ОСОБЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ ТОРОВЫХ ВНУТРИТРУБНЫХ ПРИВОДОВ В ХОДЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЦЕМЕНТНОГО ПОКРЫТИЯ

Давыденко Ольга Васильевна

эксперт, ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный университет»,

 г. Ставрополь

E-mail: labeta@mail.ru

Движение рукава в трубопроводе в ходе нанесения покрытия носит нагруженный характер, причем для каждого случая, в зависимости от характера совокупности сопротивлений, препятствующих выворачиванию рукава в трубопроводе, расчет минимального давления выворачивания рукава должен производиться индивидуально. В рамках настоящей работы определены выражения для расчета минимального давления выворачивания для двух вариантов исполнения устройства для нанесения покрытия.

Рассмотрим первый вариант исполнения установки: для нанесения смеси используется совокупность разомкнутой тороидальной оболочки (рукава) и поршня-заглушки (как показано на рисунке 1).

Рисунок 1 – Схема участка, восстанавливаемого с использованием совокупно рукава и поршня

Находящийся в полости между рукавом и поршнем цементно-песчаный раствор, используемый в качестве покрывающей смеси, представляет собой вязко-пластичную неньютоновскую жидкость [3]. Для начала движения необходимо создать определенную разность давлений, соответствующую равенству возникающего на стенке трубопровода касательного напряжения  и начального напряжения сдвига жидкости . При этом вся масса жидкости движется как твердое тело с одинаковыми скоростями для всех частиц [1].

Следует отметить, что используемый в качестве покрывающего состав на основе цемента является тиксотропным, ввиду чего  зависит от времени. Однако для небольших промежутков времени между приготовлением смеси и началом восстановительных работ   можно считать постоянным.

Принципиально, предельное напряжение сдвига является достаточно трудноопределимой величиной, точное экспериментальное определение которой требует специализированного лабораторного оборудования, неприменимого в построечных условиях. Однако, для исследуемого диапазона подвижностей цементно-песчаной смеси (6-9 см) справедливо следующее приближенное выражение для расчета  через осадку стандартного конуса [2]:

где  - объемный вес смеси, кг/см³;  – объем конуса, см³;  - площадь нижнего основания конуса после осадки, см²;  - ускорение свободного падения. При исследуемых величинах осадки стандартного конуса радиус верхнего основания конуса  допускается, для простоты расчета, полагать неизменным. В таком случае радиус нижнего основания и, соответственно, его площадь  можно определить, исходя из условия постоянства объема смеси. Запишем его:

где  - объем нормального конуса, см³;  – объем конуса после осадки, см³;  – высота нормального конуса, см;  – радиус верхнего основания нормального конуса, см;  – радиус нижнего основания нормального конуса, см;  - осадка конуса, см;  – радиус нижнего основания конуса после осадки, см.

Проведя элементарные преобразования и подставив в выражение (3) известные и постоянные для используемого типа конуса величины, получим:

Полученное приближенное выражение (4) позволяет, в совокупности с (3), осуществлять расчет предельного напряжения сдвига  на основе простых, легко определяемых характеристик раствора: осадки стандартного конуса и объемного веса смеси.

Запишем условие равновесия системы сил, действующих на рассматриваемый объем покрывающей смеси:

где  - площадь поперечного сечения рукава, м². В проекции на ось S:

Сила трения , возникающая у стенок трубы на боковой поверхности рассматриваемого объема, может быть представлена выражением:

где  - длина пробки покрывающего состава в трубопроводе, м.

Сила трения покоя , преодоление которой необходимо для начала движения поршня-заглушки, равна:

где  – коэффициент трения сцепления, а  – сила нормального давления, равная . Тогда:

откуда можно выразить критическое давление выворачивания:

Таким образом, условие движения рассматриваемой совокупности рукава, покрывающей смеси и поршня-заглушки, в рамках принятых допущений, представляет собой критическое давление выворачивания рукава и зависит от физико-механических характеристик используемой покрывающей смеси, ее количества, конструктивных параметров рукава, поршня-заглушки и восстанавливаемого трубопровода.

Рассмотрим второй вариант исполнения установки: для нанесения смеси используется совокупность двух разомкнутых тороидальных оболочек (рукавов) (как показано на рисунке 2).

 Рисунок 2 – Схема участка, восстанавливаемого с использованием двух рукавов

Запишем условие равновесия системы сил, действующих на рассматриваемый объем покрывающей смеси:

в проекции на ось S:

Подставив выражение (7) для силы трения  и проведя элементарные алгебраические преобразования, получим:

В рассматриваемой системе критическое давление выворачивания управляемо и зависит, в том числе, от произвольно устанавливаемого давления в запирающем рукаве. Для начала выворачивания рукава при любом произвольно установленном запирающем давлении  в трубопроводе необходимо создать разность давлений, определяемую в соответствии с (13). Возможность произвольного варьирования давления выворачивания, при этом, имеет большое практическое значение.

Скорость разворачивания рукава под действием давления выворачивания  определяется в соответствии с выражением

Однако, если разворачивание покрывающего рукава происходит самопроизвольно, то запирающий рукав необходимо удалять из трубопровода принудительно. При этом, не учитывая потери длины пробки раствора в ходе движения ее по трубопроводу, положим, что скорость выведения запирающего рукава должна быть равна скорости, вычисленной по (14). Соответственно, для обеспечения возможности разворачивания покрывающего рукава в трубопроводе запирающий рукав должен сматываться с равной скоростью.

В результате настоящей работы получены выражения для минимального давления выворачивания покрывающего рукава в двух вариантах исполнения установки для нанесения покрытия. Показано, что в случае использования в качестве запирающего элемента второго рукава возможно произвольное регулирование давлений, поддерживаемых в полостях рукавов, что имеет большую практическую ценность.

Список литературы:

1.Рабинович Е.З. Гидравлика: учебное пособие / Е.З. Рабинович. - М.: Недра, 1980.

2.Черкасов Г.И. Введение в технологию бетона. – Иркутск: Восточно-Сибирское книжное издательство, 1974.

3.Neville A.M. Properties of concrete. – England, Essex: Prentice Hall, 2008.