Наиболее актуальны вопросы реновации для городов России, где в коммунальном секторе свыше 70% трубопроводных коммуникаций находятся зачастую в аварийном состоянии [3]. Следуя вышеизложенному, первостепенной задачей коммунальных служб городов должны являться вопросы строительства, модернизации и реконструкции трубопроводов.
Предотвращение аварийных ситуаций и старения трубопроводов при использовании новых разработок на основе нормативов технического обслуживания и ремонта должно способствовать реализации долгосрочных программ по реновации трубопроводов, стоящих перед современным городом, а также постепенному отказу от стратегии аварийного восстановления, которая характерна для коммунальных служб ряда современных городов. Предупреждение разрушающего старения и оперативная ликвидация последствий аварийных ситуаций являются одними из главных задач служб эксплуатации коммунальных объектов городов.
Используемые в городском хозяйстве методы реновации водоотводящих трубопроводов и их многочисленных модификаций также требуют осмысления в плане их применения на конкретном объекте восстановления. Необходимы интенсификация процессов эксплуатации трубопроводов, выбор метода ремонта для конкретных объектов на основе комплексной сравнительной оценки показателей, выявление технических параметров ремонтных материалов для эффективного применения. Решение вопросов реновации актуально не только при организации восстановления трубопроводов, но и при их прокладке в условиях города с высокой плотностью населения, развитой подземной инфраструктурой, в стесненных условиях производства работ и при других «препятствиях» технического, социального и экономического характера.
При проведении анализа литературных источников установлено, что зачастую техническое состояние водоотводящих трубопроводов можно оценить как неудовлетворительное, однако темпы восстановительных работ и выделяемые средства на их реновацию весьма разнятся (разброс от 100 до 1000 и более раз).
При проведении лабораторно-выездных мероприятий выявлены и проанализированы основные факторы, дестабилизирующие функционирование безнапорной водоотводящей сети. В результате проведенного анализа установлено, что превалирующими материалами безнапорных водоотводящих сетей являются: железобетон - 35%, керамика - 26%, асбестоцемент - 22% и чугун - 17%, а напорных сетей: сталь - 90%, чугун - 6%, железобетон - 4% и пластмасса - 1%.
Характерной особенностью безнапорных сетей белгородской канализации является то, что железобетонные и керамические и трубы зачастую имеют 100%-ный износ, что соответственно представляет наиболее сложную задачу для исследователей; асбестоцементные безнапорные трубы имеют износ порядка 85%, и практически нет повреждений на пластмассовых трубопроводах из-за их относительно недавней прокладки.
По результатам аналитического анализа данных профилактических мероприятий ГУП «Белводоканал» установлено, что объемы профилактической прочистки водоотводящей сети растут из года в год; это свидетельствует о том, что водоотводящая сеть не справляется с возложенными на нее функциями беспрепятственной транспортировки сточных вод.
Засоры на безнапорных сетях, которые возникают в большинстве случаев на старых водоотводящих сетях, имеющих различного рода повреждения, провоцирующие засоряемость труб (наибольшее число засоров наблюдается на трубопроводах из керамических труб диаметром 125-200 мм, введенных в эксплуатацию в период 1961-1980 гг.), представляют серьезную проблему. Одной из важнейших причин засоров может служить низкая культура пользователей, что требует ужесточения мер по отношению к ряду абонентов, сбрасывающих сточные воды с большим содержанием жиров, которые откладываются на стенках трубопроводов.
Статистический анализ повреждений трубопроводов показывает, что основными причинами являются физический износ, разгерметизация раструбных соединений, просадка, появление трещин и разрушения. Повреждениям подвержены трубопроводы независимо от года их постройки и материала; наиболее дефектоспособны трубопроводы 1961-1970 гг. ввода в эксплуатацию, что составляет 23,5% случаев, а также 1951-1960 гг. постройки, что составляет 16,8% случаев.
Основное число повреждений трубопроводов происходит на участках, залегающих на глубинах от 2 до 5 м, и весьма незначительно подвергаются повреждениям трубы, залегающие на глубинах до 2 м или от 6 м и более.
Наиболее перспективными материалами для восстановления дефектов старых трубопроводов (таких как трещины, расхождение стыков и т.д.) являются протягиваемые полимерные материалы, трубы и защитные покрытия. Полимерные трубы позволяют восстановить прочностные характеристики старых трубопроводов и создать условия эффективной транспортировки сточных вод без образования наносов, а также сохранять гидравлические характеристики потока за счет малой шероховатости поверхности [4].
В последние десятилетия в сфере эксплуатации и ремонта городских систем водоотведения для решения указанных проблем разработано направление, получившее название бестраншейной технологии восстановления (санации) ветхих и прокладки новых трубопроводов. Данное направление является перспективной альтернативой открытому способу ремонта, реконструкции и строительства подземных трубопроводов. Бестраншейные технологии санации и прокладки трубопроводов наряду с оперативностью и экономичностью в сравнении с традиционными методами позволяют не нарушать сложившуюся экологическую обстановку, сохраняют исторические и архитектурные объекты и т.д.
Основной целью данной технологии является полное восстановление структуры трубопровода путем устранения дефектов по длине труб и в местах их стыковки при поддержании исходных гидравлических параметров течения потока жидкости. Восстановленная структура придает сооружению (трубопроводу) большую механическую прочность для выдерживания постоянных и временных нагрузок. При этом восстановление структуры не должно сопровождаться появлением дополнительных проблем, не наблюдавшихся ранее. Восстановление сетей и сооружений (выявление потенциального объекта восстановления, диагностика, разработка конкретных проектов реабилитации) требуют серьезных предварительных проработок (научно-технических, экономических, организационных и т.д.), на которые может быть затрачено до 25% средств, выделяемых на полное восстановление объекта. В связи с этим работы по бестраншейной реновации должны подвергаться полнейшей оптимизации [5].
Согласно международной классификации внутренние защитные покрытия могут выполняться в виде набрызговых оболочек, сплошных покрытий, спиральных или ленточных оболочек, а также точечных (местных) покрытий.
Первостепенно необходимо отметить, что прочностной расчет трубопроводов является многовариантной, актуальной задачей, привлекающей к себе внимание ученых, создавших ряд различных методов расчета (например, «старый трубопровод + новая полимерная труба»). Усложняет данную проблематику большинство факторов, оказывающих влияние на величину и распределение нагрузок на трубопровод, а также влияющих на несущую способность трубы.
При расчете трубопроводов, уложенных в землю, необходимо учитывать факт взаимодействия трубы с грунтом, при котором грунт является не только нагрузкой, но и средой, в которой протекает деформация трубы. В соответствии с нормами расчет труб, уложенных в земле, должен производиться по методу предельных состояний.
Особенностью метода предельных состояний является установление общего и четкого критерия состояний трубопровода, согласно которому определяется возможность трубопровода удовлетворять предъявленным эксплуатационным требованиям, т.е. не потерять способность сопротивляться внешним воздействиям или не получить недопустимые деформации или местные повреждения.
Расчет трубопроводов с целью проверки несущей способности при открытой прокладке состоит в рассмотрении трех предельных состояний:
1) возможная потеря несущей способности (прочности, устойчивости или выносливости);
2) развитие чрезмерных деформаций;
3) образование и раскрытие трещин, появление других местных повреждений, учитываемых тремя расчетными коэффициентами.
Расчет труб по несущей способности, т.е. по первому предельному состоянию, должен быть обязателен во всех случаях. Далее производится расчет по второму предельному состоянию, т.е. по деформациям, и по третьему предельному состоянию, т.е. на устойчивость.
При проведении расчетов прочностных параметров исследованного материала его следует представлять в качестве однородной сплошной среды, что позволяет рассматривать материал как непрерывную среду и применять методы математического анализа. Данная схематизация дает основание на осреднении свойств материала в объеме и подтверждена экспериментальными исследованиями. В то же время исследуемая расчетная модель материала наделяется определенными физическими свойствами, такими как упругость, пластичность и ползучесть.
Унификация способов расчета конструкций из различных материалов и оснований сооружений состоит в возможности учета свойств пластичности материалов по несущей способности, замене единого коэффициента запаса в методе разрушающих нагрузок тремя расчетными коэффициентами:
1) коэффициентом перегрузки n, который учитывает опасность превышения (уменьшения) нагрузки по сравнению с ее нормативным значением;
2) коэффициентом однородности «R», который учитывает опасность снижения сопротивления;
3) коэффициентом условия работы «m», учитывающим особенности работы конструкций (например, влияние агрессивной среды, концентрацию напряжений, возможность хрупкого разрушения и пр.). Этот коэффициент может быть меньше и больше единицы. Коэффициенты условий работы труб должны быть приняты по нормативам в зависимости от материала трубы.
Проведен глубокий анализ методов бестраншейной реновации ветхих водоотводящих сетей из различных материалов полимерными покрытиями в виде длинномерных труб круглого сечения, труб с временно деформированным и восстанавливаемым поперечным сечением, предварительно обжимаемыми в диаметре трубами с термической памятью; трубными модулями в виде коротких отрезков труб. Кроме того, внимание акцентировано на анализе используемых расчетных математических зависимостей для применения их при определении гидравлических характеристик нового поколения полимерных материалов, имеющих меньшие коэффициенты шероховатости. Лабораторно подтверждены основные положения по прочностному расчету трехслойных конструкций трубопроводов с выделением в качестве предельных состояний следующих расчетных случаев: определение несущей способности трубопровода, оценка степени деформации и проверка на устойчивость.
Рецензенты:
Евтушенко Е. И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии стекла и керамики ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород;
Лопанов А.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород.