Геоэкологические и технологические основы совершенствования процесса сооружения и эксплуатации бесканальных теплопроводов - Автореферат

В настоящее время удельные затраты на транспортирование тепла, капитальные вложения в тепловые сети достигают 50-60 % стоимости сооружения теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), при этом темпы строительства и ввода новых тепловых сетей, а также темпы их реконструкции значительно отстают от темпов ввода новых тепловых мощностей на ТЭЦ, что объясняется высокой стоимостью теплопроводов, большими затратами на стройматериалы, трубы, технологическое оборудование, издержками на экологическую реабилитацию территорий, отводимых для трасс подземных, в том числе и бесканальных, теплопроводов. Актуальной задачей при сооружении и эксплуатации бесканальных теплопроводов, требующей своего решения в настоящее время, остается задача повышения коррозионной стойкости, механической прочности и надежной гидро-теплоизоляции теплопроводов, в частности, при включении в них участков самокомпенсирующихся труб. Задача повышения коррозионной стойкости бесканальных теплопроводов может быть решена на основе применения специальных сталей, например, ферритного состава, а также пластиковых труб с пенополиуретановой теплоизоляцией, что вызывает необходимость проведения соответствующих исследований. Научная новизна работы состоит в разработке: научно-практических основ оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) бесканальных теплопроводов с учетом температурных деформаций труб, внутреннего давления и внешней нагрузки с построением соответствующей математической модели; Высокая эффективность, экологичность и индустриальность сооружения бесканальных теплопроводов с различными видами тепло-гидроизоляции могут быть обеспечены за счет применения поточно изготовляемых самокомпенсирующихся гофрированных секций стальных труб, в том числе с вакууммированными участками; при этом наиболее экономичной и надежной в сложных геолого-технических условиях с повышенной влажностью и агрессивностью грунтов следует считать экологически чистую и безопасную теплоизоляцию из пенополиуретана в сочетании с полиэтиленовой наружной оболочкой, термокомпенсационными узлами и термоусаживающимися соединительными манжетами.Высокое увлажнение грунтов при переменном температурно-влажностном режиме вызывает коррозию теплопроводов, нарушение напряженно-деформированного состояния (НДС) труб со снижением их прочностных свойств, что, как следствие, приводит к сокращению сроков службы трубопроводов и нарушению экологического равновесия в окружающей среде вблизи тепловых трасс. При расчетах прочности защитных оболочек различных конструкций для бесканальных теплопроводов, наряду с горным давлением, необходимо учитывать внешние нагрузки от городского транспорта, веса самой конструкции, внутреннего давления и температуры носителя, а также условия закрепления, поэтому исследование НДС теплопроводов при их эксплуатации и расчет их прочности с учетом совместной работы системы «многослойная гидро-теплозащитная оболочка - труба - грунт» является в настоящее время актуальной проблемой. Всесторонний анализ напряженно-деформированного состояния, продольной устойчивости и перемещения самокомпенсирующихся труб, работающих при давлениях 1,6-5,5 МПА и допускаемом температурном перепаде до 200 °С, с учетом технологических требований позволил найти рациональные конструктивные решения труб с винтовыми гофрами. Для сооружения подземных бесканальных теплопроводов в особо сложных инженерно-геологических условиях предлагается использовать конструкции обделок «труба в трубе». На каждом этапе нагрева проводились измерения внутреннего давления, температуры на входе в трубу и на выходе и продольных перемещений концов трубы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проведенные исследования, представляющие собой законченную научно-квалификационную работу, в которой приведены геоэкологические основы совершенствования процессов строительства и эксплуатации бесканальных теплопроводов, что имеет важное народнохозяйственное и социальное значение, позволили получить следующие общие выводы и рекомендации: 1. Грунты, в которых осуществляются бесканальные прокладки теплопроводов, в частности, в Санкт-Петербурге, характеризуются повышенным обводнением, вызывающим резкое увлажнение изоляции теплопроводов со снижением уровня их прочности изза развития коррозионных процессов. При этом единичные дефекты бесканальных теплопроводов появляются уже после 5 лет эксплуатации, а после 6-10 лет количество дефектов возрастает в 10-15 раз, когда очаги коррозии различных типов проявляются на 70 % и более наружной поверхности стальных труб. Коррозия реализуется в виде общей или питтинговой коррозии и коррозионного растрескивания, то есть в виде визуально трудно определимых транскристаллитных трещин, способствующих потере прочности и устойчивости отдельных участков трубопроводов.

2. Постоянная и повышенная обводненность грунтов является питательной средой для развития микробиоты - одной из причин интенсификации коррозии теплопроводов, чему способствуют торфяники погребенных болот низинного типа, распространенных на двух третях площади исторического центра Санкт-Петербурга, где сухая биомасса достигает 435 т/га. Погребенные болота представляют наибольшие трудности для прокладки и эксплуатации бесканальных теплопроводов. Эти трудности усугубляются контаминацией заторфованных и песчано-глинистых грунтов отходами коммунального водоотведения и нефтепродуктами (из разливов), где получают свое развитие углеводородоокисляющие микробы.

3. В механизме влияния коррозионных сред на трещиностойкость стальных труб можно выделить адсорбционное понижение твердости (эффект Ребиндера), впрочем, редко проявляющееся при бесканальных прокладках теплопроводов; водородное охрупчивание и коррозионное растрескивание, действующие как отдельно, так и (чаще всего) одновременно. Действенными мерами предотвращения этих процессов можно считать применение плакированных труб, подачу кислорода для прекращения процесса водородного охрупчивания металла, особенно в местах их ослабленной защиты: при повреждениях изоляции, на стыках труб, на переходах через стенки камер, вблизи компенсаторов и т.п.

4. Из сталей, применяемых для изготовления труб, наиболее высокие антикоррозионные качества проявляют аустенит-ферритные стали, обладающие повышенной сопротивляемостью к коррозионному растрескиванию, особенно в хлорсодержащих средах, поэтому применение этих сталей хотя бы для плакирования труб тепловых трасс может обеспечить рост их ресурса до 10 раз по сравнению с трубами из чисто углеродистых сталей.

5. В настоящее время перспективными для защиты металла труб бесканальных тепловых сетей можно считать газотермические и термохимические покрытия, а также их комбинации, например, анодные термохимические, комбинированные с катодными покрытия, способствующие резкому увеличению срока эксплуатации бесканальных теплопроводов (до 50 лет и более) и могущие стать реальной альтернативой применению нержавеющих сталей и даже плакированию.

6. Применение самокомпенсирующихся секций в бесканальных теплопроводах (СК-труб) определяет необходимость учета их конструктивных особенностей при оценке напряженно-деформированного состояния (НДС), когда обеспечивается равномерная по длине трубопровода компенсация температурных деформаций при наличии теплогидроизоляционной защитной оболочки, на которую непосредственно и воздействует внешняя нагрузка. При этом применение СК-труб обеспечивает одновременно и совместность работы системы «труба - тепло-гидроизоляция», и снижение продольных деформаций труб при совместном действии как внешней нагрузки, так и внутреннего давления и температурного перепада.

7. Участки СК-труб представляют собой спиральношовные трубы, на поверхности которых эквидистантно по отношению к спиральному шву размещаются непрерывные винтовые гофры, с помощью которых практически полностью компенсируются продольные деформации, при этом минимальные напряжения в гофрах наблюдаются при углах их установки в пределах 55-70 ° к оси трубы.

8. Разработанная и экспериментально проверенная расчетная методика оценки ЩС бесканальных теплопроводов, учитывающая наличие безотпорной зоны в трубопроводах с упругой тепло-гидрозащитной оболочкой, позволяет определять температурные и механические напряжения и деформации в зависимости от изменения внутреннего давления, внешней нагрузки и перепадов температур теплоносителя внутри труб и наружной окружающей среды. При этом показано, что изгибающий момент по мере удаления от шелыги трубопровода уменьшается вплоть до смены знака и далее растет в противоположном направлении, но по модулю не достигает максимального значения; продольная же сила медленно возрастает, принимая максимальное значение в безотпорной зоне на стыке ее с отпорной частью трубы.

9. Интенсивность и характер распределения температурных и механических напряжений в СК-трубах имеют функциональную зависимость от величины перепада температур, внешней нагрузки внутреннего давления, а также определяются видом тепловой изоляции и формой закрепления трубопровода. Кроме того, большое значение имеет степень уплотнения грунта при засыпке трубопровода, равносильная повышению бокового отпора грунта и могущая стать технологической основой обеспечения экономии металла, так как при значительном боковом отпоре грунта мочено использовать трубы с более тонкими стенками.

10. Длительное воздействие торфов погребенных болот на грунты из моренных суглинков и супесей приводит к преобразования их состава, естественного состояния и физико-механических свойств: снижению прочности и сцепления на 15-20 % и угла внутреннего трения на 10-11 % при возрастании в них микробного белка с 60 до 250 мкг/г с проявлениями газовыделений сероводородного и диоксидуглеродного состава из проходимых траншеями грунтов, что ухудшает экологическую обстановку вблизи тепловых трасс. Микробиологическая деятельность приводит к изменению гранулометрического состава грунтов и закупорку норового пространства в них и, вместе с тем, к снижению коэффициента фильтрации (до 10 раз в отдельных случаях).

11. Стендовые и опытно-промышленные испытания секций СК-труб в «жесткой» (армопенобетонной) и «эластичной» (пенополиуретановой) теплоизоляции при нагреве до 180 °С показали, что монолитная теплоизоляция из вспененного пенополиуретана незначительно влияет на продольную жесткость трубопровода в отличие от армопенобетонной, увеличивающей эту характеристику на 11 %. Нагрев теплоизоляции способствует разгрузке гофров, не вызывая заметного увеличения напряжений в гладких частях труб, что подтверждает возможность самокомпенсации температурных деформаций труб при отсутствии общих продольных перемещений трубопровода и смешений неподвижных опор. При этом в двухтрубных теплопроводах выявлен эффект снижения теплопотерь за счет табулирования: наиболее заметное снижение теплопотерь наблюдается при вакууме менее 20 мбар, а при вакууме 10 кбар теплопотери в секции, дополнительно изолированное минеральной ватой, снижаются в 4 раза.

12. В условиях высокой коррозионной способности среды реальное обеспечение надежности и устойчивости эксплуатации бесканальных теплопроводов возможно при замене стальных труб пластиковыми, например, полипропиленовыми, не подверженными ни внутренней, ни наружной коррозии, отличающимися высокой пропускной способностью при малых потерях давления на прокачивание значительных объемов горячего теплоносителя. Термоупругие напряжения в пластиковых трубах релаксируют в течение нескольких часов и так же быстро исчезают при нагреве труб горячим теплоносителем; при этом упругая составляющая линейной деформации растяжения-сжатия переходит в необратимую пластическую деформацию, благодаря которой длина теплопровода не изменяется. Пластиковые трубы наиболее пригодны для использования во внутренних и микрорайонных системах отопления. Для бесканальных прокладок рекомендуются пластиковые трубы широкого диапазона диаметров (от 110 до 2000 мм), то есть трубы среднего, тяжелого и особо тяжелого типов.

13. Устойчивость первоначальной круглой формы трубопровода является обязательным условием обеспечения его плановой пропускной способности и эффективности при эксплуатации, что особенно важно при использовании пластиковых труб, в частности, больших диаметров (600 мм и более). Повышению устойчивости теплопроводов с полипропиленовыми трубами способствует упругая пенополиуретан-полиэтиленовая теплогидрозащитная оболочка, воспринимающая до 20 % напряжений с уменьшением степени овализации теплопровода при возможной потере устойчивости, но главным условием устойчивой работы любого теплопровода является единство и сцепление всех элементов конструкции теплопровода («связанность конструкции»).

14. При использовании полипропиленовых труб в качестве основных в теплопроводах напряжения во всех слоях последних в значительной мере выравниваются, и основные нагрузки воспринимаются центральной полипропиленовой трубой и наружной полиэтиленовой оболочкой, подчиненное значение имеет пенополиуретановый теплозащитный слой. В теплопроводах со стальными трубами самые значительные напряжения возникают именно в стенках стальных труб, тогда как в остальных слоях напряжения на 2-4 порядка ниже, то есть наличие тепло-гидрозащитного слоя на прочностные характеристики стальных труб теплопровода влияния практически не оказывает. Перспективным материалом для замены ППУ следует считать материал ТТМ, производимый на основе латексов отечественных синтетических полимеров, который, в отличие от ППУ, обладает низкой токсичностью, слабой горючестью, возможностью регулирования механической прочности и степени адгезии с полипропиленом и полиэтиленом, безотходностью при обработке поверхностей слоя ТТМ любой конфигурации и шероховатости. Тем не менее, применение ППУ-изоляции в бесканальных теплопроводах способствует увеличению срока службы последних до 30 лет и более, что дает возможность получения значительного экономического эффекта: для теплопроводов малых диаметров (50-250 мм) от 0,5 до 1,0 млрд. руб. в год, диаметрами 300-1000 мм - 1,1 - 1,6 млрд. руб.

15. Аналитические исследования трещиностойкости и температурной устойчивости стальных труб как основы бесканальных теплопроводов показывают, что в таких трубах могут развиваться трещины и, соответственно, напряжения двух видов: поперечного и продольного сдвигов, - для предупреждения развития которых рекомендуются способы их торможения: обжатие труб при монтаже гидроизоляционной оболочки; создание на пути роста трещин границ раздела; нанесение в заводских условиях на поверхность труб тонких резинобитумных прослоек; тепловое воздействие на трубу вблизи появления микротрещин с целью направления роста трещин в нагретую и потому более вязкую область, где трещина может исчезнуть; электроимпульсное воздействие на вершины трещин; упруго-волновая обработка материала труб.

16. Одним из направлений совершенствования диагностики состояния теплопроводов и обнаружения дефектов в них является применение дистанционных методов, в частности, запатентованного метода четырехволновой локации, модернизированного за счет одновременного использования двух панорамных приемников, диапазон частотной перестройки которых равен диапазону частот передатчика, с применением антенн, имеющих круговую и кардиоидную диаграммы. Вероятность безотказной работы устройств, реализующих этот метод, составляет 0,8-0,9.

17. Практическая стабилизация объема повреждений тепловых сетей в Санкт-Петербурге может быть достигнута при ежегодной перекладке не менее 400 км (8 % от общего объема) устаревших тепловых сетей. Заметное снижение повреждаемости их обеспечивается, однако, при перекладке до 600 км теплотрасс с учетом уровня резервирования более 70-80 %. Для экономии ресурсов и снижения техногенной нагрузки на окружающую среду, в том числе и на геологические и экологические характеристики ее, следует считать сокращение потерь воды и тепловой энергии, предотвращение утечек теплоносителя из теплопроводов, а также теплового, физико-химического, электрохимического и других видов воздействия инженерных коммуникаций, в частности, бесканальных теплопроводов, чему может способствовать организация экологического аудита, результатом введения которого станет не только оценка состояния окружающей среды вблизи теплопроводов, но и план экологических мероприятий с целью дальнейшего совершенствования технико-технологических решений при строительстве и эксплуатации инженерных коммуникаций.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Способ изготовления соединительных термоусаживающихся манжет. Пат. РФ, № 2048984 /Н.Г.Кикичев, Л.Е. Любецкий и др. - Б.И., 1995, № 33.

2. Компенсационный узел. Пат.РФ, № 2049287 /Н.Г. Кикичев, Л.Е. Любецкий и др. - Б.И., 1995, № 33.

3. Кикичев Н.Г. Современные способы строительства тепловых сетей в России. - Тр. Международного семинара. - СПБ.: Ленэкспо, 1996.- С.18-21.

4. Кикичев Н.Г., Любецкий Л.Е. Нормативно-техническая база проектирования, изготовления и монтажа трубопроводов с пенополиуретановой изоляцией. - Тр. Международного семинара. - СПБ.: ЛЕНЭКСПО, 1996.- С.22-25.

5. Кикичев Н.Г., Горшков Л.К. Экологический аспект обеспечения коррозионной стойкости подземных трубопроводов /Материалы 2-ой международной конференции «Экология и развитие Северо-Запада РФ». - СПБ.: МАНЭБ, 1997.-С.30-31.

6. Кикичев Н.Г. Метод расчета напряженно-деформированного состояния подземных бесканальных теплопроводов. - Тр. XI-ой Российской конференции по механике горных пород. - СПБ., 1997.-С.67-71.

7. Кикичев Н.Г., Любецкий Л.Е., Горшков Л.К. Учет сопротивлений грунта при расчете бесканальных трубопроводов на продольный изгиб /Доклад на симпозиуме «Энергетика-97». - СПБ., 1997.-С.21-24.

8. Кикичев Н.Г., Любецкий Л.Е., Горшков Л.К. Температурные напряжения в бесканальных трубопроводах /Доклад на симпозиуме «Энергетика-97», 1997.-С.25-28

9. Горшков Л.К., Кикичев Н.Г., Наумов С.В. Продольный изгиб бесканальных теплопроводов. - В сб.: Наука в СПГГИ (ТУ), вып. 3. - СПБ: СПГГИ(ТУ), 1998.-С.289-298

10. Горшков Л.К., Кикичев Н.Г. Напряженно-деформированное состояние бесканальных теплопроводов. - Тр. 5-ой международной конференции «Экология и развитие стран Балтийского региона». - СПБ.: МАНЭБ, 2000.-С.92-96.

11. Кикичев Н.Г. Технико-технологические особенности строительства современных бесканальных теплопроводов в Санкт-Петербурге. - Тр. 5-ой международной конференции «Экология и развитие стран Балтийского региона». - СПБ.: МАНЭБ, 2000.-С.175-180.

12. Кикичев Н.Г. Антикоррозионная и гидравлическая защита бесканальных теплопроводов с секциями самокомпенсирующихся труб в условиях Санкт-Петербурга. - Тр. 5-ой международной конференции «Экология и развитие стран Балтийского региона». - СПБ.: МАНЭБ, 2000.-С.172-175.

13. Горшков Л.К., Гореликов В.Г., Кикичев Н.Г. Исследование напряженно-деформированного состояния подземных бесканальных теплопроводов при эксплуатации в условиях городской застройки /Доклад на научно-практической конференции «Научно-технические инновации в строительстве». - М.: МГСУ, 2004.-С.53-58.

14. Способ определения места утечки жидкости или газа из трубопровода, находящегося в грунте. - Пат. РФ № 2231037. -Б.И., 2004, № 17/соавторы В.А. Рогалев, Г.А. Денисов, В.И. Дикарев.

15. Горшков Л.К., Кикичев Н.Г., Гореликов В.Г., Соловьева Е.В. Устойчивость кольцевой формы труб бесканальных теплопроводов //Экология и атомная энергетика, вып.1(16), 2005.-С.77-79.

16. Горшков Л.К., Кикичев Н.Г., Гореликов В.Г. Расчет прочности пластмассовых труб для теплоснабжения и особенности их эксплуатации в бесканальных теплопроводах //Экология и атомная энергетика, вып.1(16), 2005.-С.72-75.

17. Горшков Л.К., Кикичев Н.Г. Работа стальных и пластиковых ттуб совместно с теплозащитной оболочкой в бесканальных трубопроводах. - Тр. IX-ой международной концеренции «Экология и развитие общества». - СПБ.: МАНЭБ, 2005.-С.128-131.

18. Кикичев Н.Г. Эффективность применения пенополиуретановой тепловой изоляции для бесканальных теплопроводов в Санкт-Петербурге. - Тр. IX-ой международной конференции «Экология и развитие общества». - СПБ.: МАНЭБ, 2005.-С.132-133.

19. Горшков Л.К., Кикичев Н.Г. Экологически чистая диагностика утечек жидкости из подземных бесканальных теплопроводов /Изв. Тульского гос. Университета: Геомеханика. Механика подземных сооружений, вып. 4, 2006.-С.56-61.

20. Кикичев Н.Г. Диагностика утечек жидкости в подземных трубопроводах как экологический аспект их эксплуатации //Региональная экология,2006. - Вып.1-2(26).

21. Кикичев Н.Г. Технико-технологическая и эколого-экономическая надежность бесканальных тепловых сетей //Изв. Таганрогского гос. радиотехн. университета, 2006, № 12.-С.142-146.

22. Кикичев Н.Г. Экологический аспект строительства и эксплуатации бесканальных теплопроводов в Санкт-Петербурге. -Тр. Х-ой международной конференции «Экология и развитие общества». - СПБ.: МАНЭБ, 2007.-С.146-151.

23. Горшков Л.К., Тулин П.К., Кикичев Н.Г. Геотехнологический и экологический аспекты строительства и эксплуатации бесканальных теплопроводов в Санкт-Петербурге /Зап. Горного института, т. 172, 2007.-С.146-152.

24. Кикичев Н.Г. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) вакууммированного участка самокомпенсирующегося бесканального теплопровода. - Тр. Х-ой Международной конференции «Экология и развитие общества». -Доп. вып. - СПБ.: МАНЭБ, 2007.

25. Кикичев Н.Г. Особенности эксплуатации самокомпенсирующихся секций в подземных бесканальных теплопроводах. -Тр.Х-ой Международной конференции «Экология и развитие общества». -Доп. вып. - СПБ.: МАНЭБ, 2007.

26. Кикичев Н.Г. Современный уровень и направления развития бесканальных тепловых сетей в Санкт-Петербурге. - Тр. XI-ой Международной конференции «Экология и развитие общества». - СПБ.: МАНЭБ, 2008.-С.92-96.

27. Кикичев Н.Г. Современные бесканальные теплопроводы: Монография. - СПБ.: Наука, 2008.-176с.

28. Кикичев Н.Г., Горшков Л.К. Экологические аспекты строительства и эксплуатации бесканальных тепловых сетей в мегаполисах. - Тр. VI-ой Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и развития морехозяйственного и нефтегазового комплексов» - Одесса-Керчь: Изд. «Пассаж», 2008.-С.63-71.

29. Кикичев Н.Г. Современные бесканальные тепловые сети на примере Санкт-Петербурга. - Тр. VI-ой Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и развития морехозяйственного и нефтегазового комплексов» - Одесса-Керчь: Изд. «Пассаж», 2008.-С.72-76.

30. Кикичев Н.Г. Стендовые исследования образцов самокомпенсирующихся секций бесканальных теплопроводов. ж. Экология урбанизированных территорий. 2008 (в печати).

31. Кикичев Н.Г. Применение самокомпенсирующихся труб в бесканальных тепловых сетях Санкт-Петербурга. ж. Экология урбанизированных территорий. 2008 (в печати).

Размещено на .ru