенки 6 мм дают до 40 % увеличения тепловых потерь. Для снижения этого эффекта необходимо в дальнейшем усовершенствовать конструкции узла стыковки.

7.Наличие в трубопроводе толстостенной теплозащитной оболочки не только сокращает теплопотери / перепад температуры уменьшается практически в 4 раза/, но и в значительной мере выравнивает температурные напряжения в стенке стальной трубы как механической основы трубопровода, что способствует повышению сопротивляемости трубопровода воздействию внутреннего давления и внешних нагрузок.

8.Наиболее отвечающим физической природе бесканальных трубопроводов методом оценки НДС является метод, учитывающий сопротивление грунта с боковым отпором, а также наличие в трубопроводе безотпорной части. При этом, благодаря упругости теплозащитной оболочки, сопротивление грунта / совместно с другим сопротивление самой оболочки / можно принять за реакцию упругого линейно-податливого основания Винклера.

9.Напряжения в стенке трубопровода, а также величины изгибающего момента, продольной силы и радиального перемещения от действия внутреннего давления и внешних нагрузок определяются величиной угловой координаты, отсчитываемой или от вертикального диаметра / безотпорная часть /, или от границы безотпорной части / отпорная зона /.

10.Расчеты по разработанной методике оценки НДС бесканального трубопровода с учетом наличия безотпорной части и теплозащитной оболочки показывают, что наибольшие значения изгибающего момента и радиального перемещения имеют место в верхней части безотпорной зоны / шелыге / трубы. При этом изгибающий момент по мере удаления от шелыги трубы имеет еще один максимум на границе отпорной и безотпорной зон, но меньший по абсолютной величине, чем в шелыге, и меняет свой знак как в безотпорной зоне, так и в отпорной части. Продольная сила имеет минимальное значение в шелыге и плавно нарастает при приближению к днищу трубы в отпорной части. Радиальное перемещение у днища трубы практически равно нулю, что отчасти можно объяснить упругим воздействием теплозащитной оболочки совместно с сопротивлением грунта.

11. Действие бокового отпора грунта способствует снижению величин изгибающего момента и максимального напряжения в шелыге трубы, что может обеспечить значительную экономию металла при соответствующем уплотнении засыпки бесканальных трубопроводов, так как при повышении величины бокового отпора представляется возможным применение труб с более тонкими стенками.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кикичев, Наиль Гусупович, 1998 год

1.Витальев В.П. Бесканальные прокладки тепловых сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1983.2.0днопозов А.И., Блоштейн A.A. Бесканальная прокладка тепловых сетей. JL: Стройиздат, 1975.

2. Лямин A.A., Скворцов A.A. Проектирование и расчет конструкций тепловых сетей. М.: Изд. лит-ры по строительству, 1965.

3. Крашенников А.Н. Монолитная теплоизоляция из ячеистых бетонов и пластмасс. Л.: Стройиздат, 1971.

4. Копьев С.Ф. Теплоснабжение. М.: Стройиздат, 1953.

5. Пик М.М. Исследование изоляционных конструкций и внешней коррозии подземных теплопроводов в действующих установках. В сб. наладочных и экспериментальных работ ОрГРЭС, вып.2. - Орел, 1952.

6. Громов Н.К. Городские теплофикационные системы. М.: Энергия, 1974.

7. Бесканальные теплопроводы. Справочник. Под ред. P.M. Сазонова / Расчет и проектирование. Киев: Будивельник, 1985.

8. Таран В.Д. Сооружение магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1964. Ю.Вишневецкий Г.Д. Тепловые усилия в бесканальных теплопроводах. - В сб. научн. тр. Ленинградского инженерно-строительного института, вып. 17. - Л., 1954.

9. ГВишневецкий Г.Д. Приближенный расчет температурных напряжений в теплопроводах бесканальной прокладки. В сб.: Проектирование городских тепловых сетей. - М.: Госэнергоиздат, 1957.

10. Speyer G. Прокладка теплопроводов с предварительным напряжением // TAB Tech. Bau., 1982, № 7.

11. Tiesler W.U., Grefen К. Строительство теплопровода в Эндене /ФРГ/ // Fermwarme Int., 1984 V. 13, № 3.

12. Гарф Э.Ф., Лось А.О., Богацкая Т.Н. Отчет по НИР № 5997. Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1990.

13. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.2. М.-Л.: ОГИЗ Гостехиздат, 1946.

14. Горшков Л.К. Основы теории упругости и пластичности в разведочном бурении. СПб.: СПГГИ, 1992.

15. Лебедев H.H. Температурные напряжения в теории упругости. Л. - М.: ОНТИ, 1937.

16. Виноградов C.B. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. М.: Стройиздат, 1980.

17. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. М.: Стройиздат, 1969.

18. СНиП П 45-75. Магистральные трубопроводы. - М., 1975.

19. Spangler M.G. Factors of Safety in the design of buried pipelines. Highway Res. Ree., 1969, № 29.

20. Калинский Б.В. Быстрый расчет подземных трубопроводов. В сб.: Вопросы транспортного машиностроения, вып. 3. - Брянск, 1974.ъ

21. Бугаева O.E. Расчет туннельных обделок круглого сечения. Изв. ВНИИГ, 1951, т. 45.

22. Прево Р. Расчет на прочность трубопроводов, заложенных в грунт. Пер. с франц. М.: Стройиздат, 1964.

23. Бодров В.П., Матэри Б.Ф. Кольцо в упругой среде / Бюллетень Метропроекта, 1936, №24.

24. Баженов В.А. Изгиб цилиндрических оболочек в упругой среде. Львов, 1975.

25. Вайнберг Д.В. Арки на сплошном упругом основании. Тр. Киевского строительного института, 1936, вып.Ш.

26. Вайнберг Д.В. Кривой брус в упругой среде // Прикладная математика и механика, 1939, т. Ш, вып.4.

27. Леонтьев H.H. Практический расчет тонкостенной трубы на упругом основании. В сб. тр. МИСИ, 1957, № 27.

28. Галеркин Б.Г. Напряженное состояние цилиндрической трубы в упругой среде. -Тр. ЛИПС, 1929, вып. 100.

29. Емельянов Л.М. О расчете подземных гибких труб // Строительная механика и расчет сооружений, 1961, № 1.

30. Гольдштейн М.Н., Лапкин В.Б. О распределении напряжений в грунтах. В сб.: Вопросы геотехники. Научн. тр. ДИИТ, вып. 20. - Днепропетровск, 1972.

31. Горбунов-Посадов М.И., Маликова Т.А. Расчет конструкций на упругом основании. -М.: Стройиздат, 1973.

32. Балтер И.В. Анализ коррозионного состояния подземных тепловых сетей // Теплоэнергетика, 1976, № 7.

33. Боровик М.Я., Скворцов A.A. Исследование и опытное внедрение самоиспекаюгцейся изоляции для подземных бесканальных теплопроводов. М.: Энергия, 1966.

34. Бродский Е.Ф. Исследование монолитной армопенобетонной изоляции при бесканальной прокладке тепловых сетей // Водоснабжение и санитарная техника, 1966, №3.

35. Сергеев Е.М. Общее грунтоведение. М.: МГУ. 1952.

36. К вопросу об улучшении эксплуатационных характеристик бесканальных конструкций тепловых сетей / Я.А.Ковылянский, Н.С.Красовицкий, В.И.Кравчук и др. // Теплоэнергетика, 1982, № 8.

37. Томчук A.B. Бесканальная прокладка теплотрасс. Киев; Будивельник, 1983.

38. Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей / В.Я. Хасилев, А.П.Меренков, Б.М.Каганович и др. М.: Энергия, 1978.

39. Кикичев Н.Г., Горшков JI.K. Экологический аспект обеспечения коррозионной стойкости подземных трубопроводов. Тезисы доклада на 2-ой Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада РФ". СПб.: МАНЭБ, 1997.

40. Способ изготовления соединительных термоусаживающихся манжет. Пат. РФ, № 2048984 / Н.Г.Кикичев, Л.Е.Любецкий, Ю.Г.Роот и др. Бюлл., 1995, № 33.

41. Компенсационной узел. Пат. РФ, № 2049287 / Н.Г.Кикичев, Ю.Г.Роот, Л.Е.Любецкий и др. Бюлл., 1995, № 33.

42. Прокладка тепловых сетей диаметром 50-1000 мм в изоляции из пенополиуретана. Руководящие материалы. СПб.: Ленгазтеплострой, 1995 /Н.Г.Кикичев, С.А.Ушеренко, Л.В.Иванов и др.

43. Кикичев Н.Г. Современные способы строительства тепловых сетей в России. Тр. Международного семинара, 27-29.02.96. СПб.: Ленэкспо, 1996.

44. Кикичев Н.Г., Любецкий Л.Е. Нормативно-техническая база проектирования, изготовления и монтажа трубопроводов с пенополиуретановой изоляцией. Тр. Международного семинара, 10.04.96. СПб.: Ленэкспо, 1996.

45. Коррозия. Справочник. Под ред. Л.Л.Шрайера. М.: Металлургия, 1981.

46. Морская коррозия. Справочник. Под ред. М.Шумахера. М.: Металлургия, 1983.

47. Структура и коррозия металлов и сплавов. Атлас и справочник. Под ред. Е.А.Ульянина. М.: Металлургия, 1989.

48. Технический отчет по теме 796д-91 / Б.И.Бережко, В.Г.Марков, Р.А.Козлов и др. СПб.: ЦНИИ КМ "Прометей", 1991.

49. Григорьев Л .Я. Самокомпенсация трубопроводов. Л.: Энергия, 1966.

50. Лопатин Б.В. Бесканальная прокладка подземных теплопроводов // Изв. вузов. Энергетика, 1958, № 8.

51. Скворцов A.A., Чудаев М.Г. Способ изготовления асфальтоизола. Авт. св. №163940, 1962.

52. Аксельрад Э.Л., Ильин В.П. Расчет трубопроводов. Л.: Машиностроение, 1972.

53. Липовских В.М., Заверткин И.А. Строительство теплопроводов в ФРГ //Энергетическое строительство за рубежом, 1983, № 6.

54. Самокомпенсирующиеся теплопроводы / В.И.Новиков, А.О.Лось, Н.П.Стариков, И.А.Заверткин//Энергетическое строительство, 1986, № 1.

55. Приближенный метод расчета трубы с винтовым гофром /Л.А.Ильин, Н.А.Лобкова, А.О.Лось и др. // Прикладная механика, 1983, № 9.

56. Кикичев Н.Г. Метод расчета напряженно-деформированного состояния подземных бесканальных трубопроводов. Материалы XI Российской конференции по механике горных пород. СПб., 1997.