книги / 807

Таким образом, каждый пятый отказ неметаллических труб происходит по причине механического повреждения при проведении земляных работ в их охранной зоне, каждый второй – по причине нарушения технологии изготовления труб и отступления от технологии строительства трубопроводных магистралей, каждый седьмой отказ вызван нарушением технологии эксплуатации труб.

При анализе нарушений технологии эксплуатации трубопроводного транспорта принята следующая классификация основных видов разрушения во время эксплуатации при динамических нагрузках (превышение предельной несущей способности конструкции) (рис. 3):

a)открытие клапана перекачки;

b)включение насоса на закрытую задвижку, т.е. колебания внутреннего давления перекачиваемой среды с амплитудой, превышающей 10 % от рабочего давления;

c)переключение в магистрали;

d)нагрузка, возникающая при гидроиспытаниях.

Рис. 3. Основные виды разрушений труб

Наличие динамических нагрузок от нагнетательных агрегатов (насосов различного типа) на трубопровод и источников появления переменных сил в самих трубопроводных системах приводит к тому, что осуществление рабочих процессов неизбежно связано с появлением вибрации трубопроводов, которая снижает надежность трубопроводов, несущих конструкций и технологического оборудования. Это приводит кнеобходимости контроля вибрации и повышает требования к достоверности расчетов трубопроводов на прочность при вибрационных нагрузках. Так, на рис. 4 приведены характерные колебания в рабочей среде и спектральная характеристика сигнала, полученного на наружной стенке

161

трубы выкидного трубопровода при работе поршневого насоса, а на рис. 5 приведены характерные колебания в рабочей среде и спектральная характеристика сигнала, полученного на наружной стенке трубы выкидноготрубопровода приработелопастного насоса.

Рис. 4. Импульсная нагрузка от поршневого насоса

Как показывают исследования на реальных трубопроводах, величина динамического давления может превышать в 1,5–2 раза уровень рабочего давления. Следовательно, если принять за параметры управления работы трубопроводных систем, наряду с существующими параметрами управления технологическим процессом перекачки, амплитуду динамического давления, то его надежное функционирование будет существенно выше.

а

б

Рис. 5. Импульсная нагрузка от лопастного насоса (а); спектрограммы импульсной нагрузки трубы (б)

162

Проведенный анализ экспериментальных данных по испытаниям труб и отчетных документов по расследованию причин отказов на трубопроводах позволяет предложить следующую классификацию основных типов разрушения ПАТ, возникающих при их эксплуатации:

•разрушение тела трубы по образующей вследствие разрушения армирующего каркаса в области сварного соединения, как правило, вследствие дефекта при сварке или превышения предела прочности материала в области сварного соединения;

•кольцевые трещины в области стыковых соединений труб, где отсутствует стальной армирующий каркас, поверхность трещины имеет вид скола, характерного для разрушения ненаполненных полимеров;

•разрушение трубопровода из ПАТ, вследствие наличия эксцентриситета стального каркаса в полимерной матрице при нарушении технологии изготовления труб.

Разрушения по сварному стыку (законцовке) конструктивных элементов трубопроводов ПАТ (рис. 6) чаще всего происходят в случае импульсного нагружения и составляет, как свидетельствуют опытные наблюдения, около 12 % от общего числа отказов. Причинами разрушений такого типа могут являться:

1) опрессовка;

2) открытие задвижки при включении насоса в трубопроводе

свысоким давлением и движении жидкости в зону более низкого давления сборного трубопровода;

3) наличие газовых полостей в трубе вследствие присутствия попутного газа;

Рис. 6. Разрушение законцовки ПАТ – скол

163

4) гидродинамические колебания перекачиваемой среды на собственных частотах системы конструкция – столб жидкости, которые определяются геометрическими характеристиками конкретного трубопровода.

Разрушения тела трубы являются наиболее распространенными и составляют до 80 % от общего числа отказов (рис. 7). В данном случае работоспособность конструкции в целом определяется прочностью армирующего каркаса в области сварного соединения осевых и кольцевых элементов. Замеры, проведенные на нефтепромыслах, показывают, что в диапазоне скоростей нагружения, соответствующих частотам 1–10 Гц, (включение насосов на закрытую задвижку) ПАТ ведет себя, практически, как при квазистатическом нагружении, т.е. основную нагрузку в конструкции трубы воспринимает стальной армирующий каркас. При этом если величина приложенной статической нагрузки превышает некоторое предельное значение (особенно в зоне сварного шва арматуры), происходит осевое разрушение тела трубы.

Рис. 7. Разрушение тела трубы по образующей вследствие разрушения сварного соединения армирующего каркаса ПАТ

При длительной эксплуатации (порядка 15–20 лет) наблюдается третий тип разрушения полимерных армированных труб – продавливание полимерной матрицы сквозь решетку армирующего каркаса, что приводит к изменению конфигурации стенки трубопровода, нарушению внутренней изоляции каркаса от перекачиваемой среды с последующей коррозией материала каркаса, особенно в зонах сварных соединений армирующих элементов (рис. 8). Наличие разрушений данного типа определяется в первую очередь временем эксплуатации конкретного трубопровода, в настоящее время такие отказы составляют до 8 % от общего числа. При наличии эксцентриситета армирующего каркаса в полимерной матрице, т.е. при нарушении технологии изготовления (брак, который сложно идентифицировать), длительность эксплуатации может сокращаться до 4–6 лет. В настоящее время наблюдаемая

164

ранее динамика сохраняется, при этом увеличивается число отказов, связанных с коррозией армирующего каркаса и с разрушениями ПАТ от действия динамической нагрузки.

Рис. 8. Разрушение армирующего каркаса

При динамических нагрузках происходит значительная деформация тела образца. На рис. 9 в качестве примера представлены разрушенные образцы трубы ПАТ 140 при разных скоростях роста нагрузки (давление в образце). При скорости роста давления 10,0 МПа (ударная нагрузка) деформация тела трубы в зоне разрушения имеет явно выраженную пластическую деформацию (значительное раскрытие зоны разрушения). Стальной каркас (радиальные элементы) разрушаются практически без образования шейки пластической деформации.

Данное замечание очень важно, так как при анализе разрушения тела трубы в процессе эксплуатации трубопровода позволяет определить условия роста нагрузки, приведшей к отказу вработе трубопровода.

Рис. 9. Разрушение трубы в зависимости от скорости нагружения (МПа/с): 1 – 10,0; 2 – 0,1; 3 – 1,0; 4 – 0,5

165

При скорости роста давления в образце трубы до 1,5 МПа/с происходит перестройка несущей способности конструктивных элементов тела трубы и основную нагрузку воспринимает стальной каркас. Это приводит к характерному виду разрушения радиальной проволоки стального каркаса. В зоне разрушения элемента стального каркаса образуется зона пластической деформации в виде шейки. На рис. 10 приведен пример образования зоны утончения проволоки при разрушении тела трубы.

Полимерно-армированные трубы достаточно надежный вид транспортировки нефтегазопродуктов и имеют ряд преимуществ перед стальными трубами. Но, для оценки остаточной работоспособности данных труб необходимо проведение дополнительных исследований, связанных с учетом влияния не только статических, а также и динамических нагрузок, действующих в результате эксплуатации трубопроводного транспорта.

Рис. 10. Образование шейки. Зона разрушения армирующего каркаса ПАТ

Это возможно с помощью использования специального нагрузочного оборудования, которое позволяет имитировать воздействие конструктивных элементов (механизмов) трубопровода, лопастного, так и поршневого насосов.

Получено 28.02.2012

166

УДК 697.7

И.С. Кудымов, Я.И. Вайсман

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА В ИНДИВИДУАЛЬНОМ ЖИЛОМ ДОМЕ

Исходя из концепции «зеленого строительства» рассмотрены принципы использования солнечных коллекторов в индивидуальных жилых домах. Даны характеристики современных солнечных устройств, рассмотрена область применения и принцип их работы. Приведены конкретные примеры использования для индивидуального жилищного строительства.

Ключевые слова: солнечная энергия, солнечный коллектор, стандарты «зеленого строительства», жилой дом, гелиосистема.

Правительством Российской Федерации был принят Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергоэффективности». Закон касается энергосбережения и повышения энергетической эффективности всех новостроек и старого фонда зданий, подвергающихся капитальной модернизации. Принятие Закона во многом связано с определением и практикой «зеленого строительства» (ЗС). Это практика строительства

иэксплуатации зданий, целью которой является снижение уровня потребления энергетических и материальных ресурсов на протяжении всего жизненного цикла здания: от выбора участка к проектированию, строительству, эксплуатации, ремонту и разрушению (утилизации).

Другой целью ЗС является сохранение или повышение качества зданий и комфорта их внутренней среды. Эта практика расширяет

идополняет классическое строительное проектирование понятиями экономии, полезности, долговечности (срока службы) и комфорта.

Среди существующих источников энергии есть такие, которые обладают уникальными свойствами: они практически неисчерпаемы, экологически чистые, экономически очень выгодные и т.п. К таким источникам следует отнести энергию солнечного излучения, энергию ветра, химическую энергию биомассы, энергию морских волн, океанских приливов, геотермальных источников.

167

В настоящее время наступает эпоха, когда эффективное освоение таких источников становится насущной необходимостью, чтобы человек не оказался беспомощным в будущем. Поэтому разработка и совершенствование таких энергетических установок, методики их инженерного расчета, всемерное их практическое внедрение являются актуальными, способными принести значительный экономический и социальный эффект.

Наиболее выгодным источником энергии, как с экономической, так и с экологической точки зрения, сегодня считается солнечное излучение. Ежесекундно солнце излучает 88·1024 кал, или 370·1012 ГДж теплоты. Из этого количества теплоты на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2·1012 Вт, т.е. за год 1018 кВт·ч, или в 10 000 раз больше той энергии, которая сегодня потребляется в мире. По сравнению с ним все остальные источники энергии дают теплоты пренебрежимо мало. Если, к примеру, потенциал Солнца определять по солнечной энергии, падающей только на свободные необрабатываемые земли, то среднегодовая мощность составит около 10 000 ГВт, что примерно в 5000 раз больше, чем мощность всех современных стационарных энергетических установок мира.

Поэтому есть смысл использовать солнечный энергетический потенциал для нужд человечества, тем более что сфера его применения необозримо широка. Например, в каждом строительном проекте значительную роль отводят системе водоснабжения. Она должна не только исправно работать, но и соответствовать современным требованиям безопасности и принципам рационального природопользования. Их особенно важно учитывать при создании систем доставки горячей воды, поскольку ее нагрев влечет за собой значительные энергетические затраты и загрязнение окружающей среды газами.

Наиболее экономичный и экологичный вид горячего водоснабжения – солнечная система нагрева воды. Так, использование одной солнечной водонагревательной установки позволяет сократить выбросы в атмосферу углекислого газа на 1–2 т в год, предотвращает выбросы других загрязнителей, таких как двуокись серы, угарный газ и закись азота. В то время как фотоэлектрические системы достигают эффективности 10–15 %, тепловые солнечные системы имеют КПД, равный 50–90 %. В сочетании с деревосжигающими печами бытовую потребность в горячей воде можно удовлетворять практически круглый год без применения ископаемых видов топлива.

168

Стоит также отметить, что значительная часть территории России имеет благоприятные климатические условия для использования солнечной энергии. В южных районах продолжительность солнечного излучения составляет от 2000 до 3000 ч в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность – от 1280 до 1870 кВт·ч на 1 м2. В наиболее солнечном месяце – июле – количество энергии, приходящейся на 1 м2 горизонтальной поверхности составляет в среднем от 6,4 до 7,5 кВт·ч в день. Следовательно, широкое использование солнечной энергии может иметь здесь важное хозяйственное значение.

Для изыскания путей использования возобновляемых и экологически чистых источников энергии необходимо изучать гелиоресурсы страны и районирование территории по потенциалу солнечной радиации. Такие исследования основываются на климатическом обобщении метеостанций с применением вероятностно-статистического подхода. Согласно результатам исследований в России выделено 11 районов по приоритету обеспеченности гелиоресурсами. Например, Барнаул расположен в 4-м по обеспеченности районе, Республика Алтай– в3-м и4-м районах.

Таким образом, можно отметить «бесплатность», возобновляемость и огромные масштабы (можно сказать неисчерпаемость) ресурсов солнечной энергии. Однако низкая плотность солнечной радиации у поверхности Земли (в среднем 250 Вт/м2, в наиболее благоприятных районах – 1 кВт/м2) и нерегулируемый режим поступления к поверхности Земли (вращение Земли, облачность) создают значительные технические трудности ее использования (необходимость больших отражающих и поглощающих поверхностей, систем ориентирования, аккумуляторов и пр.).

Наиболее популярный и выгодный способ организации горячего водоснабжения в частном доме с применением энергии солнца – это солнечная водонагревательная установка. Она состоит из коллектора, аккумулирующего бака, инвертеров, контроллера, насосной станции, трубопровода и опорных металлоконструкций.

Коллектор – устройство для сбора тепловой энергии солнца переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя (чаще всего, жидкости). Она протекает по коллектору и отдает полученное солнечное тепло потеплообменнику хозяйственно-питьевой воде.

169

Используемая в солнечных тепловых установках жидкость должна быть, с одной стороны, морозоустойчивой зимой, чтобы не нанести вред обледенением коллектору или трубопроводу, а, с другой стороны, она не должна испаряться при высокой температуре. Кроме того, следует обратитьвнимание на то, что эта жидкость биологически расщепляема.

Согласно DIN 4757 T1, жидкость помимо этого не должна быть токсичной, едкой или раздражающей. Между тем, в большинстве случаев применяется смесь из 60 % воды и 40 % пропиленгликоля. Она является морозоустойчивой до температуры –23 °С, ее температура кипения составляет 150 °С.

В аккумулирующем баке собирается солнечное тепло. Он подсоединен к впускной трубе для холодной воды и выпускной трубе для горячей, а также к циркуляционным трубам. Бак-накопитель обязательно должен быть хорошо теплоизолирован, чтобы ночью вода в нем не остывала. Потери тепла зависят от множества факторов (температура воздуха, ветер, время года и т.д.) и составляют около 0,5–1 °С в час в течение ночи. Изоляция бака должна быть настолько надежной, чтобы вода, нагретая за солнечный день, оставалась горячей в течение двух дней.

Объем бака-накопителя солнечной установки должен составлять 80 л на человека, при уровне потребления горячей воды 50 л в день. Это средние значения и они, безусловно, возрастают, если в доме есть, например, бытовая техника, для которой необходима вода.

Инвертор в солнечной водонагревательной установке необходим для преобразования постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный, так как многие электроприборы требуют переменного напряжения 220 В. Контроллер нужен для управления процессом нагрева от солнца и контроля состояния гелиосистемы. Контроллер получает информацию от датчиков температуры (один из которых обязательно находится в солнечном коллекторе) и выбирает необходимый режим работы. Насосная станция предназначена для обеспечения циркуляции теплоносителя в коллекторном круге (бак–коллекторы–бак).

Важно учитывать место расположения системы. Особое внимание стоит уделить предметам, которые могут отбрасывать тень на коллектор или затемнять его, поскольку самый слабый элемент солнечной батареи определяет общую производительность всего модуля, т.е. даже частичное затемнение, пусть незначительное, сокращает производи-

170