Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych

Transkrypt

1 Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych Gabriel WRÓBEL, Maciej ROJEK, Ma³gorzata SZYMICZEK Politechnika Œl¹ska Wydzia³ Mechaniczno-Technologiczny Instytut Materia³ów In ynierskich i Biomedycznych Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych... w bezwykopowej rekonstrukcji sieci przep³ywowej W artykule przedstawiono algorytm okreœlaj¹cy tok postêpowania przy doborze poszczególnych parametrów materia³owo-technologicznych determinuj¹cych efektywnoœæ procesu ciasnego osadzania wyk³adzin polietylenowych w sieciach przep³ywowych. The article presents the algorithm for the selection procedure of the material technological parameters needed for the determination efficiency of the process of thigt-fitting deposition of the polyethylene lining in flow networks. 1. WSTÊP W ostatnim dziesiêcioleciu odnotowano znacz¹cy przyrost d³ugoœci sieci wodoci¹gowej, kanalizacyjnej i gazowej. Jednoczeœnie ruroci¹gi z tradycyjnych materia³ów konstrukcyjnych w wyniku d³ugoletniej eksploatacji ulegaj¹ awariom, co powoduje zagro enie dla œrodowiska naturalnego. Czynnikami wywieraj¹cymi ogromny wp³yw na przyspieszenie procesów starzeniowych oraz wzrost awaryjnoœci s¹ zwiêkszenie obci¹ enia ruchem ko³owym, zmiany w³aœciwoœci transportowanych mediów, pr¹dy b³¹dz¹ce, zmiany poziomu wód gruntowych, czy ska enie gruntu itp. [1]. Pogarszaj¹cy siê stan sieci kanalizacyjnych i wodoci¹gowych zmusza do szukania nowych technik ich regeneracji, w tym g³ównie technik bezwykopowych. Ma to istotny aspekt ekonomiczny i praktyczny, nie poci¹ga bowiem za sob¹ prac wykopowych i zwi¹zanych z tym utrudnieñ dla aglomeracji miejskiej. Technologie bezwykopowe skutecznie zastêpuj¹ metody tradycyjnej renowacji ruroci¹gów ze wzglêdu na: ograniczenie czy wrêcz eliminacje wykopów, ochronê œrodowiska naturalnego, znaczne zmniejszenie kosztów, tak- e kosztów spo³ecznych. Aby nie doprowadziæ do sytuacji, w której niemo liwa jest ju bezwykopowa renowacja ruroci¹gów nale y prowadziæ dok³adne przegl¹dy i badania lokalizacyjne ruroci¹gów. Na pocz¹tku trzeba rozpoznaæ warunki gruntowowodne oraz g³êbokoœæ posadowienia ruroci¹gu poddanego naprawie, a tak e zaznajomiæ siê z jego stanem technicznym, ze szczególnym uwzglêdnieniem materia³u, kszta³tu, d³ugoœci poszczególnych odcinków. W tym celu przeprowadza siê szereg analiz zarówno gruntu jak i stanu ruroci¹gu. Badania stanu ruroci¹gu dokonuje siê najczêœciej w drodze inspekcji telewizyjnej (CCTV) uzupe³nianej czêsto badaniami lokalizacyjnymi z wykorzystaniem techniki akustycznej (sonaru) lub radiowej (radaru). Powinny byæ one poprzedzone starannym oczyszczeniem kana³u [2]. Dok³adne rozpoznanie ogólnego stanu technicznego ruroci¹gu oraz przyczyn awarii pozwala na optymalny wybór technologii naprawy jak i znaczne obni enie kosztów. Na rynku mo na spotkaæ wiele bezwykopowych metod renowacji ruroci¹gów. Ró ni¹ siê one np. materia³em, z którego wykonana jest pow³oka renowacyjna (rura), jej kszta³tem czy sposobem wprowadzania do odnawianego ruroci¹gu. Wœród najczêœciej wykorzystywanych nale a³oby wymieniæ metody: compact pipe rura wsadowa o przekroju w kszta³cie litery C, insituform wk³adem jest poñczocha z kwasoodpornego w³ókna poliestrowego nas¹czonego ywicami, relining z zastosowaniem rur z PE, PVC, PP, w krótkich

2 210 Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych... odcinkach ³¹czonych za pomoc¹ z³¹czek lub kielichowo. Najtañsz¹ i najprostsz¹ alternatyw¹ do przedstawionych technologii wydaje siê byæ swagelining, wykorzystuj¹cy zasadê obróbki plastycznej jak¹ jest swobodne ci¹gnienie rur. Technika ta pozwala na ciasne osadzenie rur PE wewn¹trz odnawianego ruroci¹gu. Wykorzystuje siê przy tym lepkosprê yste w³asnoœci tworzywa i wynikaj¹ce st¹d czasowe charakterystyki materia³u. Dotyczy to zarówno fazy operacji kszta³towania w strefie ci¹gad³a, jak równie powrotu poodkszta³ceniowego po wprowadzeniu do odnawianego ruroci¹gu. Podstawy omawianej techniki rekonstrukcji zosta³y opracowane przez British Gas North Western Region pod koniec lat siedemdziesi¹tych XX w., jednak na skalê przemys³ow¹ zaczêto j¹ wprowadzaæ w latach osiemdziesi¹tych. Pierwsze próby rekonstrukcji ruroci¹gów by³y przeprowadzane dla rur osadzanych w warunkach wstêpnego podgrzewania. Efektem procesu grzania by³o ograniczenie si³ ci¹gnienia. Proces grzania wymaga³ dodatkowego sprzêtu, co sprawia³o wiele trudnoœci w przeprowadzeniu rekonstrukcji. Rozwój technologii i ci¹g³e jej udoskonalanie umo liwi³o eliminacjê wymogu wstêpnego podgrzewania wci¹ganych rur wsadowych. Pierwsze zastosowanie technologii wci¹gania rur PE bez dodatkowego grzania mia³o miejsce w Chester w 1989 roku [4]. Tradycyjnie rozumiane ci¹gnienie jest rodzajem obróbki plastycznej materia³ów przede wszystkim metalowych, rzadziej polimerowych. S³u y trwa³emu kszta³towaniu materia- ³u, zmianie w³aœciwoœci fizyko-mechanicznych i u ytkowych w drodze modyfikacji struktury czy wywo³ania naprê eñ w³asnych. Osi¹ga siê to przez odkszta³cenie plastyczne [4]. W przypadku wykorzystania swobodnego ci¹gnienia rur w technologii rekonstrukcji ruroci¹gów wyk³adzin¹ œciœle pasowan¹ istotna jest minimalizacja odkszta³ceñ plastycznych, które s¹ efektem niepo ¹danym. D¹ y siê do stanu odkszta³cenia, w którym dominuj¹ odkszta³cenia sprê- yste. W zwi¹zku z czym proces osadzania wyk³adziny nale y zaprojektowaæ w taki sposób, aby naprê enia bêd¹ce wynikiem dzia³ania si³y ci¹gnienia nie przekracza³y po³owy granicy plastycznoœci. Jest to zalecenie podawane przez British Gas maj¹ce na celu zapewnienie po ¹danych odkszta³ceñ sprê ystych warunkuj¹cych ciasne osadzenie wyk³adziny wewn¹trz rekonstruowanej sieci. Uzyskanie odpowiedniego przylegania rury polietylenowej zdeterminowane jest równie innymi parametrami jak na przyk³ad [5,6]: œrednic¹ nominaln¹ (2 5 % wiêksza od œrednicy wewnêtrznej odnawianego przewodu), k¹tem sto ka roboczego ci¹gad³a (10 20 ), prêdkoœci¹ ci¹gnienia (3 5 m/min). Ciasne osadzenie wyk³adziny polietylenowej wewn¹trz rekonstruowanego ruroci¹gu umo liwione jest lepkosprê ystym powrotem poodkszta³ceniowym. W technice swagelining efekt ten uzyskuje siê wskutek chwilowego odkszta³cenia rury polietylenowej w ci¹gadle. W wyniku ci¹gnienia nastêpuje przejœciowa redukcja œrednicy o oko³o 12%, co pozwala bez dodatkowego oporu wprowadziæ rurê PE do odnawianego ruroci¹gu. Po wykonaniu naprawy rura polietylenowa rozprê aj¹c siê podlega wzmocnieniu konstrukcyjnemu w warunkach ciasnego osadzenia w naprawianym ruroci¹gu. Jest to szczególnie wa ne je eli w warunkach oddzia³ywania czynników gruntowych istnieje mo liwoœæ przekroczenia granicy samonoœnoœci. W trakcie tej operacji obserwuje siê dwa efekty. Œrednica rury ulega redukcji, a po wyjœciu z ci¹gad³a ma miejsce jej powrotny wzrost. Zjawiska towarzysz¹ce powrotowi poodkszta³ceniowemu rury wyk³adzinowej w przewa aj¹cym stopniu zachodz¹ w okresie pierwszych 30 minut po zdjêciu obci¹ enia. Istotnym parametrem swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych w aspekcie omawianej technologii jest prêdkoœæ wprowadzania rury do rekonstruowanego ruroci¹gu, która wp³ywa na czas przebywania rury w ci¹gadle oraz na prêdkoœæ odkszta³ceñ, a tak e na wielkoœæ odkszta³ceñ plastycznych. Prêdkoœæ ci¹gnienia wp³ywa równie na w³aœciwoœci wytrzyma³oœ-

3 Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych ciowe wyk³adziny rurowej. Fisher i Day [7] wykazali, e wy sze w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe wykazuj¹ wyk³adziny wci¹gane z wy szymi prêdkoœciami. Skuteczna, w aspekcie jakoœci naprawy rurociagu, realizacja procesu ci¹gnienia mo liwa jest dziêki odpowiedniej prêdkoœci ci¹gnienia. Zapewniona jest wydajnoœæ procesu wprowadzania rury do rekonstruowanego ruroci¹gu z jednoczesnym wzrostem efektywnoœci, ktorej miar¹ jest wynikowa œrednica wewnêtrzna oraz wytrzyma³oœæ osadzonej pow³oki Cel pracy 2. PRACA W ASNA Podstawowym celem pracy jest opracowanie metody efektywnego i poprawnego doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur na zimno w procesie rekonstrukcji kana³ów rurowych metod¹ swageliningu. Przeprowadzone badania pozwoli³y na opracowanie algorytmu racjonalnego doboru parametrów technologiczno-materia³owych Algorytm doboru parametrów procesu rekonstrukcji Wstêpnym etapem procedury projektowej jest okreœlenie warunków technicznych charakteryzuj¹cych sieæ rodzaj sieci, stan rur, œrednica zastosowanej g³owicy kalibruj¹cej itd. Wynikiem wstêpnej analizy technicznej i chemicznej jest wybór zastosowanej technologii. W przypadku wskazania na technologiê swagelining kolejne warunki techniczne wynikaj¹ z dostêpnego materia³u okreœlonego typoszeregu i œrednicy rur, dostêpnego sprzêtu i narzêdzi ograniczenie si³y i prêdkoœci ci¹gnienia, ograniczone pole wyboru wymiarów ci¹gad³a. Omówiana w pracy metoda nale y do najbardziej efektywnych pod wzglêdem ekonomicznym i spo³ecznym wœród metod bezwykopowej renowacji ruroci¹gów. Bior¹c pod uwagê kryterium minimalizacji oporów przep³ywu formu³owany jest warunek wynikowego docisku wprowadzonej rury do powierzchni wewnêtrznej rekonstruowanego kana³u. W przedstawionym, na rys. 1, algorytmie przez parametry technologiczno-materia³owe rozumie siê stopieñ redukcji œrednicy X, k¹t tworz¹cej ci¹gad³a, si³ê ci¹gnienia mo liw¹ do zrealizowania N, czas powrotu poodkszta³ceniowego t, charakterystyki materia³owe tworzywa (Re, E), z którego wykonana zasta³a rura, jej œrednica, typoszereg, gruboœæ œcianki. Granica plastycznoœci powinna byæ wyznaczona dla zastosowanego materia³u przed przyst¹pieniem do procesu ci¹gnienia, gdy jest jednym z podstawowych parametrów sk³adaj¹cych siê na wstêpne za³o enia projektowe. Jako parametry konstrukcyjne i u ytkowe okreœlono œrednicê kana³u (DK), natê enie przep³ywu (Q k ), d³ugoœæ ruroci¹gu (L k ), ciœnienie wewnêtrzne (p), obci¹ enia od gruntu (p h ). Projektuj¹c proces swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych na zimno nale y zwróciæ uwagê na ograniczenia techniczne (narzêdzia, ci¹garka) realizacji procesu przez danego wykonawcê. Mo liwy stan degradacji rekonstruowanego ruroci¹gu dopuszcza pekniêcia i nieszczelnoœci co stwarza koniecznoœæ krytycznej oceny efektu wzmocnienia pozosta³¹ zewnêtrzn¹ rur¹ i czêsto wymaga niezale nego spe³nienia przez osadzan¹ wyk³adzinê kryteriów konstrukcyjnych. Miar¹ poprawnoœci zastosowanych parametrów technologiczno-materia³owych jest maksymalizacja œrednicy wewnêtrznej wyk³adziny rurowej co odpowiada minimalizacji oporów przep³ywu. Tak postawione zadanie projektowe wymaga doboru zewnêtrznej œrednicy rury (D oz ) ci¹gnionej z dostêpnego typoszeregu z przedzia³u wymiarów o 2-3% przewy szaj¹cych œrednicê wewnêtrzn¹ rekonstruowanego ruroci¹gu. Realizacja kryterium maksymalizacji œrednicy wewnêtrznej zrekonstruowanego kana³u jest mo liwa przez dobór rury o jak najmniejszej gruboœci œcianki. Przyk³adowym zadaniem projektowym jest dobór parametrów technologiczno materia³owych do rekonstrukcji ruroci¹gu o œrednicy wewnêtrznej 60 mm. Na potrzeby niniejszego

4 212 Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych... Rys. 1. Algorytm doboru parametrów technologiczno-materia³owych procesu reointarsji [5] Fig. 1. The selection algorithm of the technological material parameters in reointarsion process [5]

5 Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych artyku³u za³o ono, i wybór wyk³adziny dokonany zostanie spoœród rur o œrednicy 63 mm z typoszeregów SDR 11 i SDR 17. Istotnym elementem doboru parametrów procesu jest okreœlenie warunków obci¹ eñ eksploatacyjnych wprowadzanej wyk³adziny. W przypadku wyk³adzin interakatywnych g³ównym obci¹ eniem jest ciœnienie wewnêtrzne (p), obci¹ enia od gruntu s¹ zminimalizowane, gdy stary ruroci¹g pe³ni funkcjê ochron-

6 214 Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych... n¹ i nie uwzglêdnia siê ich w procedurze weryfikacji wtrzyma³oœciowej. G³ównym parametrem okreœlaj¹cym cechy wytrzyma³oœciowe rur s¹ naprê enia dopuszczalne. Wyznaczone naprê enia zredukowane dla okreœlonego obci¹ enia musz¹ byæ mniejsze od dopuszczalnych red < dop. W przypadku odwrotnym nale y zweryfikowaæ wstêpnie za³o one wymiary rury. Nastêpnym etapem projektowania procesu rekonstrukcji jest wybór odpowiedniej kombinacji parametrów ci¹gad³a, zapewniaj¹cej ciasne osadzenie wyk³adziny rurowej wewn¹trz rekonstruowanego ruroci¹gu. Poszukiwanie odpowiedniej geometrii ci¹gad³a zapewniaj¹cej maksymalizacjê œrednicy wewnêtrznej rekonstruowanej rury rozpoczêto od nastêpuj¹cych za³o eñ: k¹t tworz¹cej ci¹gad³a, 15 o, stopieñ redukcji œrednicy, X 20 %. Pierwsz¹ weryfikacj¹ poprawnoœci doboru parametrów geometrycznych narzêdzia jest wyznaczenie si³y ci¹gnienia, któr¹ oblicza siê ze wzoru [8]: 2 r qo(sin cos )2 tg N( r) C 2cos (1) Wyznaczona si³a nie powinna wywo³ywaæ naprê eñ przekraczaj¹cych 50% granicy plastycznoœci. Je eli wartoœæ si³y nie spe³nia powy - szego warunku w odniesieniu do tworzywa, z którego wykonana jest rura nale y modyfikowaæ wstêpnie za³o one parametry procesu np. geometriê ci¹gad³a. Innym ograniczeniem jest mo liwoœæ realizacji wyznaczonej si³y w ci¹garce, któr¹ dysponuje wykonawca. Dla za³o onych wstêpnie warunków si³a ci¹gnienia wynosi 6,95 [kn], co mieœci siê w ograniczeniach obszaru wyboru. Kolejnym etapem jest okreœlenie powrotu poodkszta³ceniowego. W tym celu nale y dokonaæ pomiaru temperatury otoczenia, uwzglêdniæ jej zakres w za³o eniach projektowych, gdy jest to jeden z wa niejszych czynników determinuj¹cych omawiane zjawisko. Prowadzone badania dowiod³y, e dla ró nicy temperatur oko³o 6 o C uzyskuje siê ró nicê w okreœlonych powrotach poodkszta³ceniowych rzêdu 2 %. W celu zobrazowania omawianego zjawiska wyznaczono wartoœci lepkosprê ystych powrotów poodkszta³ceniowych [8]: œrednicy P = 27, ,692317X 28,1857cos 2,0023log t (2) wyd³u enia L = -3, ,10648log t + 19,911sin + + 0,560397X (3) dla za³o onych wczeœniej danych i temperatury 25±2 o C, które pozwoli³y na okreœlenie œrednicy oraz wyd³u enia wyk³adziny rurowej po procesie rewersji. W przypadku stwierdzonych w wyniku analizy powrotu poodkszta³ceniowego znacznych rozbie noœci pomiêdzy wewnêtrzn¹ œrednic¹ rury rekonstruowanej a zewnêtrzn¹ œrednic¹ rury wyk³adzinowej po okreœlonym powrocie poodkszta³ceniowym nale y weryfikowaæ parametry technologiczno-materia³owe procesu ci¹gnienia, tak aby uzyskaæ po ¹dany efekt ciasnego osadzenia wyk³adziny rurowej. Poszukiwanie racjonalnych parametrów nale y rozpocz¹æ od zmiany stopnia redukcji œrednicy w ci¹gadle, gdy ten parametr ma najistotniejszy wp³yw na powrót poodkszta³ceniowy. Ciasne osadzenie wyk³adziny rurowej jest mo - liwe, kiedy uzyskuje siê œrednicê zewnêtrzn¹ po procesie rewersji wyk³adziny wy sz¹, od wewnêtrznej œrednicy rekonstruowanego ruroci¹gu. Wzrost lepkosprê ystego powrotu poodkszta³ceniowego œrednicy mo na uzyskaæ zwiêkszaj¹c redukcjê œrednicy lub prowadz¹c proces renowacji w ni szych temperaturach. Przyk³adowo obni enie temperatury otoczenia do 19±2 o C pozwala uzyskaæ koñcow¹ œrednicê wyk³adziny rurowej 60,39 mm dla niezmiennych pozosta³ych parametrów (k¹t 17,5 o i stopieñ redukcji 20%). Innym sposobem uzyskania wymaganej œrednicy wyk³adziny rurowej jest zwiêkszenie stopnia redukcji œrednicy, np. dla redukcji rzêdu 30% i k¹ta tworz¹cej ci¹gad³a

7 Algorytm doboru parametrów swobodnego ci¹gnienia rur polietylenowych ,5 o uzyskano wstêpny powrót promieniowy o wartoœci ~25%. W przypadku, gdy ci¹gniona rura ma pe³niæ funkcje wyk³adziny samonoœnej konieczne jest uwzglêdnienie odpowiednich warunków w fazie obliczeñ wytrzyma³oœciowych. Tok postêpowania przy okreœlaniu wartoœci œrednicy samonoœnej wyk³adziny rurowej po procesie rewersji jest identyczny. Jako ostateczny wynik przyjmuje siê rozwi¹zanie o najcieñszych œciankach, dla którego uzyskuje siê ciasne osadzenie wyk³adziny. Dla wariantów o jednakowej gruboœci wybiera siê rozwi¹zanie o najmniejszym stopniu redukcji, co wynika z kryterium minimalizacji energii potrzebnej do realizacji procesu. 3. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonej analizy stwierdzono, i w³aœciwy dobór parametrów geometrycznych i materia³owych oraz sterowanie procesem swobodnego ci¹gnienia rur na zimno jest mo liwe dziêki opracowanym charakterystykom lepkosprê ystych powrotów poodkszta³ceniowych. Ich uogólnienie na pe³ny obszar zastosowañ badanej metody rekonstrukcji uwarunkowane jest rozszerzeniem zakresu badañ podstawowych na wykorzystywany asortyment materia³ów i narzêdzi. Dodatkowych przes³anek racjonalnego wyboru wariantu projektowego rekonstrukcji mog¹ dostarczaæ kryteria ekonomiczne, logistyczne itp. Merytorycznie wykraczaj¹ one jednak poza aspekt materia³owo-technologiczny. Ich uwzglêdnienie w podanym algorytmie nie wp³ywa na zasadnicz¹ strukturê objêtych analiz¹ dzia³añ. Bibliografia 1. Roszkowski A.: Renowacje ruroci¹gów teoria i praktyka. Materia³y konferencyjne III Konferencji Naukowo-Technicznej. Nowe Technologie w sieciach i instalacjach wodno-kanalizacyjnych. 2. Polska Fundacja Technik Bezwykopowych: Vademecum bezwykopowych technologii, renowacji, napraw i wymiany ruroci¹gów i instalacji podziemnych. Technologie bezwykopowe. Warszawa Morawiecki M., Sadok L., Wosiek E.: Przeróbka plastyczna podstawy teoretyczne. Wydawnictwo Œl¹sk. Katowice Behenna L.B., Hicks K.: Swagelining the ERS. Died, buried and forgotten. Gas Engineering & Managment Williams B., Tickell A.R.: Swagellining the development of a close fit polyethylene lining system. Gas Engineering & Managment Fisher W.P., Day A.J.: A study of the factors controliling the tube sinking process for polymer materials. Jurnal of Materials Processing Technology 68/ Szymiczek M.: Reointrsja ci¹gnionych rur polietylenowych w rekonstrukcji sieci przep³ywowych. Praca doktorska. Gliwice 2005.