Прогноз и моделирование процессов обрастания напорных трубопроводов оросительных систем

Сауткина, Татьяна Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Прогноз и моделирование процессов обрастания напорных трубопроводов оросительных систем
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Прогноз и моделирование процессов обрастания напорных трубопроводов оросительных систем"

На правах рукописи

САУТКИНА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА

ПРОГНОЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАСТАНИЯ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность: 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 МАР 2013

Саратов-2013

005051152

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научный руководитель: Есин Александр Иванович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кравчук Алексей Владимирович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ», профессор кафедры «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Рыжко Николай Фёдорович

доктор технических наук, старший научный сотрудник ФГБНУ «ВолжНИИГиМ», зав. отделом «Модернизация технических средств и технологий полива»

Ведущая организация - ФГБНУ «Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации», г. Новочеркасск

Защита диссертации состоится «12» апреля 2013 года в 12 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.061.06 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская, 60, в ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» по адресу: 410012, г.Саратов, Театральная пл., 1. E-mail: dissovet01@sgau.ru

Автореферат разослан «11» марта 2013 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Афонин Владимир Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Для сохранения плодородия, повышения урожая и его качества особое значение имеет использование орошения. Применение орошения является важным условием интенсификации сельскохозяйственного производства на мелиорированных землях. Мелиорация земель направлена на повышение урожая и сохранение плодородия почв. Значительное уменьшение площади орошаемых сельскохозяйственных полей вызвано тем, что работы по реконструкции оросительных систем не проводились в требуемые сроки. Из-за снижения пропускной способности напорных трубопроводов снижаются напор и расход, нарушается работа насосов, что оказывает влияние на работу дождевальных машин.

Одним из важных вопросов длительно эксплуатируемых существующих мелиоративных систем является проблема обеспечения безопасного и надежного режима работы трубопроводов. Это обусловлено тем, что срок службы многих трубопроводов превышает 30-40 лет. Система трубопроводов закрытой оросительной сети является сложным и дорогостоящим инженерным сооружением, которая должна полностью исключать потери воды.

Проведенные исследования при паспортизации и контроле качества подаваемой оросительной воды свидетельствуют о том, что сложившаяся сеть трубопроводов не отвечает предъявляемым к ней требованиям ввиду снижения пропускной способности трубопроводов и несоответствия технических характеристик нормативным требованиям. Такие противоречия между длительно эксплуатируемыми трубопроводами и нормативными требованиями имеют следующие причины:

- с течением времени внутренние поверхности трубопроводов подвергаются обрастанию;

- изменяются условия эксплуатации трубопроводов (объемы транспортировки воды, качество воды, рабочее давление);

- в связи с развитием техники и технологий меняются нормативные требования.

В процессе эксплуатации на трубопроводы влияют: химический состав оросительной воды, концентрация растворенных солей, содержание в воде растворенного кислорода, присутствие микроорганизмов, водорослей, дрейссен и др. Под их воздействием происходит коррозия внутренней поверхности, увеличивается ее шероховатость, начинает активно происходить процесс обрастания, что приводит к изменению пропускной способности трубопроводов и снижению эффективности работы всей системы.

Вопрос сохранения заданных эксплуатационных характеристик трубопроводов закрытой оросительной сети является актуальным, т.к. в перспективе необходимо разработать методы прогнозирования состояния,

способы и средства прочистки трубопроводов; комплекс технических, организационных и хозяйственных мероприятий, которые бы обеспечивали исправное состояние мелиоративной сети.

Цель работы. Научное обоснование и прогнозирование процессов обрастания напорных трубопроводов длительно эксплуатируемых оросительных систем, разработка рекомендаций по сохранению их эксплуатационных характеристик, повышению эффективности работы напорных трубопроводов оросительных систем.

Задачи исследований:

- провести анализ современного состояния напорных трубопроводов (на примере Приволжской оросительной системы), исследовать степень влияния различных эксплуатационных факторов на техническое состояние и работоспособность трубопроводов при длительной эксплуатации;

- научно обосновать возможность оценки состояния трубопроводов с учетом сущности процессов обрастания труб на основе теории риска;

- провести обработку результатов натурных исследований обрастания трубопроводов и на их основе получить расчетные зависимости;

- разработать математическую модель процесса обрастания трубопровода на основе детерминированного подхода, критерии и методику оценки работоспособности трубопроводов;

- разработать практические рекомендации по оценке величин обрастания длительно эксплуатируемых трубопроводов и перечень периодического обслуживания;

- дать технико-экономическую оценку техническим средствам прочистки трубопроводов.

Степень разработанности темы. Значительный вклад в изучение процессов обрастания трубопроводов внесли теоретические и экспериментальные исследования, выполненные такими российскими и зарубежными учеными, как А.Д. Альтшуль, Р. Благник, В. Занова, В.И. Терентьев, Н.П. Павловец, Е.С.Гуревич, A.M. Фрост, Н.П. Жук, A.A. Герасименко, М.А. Лучина, К. Мёрбе, Г. Вернер, Г.И. Николадзе, A.C. Разумов, А.И. Раилкин, W.F. Hamilton, H.F. Ridgway и другие. В то же время, некоторые вопросы обрастания трубопроводов остались открытыми и требующими дальнейших исследований и разработок. В рассмотренных трудах, во-первых, отсутствует возможность оценки состояния трубопроводов на основе теории риска; во-вторых, не разработан детерминированный подход к процессу обрастания трубопроводов, в-третьих, не исследованы критерии и методики оценки работоспособности трубопроводов, отсутствуют практические рекомендации по оценке величин обрастания. Поэтому недостаточная научная проработанность проблемы обрастания трубопроводов, а также большая практическая значимость вопросов, решаемых в диссертации, определили цель и задачи настоящего диссертационного исследования.

Объект исследования - напорные трубопроводы Приволжской и Энгельсской оросительных систем Саратовского Заволжья.

Предмет исследования - процесс обрастания внутренней поверхности напорных трубопроводов.

Методика исследований предусматривает теоретические и натурные исследования. Теоретические исследования проводились с использованием: методов теории вероятностей и математической статистики, уравнений математической физики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с действующими методиками. Обработка опытных данных проведена статистическими методами с применением стандартных пакетов прикладных программ.

Научная новизна. Впервые использован теоретико-вероятностный подход к оценке величин обрастания напорных трубопроводов оросительных систем, обоснована величина допустимого риска, разработаны методика оценки и расчетные зависимости прогнозного срока службы трубопроводов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель процесса обрастания трубопроводов при длительной эксплуатации;

- методика оценки работоспособности трубопроводов на основе теории риска и возможность ее применения для оценки влияния параметров обрастания (материала труб, химического состава и рН воды, наличия в воде микроорганизмов) на риск снижения работоспособности трубопроводов;

- расчетные зависимости изменения внутреннего обрастания трубопровода от времени эксплуатации.

Практическая значимость. Составлен перечень причин, вызывающих внутреннее обрастание напорных трубопроводов; разработанная методика расчета величины обрастания длительно эксплуатируемых трубопроводов позволяет формировать адекватные программы эксплуатации и технического обслуживания трубопроводов; разработаны практические рекомендации по оценке эффективности и работоспособности трубопроводов закрытых оросительных систем. Практические результаты могут быть использованы при проектировании закрытых оросительных сетей, а также в качестве рекомендации проведения профилактических работ, для снижения затрат на ремонт систем, увеличения срока службы трубопроводов.

Степень достоверности обеспечена статистическими методами оценки эксперимента, высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, вероятностной проверкой адекватности математических моделей, применением методов математической обработки результатов исследований с применением ЭВМ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Водные и лесные ресурсы России: проблемы и перспективы использования, социальная значимость» (г. Пенза, 2009 г.); Международном научно-практическом симпозиуме «Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса» (г. Саратов, СГТУ, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Экология, охрана водных ресурсов и водоочистка» (г. Челябинск, ЮУрГУ, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте' 2012» (г. Одесса, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований' 2012» (г. Одесса, 2012 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергоэффективные технологии в строительном комплексе региона» (г. Саратов, СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2012 г.); конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов по итогам научно-исследовательской, учебно-методической и воспитательной работы за 2012 г. (г. Саратов, СГАУ имени Н.И. Вавилова, 2013 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Общий объем публикаций составляет 2,5 печ. л., из них лично соискателя 1,45 печ. л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложения. Работа изложена на 140 страницах, содержит 23 таблицы, 51 рисунок. Список используемой литературы включает 191 источник, в том числе 6 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «Введении» дана характеристика работы, обоснованы ее актуальность и практическая значимость, научная новизна, реализация научных исследований, определены цель и задачи исследования, сформулированы защищаемые положения.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» проведен анализ состояния вопроса исследований в области работоспособности трубопроводов закрытых оросительных систем, дан анализ влияния величин обрастания трубопроводов на их эксплуатационное состояние. Установлено, что величина параметра обрастания трубопроводов зависит от многих факторов: качества материала труб, качества подаваемой воды, рН, концентрации солей, наличия микроорганизмов и др.

Показано, что пригодность и качество оросительной воды определяются по степени влияния ее на почву и элементы оросительной системы. Основными причинами возникновения обрастания является физико-химическое воздействие воды на трубопроводы.

Проведена классификация процессов обрастания, которая подтверждает сложность учета величины обрастания трубопроводов.

Рассмотрена оценка качества подаваемой воды на орошение. Выявлено, что хорошее качество воды — важнейшее условие экологически безопасного функционирования оросительных систем, т.к. оно влияет на макро- и микробиологическую активность почвенной биоты, на процессы засоления, осолонцевания, содообразования почв, загрязнения почв, грунтов и грунтовых вод, урожайность сельскохозяйственных культур, качество продукции, сохранность конструкций самой оросительной системы.

Проведен анализ современных методов обследования трубопроводов. Для осмотра внутренних поверхностей применяются визуальные методы, различные эндоскопы, толщиномеры, телевизионные камеры.

Наличие и степень обрастаний трубопроводов можно установить определением фактических гидравлических сопротивлений участков сети и сопоставлением их с табличными (по Ф.А. Шевелеву) значениями сопротивлений для неновых труб.

Во второй главе «Основы теории риска» изучены основные понятия теории риска, рассмотрены законы распределения исследуемых параметров.

В качестве параметра обрастания трубопровода выбрана толщина обрастания (рисунок 1). Для характеристики вариации параметра необходимо знать амплитуду его значений, уметь обобщить отклонения всех этих значений от типичной для изучаемой совокупности средней величины.

По степени вариации судят об однородности совокупности, о типичности средней величины. На их основе разрабатываются показатели оценки точности выборочного наблюдения.

Проблема оценки риска связана с получением базы данных об отказах трубопроводов. Использование данных включает: первичную обработку экспериментального материала, предварительный выбор вида вероятностного распределения, анализ однородности исходного статистического материала, оценку параметров распределения, проверку согласия эмпирического и теоретического распределений.

Для обеспечения работоспособности задают коэффициент безопасности:

У,

где упр - предельное значение параметра; у - начальное значение параметра.

Рисунок 1 - Максимальное и минимальное значения параметра обрастания

Определено, что при выборе методов проведения анализа риска необходимо учитывать особенности разработки системы, цели анализа, критерии приемлемого риска, тип анализируемой системы и характер опасности, опыт и квалификацию исполнителей и другие факторы.

Анализ отечественного опыта в управлении риском показывает, что возрастание аварий объясняется в основном высоким уровнем износа оборудования. Управление рисками требует научно обоснованной стратегии, которая включает в себя: разработку подхода к классификации рисков; создание и внедрение методики прогнозирования аварийных ситуаций, оценки возможных последствий; разработку методики оценки риска и рекомендаций по их использованию. Среди основных стратегий системы управления состоянием трубопровода рассматривают содержание и прочистку.

Управлять риском значит воздействовать на его основные составляющие, т.е. снижать вероятность возникновения чрезвычайных событий и уменьшать размер возможного ущерба при реализации таких событий.

В третьей главе «Обработка экспериментальных исследований величины обрастания трубопроводов» проведен анализ состояния трубопроводов оросительной сети. Из-за кризисного состояния снизились объемы эксплуатационно-ремонтных работ на закрытых оросительных сетях, а иногда они не проводились вовсе. Вследствие этого оросительные трубопроводы разрушались, происходило обрастание трубопроводов. На рисунке 2 представлена фотография стальной трубы 6.=300 мм, подвергшейся обрастанию.

Выполнена обработка результатов измерений величин обрастания оросительных трубопроводов, которая производилась методами математической статистики. Обработка статистических материалов проведена с помощью построения графика функции распределения величины обрастания трубопровода (рисунок 3).

Рисунок 2 - Обрастание стального напорного трубопровода с1 = 300 мм

Рисунок 3 - Распределение величины обрастания трубопровода, /[И) - эмпирическая плотность распределения

Построены гистограммы величин обрастания трубопроводов с плотностью распределения Шарлье. Полученные результаты экспериментальных исследований представляют собой исходные данные для математической модели риска величин обрастания трубопроводов (рисунок 4)

Рисунок 4 - Гистограмма величин обрастания и плотность распределения Шарлье (25 поливных сезонов)

В четвертой главе «Теоретические исследования коррозии трубопроводов» разработаны теоретические подходы к решению вопросов прогнозирования обрастания трубопроводов.

Специфика работы напорных трубопроводов оросительных систем такова, что экспериментальное изучение процесса обрастания возможно лишь в случаях аварийных и плановых ремонтных работ. Изучение состояния вопроса показывает необходимость разработки и внедрения в процесс обследования трубопроводов вероятностного метода, учитывающего влияние величины обрастания трубопроводов на их эксплуатацию. Формула А.Д. Альтшуля £ = а /, где £ - толщина

обрастания (рисунок 5), / - время, аоп - постоянная величина для прогноза зарастания трубопроводов, является чисто эмпирической и не имеет теоретического обоснования. В работе рассмотрен теоретический подход к решению процесса обрастания трубопроводов.

/ы

^ = 0

Рисунок 5 - Схема обрастания трубопровода: 1 - зона обрастания; 2 - вода

В основу этого подхода положено различие теплопроводящих свойств оросительной воды и материала обрастаний трубопровода. Вследствие чрезвычайной сложности математической постановки задачи в трехмерной постановке, решена модельная плоская задача.

Для зон (1), (2) сформулирована и решена смешанная краевая задача для уравнения теплопроводности:

дТ2 2 д% е ^ ^

~ёГ = °2 '

где Т\, Тг ~ значения температур, К;

а\, а\ - коэффициенты температуропроводности, м2/с;

í - время, с;

z - поперечная координата, м; индекс 1 соответствует параметрам обрастания, 2 - параметрам воды.

Коэффициент температуропроводности а2 связан с коэффициентом теплопроводности к соотношением:

к = а2 С ■ р,

где Ср - удельная теплоемкость, Дж/кгтрад; р — плотность, кг/м3.

В результате решения краевой задачи (2) найден закон обрастания трубопровода

— const = сс,

л/í

где а — постоянная, зависящая от плотности, теплопроводности и теплоемкости обрастания и плотности воды.

Постоянная а удовлетворяет трансцендентному уравнению:

2 2

___ а

4а2 4а2

К i U К i \ е "2 -fñ „

~С3'~Ґ-л+^\с2-сз)-7-Ї = (3)

а.

1 Ф

2 aXJ

а7

2 1-Ф

2 a2j

где С], с2, с3 — заданные постоянные температуры; к\, кг~ коэффициенты теплопроводности, Вт/мтрад; X - эмпирический постоянный коэффициент (аналог коэффициента теплообмена), м2/с2;

Р1 - плотность материала обрастания, кг/м3;

2 г J

Ф(т]) = ~1= Г e'^árj - интеграл ошибок. ■Jai

Решение уравнения (3) можно найти численно, графически или приближенно аналитически.

Поскольку толщина обрастания мала по сравнению с толщиной слоя воды, то можно предположить, что температура продуктов обрастания равна температуре материала трубы, тогда уравнение (3) упрощается:

1 -Р2

1 6 -ВР, (4)

V^l-ФО?)

a -íp, ai

где р = ——-< D= Их 2

2а2 с2 ~с\кг

Трансцендентное уравнение (4) легко разрешается относительно р численно или графически (рисунок 6), поскольку левая часть уравнения автомодельная по /?, то есть имеет один и тот же вид для различных режимов процесса обрастания трубопровода.

2,0

1,5

1,0

0,5

0 0,5 1,0 1,5 2,0 Рисунок 6 - Графическое решение уравнения (4)

Решение уравнения (4) можно найти также аналитически, если предположить, что параметр /? мал:

Р«\. (5)

В этом случае справедливы следующие разложения:

л/я- -4л

и решение уравнения (4) находится в явном виде:

2 4ла.

а =--.

л£>-2

Натурными экспериментами, проводившимися при реконструкции орошаемых участков Приволжской оросительной системы Саратовской области, установлено, что среди обрастаний трубопроводов с/ = 300 мм наиболее часто встречается вюстит {РеО). Некоторые результаты обработки натурных экспериментов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Величина обрастания стальных трубопроводов

Количество поливных сезонов 7 18 25

Величина обрастания £0п, мм 1,3 4,6 6,1

Вычисление параметра а по опытным данным для вюстита дает: кг = 0,6 Вт/мтрад; ср2 = 4200 Дж/кгтрад; р, = 5500 кг/м3; р2 = 1000 кг/м3;

Х = 1086 м2/с2; с2-с, = 1,0-10"3 ° С; а. =—-— = 14,29 - Ю-8 м2/с; а= 0,3-10"6 м/с °'5.

С учетом а =

0,3-10"6 м/с °'5 величину обрастания трубопровода можно вычислить по формуле:

£ = 1,18377 мм, (6)

где ? - количество поливных сезонов.

Для того чтобы найденное значение а можно было считать достоверным, необходимо проверить условие (5):

Р = = 0,3-10-6 10-з<<1;

2 «2 2^14,29-10

то есть условие (5) выполняется.

График зависимости (6) показан на рисунке 7. Там же представлены линейная эмпирическая зависимость А.Д. Альтшуля и данные статистической обработки натурных экспериментов.

0 ШГ.......... ...............!......................... .....................................

0 5 10 15 20 25 30

~а~ — формула А.Д. Альтшуля

—і--формула (6)

к — натурный эксперимент

Рисунок 7 - Сравнение результатов исследований

Анализ рисунка 7 показывает, что математическая модель достаточно адекватно описывает процесс обрастания трубопровода.

В отличие от линейной эмпирической зависимости при значительной величине обрастания совпадение £ по формуле (6) с данными эксперимента достаточно хорошее.

Исследования показывают, что процессы обрастания формируются под влиянием большого числа независимых и слабо зависимых друг от друга факторов (качества материала труб, скорости, расхода, рН, различных микроорганизмов, растворенного кислорода, диаметра трубы и др.). Каждый из этих факторов вызывает количественные изменения толщины обрастания, но доминирующего фактора нет, поэтому толщина обрастания является случайной величиной и подчиняется закону распределения Шарлье.

По результатам опытных данных сделан прогноз состояния трубопроводов на любой период времени (с учетом факторов, влияющих на работоспособность трубопроводов). Прогноз оценки работоспособности трубопроводов в условиях длительной эксплуатации дает возможность установить степень необходимости и сроки производства работ по прочистке трубопровода путем сопоставления его фактических параметров с требуемыми.

Предложена методика оценки эксплуатационного состояния трубопровода по риску обрастания и фактическому сроку службы трубопровода.

Риск обрастания трубопровода во времени является качественной инженерной характеристикой конструкции и в соответствии с теорией вероятностей определяется выражением:

где - суммарная площадь обрастаний за период эксплуатации; 50 - площадь поперечного сечения нового трубопровода.

Риск обрастания трубопроводов связан с уровнем работоспособности (Рн) следующим соотношением:

Р =1-г.

Формула оценки риска обрастания труб, основанная на распределении Шарлье, имеет вид:

г = 0,5-Ф

К.-К.

+ 0-™

■М

К-К,

—С,-/« 6 5 у

/¡„„-/г.

где С3 и Еи - коэффициент асимметрии и эксцесс эмпирического

распределения интервалов между величинами обрастаний;

/(2) и /'

(3) _

вторая и третья производные нормального распределения;

U =

h -h

кр ср

2 , 2 + <у

кр ср

• квантиль нормального распределения;

^ср и ^кр ~ средняя и критическая величины обрастания; а^ и ст - средние квадратичные отклонения величин обрастания.

По методике расчета риска был рассчитан риск обрастания трубопровода за 7, 18 и 25 поливных сезонов. По расчётам был построен график влияния величины обрастания на риск ухудшения пропускной способности трубопровода (рисунок 8).

56 42

28 14

61 _ ---- ----

46 У

/ /

10'' 10" W 10° ш4 10'1 №;

Зоны шкалы picкз

Рисунок 8 - Влияние величины обрастания (вюстит) на риск ухудшения пропускной способности трубопровода

Данный математический аппарат может быть использован для оценки работоспособности трубопровода и выявления наиболее подверженных обрастанию участков трубопровода.

В пятой главе «Экономическая оценка применения прочистки трубопроводов закрытых оросительных систем» представлен расчет экономической эффективности от прочистки трубопроводов закрытой оросительной сети.

В процессе расчета установлено, что применение устройства прочистки трубопроводов закрытой оросительной сети от обрастаний позволяет существенно снизить энергозатраты за счет улучшения эксплуатационных условий трубопроводов. Подсчитан экономический эффект от применения прочистки трубопроводов от обрастаний:

Э =

фф 2217292

500

= 4434,6 руб,

где Ээфф - экономическая эффективность при применении прочистки трубопровода;

IV - обслуживаемая площадь, га (площадь, обслуживаемая насосной станцией № 11 АО «Энгельсское», равна 500 га).

Экономический эффект от применения прочистки трубопроводов создается за счет двух факторов:

1. При прочистке трубопроводов снизятся затраты на электроэнергию за счет улучшения эксплуатационных режимов работы закрытой оросительной сети.

2. При прочистке трубопроводов снижаются нарушения по регулярности поливов, в связи с обрастанием трубопроводов. В результате повышается урожайность сельскохозяйственных культур.

Заключение

1. В результате анализа состояния трубопроводов (на примере Приволжской и Энгельсской оросительных систем) установлено, что большинство напорных трубопроводов находятся в неудовлетворительном состоянии вследствие обрастания, которое существенно влияет на эксплуатационные параметры трубопроводов, снижая пропускную способность трубопроводов.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований показано, что величина обрастания напорных трубопроводов является случайной величиной, зависящей от физико-химических свойств материала труб, химического состава и рН воды, содержания растворенного кислорода, наличия в воде микроорганизмов и др.

3. Обработка натурных экспериментов по обрастанию трубопроводов показала, что коэффициенты вариации параметров обрастания имеют значения от 61 до 74%, указывающие на низкое качество транспортируемой воды и несоответствие эксплуатационным характеристикам трубопроводов.

4. Разработанная детерминированная математическая модель процесса обрастания трубопровода подтвердила вероятностный характер величины обрастания как случайной величины, подчиняющейся закону распределения Шарлье. Получена формула для определения величины обрастания в зависимости от времени эксплуатации без трудоемкого процесса физического измерения параметров обрастания.

5. Установлена количественная зависимость между величиной риска г и эксплуатационными мероприятиями, а именно, при:

• Ю"7 < г < 104 необходима профилактическая прочистка трубопроводов струей высокого давления либо другими способами;

• г > 10"4 - необходима замена трубопроводов.

6. Сравнительная оценка параметров трубопроводов до и после прочистки показала, что коэффициент использования оросительной воды

трубопроводом увеличивается с 0,37 - 0,55 (без применения технических средств) до 0,73 - 0,91 (с применением технических средств), а коэффициент готовности системы - с 0,75 - 0,87 (без применения технических средств) до 0,84 - 0,98 (с применением технических средств).

7. Экономический эффект от применения прочистки трубопроводов составляет 4434,6 руб. на 1 га орошаемой площади.

Рекомендации производству

При эксплуатации трубопроводов закрытой оросительной сети необходимо проводить ремонтные и восстановительные работы в следующие периоды:

1) 10"7 < г < 10~б — проводить профилактические визуальные осмотры один раз за поливной сезон;

2) 10"6 < г < 10"5 - проводить визуальные осмотры; осмотры с применением толщиномеров, эндоскопов; устранять обнаруженные дефекты скребками, щетками, промывкой струей высокого давления;

3) 10"5 < г < 10"4 - проводить восстановительные работы, применять гидропневматический, гидродинамический и гидробародинамический методы прочистки трубопроводов; применять тампоны из полиэфирной пены; на трубопроводы, требующие ремонта, составлять дефектные ведомости, для назначения срока проведения текущих ремонтов;

4) IО"4 < г — необходимо проводить замену трубопроводов.

Для вновь разрабатываемых систем орошения рекомендуется применять трубопроводы с защитным покрытием внутренней поверхности. Простыми и экономически доступными методами для предотвращения обрастания труб являются битуминизация, покрытие слоем цементного раствора, пластмассовая облицовка.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Сауткина, Т.Н. Исследование процесса обрастания напорных трубопроводов оросительных систем / А.И. Есин, Т.Н. Сауткина // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2013.-№ 1. -С. 45-48.

2. Сауткина, Т.Н. Исследование величины обрастания (коррозии) трубопроводов с использованием теории риска / В.В. Столяров, Т.Н. Сауткина // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. -№ 4 (59). - Вып. 1. - С. 224 - 228.

3. Сауткина, Т.Н. Оценка эксплуатационного состояния трубопровода по риску его обрастания / Т.Н.Сауткина // Научная жизнь. - 2013. - № 1. -С. 68-70.

4. Сауткина, Т.Н. Причины коррозии трубопроводов закрытой оросительной сети / Т.Н. Сауткина // Научная жизнь. - 2013.-№ 1.-С. 64-67.

Публикации в других изданиях

5. Сауткина, Т.Н. Риск возникновения обрастания труб при использовании распределения Шарлье / В.Н. Никонова, Т.Н. Сауткина // Водные и лесные ресурсы России: проблемы и перспективы использования, социальная значимость: сб. статей Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2009. - С. 29 - 31.

6. Сауткина, Т.Н. Вероятностная оценка зарастания водопроводных трубопроводов на основе теории риска / Т.Н. Сауткина // Проблемы транспорта и транспортного строительства: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2008.-С. 101-105.

7. Сауткина, Т.Н. Особенности исследования коррозии трубопроводов с позиции теории риска / Т.Н. Сауткина, В.Т. Никонова, Е.Ю. Сауткина // Совершенствование методов гидравлических расчетов водопропускных и очистных сооружений: межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 2009. -С. 65-72.

8. Сауткина, Т.Н. Влияние величины обрастания трубопроводов на надежность и эффективность их эксплуатации / Т.Н. Сауткина, В.Т. Никонова, Е.Ю. Сауткина // Социально-экономические проблемы жилищного строительства и пути их решения в период выхода из кризиса: сб. статей Междунар. науч.-практ. симпозиума. - Саратов: СГТУ, 2010. -С. 211-213.

9. Сауткина, Т.Н. Оценка эксплуатационного состояния трубопровода / Т.Н. Сауткина, Е.Ю. Сауткина // Сб. науч. тр. С\\Гог1с1. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2012». - Вып. 2. - Т. 7. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. - ЦИТ: 212-410. — С. 72 - 74.

10. Сауткина, Т.Н. Исследование надежности трубопроводов с позиции теории риска / Т.Н. Сауткина // Экология, охрана водных ресурсов и водоочистка: сб. статей Междунар. науч.-практ. конф. - Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011.-С. 110-112.

11. Сауткина, Т.Н. Установление законов распределения коррозий трубопроводов / Т.Н. Сауткина // Сб. науч. тр. С\\^огИ. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2011»,- Вып. 4. - Т. 29. -Одесса: Черноморье, 2011. - ЦИТ: 411-0276. - С. 94 - 95.

12. Сауткина, Т.Н. О законе распределения величины внутреннего обрастания трубопроводов / Т.Н. Сауткина, A.M. Калякин, Е.В. Чеснокова // Сб. науч. тр. CWorld. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2012»,- Вып. 1.-Т. 24. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. — ЦИТ: 112-803. -С. 94-95.

13. Сауткина, Т.Н. Оценка работоспособности трубопроводов на основе теории риска / Т.Н. Сауткина, Е.Ю. Сауткина, A.M. Калякин, Е.В. Чеснокова // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона: сб. науч. тр. по материалам II Всерос. науч.-практ. конф.-Саратов: СГТУ, 2012.-С. 227-231.

САУТКИНА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА

ПРОГНОЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАСТАНИЯ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Автореферат

Подписано в печать 05.03.2013 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 3

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

410031, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Сауткина, Татьяна Николаевна, Саратов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И.Вавилова»

ПРОГНОЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАСТАНИЯ НАПОРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

САУТКИНА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор А.И. Есин

Саратов-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... 4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................10

1.1 Современное состояние оросительных систем...........................................10

1.2 Оценка качества вод, подаваемых на орошение.........................................13

1.3 Влияние величины обрастания трубопроводов на эксплуатационное состояние и эффективность эксплуатации трубопроводов..............................15

1.4 Современные методы обследования трубопроводов закрытых оросительных систем.........................................................................................32

1.5 Современные методы защиты трубопроводов от обрастаний...................38

1.6 Анализ проблем обрастания трубопроводов закрытых оросительных систем..................................................................................................................42

1.7 Выводы по главе...........................................................................................44

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РИСКА..........................................................................45

2.1 Требуемое число результатов измерения....................................................45

2.2 Законы распределения исследуемых параметров.......................................47

2.3 Основные понятия и формулы теории риска..............................................53

2.4 Управление риском......................................................................................65

2.5 Выводы по главе...........................................................................................70

3. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЕЛИЧИНЫ ОБРАСТАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ..........................................71

3.1 Изучаемые оросительные системы..............................................................71

3.2 Установление законов распределения высот обрастания трубопроводов....................................................................................................75

3.3 Выводы по главе...........................................................................................89

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАСТАНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ............................................................................................90

4.1 Математическое моделирование процесса обрастания трубопроводов оросительных систем...............................................................90

4.2 Основные понятия и формулы теории риска для оценки

воздействия параметров обрастания на риск снижения

эксплуатационной надежности трубопроводов................................................ 97

4.3 Вероятностная методика расчета величин обрастания трубопроводов .... 105

4.4 Выводы по главе...........................................................................................109

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ

ПРОЧИСТКИ ТРУБОПРОВОДОВ ЗАКРЫТЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.............................................................................................................110

5.1 Оценка эффективности работы закрытой оросительной сети при применении разработанных средств прочистки трубопроводов.....................110

5.2 Экономическая эффективность от применения прочистки

закрытой оросительной сети..............................................................................113

5.3 Выводы по главе...........................................................................................115

Заключение.........................................................................................................115

Предложения производству...............................................................................116

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................135

Программа расчета риска...................................................................................135

Справка об использовании научных разработок..............................................139

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Для сохранения плодородия, повышения урожая и его качества особое значение имеет использование орошения. Применение орошения является важным условием интенсификации сельскохозяйственного производства на мелиорированных землях. Мелиорация земель направлена на повышение урожая и сохранения плодородия почв [126].

Развитие оросительной мелиорации в Нижнем Поволжье является безальтернативным приемом стабилизации сельскохозяйственного производства. Значительное уменьшение площади орошаемых сельскохозяйственных полей вызвано тем, что работы по реконструкции оросительных систем не проводились в требуемые сроки. Из-за снижения пропускной способности нарушается работа насосов, снижается напор и расход, что оказывает влияние на работу дождевальных машин.

Состояние орошаемых земель в Поволжском регионе ухудшается. Реконструкция оросительных систем выполняется на 5 - 10% от необходимого объема, а ввод новых орошаемых земель практически прекратился [66,85,152].

ОднихМ из важных вопросов, длительно эксплуатируемых существующих мелиоративных систем, является проблема обеспечения своего назначения в безопасном и надежном режимах работы трубопроводов. Это обусловлено тем, что срок службы трубопроводов превышает 30 - 40 лет. От безопасной работы систем мелиорации зависит своевременность подачи воды на поля, необходимость проведения текущих и капитальных ремонтов, а также ее реконструкция и усовершенствование и особая роль при этом отведена закрытой оросительной сети [84,152].

Система трубопроводов закрытых оросительных систем является сложным и дорогостоящим инженерным сооружением, которая полностью исключает потери воды.

пропускной способности трубопроводов и несоответствия технических характеристик нормативным требованиям.

Такие противоречия между длительно эксплуатируемыми трубопроводами и нормативными требованиями имеет причины:

- с течением времени трубопроводы подвергаются обрастанию;

- в связи с развитием техники и технологий меняются нормативные требования.

В процессе эксплуатации на трубопроводах образуются различного рода отложения и обрастания. На трубопроводы воздействуют: химический состав оросительной воды, концентрация растворенных солей, содержание в воде растворенного кислорода, присутствие микроорганизмов, водорослей, дрейссен и др.

Под их воздействием изменяется пропускная способность трубопроводов, увеличивается их шероховатость.

Вопрос работоспособности трубопроводов закрытой оросительной сети является актуальным, т.к. в перспективе необходимо разработать методы прогнозирования; способы и средства прочистки трубопроводов; комплекс технических, организационных и хозяйственных мероприятий, которые бы обеспечивали исправное состояние мелиоративной сети; критерии оценки работоспособности трубопроводов и с их помощью возможно делать дальнейший прогноз состояния трубопроводов, обеспечивающих безотказную эксплуатацию оросительной сети.

Задачи исследований:

- дать технико-экономическую оценку техническим средствам прочистки трубопроводов.

недостаточная научная проработанность проблемы обрастания трубопроводов, а также большая практическая значимость вопросов, решаемых в диссертации, определили цель и задачи настоящего диссертационного исследования.

Предмет исследования - процесс обрастания внутренней поверхности напорных трубопроводов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель процесса обрастания трубопроводов при длительной эксплуатации;

- расчетные зависимости изменения внутреннего обрастания трубопровода от времени эксплуатации.

формировать адекватные программы эксплуатации и технического обслуживания трубопроводов; разработаны практические рекомендации по оценке эффективности и работоспособности трубопроводов закрытых оросительных систем. Практические результаты могут быть использованы при проектировании закрытых оросительных сетей, а также в качестве рекомендации проведения профилактических работ, для снижения затрат на ремонт систем, увеличения срока службы трубопроводов.

Степень достоверности обеспечена статистическими методами оценки эксперимента, высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, вероятностной проверкой адекватности математических хмоделей, применением методов математической обработки результатов исследований с применением ЭВМ.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Общий объем публикаций составляет 2,5 печ. л., из них лично соискателя 1,45 печ. л.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Современное состояние оросительных систем

Особое место в экономике любой страны занимает сельское хозяйство. Специфичность роли, которая отведена сельскому хозяйству, обуславливается производством продуктов питания, как основы жизнедеятельности людей, производством сырья для многих видов производств, в том числе непроизводственных потребительских товаров [103,104].

От современных систем земледелия требуется решение трех задач: производство растениеводческой продукции в необходимых объемах и нужного качества; сохранение и (или) расширенное воспроизводство почвенного плодородия и обеспечение экологической безопасности сельскохозяйственного производства [183].

Задачей землепользования является наиболее полное и рациональное использование естественного и экономического плодородия почвы, при этом необходимо максимально реализовывать новейшие достижения науки и техники для получения наибольшей урожайности всех сельскохозяйственных культур с наименьшими затратами па единицу продукции [105].

В России из-за расположения большей части сельхозугодий в зоне рискованного земледелия с часто повторяющимися засухами урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность животноводства остаются низкими, а объем производства продовольствия изменяющимся по годам.

Деградация земель сельскохозяйственного назначения, как основного средства производства в сельском хозяйстве, представляет собой одну из важнейших социально-экономических проблем [72].

Увеличить объемы получаемого продовольствия и нейтрализовать негативное влияние засух и суховеев на продуктивность сельскохозяйственных культур можно только на основе применения различных видов мелиорации, которые направлены на оптимизацию сочетания «сухого» и орошаемого земледелия, расширение работ по агролесомелиорации, мелиорации солонцов и других ее видов [56,61,70].

Недостаточная водообеспеченность в период вегетации сельскохозяйственных культур приводит к снижению урожайности на 25 - 30%. Значительно снижается урожайность на землях с неблагоприятной мелиоративной обстановкой [126].

Саратовская область располагается в засушливой зоне и является зоной рискованного земледелия, поэтому без развития орошения здесь невозможно получать стабильные урожаи сельскохозяйственных культур [3].

Недостаточная влагообеспеченность земель из-за малого среднегодового количества атмосферных осадков влияет на эффективность ведения земледелия. В засушливые годы количество осадков в вегетационный период уменьшается, и урожайность сельскохозяйственных культур снижается. При атмосферных засухах посевы зачастую полностью погибают. В таких условиях эффективное ведение сельского хозяйства возможно только при орошении земель [3].

Интенсивное использование орошаемых земель позволяет увеличить коэффициент использования времени вегетационного периода до 0,85 - 1,0 за счет насыщения культурами основного �

Информация о работе

Сауткина, Татьяна Николаевна
кандидата технических наук
Саратов, 2013
ВАК 06.01.02

Диссертация

Прогноз и моделирование процессов обрастания напорных трубопроводов оросительных систем - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы