О предприятии

Наши патенты

Статьи

Работы:

выполняемые

Выполненные

Контакты

Отправить заявку

Статьи

Реконструкция канализационного дюкера через р.Оку в Нижнем Новгороде

Булычев Н.С.
Тульский государственный университет
Огер А.Д.
ООО «СпецПромСтрой»

   Одним из основных сооружений, входящих в комплекс наружных сетей канализации г. Нижний Новгород, является канализационный дюкер через р.Оку, расположенный в городской черте на расстоянии 80 м ниже Канавинского моста. Назначение дюкера – подача сточных вод с левого берега реки на правый, на станцию аэрации, в объеме 455 тыс.м³/сут. Внутреннее рабочее давление в трубопроводах до 0,3 МПа. Дюкер представляет собой систему трех трубопроводов из стальных труб диаметром 1,4 м, протяженностью 900 м каждая. Существующие трубопроводы эксплуатируются с 1972 г., т.е. в течение 33 лет.

   Приборно-водолазными обследованиями и экспертными оценочными расчетами было установлено аварийное состояние стальных трубопроводов дюкера и определен их остаточный ресурс, который составляет для левой и средней нитки 1 год. Правая нитка дюкерного перехода остаточного ресурса не имеет по причине уменьшения толщины стенки трубы с 12 до 2 мм, что не обеспечивает необходимой прочности трубы.

Место расположения канализационного дюкера

Технологическая схема протаскивания полиэтиленовой трубы в стальной футляр

1 – барабан тягового каната;
2 – тяговая лебедка;
3 – тяговая гидроустановка;
4 – опорная плита тяговой гидроустановки;
5 – тяговый канат;
6 – отклоняющее устройства;
7 – прицепное устройство с блоком полиспаста;
8 – герметичные контейнеры (диаметр не более 0,5 м, объем 600 л);
9 – установка для стыковой сварки полиэтиленовых труб

   Специалисты ООО «СпецПромСтрой» решили несколько проблем по инженерной подготовке строительно-монтажных работ, в том числе:

• осуществление нормального прохождения полиэтиленовой трубы внутри излома стального трубопровода, выполненного косыми стыками под углом до 15°. Задача усложнялась тем, что в месте угла поворота стальной трубопровод сужался до диаметра 1200 мм;
• определение минимально возможного радиуса изгиба полиэтиленовой трубы при прохождении отвода до 15° (этот показатель не нормируется производителями труб);
• определение тяговых усилий, необходимых для протаскивания полиэтиленовой трубы, и сопоставление их с прочностными характеристиками материала труб;
• определение оптимальной скорости протягивания полиэтиленовой трубы. При больших скоростях деформирования полиэтилен может вести себя как хрупкое тело, что может привести к разрушению трубы.

  Технологические проблемы:

• протаскивание тягового каната внутри стальной трубы, заполненной сточными водами, на расстояние 0,9 км;
  
• разработка конструкции прицепного устройства;
  
• размещение каната длиной 2000 метров на тяговой лебедке; и др.

    К сожалению, не обошлось без неприятных моментов. Часть поставленных на стройку полиэтиленовых труб диаметром 1000 мм, изготовленных ОАО «Казаньоргсинтез», по результатам анализа, проведенного аккредитованной лабораторией НПО «Пластик» (г. Москва) оказалась не соответствующей ГОСТу 18599-2001, и их пришлось заменить.

   Сварочный агрегат для сварки полиэтиленовых труб, изготовленный фирмой «WIDOS» (Германия) и поставленный ее дистрибьютором, не отвечал техническим характеристикам, заявленным при продаже. Выявленные в процессе эксплуатации конструктивные недоработки были устранены дистрибьютором ООО «Метапласт+» совместно со специалистами фирмы «WIDOS» в рабочем порядке.

  В марте 2005 г. были произведены гидравлические испытания установленной правой нитки дюкера. Результаты испытаний показали полное соответствие выполненных работ действующим строительным нормам и правилам.

Расчет усилий протаскивания

   Расчет тяговых усилий был выполнен ЗАО «ПИРС» (г. Омск) и кафедрой СПС ТулГУ. В том и другом случае при расчете учитывалось, что стальной футляр и полиэтиленовая труба заполнены водой, при этом полиэтиленовая труба при протяжке прижимается выталкивающей силой к своду стальной трубы, поскольку плотность полиэтилена составляет 97 % плотности воды.

Основные расчетные характеристики приняты следующие:

• модуль упругости полиэтилена E = 1200 МПа;
• коэффициент трения полиэтилена по стали f = 0,3.

   ЗАО «ПИРС» выполнял расчет тяговых усилий, принимая во внимание «Методическое пособие по определению напряженно-деформированного состояния трубопровода при строительстве подводных переходов нефтепроводов методом наклонно-направленного бурения». Расчетная технология (направленное бурение) несколько не соответствует принятой технологии протаскивания.

   Согласно оценочному расчету ТулГУ на участках излома оси футляра полиэтиленовая труба испытывает изгиб, задаваемый геометрией футляра. Реакции сопротивления трубы изгибу определяются из допущения, что упругая линия трубы на участке излома представляет собой часть окружности (рис. 1), что соответствует чистому изгибу.

Рис. 1. Расчетная схема полиэтиленовой трубы на участке излома осевой линии стальной трубы (футляра)

Логика расчета предельно проста:

• из схемы (рис. 1) определяется радиус кривизны упругой линии трубы ρ;
• далее, из известного соотношения определяется изгибающий момент M;
  
• наконец, из расчетной схемы определяются реакции P (сопротивление трубы изгибу).

  С целью уточнения полученных результатов рассмотрен процесс продвижения трубы через излом экрана.

   На первой стадии прохождения излома (рис. 2) изгиба трубы нет. Труба без сопротивления поворачивается вокруг точки 0, пока правая часть трубы не получит опору, коснувшись нижней части (лотка) стальной трубы. После этого начинается изгиб полиэтиленовой трубы, который можно анализировать.

Рис. 2. Начальная стадия входа трубы на участок излома оси футляра

   Дальнейшее продвижение трубы связано с ее деформацией в вертикальной плоскости (угловая точка 0 при этом выступает в качестве опоры).

   Расчетные экстремальные значения усилий протаскивания трубы через участки излома оси футляра (стальной трубы) по расчетам ТулГУ и ЗАО «ПИРС» приведены в табл. 1.

Усилия протаскивания	Участки излома оси футляра, характеризующиеся углами
	10°	15°
ТулГУ	3,8	7,0
ЗАО «ПИРС»	1,6	23,4

Табл. 1. Экстремальные значения усилий протаскивания полиэтиленовой трубы, тс

  Суммарные расчетные усилия протаскивания трубы на прямолинейных участках футляра составляют:

• по расчетам ТулГУ – 6,2 тс;
• по расчетам ЗАО «ПИРС» – 24,8 тс.

   Для проверки правильности методики расчета ТулГУ на базе ООО «СпецПромСтрой» был произведен эксперимент, моделирующий процесс протаскивания полиэтиленовой трубы в стальном футляре, с измерением сопротивления протаскивания в натуре, и выполнен расчет усилий протаскивания по разработанной методике применительно к условиям эксперимента.

   Осуществлено протаскивание полиэтиленовой трубы ПЭ 80 наружным диаметром Ø 75 мм в стальную трубу внутренним диаметром Ø 104 мм. Модуль деформации полиэтилена E = 600 МПа. Испытано два варианта протаскивания трубы при изломах футляра под углами a = 13° и a = 21°.

   При проведении испытаний было обнаружено (особенно это проявилось при угле излома оси футляра a = 21°), что имеющиеся неровности поверхности в местах излома футляра, обусловленные сварным соединением труб, значительно повышают коэффициент трения f . На поверхности полиэтиленовой трубы после ее протаскивания отчетливо просматривались следы задиров и глубокие царапины. Это объясняет некоторое отличие экспериментальных данных от расчетных величин силы протаскивания.

   Сравнение экспериментальных данных и результатов расчета показало их достаточную сходимость, и было принято решение выполнить подбор технологического оборудования на основе данных оценочного расчета. Суммарное расчетное сопротивление трубы протаскиванию составило 16,5 тс. Однако авторы расчета рекомендовали при выборе технических устройств принять тяговое усилие не менее, чем с двойным запасом, то есть не менее 35-40 тс.

Рис. 3. Графики усилий протаскивания полиэтиленовой трубы вдоль стального футляра:

1 – расчетные усилия по ТулГУ;
2 – расчетные усилия по ЗАО «ПИРС»;
3 – измеренные усилия

   В процессе протаскивания трубы производились измерения усилий протаскивания на всех стадиях работ. Зависимость измеренных усилий от перемещения трубы вдоль стального футляра от стартового до приемного котлованов показана на рис. 3. На этом же рисунке показаны расчетные графики усилий протаскивания трубы, полученные ЗАО «ПИРС» и ТулГУ.

   Из рис. 3 следует, что расчетные усилия протаскивания трубы по методикам ЗАО «ПИРС» и ТулГУ не соответствуют фактическому сопротивлению, которое испытывает протаскиваемая труба и которое характеризуется резкими скачками сопротивления, особенно на начальной стадии протаскивания.

   Фактическое сопротивление протаскиванию обусловлено скольжением полиэтиленовой трубы по поверхности металла, подвергнутой интенсивной коррозии. По-видимому, расчетный коэффициент трения в этом случае должен быть увеличен в 2,5-3,0 раза.

   Расчет по методике ЗАО «ПИРС» отражает характер увеличения сопротивления протаскиванию по мере прохождения футляра, но полученное по этой методике резкое увеличение сопротивления при преодолении излома оси футляра на выходе в приемный котлован (23,4 тс, см. табл. 1) не подтвердилось.

  Что касается методики ТулГУ, то она, как показал эксперимент, адекватно учитывает сопротивление изломов оси футляра , и при реальном значении коэффициента трения расчетные значения сопротивления протаскиванию существенно приблизились бы к измеренным. Вместе с тем эта методика не учитывает сопротивления вязкой среды в межтрубном пространстве, что следует учесть в дальнейшем.

   В заключение на основании изложенного можно сделать вывод, что реконструкция дюкера любого диаметра и протяженности методом протаскивания трубы из полиэтилена внутри существующей стальной трубы экономически целесообразна и технически выполнима.

   Реконструкция первой ветки дюкера через р. Оку была успешно завершена. Трубопровод прошел все испытания и был введен в эксплуатацию. В настоящее время осуществляется протяжка плети из ПЭ труб внутри средней нитки дюкера и составляет 120 м (21.12.06).

  Для реконструкции средней нитки была применена труба ПЭ 100 (в отличие от предыдущей ПЭ 80). При равном рабочем давлении труба ПЭ 100 имеет меньшую толщину стенки и следовательно большую гибкость, что уменьшает сопротивление при протягивании. Это было подтверждено протягиванием калибра, при прохождении трубой изломов дюкера на динамометре не было зафиксировано скачков и увеличения тяговых усилий.

Трасса дюкера	Труба в стартовом котловане перед свариванием	Сваривание ПЭ трубы (21.12.06 температура -10°)

Строительная площадка на левом берегу р. Оки (приемный котлован)	Строительная площадка на правом берегу р. Оки (стартовый котлован)

Фотогалерея

 

Возврат к списку