Способ определения остаточного срока службы трубопроводов канализационных и тепловых сетей Российский патент 2023 года по МПК G01N3/00 F17D1/00 

Изобретение относится к области гидравлики и диагностики напорных трубопроводов, а именно, металлических трубопроводов (из стали и серого чугуна), канализационных сетей и тепловых сетей (сетей пара и горячей воды) с целью определения остаточного срока продолжения их эксплуатации.

Под остаточным сроком службы трубопровода понимается период его эксплуатации с момента его текущего диагностирования до перехода трубопровода в предельное состояние, при котором в нем возникает недопустимый слой отложений, и нужно прекращать эксплуатацию и проводить ремонт или гидродинамическую очистку.

В настоящее время актуальным является разработка способов прогнозирования остаточного срока эксплуатации изношенного трубопровода с целью обоснования его вывода из работы для замены труб на новые.

Указанные способы основаны на техническом диагностировании трубопровода и расчете на основании данных технического диагностирования оценочного показателя (критерия), по которому оценивают остаточный срок службы изношенного трубопровода.

При этом используемый в способе прогнозирования оценочный показатель определяется выбранными факторами повреждаемости трубопровода в процессе его эксплуатации.

Известен способ определения срока службы трубопровода [RU 2571018], включающий диагностику технического состояния трубопровода и расчет сроков его службы по механизмам его деградации (по коррозионному состоянию, по стресс -коррозионному состоянию, по критерию усталостной прочности), а также по поврежденности трубопровода от эксплуатационных механических дефектов, таких, как трещины, вмятины, задиры и прочее. В качестве остаточного срока службы трубопровода выбирают минимальный из рассчитанных сроков службы.

В данном способе анализируется" повреждаемость трубопровода в зависимости от деградации его механической прочности вследствие перечисленных выше повреждающих факторов.

Однако данный способ предназначен для использования в другой области, он относится к газопроводам, и его нельзя применять для прогнозирования срока службы трубопроводов тепловой сети.

Известен способ определения остаточного срока службы металлического трубопровода тепловых сетей [RU 2 366 920], который выбран в качестве ближайшего аналога.

Согласно рассматриваемому способу остаточный ресурс определяют как длительность эксплуатации, при которой металл трубы достигнет разрушительного напряжения при рабочем давлении.

Способ включает измерение технических характеристик трубопровода, влияющих на величину разрушающего напряжения металлического трубопровода, выбранного в качестве критерия для оценки остаточного срока службы трубопровода, количественный расчет указанного критерия, определение оставшегося срока службы трубопровода на основании сравнения величины указанного критерия с пороговой величиной, в качестве которого выбрана величина рабочего давления.

Разрушающее напряжение есть функция времени, рассчитываемая в зависимости от номинальных диаметра и толщины стенки трубы, а также предела текучести, скорости деградации и скорости коррозии металла - стали известной марки.

Скорость деградации и скорость коррозии определяют по экспериментальным данным с помощью построения графических зависимостей

За остаточный ресурс принимают время, оставшееся до максимально возможного срока эксплуатации, который на 1-3 года предшествует моменту совпадения рабочего давления с разрушающим напряжением металла трубопровода.

Рассматриваемый способ основан на анализе повреждаемости трубопровода из-за коррозии и усталости материала трубопровода.

Однако срок службы трубопроводов зависит не только от механической прочности труб, существуют иные факторы, обуславливающие повреждаемость металлических трубопроводов.

Так, чрезвычайно опасным повреждающим фактором являются внутренние отложения на стенке трубопровода, образующиеся в процессе его эксплуатации, обусловленные наличием в текучей среде неорганических примесей и органических веществ, при этом интенсивность образования отложений сильно зависит от качества жидкости и режима работы трубопровода.

Внутренние отложения на стенке трубы (нарост) ведут к сужению внутреннего диаметра трубы, изменению значений гидротехнических характеристик труб, повышению давления выше установленного рабочего значения, и, в крайнем случае, на каком - то участке могут полностью «забить» просвет трубы и привести к ее прорыву.

Тепловые и канализационные трубопроводы предназначены для транспортировки текучих сред, содержащих механические примеси и вещества химической и органической природы, обуславливающие возникновение на стенках металлических труб внутренних отложений, толщина которых значительно возрастает с течением времени эксплуатации.

Внутренние отложения в канализационных сетях и тепловых трубопроводах накапливаются особенно интенсивно.

Так, в тепловых трубопроводах из-за высокой температуры теплоносителя и наличия в воде примесей, а также режима работы трубопровода в условиях наличия давления и высокой температуры активизируются протекающие в теплоносителе физико-химические и биологические процессы, обуславливающие возникновение и накопление на внутренней стенке трубы отложений, включающих осадки нерастворимых химических соединений, механические взвеси, продукты коррозии металла, посторонние примеси, микробиопленки, как следствие жизнедеятельности бактерий, быстро размножающихся в среде нагретого теплоносителя, и прочее.

В канализационных сетях, по которым осуществляется транспортировка сточного потока, содержащего загрязнения и большое количество жировых осадков и веществ, входящих в состав чистящих средств, накапливаются на стенках труб внутренние отложения, включающие нерастворимые осадки, обусловленные активно протекающими в сточных водах физико-химическими процессами, в том числе, процессом коррозии металла, а также жизнедеятельностью микроорганизмов, для размножения которых сточные воды являются благоприятной средой.

В связи с опасностью эксплуатации канализационных трубопроводов и трубопроводов тепловой сети с внутренними отложениями на стенке труб актуальным является разработка способа определения остаточного срока эксплуатации указанных трубопроводов на основе анализа значений их изменяющихся гидравлических характеристик из-за наличия внутренних отложений на стенке трубы.

Известно исследование, в котором предложен гидравлический критерий оценки остаточного срока службы трубопровода К_эф, который учитывает изменение гидравлических характеристик трубы в зависимости от толщины внутренних отложений [ж. Инженерные системы, №4, 2022 г.. стр. 26-28].

Однако данные исследования относятся к другому виду трубопроводов. Они касаются трубопроводов водоснабжения, в которых в силу условий их работы (более качественного состава транспортируемой воды, напорного режима ее перемещения) интенсивность процесса образования внутренних отложений на стенках труб значительно меньше, чем в канализационных и тепловых трубопроводах, и результаты указанных исследований не применимы для прогнозирования срока службы канализационных и тепловых трубопроводов.

Технической проблемой, решаемой при реализации заявляемого изобретения, является создание способа определения остаточного срока службы канализационных и тепловых трубопроводов на основе анализа изменяющихся гидравлических характеристик трубопровода из-за наличия внутренних отложений на стенке трубы.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения остаточного срока службы трубопровода, включающем измерение характеристик трубопровода, влияющих на величину критерия, выбранного для оценки остаточного срока службы трубопровода, расчет величины указанного критерия с учетом измеренных характеристик трубопровода, определение оставшегося срока службы трубопровода на основании сравнения указанного критерия с пороговой величиной, согласно изобретению измеряют характеристики трубопровода, включающие толщину слоя внутренних отложений в трубопроводе и фактический расход потока в нем, в качестве критерия для оценки остаточного срока службы трубопровода используют коэффициент гидравлической эффективности его эксплуатации К_эф, который учитывает изменение гидравлических характеристик трубопровода в зависимости от толщины слоя внутренних отложений, при этом рассчитывают величину указанного критерия с учетом измеренных характеристик трубопровода по формуле

где:

i_p - расчетный гидравлический уклон трубопровода или расчетные потери напора на трение по длине трубопровода на момент начала его эксплуатации,

-расчетный внутренний диаметр трубопровода на момент начала его эксплуатации,

V_p- расчетная скорость потока в трубопроводе на момент начала его эксплуатации,

i_ф - фактический уклон трубопровода или фактические потери напора на трение по длине трубопровода на момент измерения его характеристик,

- фактический внутренний диаметр трубопровода на момент измерения его характеристик,

V_ф - фактическая скорость потока в трубопроводе на момент измерения его характеристик,

а определение остаточного срока службы трубопровода осуществляют путем сравнения расчетного значения коэффициента эффективности его эксплуатации К_эф с пороговой величиной, выбранной по шкале пороговых значений, включающей первую область значений 0,9≤К_эф≤1, вторую область значений 0,8≤К_эф≤0,9 и третью область значений К_эф≤0,8, при этом если К_эф лежит в первой области значений, то остаточный срок службы трубопровода составляет не более 5 лет, если К_эф лежит во второй области значений, то остаточный срок службы трубопровода составляет не более одного года, если К_эф лежит в третьей области значений, то остаточный срок службы трубопровода исчерпан.

Принципиально важным в заявляемом способе является использование для определения остаточного срока службы трубопровода канализационных и тепловых сетей критерия, характеризующего гидравлическую эффективность трубопровода в зависимости от толщины слоя внутренних отложений в нем.

В качестве указанного критерия выбран используемый в гидравлике безразмерный коэффициент гидравлической эффективности эксплуатации трубопровода К_эф, рассчитываемый по формуле:

который характеризует отношение значений характеристик расчетного гидравлического потенциала трубопровода на момент начала его эксплуатации к значениям фактического гидравлического потенциала находящегося в эксплуатации трубопровода с отложениями на момент оценки его остаточного срока службы.

При этом указанные выше гидравлические характеристики металлического трубопровода, на основании которых вычисляется коэффициент гидравлической эффективности эксплуатации трубопровода К_эф, рассчитываются по известным в гидравлике формулам с использованием результатов измерения фактического расхода в трубопроводе q_ф, и толщины слоя внутренних отложений в нем δ

Используемая в заявляемом способе шкала пороговых значений для коэффициента гидравлической эффективности эксплуатации трубопровода К_эф получена на основании обработки большого массива опытных данных (экспертных оценок), накопленных специалистами в области эксплуатации трубопроводов за длительный период эксплуатации канализационных и тепловых трубопроводов.

Таким образом, техническим результатом, полученным при реализации заявляемого способа, является возможность определения остаточного срока службы металлического трубопровода канализационной и тепловой сети на основе анализа изменения гидравлических характеристик трубопровода в зависимости от толщины слоя внутренних отложений в нем.

Способ осуществляют следующим образом.

На выбранном участке канализационной или тепловой сети осуществляют техническую диагностику металлического изношенного трубопровода в процессе его эксплуатации, при этом измеряют толщину слоя отложений 6 в трубопроводе и фактический расход рабочей среды q_ф в нем.

Измерение осуществляют, в частности, с помощью ультразвукового переносного расходомера в комплекте с толщиномером.

На основании технической документации определяют расчетный внутренний диаметр трубопровода на момент ввода его в эксплуатацию.

Используют полученные данные для вычисления значений фактических и расчетных гидравлических характеристик трубопровода, а также значения коэффициента гидравлической эффективности эксплуатации трубопровода К_эф по известным в гидравлике формулам.

При этом полученные данные заводят в вычислительное устройство, в частности, в ПК, с помощью которого осуществляют автоматизированный расчет значений указанных величин по специальной программе.

Сравнивают расчетное значение К_эф со шкалой пороговых значений, включающей первую область значений 0,9≤К_эф≤1, вторую область значений 0,8≤К_эф≤0,9 и третью область значений К_эф≤0,8.

При этом, если значение К_эф лежит в первой области значений, то остаточный срок службы трубопровода составляет не более 5 лет, если значение К_эф лежит во второй области значений, то остаточный срок службы трубопровода составляет не более одного года, если значение К_эф лежит в третьей области значений, то остаточный срока службы трубопровода исчерпан.

Для сравнительного анализа расчетного значения К_эф со шкалой пороговых значений может быть использовано вычислительное устройство, в частности, ПК, с помощью которого указанное сравнение осуществляется в автоматизированном режиме по специальной программе.

Пример 1

Осуществляли определение остаточного срока службы металлического трубопровода канализационной сети в процессе его эксплуатации на выбранном участке сети.

Проводили техническую диагностику трубопровода на выбранном участке сети, в ходе которой измеряли толщину слоя внутренних отложений δ и фактический расход теплоносителя q_ф в изношенном трубопроводе с отложениями:

величина δ составила 15 мм;

величина q_ф составила 0,134 м³/с.

На основании технической документации определяли расчетный внутренний диаметр нового трубопровода на момент ввода его в эксплуатацию.

Величина составила 311 мм;

Полученные данные заводили в ПК.

На основании полученных данных определяли значения фактических гидравлических характеристик изношенного трубопровода и расчетных гидравлических характеристик нового трубопровода, а также значение коэффициента гидравлической эффективности эксплуатации трубопровода К_эф по известным в гидравлике формулам, используя для расчета величину фактического внутреннего диаметра изношенного трубопровода которая составила 275 мм, и величину расхода сточной жидкости q_ф, равную 0,134 м /сек.

Расчет осуществляли с помощью ПК по специальной программе.

Расчетное значение К_эф составило 0,39.

Сравнивали расчетное значение К_эф со шкалой пороговых значений. Расчетное значение К_эф лежало в 3-й области, в которой К_эф≤0,8. Остаточный срок службы трубопровода исчерпан. Трубопровод эксплуатировать недопустимо.

Пример 2

Осуществляли определение остаточного срока службы металлического трубопровода тепловой сети в процессе его эксплуатации на выбранном участке сети.

Проводили техническую диагностику трубопровода на выбранном участке сети, в ходе которой измеряли толщину слоя внутренних отложений δ и фактический расход теплоносителя q_ф в изношенном трубопроводе с отложениями:

величина δ составило 5 мм;

величина q_ф составила 0,134 м /с.

На основании технической документации определяли расчетный внутренний диаметр нового трубопровода на момент ввода его в эксплуатацию. Величина составила 311 мм; Полученные данные заводили в ПК.

На основании полученных данных определяли значения фактических гидравлических характеристик изношенного трубопровода и расчетных гидравлических характеристик нового трубопровода, а также значение коэффициента гидравлической эффективности эксплуатации трубопровода К_эф по известным в гидравлике формулам, используя для расчета величину фактического внутреннего диаметра изношенного трубопровода которая составила 301 мм, и величину расхода теплоносителя q_ф, равную 0,134 м /сек.

Расчет осуществляли с помощью ПК по специальной программе.

Расчетное значение К_эфсоставило 0,88

Сравнивали расчетное значение К_эф со шкалой пороговых значений.

Расчетное значение К_эф лежало во 2-й области, в которой 0,8≤К_эф≤0,9. Остаточный срок службы трубопровода составил величину не более одного года.

Изобретение относится к гидравлике. Способ определения остаточного срока службы трубопровода, включает измерение толщины слоя внутренних отложений в трубопроводе и фактический расход потока в нем. В качестве критерия для оценки остаточного срока службы трубопровода используют коэффициент гидравлической эффективности его эксплуатации Кэф, который учитывает изменение гидравлических характеристик трубопровода в зависимости от толщины слоя внутренних отложений. Рассчитывают величину указанного критерия с учетом измеренных характеристик, определение остаточного срока службы трубопровода осуществляют путем сравнения расчетного значения коэффициента эффективности его работы Кэф с пороговой величиной, выбранной по шкале пороговых значений, включающей первую область значений - от 0,9 до 1, вторую - от 0,8 до 0,9 и третью - меньше либо равно 0,8. При этом, если Кэф лежит в первой области, то остаточный срок службы - не более 5 лет, если лежит во второй области - не более одного года, если лежит в третье области - остаточный срок службы трубопровода исчерпан. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения остаточного срока службы металлического трубопровода канализационной и тепловой трубы. 2 пр.

Способ определения остаточного срока службы трубопровода, включающий измерение характеристик трубопровода, влияющих на величину критерия, выбранного для оценки остаточного срока службы трубопровода, расчет величины указанного критерия с учетом измеренных характеристик трубопровода, определение оставшегося срока службы трубопровода на основании сравнения указанного критерия с пороговой величиной, отличающийся тем, что измеряют характеристики трубопровода, включающие толщину слоя внутренних отложений в трубопроводе и фактический расход потока в нем, в качестве критерия для оценки остаточного срока службы трубопровода используют коэффициент гидравлической эффективности его эксплуатации К_эф, который учитывает изменение гидравлических характеристик трубопровода в зависимости от толщины слоя внутренних отложений, при этом рассчитывают величину указанного критерия с учетом измеренных характеристик трубопровода по формуле

где:

i_p- расчетный гидравлический уклон трубопровода или расчетные потери напора на трение по длине трубопровода на момент начала его эксплуатации,

-расчетный внутренний диаметр трубопровода на момент начала его эксплуатации,

V_p - расчетная скорость потока в трубопроводе на момент начала его эксплуатации,

i_ф - фактический гидравлический уклон трубопровода или фактические потери напора на трение по длине трубопровода на момент измерения его характеристик,

- фактический внутренний диаметр трубопровода на момент измерения его характеристик,

V_ф - фактическая скорость потока в трубопроводе на момент измерения его характеристик,

а определение остаточного срока службы трубопровода осуществляют путем сравнения расчетного значения коэффициента эффективности его работы К_эф с пороговой величиной, выбранной по шкале пороговых значений, включающей первую область значений 0,9≤К_эф≤1, вторую область значений 0,8≤К_эф≤0,9 и третью область значений К_эф≤0,8, при этом если К_эф лежит в первой области значений, то остаточный срок службы трубопровода составляет не более 5 лет, если К_эф лежит во второй области значений, то остаточный срок службы трубопровода составляет не более одного года, если К_эф лежит в третьей области значений, то остаточный срок службы трубопровода исчерпан.