На правах рукописи

ОРЛОВА СВЕТЛАНА СЕРГЕЕВНА

ПРОГНОЗ И ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ,

ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ СТОЧНЫЕ ВОДЫ

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и

охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2008

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Затинацкий Сергей Викторович

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Григоров Михаил Стефанович кандидат технических наук Карпунин Василий Васильевич

Ведущая организация – Федеральное государственное научное учреждение «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации», г. Саратов

Защита диссертации состоится мая 2008 года в 10 ч 15 мин. на «19»

заседании диссертационного совета Д при ФГОУ ВПО 220.008. «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу:

400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»

Автореферат разослан «_»_2008 года и размещен на сайте:

http://www.vgsha.ru «_»_2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.И. Ряднов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Стремление общества к лучшей жизни развитие промышленности, сельского и коммунального хозяйства еще больше увеличивает потребности в воде, что сопровождается возрастающими объемами отходов в виде сточных вод населенных пунктов и крупных городов.

Строительство сложных и дорогостоящих очистных сооружений не может радикально решить проблему полного прекращения сброса загрязненных сточных вод в водоемы, так как даже после тщательной биологической очистки в них содержатся вещества в концентрациях, превышающих нормы сброса в водоемы. Экономически и экологически оправдано использование сточных вод после предварительной очистки на оросительных системах. Помимо экономии чистой воды, почвенной доочистки сточных вод и прекращения их сброса в водоемы, обеспечивается утилизация питательных веществ, содержащихся в стоках.

За последние годы в сельском хозяйстве России сложилась критическая ситуация в обеспечении удобрениями, мелиорантами и другими средствами химизации. При среднегодовом выносе питательных веществ с урожаем – возвращается в почву не более 20%. Остродефицитный баланс питательных веществ в земледелии в ближайшие годы неизбежно приведет к дальнейшему истощению почвенного плодородия и снижению продуктивности пашни с 1,8 – 2,0 т/га зерновых единиц до 0,9 – 1,0 т/га. А это значит, что доля импортируемых товаров и сырья для их изготовления достигнет 50 – 60 % от внутреннего потребления.

Развитие орошения с применением сточных вод требует строительства совершенных оросительных систем с большой протяженностью напорных трубопроводов, что позволит обеспечить подведение и подачу очищенных сточных вод на орошаемое поле, и проведение поливов без негативного влияния на окружающую среду.

На трубопроводы, транспортирующие сточные воды воздействуют как факторы внешней среды, так и химический состав сточных вод. Под воздействием сточной воды трубопровод со временем разрушается за счет образовавшихся трещин, коррозионных каверн и т.д.

Вопрос определения срока службы трубопроводов оросительных систем, транспортирующих сточные воды, является актуальным, так как в перспективе необходимо разработать способы и средства подачи сточной воды на орошаемые участки. Вопрос малоизучен, требует доработки и конструктивных решений по выявлению критериев оценки эксплуатационной надёжности трубопроводов, транспортирующих сточные воды, с помощью которых возможно делать дальнейший прогноз развития событий и производить предупредительные мероприятия, обеспечивающие безотказную эксплуатацию.

Цель работы – определение срока службы напорных трубопроводов оросительных систем за счет прогноза развития опасности коррозии металлических труб, транспортирующих сточные воды.

Задачи исследований:

1. Выявить основные факторы, влияющие на надежность закрытой оросительной сети.

2. Изучить влияние сточных вод на внутреннюю поверхность трубопроводов и провести верификацию методики долгосрочного прогноза опасности коррозии для металлических труб подающих сточные воды для полива.

3. Проанализировать состав сточных вод на пригодность их для орошения.

4. Сделать статистический анализ повреждений на трубопроводах.

5. Используя математические методы теории вероятностей, обосновать период безотказной работы трубопроводов.

6. Разработать предложения производству по интервалам проведения ремонтных и восстановительных работ на напорных трубопроводах транспортирующих сточные воды.

';

Объект исследований – трубопроводы, транспортирующие сточные воды от водозабора до точки водовыдела.

Методика исследований – для решения поставленных задач проведены полевые и теоретические исследований. В основу теоретических исследований легли: теория вероятностей, математическая статистика, теория оценки надежности гидромелиоративных систем и объектов, сопротивления металлов.

Обработка результатов исследований выполнялась на ЭВМ методами математической статистики с использованием пакетов прикладных программ STATISTICA 5.1, Microsoft Excel.

Научная новизна. Установлен параметр коррозионного износа для труб различных марок стали; установлена зависимость изменения коррозионной опасности от времени по внутренним образующим трубопровода. Разработана математическая модель коррозионного износа и определены этапы прогнозирования эксплуатационных показателей надежности трубопроводов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- схема функциональной взаимосвязи между элементами закрытой оросительной сети и факторами ее существования;

- зависимость изменения коррозионной опасности от времени по внутренним образующим трубопровода;

- зависимость параметра коррозионного износа от прочностных характеристик сталей, для трубопроводов подающих сточные воды на орошение;

- установленный по характеристикам надежности, момент износа трубопровода 530х7,5.

Практическая ценность и реализация результатов исследования Прогноз эксплуатационных показателей надежности трубопроводов, транспортирующих сточные воды, обеспечивает возможности: снижения затрат на ремонт и реконструкцию трубопроводов, учитывая рекомендуемые интервалы проведения ремонтных и восстановительных работ, предотвращения аварийных ситуаций и сохранения посевных площадей, поддержания благоприятной экологической обстановки в зоне действия оросительной сети.

Результаты исследования внедрены в проектную документацию ФГУ Управление «Саратовмелиоводхоз» г. Саратов, ФГУП «НИПИгипропромсельстрой» г. Саратов.

Апробация работы. Результаты исследования доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава в ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет» (2005 – 2008 гг.), на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 75-летию ФГУП «НИПИгипропромсельстрой» в 2007 г., в ФГУ Управление «Саратовмелиоводхоз» в 2007 г.

опубликованы в 9 работах, в том числе 2 работы в издании, входящем в перечень ведущих рецензируемых научных журналах и изданий. Общий объем публикаций составляет 2,31 п.л., из них лично соискателя – 1,02 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти общих глав, общих выводов, списка использованной литературы, содержащего 152 наименования, и шести приложений. Работа изложена на 163 страницах, в том числе 142 страницы основного текста, 30 таблиц, 62 рисунка и приложений на 21 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «Введении» обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, научная новизна, реализация научных исследований.

В первой главе «Анализ состояния вопроса исследований» проведен анализ состояния вопроса исследований в области прогнозирования и повышения надежности трубопроводов оросительных систем, дан анализ факторов влияющих на эксплуатационную надежность закрытой оросительной сети, анализ состояния оросительных мелиораций в Саратовской области.

На основе трудов Ц.Е. Мирцхулавы, А.В. Колганова, Ю.М. Косиченко, В.В. Карпунина, А.Ф. Шавина, В.И. Ольгаренко, Е.В. Самойлова и других проведен анализ показателей и критериев надежности работы трубопроводов оросительных систем, транспортирующих сточные воды.

Выявлены факторы, определяющие надежность работы закрытой оросительной сети. Условно их можно разделить на три основные группы, представленные на рисунке 1. Установлено, что такие факторы как материал, протяженность и диаметр трубопроводов, качество производства работ, условия эксплуатации, режим работы оросительной сети, своевременность устранения повреждений являются основными.

Факторы, влияющие на эксплуатационную надёжность трубопровода; форма производства работ; своевременность Продолжительность безаварийной эксплуатации сети Рисунок 1 – Структурная схема факторов влияющих на продолжительность безаварийной эксплуатации закрытой оросительной сети закрытых оросительных систем Саратовского Заволжья.

Рассмотрены современные подходы к прогнозированию показателей долговечности объектов при ограниченной информации. На основании рассмотренных методов оценки и прогнозирования ресурса оборудования оросительных систем, был выбран статистический, так как при эксплуатации оросительных сетей выборки, как правило, не полные и в силу субъективных Статистический метод наиболее полно описывает эксплуатационное состояние трубопроводов.

взаимосвязей между элементами закрытой оросительной сети и факторами ее существования (рис. 2), которая подтверждает сложность учета воздействий на сеть и ее элементы.

Из схемы (рис. 2) видно, что только трубопровод испытывает воздействие всех факторов, это говорит о том, что трубопровод является наиболее важным элементом, от безотказной работы которого зависит работа всей оросительной сети.

Рисунок 2 – Отображение функциональных связей между элементами закрытой оросительной сети и факторами ее существования На основании проведенного анализа поставлены цель и задачи исследования.

долгосрочного прогноза долговечности трубопроводов, транспортирующих сточные воды» разработаны подходы к решению вопросов прогнозирования опасности коррозии.

Используя метод долгосрочного прогноза долговечности металлических конструкций Л.Я. Цикермана и методы дифференциальной геометрии, разработан подход к определению эксплуатационной надежности трубопроводов, транспортирующих сточные воды.

На основе статистических данных о развитие коррозионной каверны во времени построены кривые глубины и, используя методы дифференциальной геометрии, скорости развития каверны во времени (рис. 3).

При использовании методов дифференциальной геометрии для определения скорости коррозии, установлено, что длина и угол наклона касательных к функции рассчитываются аналитически.

Рисунок 3 – Дифференцирование и характер изменения кривых глубины коррозионной каверны и скорости коррозии для нижней образующей Уравнение касательной к кривой имеет вид направляющим косинусам касательной. Следовательно, уравнения касательной имеет вид где X, Y, Z – координаты переменной точки прямой.

положительным направлением оси абсцисс и положительным направлением касательной, и вычисляется через тангенс, косинус или синус этого угла гистограммы (рис. 4) и определения скорости коррозии (z) в любой момент времени, при заданной глубине коррозионной каверны (y) и времени эксплуатации трубопровода (x).

z=-0,032+0,005*x+4,542*y-0,012*x*x+0,124*x*y-1,001*y*y Рисунок 4 – Характер изменения скорости коррозии в зависимости от развития коррозионной каверны во времени, для нижней образующей одновременно, строится по готовой матрице исходных данных и позволяет достичь эффекта пространственного представления исходных данных.

Математическая обработка эксплуатационных данных показала, что дифференциального уравнения первого порядка T где – скорость коррозии металла; А – коэффициент, зависящий от коррозионных условий (агрессивности сточной воды), в которых происходит процесс разрушения металла, т.е. образования в нем каверны глубиной к; Х – параметр, характеризующий установившееся коррозионные условия, при которых возникает каверна глубиной ку; ку – установившееся значение глубины коррозионной каверны к; t – время в течение которого трубопровод подвергается коррозии; Т=Т1 – постоянная времени коррозионного процесса; е – основание натуральных логарифмов (е=2,718).

равна: для верхней образующей 4,53 мм, боковой – 4,8 мм, нижней – 5,37 мм.

глубине каверны к кр.х при которой появляется коррозионный свищ каверны, см; рх – давление воды в точке х, МПа; р – расчетный предел прочности трубной стали, МПа.

коррозионного износа – 0,67 см при давлений 1 МПа и 0,63 см при – 2 МПа.

Также расчет параметра коррозионного износа произведен для всех наиболее применяемых труб, различных марок стали.

проржавления трубопроводов во времени. На основе расчетов средней опасности во времени (рис. 5).

Рисунок 5 – Изменение коррозионной опасности трубопровода 530х7, Срок службы трубопровода до первого сквозного проржавления определяется временем, в течение которого глубина каверны к достигает параметра коррозионного износа к то есть коррозионная опасность от возрастает до 1.

На рисунке 6 приведена эпюра распределения средней коррозионной опасности тср по окружности трубопровода с толщиной стенки 7,5 мм, на 10 и 18 год эксплуатации.

Рисунок 6 – Эпюра распределения средней коррозионной опасности по окружности трубопровода: 1 – на 18 год; 2 – на 10 год эксплуатации.

При одинаковом диаметре каверны 5,8 мм, величина тср достигает наибольших значений снизу, наименьших – сверху и промежуточных – сбоку трубы.

Исследованиями установлено, что срок службы трубопровода до первого сквозного проржавления определяется кинетикой коррозионной опасности, главным образом по опорной поверхности (нижней образующей) трубопровода.

В третьей главе «Применение сточных вод на орошение и характеристика условий объектов исследований» рассмотрены критерии рациональности использования воды; качественное описание, состав сточных вод, используемых на орошение и требования к ним; условия района сбора статистических данных по трубопроводам, транспортирующим сточные воды.

Вопросы, связанные с использованием сточных вод на орошение освещены в работах Н.Г. Воронина, М.С. Григорова, В.М. Новикова, В.К.

Пестрякова, М.Г. Голченко, А.И. Мусаева, Л.И. Сергиенко, Л.П. Овцова, Д.П.

Гостищева, Н.А. Романенко и других.

Химический состав сточных вод, используемых для орошения, оценивается по активности ионов водорода (рН), содержанию суммы легкорастворимых солей, соотношению одно- и двухвалентных катионов, микроэлементов, органических веществ.

Агрессивное воздействие сточных вод на материал трубопроводов зависит от температуры воды, наличия кислорода, аммиака и сероводорода.

Основными компонентами, оказывающими разрушительное действие на металлы являются сульфат- и хлор-ионы.

Степень очистки, как показывают химические анализы состава сточных сельскохозяйственных культур.

Проведены исследования эффективности использования сточных вод при возделывании люцерны на темно каштановых почвах Саратовского Заволжья. Получена прибавка урожайности зеленой массы на 20,9% при поливе разбавленными чистой водой прибавка урожайности составляет 8,1%.

сточные воды» рассмотрены дефекты и повреждения на трубопроводе 530х7,5, выявлены те повреждения, которые приводят к отказам. Проведена обработка одномерной статистической совокупности повреждений и отказов Рассчитано математическое ожидание появления повреждений и отказов.

где m – математическое ожидание; D – дисперсия случайной величины х, по результатам п независимых наблюдений.

Выявлены основные повреждения, которые приводят к отказам, это:

поперечные трещины на поверхности сварного шва и основного металла, свищи на трубах, коррозионные язвы, разрывы труб, течь в стыках.

Экспериментальными исследованиями установлено, что те повреждения, которые не приводят к отказу, являются второстепенными и не учитываются при оценке надежности трубопроводов. На основе расчетов построены повреждений и отказов по годам эксплуатации (рис. 7).

повреждений и отказов Рисунок 7 – Распределение математического ожидания (м.о.) появления математического ожидания появления повреждений – 7,58 и отказов трубопроводов – 4,63. Используя теоретические зависимости распределения математического ожидания появления повреждений и отказов, установлено, что минимальные их значения приходятся на 4 – 13 годы эксплуатации трубопроводов.

В главе пять «Статистическая оценка показателей надежности трубопроводов оросительных сетей» проведена статистическая оценка показателей надежности трубопроводов; рассмотрены методы расчетов теории вероятностей для оценки показателей надежности элементов оросительной сети; используя экспоненциальный закон распределения, рассчитаны основные показатели надежности трубопроводов, транспортирующих сточные воды.

Определены важнейшие показатели надежности трубопроводов:

– вероятность безотказной работы элемента – вероятность исправной работы труб в течение времени t выраженная через опасность отказов:

по статистическим данным – интенсивность отказов где n(t) – число отказавших элементов в интервале времени от t до t +. ;

N0 – число элементов в начале эксплуатации; Ncp – среднее число исправно работающих элементов в интервале t.

интенсивность отказов – 3,44 10–6, среднее время безотказной работы – лет.

Для оценки надежности трубопроводов, по расчетным данным построена характеристика надежности P(t) (рис. 8).

безотказной работы их не менее 0,5. На основании этого определен момент достижения предельного износа трубопровода 530x7,5, который наступит на – 24 году эксплуатации.

На основании этого и с учетом статистического распределения появления отказов трубопроводов, рекомендуется на 18 – 20 год эксплуатации производить восстановительные работы на трубопроводах, транспортирующих сточные воды.

вероятность безотказной работы Рисунок 8 – Вероятность безотказной работы трубопровода 530х7, надёжности, сформулировать требования, предъявляемые к надёжности вновь разрабатываемой системы, заранее рассчитать срок службы трубопровода, составить плановое задание по уходу за системой, ее ремонтом и восстановлением.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

оросительной сети. Установлено, что конструктивные факторы – материал, производства работ; эксплуатационные – условия эксплуатации, режим работы, своевременность устранения повреждений являются основными.

трубопровода обуславливает образование коррозионных каверн. На основе статистических данных построены кривые изменения глубины коррозионной каверны во времени и теоретически определены скорости ее развития. Для трубопровода 530х7,5 глубина коррозионной каверны во времени равна: для верхней образующей – 4,53, боковой – 4,8, нижней – 5,37 мм.

воды для орошения сельскохозяйственных культур и повысить урожайность зеленой массы люцерны, полученной за один укос, на 0,6 …0,75 т/га или на 20,9 %.

По результатам статистического анализа повреждений и отказов трубопроводов определены математические ожидания их появления. Средние их значения за 18 лет эксплуатации трубопроводов составили соответственно математического ожидания появления повреждений и отказов, установлено, что минимальные их значения приходятся на 4 – 13 годы эксплуатации трубопроводов.

Для прогноза коррозионной опасности и предотвращения сквозного проржавления трубопровода установлен параметр коррозионного износа для трубопроводов различных марок стали, при котором появляется коррозионный свищ. Срок службы трубопровода до первого сквозного проржавления определяется временем, в течение которого глубина каверны к достигает параметра коррозионного износа к кр.х. Для исследуемого трубопровода 17ГС 530х7,5 параметр коррозионного износа равен 0,67 см при давлении 1 МПа и 0,63 см – при 2 МПа.

Определены основные показатели надежности трубопроводов оросительных систем: частота отказов – 2,7 10–6 ; интенсивность отказов – 3,44 10–6, среднее время безотказной работы – 20 лет. На основе расчетов построена зависимость вероятности безотказной работы от времени эксплуатации, по которой установлено, что износ трубопровода 530х7, наступит на 23 – 24 году эксплуатации.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

На трубопроводах транспортирующих сточные воды, рекомендуется проводить ремонтные и восстановительные работы в следующие интервалы:

- до третьего года эксплуатации проводить визуальные осмотры один раз в квартал;

- с третьего по восьмой годы эксплуатации, проводить визуальные и профилактические осмотры, с регистрацией результатов в специальном журнале;

- с девятого по восемнадцатый годы эксплуатации, проводить визуальные и инструментальные осмотры, обнаруженные дефекты устранять, а на элементы, требующие последующего ремонта составлять дефектные ведомости для назначения сроков проведения текущих ремонтов;

восстановительные работы.

Для вновь разрабатываемых систем рекомендуется применять трубы с защитным покрытием внутренней поверхности. Наилучшими и экономически доступными защитными покрытиями от воздействия сточных вод являются краски с пленкообразующими ПАВ; лакокрасочные покрытия; покрытия на основе фенол-формальдегидных смол, покрытия органического синтеза.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Орлова, С.С. Исследование функциональных взаимосвязей между элементами закрытой оросительной сети и факторами ее существования. / С.С.

Орлова // Вавиловские чтения – 2006; Материалы научно-практическая конференция посвященная 119-ой годовщине со дня рождения академика И.Н.

Вавилова: Сб. науч. работ. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2006. – с. 23-25 (0,13/0,13).

Орлова, С.С. К вопросу о водосбережении оросительной воды в условиях Саратовского Заволжья / О.В. Михеева, С.С. Орлова, Т.А.

Васильченко, Е.Г. Клиб // Экология и безопасность жизнедеятельности – 2006.

Сборник статей VI Международной научно-практической конференции. – Пенза: РИО ПГСХА, 2006. с. 48-51 (0,25/0,07).

оросительных систем Саратовского Заволжья / С.С. Орлова // Системные исследования природно-техногенных комплексов Нижнего Поволжья: сб. науч.

трудов. вып. 2 под ред. А.В. Кравчука. – Саратов, 2007. с. 119-121 (0,13/0,13).

проектирования и строительства объектов АПК России: сб. науч. трудов.

Всероссийская научно-практическая конференция посвященная 75-летию ФГУП «НИПИ гипропромсельстрой», редкол.: А.В. Ляпин и др. – Саратов, 2007. с. 225-231 (0,3/0,1).

Орлова, С.С. Влияние агрессивности сточных вод на надежность трубопроводов закрытой оросительной сети / С.В. Затинацкий, С.С. Орлова // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» Вестник Госагроуниверситета им. Н.М. Вавилова. – Саратов, 2007. - №4. с. 79-81 (0,3/0,15).

Орлова, С.С. Статистический анализ надежности трубопроводов закрытой оросительной сети Саратовского Заволжья / Н.М. Колосова, С.В.

Затинацкий, С.С. Орлова // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И.

Вавилова ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» Вестник Госагроуниверситета им.

Н.М. Вавилова. – Саратов, 2007. - №4. с. 82-85 (0,5/0,17).

Орлова, С.С. Исследование взаимосвязи между глубиной и скоростью развития коррозионной каверны во времени для трубопроводов, транспортирующих сточные воды / С.С. Затинацкий, С.С. Орлова // Основы рационального природопользования: сб. науч. работ (по материалам заочной Международной научно-практической конференции) ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов: Наука, 2007. с. 95 – 99. (0,25/0,13) Орлова, С.С. Сточные воды как перспективный источник орошения в условиях саратовского Заволжья / О.В. Михеева, С.С. Орлова, Т.А.

Васильченко, Е.Г. Клиб // Молодые ученые – агропромышленному комплексу Поволжского региона: сб. науч. работ. Выпуск 3. – Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2007. с. 82 – 85. (0,2/0,05) Орлова, С.С. К вопросу установления критерия надежности количественной оценки трубопроводов, транспортирующих сточные воды / С.В. Затинацкий, Н.М. Колосова, С.С. Орлова // Вавиловские чтения 2007:

Материалы конференции. – Саратов: Научная книга, 2007. с. 283 – 285.

(0,25/0,09).

Подписано в печать «»2008 г.

Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тир. 100. Зак. _ Типография Волгоградской ГСХА 400002, Волгоград, Университетский пр -т,