Снижение трудоемкости заполнения раствором бетона пространства между дефектной трубой и новой трубой при ремонте водопропускных труб. Санация навивкой с забутовкой Напорные канализационные трубопроводы

После бурения скважины в рыхлых песчаных грунтах наступает этап, направленный на укрепление труб обсадной колонны. Заодно следует защитить ствол от повреждения, агрессивного воздействия грунтовых вод, коррозии и прочих негативных явлений. Речь идёт о таком процессе, как цементирование скважин.

Выполнить работу по цементированию самостоятельно достаточно сложно, но возможно, при наличии знаний о технологиях проведения мероприятия. Мы расскажем вам о том, зачем нужно проводить цементирование и на что нужно обратить внимание при выполнении работ. Для наглядности, материал содержит тематические фото и видеоролики.

Цементирование скважины – процесс, который следует сразу после окончания . Процедура цементирования заключается в том, что в затрубное или межтрубное (в случае если обсадная труба помещена в свою очередь в полиэтиленовую более широкую трубу) вводится цементный раствор, который со временем затвердевает, образуя монолитный ствол скважины.

Цементный раствор в этом случае называется “тампонажный”, а сам процесс “тампонированием”. Сложный инженерный процесс, именуемый технологией цементирования скважин, требует определённых знаний и специального оборудования.

В большинстве случаев источники воды можно тампонировать своими руками, что обходится гораздо дешевле, чем привлечение специалистов.

Цементирование скважин – комплекс мероприятий, направленный на укрепление затрубного пространства и обсадной колонны от разрушающего бокового давления горных пород и воздействия грунтовых вод

Правильно произведённое тампонирование скважин на воду способствует:

• обеспечению прочности конструкции скважины;
• защите скважины от грунтовых и верховых вод;
• укреплению обсадной трубы и защите её от коррозии;
• повышению срока эксплуатации водоисточника;
• устранению крупных пор, пустот, зазоров, через которые в водоносный горизонт могут попасть нежелательные частицы;
• вытеснению бурового раствора цементным, если первый использовался при бурении.

От того, насколько грамотно осуществлено цементирование, будет зависеть качество добываемой воды и эксплуатационные характеристики скважины. Также цементирование производится для ликвидируемых скважин, которые больше не будут больше эксплуатироваться.

Галерея изображений

Спocoб ремoнта вoдoпрoпуcкнoй трубы пoд наcыпью

Автoр: Вылегжанин Андрей Анатoльевич

Изoбретение oтнocитcя к oблаcти ремoнта и, в чаcтнocти, к cпоcобам ремонта водопропуcкных труб. Целью изобретения являетcя cнижение трудоемкоcти заполнения раcтвором бетона проcтранcтва между дефектной трубой и новой трубой. Споcоб ремонта водопропуcкной трубы под наcыпью включает временное отведение водотока, установку во внутреннее очертание дефектной трубы с зазором новой трубы. Труба оснащена контрольными трубками, выступающими через потолочное перекрытие трубы в межтрубное пространство с определенным шагом. Заполнение бетонным раствором межтрубного пространства и его контроль осуществляют через контрольные трубки с последовательным их заглушением. Заполнение межтрубного пространства бетоном осуществляют посредством гибкого шланга, размещенного в направляющих, установленных с наружной стороны сверху новой трубы в межтрубном пространстве с перемещением его наружу и удалением по мере заполнения межтрубного пространства бетоном. Каждая секция новой трубы образована из нескольких колец, например трех, выполненных из металлического листового материала, предпочтительно гофрированного. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Известен традиционный траншейный способ укладки и замены водопропускных труб под земляными насыпями (Стр-во мостов и труб. Под ред. В.С.Кириллова. М.: Транспорт, 1975 г., с.527, рис.ХУ. 14, ХУ 15. Недостаток способа заключается в том, что для укладки водопропускной трубы необходимо рыть открытую траншею.

Известен способ реконструкции балочного моста с заменой его на одну или две водопропускные трубы (Содержание и реконструкция мостов. Под ред. В.О.Осипова. М.: Транспорт, 1986 г., с.311, 312, рис.Х 14, Х 15, Х 16). Такой способ повторяет недостатки предыдущего аналога, так как предусматривает разборку верхнего строения пути.

Известен «Способ замены водопропускной трубы», приведенный в описании к патенту RU 2183230. Способ предусматривает прокладку в зимнее время туннеля рядом с дефектной трубой, выдержку его до промерзания стенок, возведение крепи, выполнение вертикального отверстия в дорожном полотне для заливки бетона, укладку новой трубы в туннель, заливку бетона в пространство между трубой и тоннелем через вертикальное отверстие. После завершения работ старую тубу заглушают. Однако способ предусматривает возможность его реализации только в зимнее время.

Известен патент RU 2265692 «Способ ремонта водопропускной трубы под насыпью». Способ включает временное отведение водотока, возведение временной опоры с верхней плитой внутри дефектной трубы в месте ее дефекта и ее фиксации и установку частей новой трубы в дефектную трубу с двух ее противоположных сторон до упора торцов встречных частей новой трубы друг в друга. Для этого в обеих частях выполняют освобождения под стойку временной опоры, затем производят объединение торцов встречных частей новой трубы между собой и с временной опорой, заполняют бетонным раствором полости между дефектной и новой трубами и удаляют временную опору. Однако в способе не раскрыто то, каким образом производится заполнение бетоном пространства между дефектной и новой трубами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является «Способ ремонта водопропускной трубы под насыпью», приведенный в описании к патенту RU 2341612.

Способ предусматривает временное отведение водотока, установку секций новой трубы во внутреннее очертание дефектной трубы с зазором и заполнение бетонным раствором межтрубного пространства.

В потолочное перекрытие секций монтируют с определенным шагом контрольные трубки, выступающие в межтрубное пространство, производят первоначальное заполнение бетоном межтрубного пространства через окна, расположенные в верхней части боковых стенок секции, до нижнего уровня окон и заглушают окна, производят заполнение потолочной части межтрубного пространства бетоном через первую трубку до выхода бетона во второй трубке, заглушают первую трубку и подают бетон через вторую трубку до выхода его в следующей трубке и осуществляют последовательные аналогичные операции на всех секциях.

Недостаток способа заключается в сравнительно высокой трудоемкости, так как необходимо сначала выполнить боковые окна для первого заполнения бетоном через них межтрубного пространства, а затем заглушить их и далее производить последовательное заполнение бетоном через потолочные трубки.

Целью изобретения является снижение трудоемкости заполнения раствором бетона пространства между дефектной и новой трубами.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе ремонта водопропускной трубы под насыпью, включающем временное отведение водотока, установку во внутреннее очертание дефектной трубы с зазором новой трубы, снабженной контрольными трубками, выступающими через потолочное перекрытие трубы в межтрубное пространство с определенным шагом, заполнение бетонным раствором межтрубного пространства и его контроль через контрольные трубки с последовательным их заглушением, согласно изобретению заполнение межтрубного пространства бетоном осуществляют посредством гибкого шланга, размещенного в межтрубном пространстве с перемещением его наружу и удалением по мере заполнения межтрубного пространства бетоном.

Новую трубу образуют из нескольких секций, выполненных из металлического листового материала, предпочтительно гофрированного.

С наружной стороны вверху новой трубы устанавливают вертикальные направляющие в виде щитков для размещения и передвижения в них гибкого шланга в межтрубном пространстве, причем вертикальные направляющие выполняют с определенным шагом.

Заполнение бетонным раствором межтрубного пространства осуществляют с одного конца трубы одним гибким шлангом в направлении другого конца трубы или двумя гибкими шлангами встречно с двух концов трубы

Зазор между дефектной и новой трубами для заполнения бетоном межтрубного пространства устанавливают не менее 100 мм.

Шаг между соседними трубками для контроля заполнения бетоном межтрубного пространства устанавливают в зависимости от габаритов ремонтируемой водопропускной трубы, при этом на каждой секции или через одну должно быть не менее одной трубки.

Высоту выступания трубок в межтрубном пространстве устанавливают с образованием зазора между торцом трубки и потолком дефектной трубы не более 40 мм, при этом на каждую контрольную трубку с внутренней стороны потолочного перекрытия устанавливают заглушку после выхода из нее раствора бетона.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

Фиг.1 - продольное сечение дефектной водопропускной трубы до ремонта;

Фиг.2 - поперечное сечение водопропускной трубы до ремонта (увеличено);

Фиг.3 - продольное сечение дефектной водопропускной трубы в начале заполнения межтрубного пространства бетоном;

Фиг.4 - продольное сечение дефектной водопропускной трубы в конце заполнения межтрубного пространства бетоном;

Фиг.5 - поперечное сечение водопропускной трубы с установленным шлангом (увеличено);

Фиг.6 - поперечное сечение водопропускной трубы после ремонта (увеличено).

Способ ремонта водопропускной трубы 1, имеющей дефекты 2, расположенной под насыпью 3, включает временное отведение водотока, установку секций 4 новой трубы во внутреннее очертание дефектной трубы 1 и заполнение бетонным раствором 5 межтрубного пространства 6. Для заполнения межтрубного пространства бетонным раствором секции 4 устанавливают с зазором Н между дефектной трубой 1 и секциями 4 новой трубы величиной не менее 100 мм.

Секции новой трубы изготовляют из металлического листового материала, предпочтительно гофрированного.

С наружной стороны вверху секций 4 новой трубы устанавливают вертикальные направляющие 7 в виде щитков для размещения и передвижения в них гибкого шланга 8 в межтрубном пространстве 6, причем вертикальные направляющие выполнены с определенным шагом.

Кроме того, в каждую секцию 4, или через одну, или через две, в зависимости от длины восстанавливаемой трубы, предварительно устанавливают контрольные трубки 9, выступающие в межтрубное пространство 6. Трубки 9 устанавливают с образованием зазора между торцом трубки и потолком дефектной трубы 1 не более 40 мм, при этом каждая трубка 9 с внутренней стороны потолочного перекрытия выполнена с возможностью установки на нее заглушки 10.

Установку новой трубы в дефектную производят целиком путем предварительной сборки секций 4 в трубу и протаскивания ее во внутреннее очертание дефектной трубы 1 или последовательной подачей секций 4 внутрь дефектной трубы 1 и соединения там секций 4 между собой в единую трубу.

Протаскивание гибкого шланга 9 в межтрубное пространство 6 осуществляют после размещения и сборки секций 4 в полости дефектной трубы 1 или одновременно с подачей секций 4 в полость дефектной трубы 1, при этом направляющие щитки 7 обеспечивают ориентацию гибкого шланга 8 в межтрубном пространстве 6.

Кроме того, при больших длинах дефектной трубы 1 возможно встречное протаскивание двух гибких шлангов 8 осуществлять с двух сторон трубы (не показано).

После размещения секций 4 во внутренней полости дефектной трубы 1 заглушают тампонами межтрубное пространство с открытых концов трубы 1 (не показано).

Заполнение бетонным раствором 5 межтрубного пространства 6 осуществляют одним гибким шлангом 8 с перемещением его в направлении от одного до другого конца трубы до полного его удаления, или двумя гибкими шлангами 8 встречно с двух концов трубы.

Контроль заполнения межтрубного пространства 6 осуществляют по выходу раствора 5 бетона из очередной контрольной трубки 9. После чего трубку заглушают заглушкой 10, а шланг 8 продвигают наружу и осуществляют дальнейшее заполнение раствором 5 бетона межтрубного пространства 6 до выхода раствора 5 в следующей контрольной трубке 9, заглушают трубку 9 заглушкой 10 и цикл повторяют.

Достигнутый технический результат заключается в том, что предложенный способ позволяет снизить трудоемкость заполнения раствором бетона пространства между дефектной и новой трубами, одновременно обеспечивая надежный контроль полного заполнения межтрубного пространства.

Способ успешно прошел проверку на ремонте автомобильных дорог.

Изобретение относится к строительству трубопроводов. Способ предназначен для устранения температурных напряжений в трубопроводах типа «труба в трубе» в рабочем герметичном состоянии внутреннего трубопровода (при отсутствии избыточного давления в межтрубном пространстве) без установки специальных компенсаторов внутри. Способ заключается в размещении в межтрубном пространстве уплотнительных узлов, выполненных в виде плотно навитых друг к другу спиральных рукавов. Рукава выполняют из эластичного непроницаемого для воздуха материала, наматывают их с небольшим зазором по концам трубопровода типа «труба в трубе» на внутренний трубопровод в виде двух спиралей, каждая длиной не менее внутреннего диаметра трубопровода. Заводят спирали в межтрубное пространство, заполняют рукава воздухом, концы межтрубного пространства закрывают кольцевыми жестко связанными с наружным трубопроводом заглушками, обеспечивающими свободное перемещение наружного и внутреннего трубопроводов друг относительно друга при отсутствии избыточного давления в межтрубном пространстве. Технический результат изобретения - повышение надежности защиты окружающей среды. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к строительству трубопроводов, преимущественно подводных переходов, и предназначено для устранения температурных напряжений в трубопроводах типа «труба в трубе» в рабочем состоянии без установки внутри специальных компенсаторов и предотвращения попадания перекачиваемых по внутреннему трубопроводу жидких углеводородов в окружающую среду в случае нарушения герметичности внутреннего трубопровода.

Известно сооружение трубопроводов типа «труба в трубе», при котором межтрубное пространство герметизируют путем заполнения спиральных, неплотно навитых навстречу друг к другу по всей длине внутреннего трубопровода рукавов затвердевающим цементным раствором. Температурные напряжения во внутреннем трубопроводе гасят путем устройства специальных компенсаторов в виде спирально навитых навстречу друг к другу замкнутых металлических полостей (А.С. СССР № 1460512, кл. F16L 1/04, 1989).

Недостатком герметизации межтрубного пространства в этом случае является обязательная установка компенсаторов температурных напряжений внутри трубопровода типа «труба в трубе», что существенно усложняет и удорожает всю известную конструкцию трубопровода типа «труба в трубе».

Ближайшим по существу техническим решением является герметизация полости трубопроводов, при которой уплотнители выполняют в виде плотно навитых по спирали рукавов, заполняют рукава несжимаемыми наполнителями (патент РФ, № 2025634, Кл. F16L 55/12, 1994).

В этом случае не обеспечивается полная герметизация пространства при достаточно большом избыточном давлении перед уплотнителем. Такое давление может быть перед рукавным уплотнителем, если его установить в межтрубном пространстве. При повреждении (нарушении герметичности) внутреннего трубопровода системы «труба в трубе» загрязняющая жидкость может просочиться по спиральным зазорам между плотно навитыми недеформируемыми под давлением круглыми в поперечном сечении рукавами с несжимаемым наполнителем и попасть в окружающую среду. Такая герметизация полости трубопровода имеет ограниченную область применения и может быть использована только при давлении перед рукавным уплотнителем близком к атмосферному, т.е. только при проведении ремонтных работ по устранению (вырезке) поврежденных участков обычных (не «труба в трубе») трубопроводов.

Цель изобретения - надежная защита окружающей среды от разливов жидких углеводородов при нарушении герметичности внутреннего трубопровода системы «труба в трубе» и обеспечение компенсации температурных напряжений во внутреннем трубопроводе в рабочем состоянии (без нарушения его герметичности) за счет свободного осевого перемещения внутреннего трубопровода относительно наружного в исправном состоянии системы «труба в трубе».

Надежная защита окружающей среды достигается за счет того, что герметизацию межтрубного пространства выполняют путем установки в межтрубное пространство плотно навитых в виде спирали рукавов из эластичного непроницаемого для воздуха материала, которые заполняют сжимаемым наполнителем (воздухом). При нарушении герметичности внутреннего трубопровода избыточное давление в межтрубном пространстве повышается, сдавливает и плотно прижимает спирально навитые рукава с воздухом к стенкам наружного и внутреннего трубопроводов, обеспечивая, таким образом, полную герметичность межтрубного пространства.

Обеспечение компенсации температурных напряжений внутреннего трубопровода в рабочем состоянии (при отсутствии избыточного давления в межтрубном пространстве) достигается за счет того, что воздух в спирально навитые рукава подают под низким давлением, близким к атмосферному, при котором практически отсутствуют силы трения между рукавами и стенками внутреннего трубопровода, препятствующие относительному продольному перемещению наружного и внутреннего трубопроводов в исправном состоянии.

Способ реализуется следующим образом. Рукава выполняют из эластичного непроницаемого для воздуха материала, наматывают их с небольшим зазором по концам трубопровода «труба в трубе» на внутренний трубопровод в виде двух спиралей каждая длиной не менее внутреннего диаметра трубопровода, заводят спирали в межтрубное пространство, заполняют рукава воздухом, концы межтрубного пространства закрывают кольцевыми жестко связанными с наружным трубопроводом заглушкам, обеспечивающими свободное перемещение наружного и внутреннего трубопроводов друг относительно друга при отсутствии избыточного давления в межтрубном пространстве. Для исключения температурных напряжений в трубопроводе типа «труба в трубе» непроницаемые рукава, намотанные в виде плотной спирали на внутренний трубопровод, заполняют воздухом при давлении, обеспечивающем свободное перемещение трубопроводов друг относительно друга при отсутствии избыточного давления в межтрубном пространстве.

Для исключения самопроизвольного разматывания спиралей при заведении их в межтрубное пространство концы спиралей соединяют гибкой связью или ограничивают их концы кольцевыми втулками.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ герметизации межтрубного пространства трубопроводов типа «труба в трубе», включающий размещение в трубопроводах уплотнительных узлов, выполненных в виде плотно навитых друг к другу спиральных рукавов с наполнителями, отличающийся тем, что рукава выполняют из эластичного непроницаемого для воздуха материала, наматывают их с небольшим зазором по концам трубопровода типа «труба в трубе» на внутренний трубопровод в виде двух спиралей каждая длиной не менее внутреннего диаметра трубопровода, заводят спирали в межтрубное пространство, заполняют рукава воздухом, концы межтрубного пространства закрывают кольцевыми жестко связанными с наружным трубопроводом заглушками, обеспечивающими свободное перемещение наружного и внутреннего трубопроводов относительно друг друга при отсутствии избыточного давления в межтрубном пространстве.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для исключения температурных напряжений в трубопроводе типа «труба в трубе» непроницаемые рукава, намотанные в виде плотных спиралей на внутренний трубопровод, заполняют воздухом при давлении, обеспечивающем свободное перемещение трубопроводов относительно друг друга при отсутствии избыточного давления в межтрубном пространстве.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для исключения самопроизвольного разматывания спиралей при заведении их в межтрубное пространство концы спиралей соединяют гибкой связью или ограничивают их концы кольцевыми втулками.

При бестраншейной реновации ветхих трубопроводных сетей путем протаскивания в них новых, меньшего диаметра, из полимерных и других материалов перед проектировщиками ставятся задачи определения нагрузок на протаскиваемый трубопровод и проверки несущей способности двухслойной трубной конструкции «старый трубопровод + протаскиваемый», пространство между которыми заполняется цементным раствором (ЦР).

Для определения нагрузок на реконструируемый трубопровод необходимо решить одну из классических задач гидростатики, т. е, определить величину и направление давления жидкостей (растворов различной консистенции) на криволинейную цилиндрическую поверхность труб.

Забутовка межтрубного пространства в основном необходима для устойчивости восстанавливаемого трубопровода и повышения прочности строительной конструкции после ремонта бестраншейным методом, а также для предотвращения возможных линейных удлинений полимерного трубопровода внутри старого под воздействием температуры окружающей среды и транспортируемой жидкости.

Решение задачи определения давления цементного раствора в межтрубном пространстве позволяет с учетом прочностных характеристик и геометрических размеров новых протягиваемых полимерных труб выявить их способность противодействовать всем видам нагрузок и, таким образом, гарантировать отсутствие деформаций при обеспечении несущей способности и физической целостности образующейся единой трехслойной трубной конструкции «старый трубопровод + цементный раствор + полимерный трубопровод». При этом на практике для противодействия нагрузок от ЦР возможен вариант предварительного заполнения полимерной трубы наполнителем, например, водой.

На ниже схематично изображен фрагмент поперечного разреза ремонтного участка трехслойной трубной конструкции единичной длины (1 м).

Поперечный разрез ремонтного участка трубопровода с забутовкой межтрубного пространства

1 — подлежащий реновации старый трубопровод внутренним диаметром D вн;
2 — новый полимерный трубопровод наружным диаметром d нар и внутренним диаметром d вн; 3—цементный раствор (ЦР) в межтрубном пространстве.

На практике задача исследований сводится к определению величины и направления воздействия давления ЦР на цилиндрическую поверхность, за которую принимается гонкая кромка полимерного трубопровода по длине окружности диаметром d вн, за вычетом соответствующего объема полимерного материала между наружной и внутренней стенками полимерной трубы, т. е. цилиндрического кольца, заключенного между диаметрами d нар и d вн.

Общий подход к решению данной задачи заключается в том, что определяются горизонтальная и вертикальная составляющие силы давления на оси координат и по правилам механики находится равнодействующая этих сил, которая и представляет собой силу давления на цилиндрическую поверхность. Ниже представлены варианты решения задачи определения нагрузки на трубопровод для четырех характерных случаев:

• при равномерной забутовке межтрубного пространства ЦР с учетом толщины стенки и материала изготовления трубы при отсутствии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе;
• то же при наличии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе;
• при неравномерной забутовке межтрубного пространства ЦР (например, с левой стороны от полимерной трубы) с учетом толщины стенки и материала изготовления трубы при отсутствии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе;
• то же при наличии наполнителя (воды) в полимерном трубопроводе.

Образцы эпюр возникающих давлений на цилиндрическую поверхность полимерного трубопровода представлены на рисунках ниже, где, для удобства и упрощения изображения трехслойной трубной конструкции, удалены контуры старого трубопровода и отсутствует горизонтальная штриховка, отображающая ЦР. При этом необходимо отметить, что для первых двух вариантов решения задачи в качестве результирующего давления рассмотрены соотношения между вертикальными составляющими (разница между положительным и отрицательным телами давлений), а горизонтальные составляющие, равномерно воздействующие с обеих сторон на цилиндрическую поверхность трубы, одинаковы и подлежат взаимоисключению.

Слева эпюры вертикальной составляющей результирующего давления ЦР на цилиндрическую поверхность трубы при равномерной забутовке и отсутствии воды

Справа эпюра давления воды на внутреннюю цилиндрическую поверхность трубы

Эпюра давлений ЦР на левую часть цилиндрической поверхности трубы при неравномерной забутовке с координатами центра давлений T d , вектором результирующей силы давления и углом ее наклона α

Согласно рисунку выше (с учетом единичной длины рассматриваемого трубопровода), положительным «+» V 2 телом давления ЦР на цилиндрическую поверхность (наклонная штриховка) является некий объем V AKLBM . Для определения данного объема необходимо рассчитать объем V AKLBM за вычетом половины площади окружности диаметром d вн. Для учета давления от массы верхней части полимерной трубы (до горизонтального диаметра), необходимо из полученного выше объема вычесть объем цилиндрического полукольца, ограниченного образующими полимерной трубы АМВВ"М"А". После соответствующих математических выкладок объем «+» V 2 составит:

С учетом того, что на образующую А"М"В" воздействуют разные по плотности вещества (ЦР и полимерный материал), положительная вертикальная составляющая силы давления «+» P z на цилиндрическую поверхность будет выражена с учетом различных объемных весов (плотностей) в виде произведения соответствующих объемов веществ на их объемный вес, т. е. γ цр и γ пм:

В свою очередь, отрицательным «-» V 2 телом давления ЦР на цилиндрическую поверхность (вертикальная штриховка) является некий объем V AKLB плюс половина объема фигуры с площадью окружности диаметром d за вычетом объема цилиндрического кольца, ограниченного образующими полимерной трубы АМВСС"А"М"В". После соответствующих математических выкладок объем «-» V 2 составит:

С учетом различных объемных весов, отрицательная вертикальная составляющая силы давления «-» Р z на цилиндрическую поверхность будет выражена в виде:

Результирующая вертикальная составляющая силы давления на цилиндрическую поверхность после соответствующих преобразований составит:

Знак «-» у результирующей силы давления свидетельствует о том, что эта сила в соответствии с принятой координатной сеткой символизирует выталкивающую (архимедову) силу.

В случае заполнения полимерного трубопровода водой в период забутовки межтрубного пространства возникает равномерно распределенная, противодействующая результирующей силе нагрузка на внутреннюю поверхность трубопровода, что уменьшает величину результирующей силы давления. Согласно рисунку выше и приведенным выше рассуждениям, положительный объем тела давления воды «+» W складывается из некоторого объема W A" NSB" и половины объема фигуры с площадью окружности диаметром d вн:

С учетом объемного веса воды у в положительная вертикальная составляющая силы давления воды «+»Р на внутреннюю цилиндрическую поверхность будет выражена в виде:

Тогда с учетом всех реальных нагрузок на цилиндрическую поверхность, исключая уравновешивающие друг друга горизонтальные составляющие с обеих сторон трубопровода, результирующая составляющая силы давления составит:

В отношении направлений результирующей силы необходимо отметить, что для двух первых рассматриваемых вариантов решений направления совпадут с вертикальной осью, проходящей через центры окружностей 0 и 0", и в зависимости от конкретных значений величин, входящих в формулы выше, могут быть как положительными, так и отрицательными.

Частным случаем неравномерного распределения давлений при забутовке межтрубного пространства является заполнение пространства ЦР с одной из сторон, рисунок выше. В этом случае возникает горизонтальная составляющая силы давления, воздействующая с одной стороны трубопровода (например, левой) и достигающая максимума в момент начала перелива ЦР на другую сторону (правую) цилиндрической поверхности трубы. В этом случае горизонтальная составляющая результирующей силы давления на единичную длину трубопровода определяется как площадь эпюры на вертикальную плоскость (аЪс), умноженная на объемный вес ЦР:

P" x = (d нар 2 / 2) γ цр.

Величина вертикальной составляющей результирующей силы давления на трубопровод определяется по формуле:

Другими словами, величина вертикальной составляющей представляет собой половину от величины, рассчитанной по формуле выше. Представленная формула выше справедлива для случая порожнего полимерного трубопровода.

Согласно правилам теоретической механики, равнодействующая сила давления на цилиндрическую поверхность трубопровода определяется из формулы:

P рав = √ (P" x 2 + P" z 2)

Для случая заполнения полимерного трубопровода водой в период забутовки межтрубного пространства равнодействующая сила давления определяется по формуле:

P рав = √ (P" x 2 + (P" z +P) 2)

Необходимо отметить, что в формуле выше величина P" z бралась со своим знаком, т. е. «+» или «-» по конкретным результатам расчета.

Определив величины равнодействующей силы, можно определить точку приложения и направление силы, т. е. угол α ее наклона к горизонту. Угол α определяется из треугольника сил, построенных по катетам P" z и P" х, например, через тангенс угла по формуле:

tgα= P" z / P" х

Точка приложения равнодействующей силы давления T d (т. е. центр давления) для криволинейных поверхностей определяется по следующим правилам: горизонтальная составляющая Р" х проходит через центр тяжести эпюры ABC (рисунок выше) и согласно правилам механики для рассматриваемого случая находится на расстоянии z = d нар /3 вверх от плоскости сравнения I—I. Вертикальная составляющая P" z должна проходить через центр тяжести поперечного сечения тела давления. Используя правила механики, для данного случая (объема полуокружности), рассчитываем, что точка T d должна лежать на расстоянии х = 0,212d нар слева от плоскости сравнения II-II. Таким образом, координаты центра давления составят: х — 0,212d нар и z = d нар /3. Для получения вектора равнодействующей силы давления из точки координат центра давления T d проводится прямая под углом α к горизонту.

После определения нагрузок на полимерный трубопровод должен производиться прочностной расчет, сущность которого состоит в проверке несущей способности нового трубопровода в период проведения забутовки по нескольким критериям, в частности, по условию прочности на воздействие внутреннего давления (I); условию предельно допустимой овализации (деформации) поперечного сечения трубы (II); условию устойчивости круглой формы поперечного сечения трубопровода (III).

Ниже рассмотрены методические подходы к прочностному расчету с различными вариантами проведения строительных работ и перечнем исходных данных для проектирования.

Исходные данные:

Диаметры: D = 0,4 м; d нар = 0,32 м; d вн = 0,29 м.

Объемные веса: γ цр = 25 ООО Н/м 8 ; γ пм = 9500 Н/м 3 ; γ В = 9800 Н/м 3 .

Проектное внутреннее давление транспортируемого вещества, соответствующее приведенному расчетному напряжению σ пр = 0,8 МПа.

В качестве полимерных используются полиэтиленовые трубы ПНД с проектируемым сроком эксплуатации 50 лет.

Старый чугунный трубопровод находится на глубине 10 м от поверхности земли и уровень грунтовых вод составляет Р гв = 10 м вод. ст. (ОД МПа); трубопровод имеет многочисленные повреждения в виде расхождения в стыках раструбов при сохранении остова трубы.

Проверка несущей способности по условию I

Новый полимерный трубопровод, протаскиваемый в старый и подвергнутый забутовке, изначально должен иметь расчетное сопротивление материала R* больше полного расчетного приведенного напряжения σ пр:

R* > σ пр.

Величина R* определяется по формуле:

R*=k 1 R н k y k c = 2,16 МПа,

где k 1 — коэффициент условий прокладки, 0,8; R н — нормативное длительное сопротивление материала стенки трубы, МПа (при эксплуатации 50 лет и температуре 20°С R н = 5 МПа); k y — коэффициент условий работы, 0,6; k c — коэффициент прочности соединений, 0,9.

Таким образом, условие соблюдается: 2,16 МПа >> 0,8 МПа.

Проверка несущей способности по условию II

Относительная деформация вертикального диаметра трубопровода (Е, %), не должна превышать предельно допустимой величины овализации поперечного сечения, которая для полиэтиленовых труб принимается равной 5%.

Величина Е определяется по формуле;

E = 100ςP пр θ / 4P л d нар ≤ [E]

где ς — коэффициент, учитывающий распределение нагрузки и опорной реакции основания, ς = 1,3; Р пр — расчетная внешняя приведенная нагрузка, Н/м, определяемая соответственно по формулам выше, для различных вариантов забутовки, а также отсутствия или наличия воды в полиэтиленовом трубопроводе; Р л — параметр, характеризующий жесткость трубопровода, Н/м 2:

где k e — коэффициент, учитывающий влияние температуры на деформационные свойства материала трубопровода, k e = 0,8; Е 0 — модуль ползучести материала трубы при растяжении, МПа (при эксплуатации 50 лет и напряжении в стенке трубы 5 МПа Е 0 = 100 МПа); θ — коэффициент, учитывающий совместное действие отпора основания и внутреннего давления:

где Е гр — модуль деформации засыпки (забутовки), принимаемый в зависимости от степени уплотнения (для ЦР 0,5 МПа); Р — внутреннее давление транспортируемого вещества, Р < 0,8 МПа.

Последовательно подставляя исходные данные в основные формулы выше, а также в промежуточные получаем следующие результаты расчета:

Анализируя полученные результаты расчетов для данного случая, можно отметить, что для уменьшения величины Р пр необходимо стремиться к снижению до нуля величины Р" z + Р, т. е. равенства по абсолютной величине значений Р" z и Р. Этого можно достичь изменением степени наполнения водой полиэтиленового трубопровода. Например, при наполнении равном 0,95, положительная вертикальная составляющая силы давления воды Р на внутреннюю цилиндрическую поверхность составит 694,37 Н/м при Р" z = -690,8 Н/м, Таким образом, регулируя наполнение, можно достичь равенства данных величин.

Подводя итог результатов проверки несущей способности по условию II для всех вариантов, необходимо отметить, что предельно допустимых деформаций в полиэтиленовом трубопроводе не возникает.

Проверка несущей способности по условию III

Первым этапом расчета является определение критической величины внешнего равномерного радиального давления Р кр, МПа, которое труба способна выдержать без потери устойчивой формы поперечного сечения. За величину Р кр принимается меньшее из значений, вычисленных по формулам:

Р кр =2√0,125P л E гр = 0,2104 МПа;

Р кр = P л +0,14285 = 0,2485 МПа.

В соответствии с расчетами по формулам выше принимается меньшее значение Р кр = 0,2104 МПа.

Следующим этапом является проверка условия:

где k 2 — коэффициент условий работы трубопровода на устойчивость, принимаемый равным 0,6; Р вак — величина возможного вакуума на ремонтном участке трубопровода, МПа; Р гв — внешнее давление грунтовых вод над верхом трубопровода, по условию задачи Р гв = 0,1 МПа.

Последующий расчет ведется по аналогии с условием II на несколько случаев:

• для случая равномерной забутовки межтрубного пространства при отсутствии воды в полиэтиленовом трубопроводе:

таким образом, условие выполняется: 0,2104 МПа>>0,1739 МПа;

• то же при наличии наполнителя (воды) в полиэтиленовом трубопроводе:

таким образом, условие выполняется: 0,2104 МПа >>0,17 МПа;

• для случая неравномерной забутовки межтрубного пространства при отсутствии воды в полиэтиленовом трубопроводе:

таким образом, условие выполняется: 0,2104 МПа >>0,1743 МПа;

• то же при наличии воды в полиэтиленовом трубопроводе:

таким образом, условие выполняется: 0,2104 МПа >>0,1733 МПа.

Проверка несущей способности по условию III показала, что устойчивость круглой формы поперечного сечения полиэтиленового трубопровода соблюдается.

В качестве общих выводов необходимо отметить, что выполнение строительных работ по забутовке межтрубного пространства для соответствующих исходных параметров проектирования не отразится на несущей способности нового полиэтиленового трубопровода. Даже в экстремальных условиях (при неравномерной забутовке и высоком уровне грунтовых вод) забутовка не приведет к нежелательным явлениям, связанным с деформацией или другими повреждениями трубопровода.