СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДА ОТ РАЗМОРАЖИВАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК E03B7/10 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации магистральных и местных трубопроводов, транспортирующих воду в системах водоснабжения, теплоснабжения, отопления и т.д., в условиях низких (отрицательных) температур.

Актуальность проблемы следует из того известного факта, что деятельность и сама жизнь людей немыслимы без воды. Человек способен неделями обходится без пищи, а вот без воды - только два-три дня. Кроме того, вода является незаменимым теплоносителем в системах теплоснабжения и отопления, что обусловлено необычно высокой ее теплоемкостью.

Нарушение работы упомянутых систем приводит к тяжелейшим последствиям. Особенно опасна остановка работы систем центрального отопления в условиях Севера, где температура воздуха нередко опускается до минус 60°С. Уже при понижении температуры ниже плюс 4° С объем воды начинает увеличиваться, а при 0°С она превращается в лед, при этом ее объем возрастает примерно на 10%. При замерзании воды в давление замкнутом пространстве достигает 250 МПа [1].

Под действием такого высокого давления происходит разрыв (размораживание) самых прочных трубопроводов и нагревательных приборов систем центрального отопления и устройств водоснабжения. Размороженная водяная система, как правило, не подлежит ремонту и требует полной замены.

Несмотря на то, что явления размораживания водяных систем давно известны, также хорошо известны катастрофические последствия этих явлений, вместе с тем, как показал патентный поиск, проблема защиты указанных систем от размораживания еще далека до своего сколько-нибудь удовлетворительного практического решения.

Более того, в последнее время эта проблема стала еще актуальнее, так как в последние годы размораживание водяных систем нередко искусственно провоцируется преднамеренными отключениями систем электроснабжения целых регионов. Отключение электроэнергии зимой, даже на непродолжительное время в условиях Севера, автоматически ведет к остановке циркуляционных насосов систем теплоснабжения, к отказу нагревательных устройств и, как следствие, к быстрому охлаждению и размораживанию водяных систем.

В результате, люди целых городов оказываются без отопления и воды, причем на длительное время, необходимое для доставки и замены всех размороженных труб и отопительных приборов.

Известные решения, например [2-4], по защите трубопроводов от разрушения при замерзании воды в лучшем случае решают поставленную задачу локально, на каком-то ограниченном участке. Кроме того, работоспособность некоторых из них, например устройства [3], сомнительна, так как отсутствие движения воды через него приведет к размораживанию и выходу из строя этого защитного устройства при низких температурах в первую очередь.

Поэтому неслучайно, что в многочисленной технической литературе: монографиях, учебниках, пособиях, справочниках и т. д. по системам теплоснабжения, отопления и водоснабжения - отсутствуют какие-либо сведения о способах и устройствах для защиты трубопроводов от разрушения при замерзании в них воды.

Практически, в качестве единственного способа решения данной проблемы, в технической литературе рекомендуют (см., например, пособие [5], стр.62) заглубление водоводов ниже, на 0,5 м, глубины промерзания грунта.

Существенным недостатком данного технического решения является то, что не все виды трубопроводов (например: вводы теплосетей, внутренние системы отопления зданий и водоснабжения) могут быть защищены толстым слоем грунта. Кроме того, завышение заглубления трубопроводов, гарантирующее их сохранение во всех случаях, очень дорого стоит, особенно при прокладке таких трубопроводов в скальных грунтах.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является способ защиты трубопровода, заполненного водой, от размораживания путем его деформации сжатием, с переводом его круглого поперечного сечения в эллиптическое [7].

Для защиты трубопроводов от размораживания в условиях низких температур предлагается способ защиты трубопровода, заполненного водой, от размораживания путем его деформации сжатием, с переводом его круглого поперечного сечения в эллиптическое, при этом упомянутую деформацию осуществляют до такой степени, чтобы величина меньшей полуоси эллипса была бы равна 0,726 от первоначального радиуса трубы.

При этом преднамеренно уменьшают внутренний объем трубы, сохраняя неизменной длину периметра ее поперечного сечения. Степень сжатия круглой трубы должна учитывать возможность последующего расширения воды, при превращении ее в лед.

Из аналитической геометрии на плоскости известно [6], что площади и длины круга и эллипса, соответственно, равны:

S_k=π R², L_k=2π R.

S_e=π ab, L_e≅_{π[1,5(a+b)-√ ab],}

где R_k - радиус трубы, а и b - полуоси эллипса.

Также известно [1], что вода, при превращении ее в лед, увеличивает свой объем на 10%. Следовательно, чтобы исключить разрыв трубы при замораживании находящейся в ней воды, площадь образованного из круглой трубы эллипса должна быть:

S_e>0,9S_k.

Одновременно учитываем, что длина периметра сечения трубы при деформации не меняется, т.е.

L_e=L_k.

Приведенные аналитические зависимости позволяют получить систему уравнений и решить ее. В результате, получим искомое значение меньшей полуоси эллипса:

b≤ 0,726R_k.

Таким образом, если сечение обычной стальной круглой трубы путем сжатия превратить в эллипс, меньшая полуось которого равна, или меньше, 0,726 радиуса круглой трубы, то эта операция предохранит трубопровод от разрушения при замерзании в ней воды.

Новой в заявляемом изобретении является операция деформации трубопровода, транспортирующего воду при отрицательных температурах: с переводом его круглого поперечного сечения в эллиптическое таким образом, чтобы величина меньшей полуоси эллипса быта бы равна 0,726 первоначального радиуса трубы.

Указанный новый признак не выявлен из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию “изобретательский уровень”.

Предлагаемое техническое решение позволяет сохранить герметичность трубопроводов при замерзании в них воды. В результате, значительно сокращаются сроки и затраты на выполнение аварийно-восстановительных работ, при внезапной остановке циркуляции и замерзании воды в водяных трубопроводных системах различного назначения.

Изобретение иллюстрируется следующим примером устройства, реализующим заявленный способ. В данном примере в качестве трубопровода представлен участок теплосети надземной прокладки.

Схема осуществления заявляемого изобретения на примере одной трубы показана на чертеже (фиг.1), где изображен трубопровод теплосети до деформации 1 и этот же трубопровод после деформации 2.

Способ осуществляется следующим образом: трубы 1 в заготовительных мастерских или непосредственно на трубопрокатном заводе деформируют таким образом, чтобы их круглое поперечное сечение превратилось в эллипс 2 с полуосями а=1,24 R_k и b=0,726 R_k. Для этого трубу сжимают в поперечном направлении, например, сверху вниз, так, чтобы ее наибольшая толщина уменьшилась на 27,4%. Одновременно при этом увеличится (на 24%) ее наибольшая ее ширина.

Из таких труб 2 монтируют на опорах надземную теплосеть, подключают ее с одной стороны к источнику теплоты (котельной), а с другой - к системам отопления и горячего водоснабжения, заполняют всю систему водой, включают циркуляционные насосы - система находится в нормальном эксплуатационном состоянии.

При отказе системы, например, при внезапном отключении электроэнергии циркуляционные насосы останавливаются, движение воды в трубах и ее подогрев прекращаются, идет интенсивное остывание воды. В этих случаях, особенно при низкой температуре воздуха, требуется немедленное опорожненные надземных трубопроводов. Однако, в условиях севера, где температура воздуха снижается до минус 60°С, эту операцию не всегда удается выполнить вовремя. В трубопроводе 2 образуются ледяные пробки, которые препятствуют опорожнению системы. Вся вода в трубопроводе замерзает, превращается в лед, увеличивая свой объем на 10%. Расширяющийся лед поднимает внутреннее давление в трубопроводе 2. Под действием этого давления эллиптическое сечение трубопровода снова превращается в круглое сечение 1. При этом внутренний объем трубопровода увеличивается на 10%, что исключает его разрыв при замерзании в нем воды.

При устранении отказа, например, при восстановлении подачи электроэнергии, лед из трубы удаляют, например подогревом трубопровода греющими электрическими кабелями, и включают его снова в работу.

Заявленный способ защиты трубопроводов от размораживания позволяет резко сократить время устранения отказов на системах теплоснабжения и на других устройствах, транспортирующих воду. Это очень важно, так как задержки с восстановлением циркуляции теплоносителя в системах отопления в зимний период приводят к выхолаживанию зданий и сооружений, к замораживанию воды во всех водяных системах и к полному разрушению этих систем, с тяжелейшими последствиями для жителей данного региона.

Поэтому размораживание трубопроводных систем крупных объектов в условиях севера по последствиям, включающим затраты материальных и финансовых средств, а также ущерб, нанесенный здоровью и жизни людей, относится к крупным катастрофам.

Опыт подобных катастроф, участившихся в последние годы в нашей стране, показывает, что их устранение, даже в масштабах небольшого города, не может быть обеспечено без непосредственного вмешательства Правительства страны, Министерства по чрезвычайным ситуациям.

Источники информации

1. Новиков Ю.В., Сайфутдинов М.М. Вода и жизнь на земле. - М.: Наука, 1981, - 184 с.

2. Авторское свидетельство СССР №1671805, МКИ Е 03 В 7/10.

3. Авторское свидетельство СССР №1686082, МКИ Е 03 В 7/10.

4. Авторское свидетельство СССР №1689533, МКИ Е 03 В 7/10.

5. Тугай А.М., Терновцев В.Е. Водоснабжение. - Киев: Вища школа, 1980, 208 с.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Наука, 1980, 974 с.

7. Патент Франции №1372672, МКИ Е 03 В 7/10.

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации магистральных и местных трубопроводов, транспортирующих воду в системах водоснабжения, теплоснабжения, отопления и т. д. в условиях низких (отрицательных) температур. Способ защиты трубопровода, заполненного водой, от размораживания путем его деформации сжатием, с переводом его круглого поперечного сечения в эллиптическое, заключается в том, что упомянутую деформацию осуществляют до такой степени, чтобы величина меньшей полуоси эллипса была бы равна 0,726 от первоначального радиуса трубы. Техническим результатом является герметичность трубопроводов при замерзании в них воды, существенное сокращение затрат и сроков восстановления систем теплоснабжения и водоснабжения при их отказе в холодное время года. 1 ил.

Способ защиты трубопровода, заполненного водой, от размораживания путем его деформации сжатием, с переводом его круглого поперечного сечения в эллиптическое, отличающийся тем, что упомянутую деформацию осуществляют до такой степени, чтобы величина меньшей полуоси эллипса была бы равна 0,726 от первоначального радиуса трубы.