4
1
К ВОПРОСУ ВЫБОРА СПОСОБА РЕКОНСТРУКЦИИ СТАЛЬНОГО ДЮКЕРА В СЕЛЕ БАРСУКИ РЕСПУБЛИКИ ИНГУШЕТИЯ
А.А. Чураев,
А.И. Тищенко,
Д.А. Осипенко
Российский научно-исследовательский институт
проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация
Цель: выбор способа реконструкции стального дюкера в селе Барсуки Республики Ингушетия для предотвращения затопления сельской территории. Актуальность вопроса заключается в том, что по территории населенного пункта Барсуки проходит трасса Алханчуртского канала с сопряжением верхнего и нижнего бьефов посредством водопроводящего сооружения трехниточного дюкера. Состояние дюкера предаварийное, в результате чего 24 августа 2019 г. произошел прорыв в оболочке одной из ниток трубы, откуда под напором порядка 3,7 атм аварийный объем воды попал на территорию села Барсуки. Материалы и методы. Материалами явились данные натурного обследования внутреннего и внешнего состояния стенок дюкера в конце января 2020 г. В результате обследования было установлено, что внутренняя поверхность двух ниток дюкера находится в предаварийном состоянии. В результате коррозии металла внутри труб обнаружены очаги с пластинчатым отслаиванием стенок трубы и последующим их обрушением. Обработка материала обследования с применением метода статистического анализа. Результаты и обсуждение. Обработанные материалы показали, что водопроводящая часть Алханчуртского канала по средней трубе дюкера № 2 находится в предаварийном состоянии. Металлический дюкер диаметром 2 м рассчитан на пропуск воды с расходом 7 кубических метров в секунду. Геодезические исследования трассы дюкера показали, что часть его длиной 497 м имеет угол наклона к горизонту 4,7 градуса, на остальных 79,78 м дюкер проложен под углом 23,9 градуса. Вывод. Необходимость выработки мероприятий по защите металлических конструкций от коррозии продиктована тем, что основной ущерб от коррозионных воздействий - это выход из строя значительной части металлических конструкций, так как вследствие коррозии они теряют прочность, надежность и другие необходимые качества. Из числа существующих в настоящее время способов реконструкции стального дюкера больше всего подходит технология холодного обжатия при санации дюкеров полиэтиленовыми трубами.
Ключевые слова: канал; дюкер; коррозия; расход; уклон; длина; вода; износ.
Purpose: to choose a method of steel syphon reconstruction in Barsuki village, Republic of Ingushetia, to prevent flooding of the rural territory. Immediacy of the problem lies in the fact that the Alkhanchurtsky canal with the conjugation of the upstream and downstream through the water-conveyance structure of a three-ply siphon passes along the territory of Barsuki community. The condition of the syphon is pre-emergency, as a result of which, on August 24, 2019, a breakthrough occurred in the coat of one of the pipe strings where a water emergency volume fell into the territory of the village of Barsuki, under a pressure of about 3.7 atm. Materials and methods. The materials were data from a field survey of the internal and external state of the siphon walls at the end of January 2020. As a result of the examination, it was found that the inner surface of the two siphon strings is in a pre-emergency state. As a result of metal corrosion inside the pipes, spots with laminated flaking of the pipe walls and their subsequent collapse were detected. Processing of the survey material was conducted using the method of statistic analysis. Results and discussion. The processed materials showed that the water conducting part of the Alkhanchurtsky canal in the siphon middle pipe no. 2 is in pre-emergency condition. A metal siphon with a diameter of 2 m is designed for water passage with a flow rate of 7 cubic meters per second. Geodetic studies of the siphon route showed that its part of 497 m long has an angle of inclination of 4.7 degrees to the horizon, and on the remaining 79.78 m, the siphon is laid at an angle of 23.9 degrees. Conclusions. The need to develop measures to protect metal structures from corrosion is caused by the fact that the main damage from corrosive effects is the failure of a significant part of metal structures, since due to corrosion they lose strength, reliability and other necessary qualities. Among currently existing methods for reconstructing a steel pipe, the cold compression technology is the most suitable for the rehabilitation of siphons with polyethylene pipes.
Key words: canal; syphon; corrosion; consumption; slope; length; water; wear.
коррозия дюкер затопление сельская территория
Введение
В ХХI в. на территории некоторых регионов Российской Федерации участились стихийные ситуации, связанные с затоплением населенных мест. Затопление территорий не только наносит материальный ущерб населению, но и приводит к человеческим жертвам. Помимо этого, затопление и подтопление застроенных территорий может произойти в результате прорыва дамб в открытых водоемах и нарушения стенок металлических дюкеров по причине их износа за эксплуатационный период более 50 лет.
Актуальность вопроса заключается в том, что металлический дюкер, состоящий из трех труб большого диаметра, предназначенный для пропуска воды Алханчуртского канала (расходом 7 м3/с) и расположенный на территории населенного пункта Барсуки (рисунок 1), находится в предаварийном техническом состоянии. В связи с этим возникла угроза прорыва труб дюкера с затоплением нижележащих территорий. Для предотвращения этой угрозы появилась необходимость в выборе наилучшего способа восстановления первоначального технического состояния сооружения.
Рисунок 1 - Дюкер № 2 на территории населенного пункта Барсуки в Республике Ингушетия (автор фото А. А. Чураев)
Алханчуртский канал построен в целях обводнения и орошения территорий Северной Осетии, Ингушетии и Чечни в Алханчуртской долине. Головное сооружение канала (водозабор) забирает воду из р. Терек. Начальный участок канала длиной 66,4 км разделяется в конце на Западную и Восточную ветви. Общая длина канала вместе с ветвями 182,4 км [1].
Ингушский участок обслуживается ФГБУ «Управление «Ингушмелиоводхоз».
Вблизи дюкера (параллельно ему) проходит трасса внутренней республиканской автодороги Назрань - Грозный, повреждение которой может на длительное время нарушить автомобильное сообщение между городами и селами Северного Кавказа. Из-за неудовлетворительного технического состояния дюкера 24 августа 2019 г. произошел прорыв одной из труб дюкера, что привело к сбросу значительного объема воды в Алханчуртскую долину на территорию села Барсуки (рисунок 2).
Рисунок 2 - Внешний вид поврежденного участка дюкера1
Предварительно было установлено, что прорыв произошел в результате повреждения коррозией внутренней поверхности металлической трубы. Бригадой специалистов ФГБУ «Управление «Ингушмелиоводхоз» последствия аварии были полностью устранены Евлоев, М. В Ингушетии завершены аварийно-восстановительные работы на поврежденном участке Алханчуртского канала [Электронный ресурс] / М. Евлоев. - Режим доступа: https:gazetaingush.ru/news/v-ingushetii-zaversheny-avariyno-vosstanovitel-nye-raboty-na-povrezhdennom-uchastke, 2020..
Как отмечает А. Н. Кравченко [2], «…на современном этапе в России большинство трубопроводов эксплуатируются со степенью износа 70-80 %. Нормативный срок службы для чугунного трубопровода составляет 20 лет, для стальных - 10-15 лет. В настоящее время всеми видами ремонта восстанавливается всего 1-3 % изношенных труб».
И. В. Семенова [3] отмечает, что «…в Российской Федерации ежегодные потери металла из-за коррозии составляют до 12 % общей массы металлического фонда, что соответствует утрате до 30 % ежегодно производимого металла».
А. Н. Кравченко, И. В. Семенова отмечают, что вопросы защиты металлических конструкций от коррозии волновали еще Геродота в V в. до н. э. [2, 3]. Волнуют они и современных ученых [4-12]. В связи с этим на современном этапе имеются следующие методы защиты металла от коррозии [4, 10-12]: легирование, покрытие защитными пленками, грунтовка и фосфатирование, электрохимическая защита, силикатные покрытия, цементные покрытия, покрытие металлами, ингибиторы.
В настоящее время развитие производства достигло таких пределов, что возникли высокие требования к надежности и долговечности работы [13-15] материалов, из которых изготавливаются элементы мелиоративной сети (в частности, наземные и подземные металлические трубопроводы). Для увеличения срока службы стальных трубопроводов имеется значительное число способов их защиты от коррозии. В связи с этим цель исследований состоит в выборе наилучшего способа реконструкции стального дюкера в селе Барсуки Республики Ингушетия.
Материалы и методы
Материалами явились данные натурного обследования и исследования внутреннего и внешнего состояния дюкера в конце января 2020 г., собранные группой научных сотрудников ФГБНУ «РосНИИПМ».
В результате проведенных работ было установлено, что внутреннее состояние двух ниток дюкера является предаварийным. Из-за коррозии металла внутри труб обнаружены очаги с пластинчатым отслаиванием стенок трубы и последующим их обрушением (рисунок 3). Помимо пластинчатых отслаиваний, имеются и точечные повреждения, опасность которых состоит в том, что в результате их появления образуются сквозные поражения (точечные полости) в стенках трубы. Точечная коррозия - одно из наиболее опасных коррозийных поражений.
Растрескивание коррозионных образований происходит из-за одновременного действия на внутреннюю поверхность металлической трубы воды р. Терек, которая по своему химическому составу характеризуется как «довольно жесткая» (4,9-5,3 мг·экв/дм3), содержит значительное количество гидрокарбонатов (194-197 мг/дм3) [16], а также динамических нагрузок при движении воды. В связи с этим в металлической оболочке появляются волосяные трещины, которые зачастую являются источником, приводящим к полному разрушению конструкции.
С целью определения геометрических параметров дюкера и его положения на местности применен комплект геодезического оборудования (электронный тахеометр, вехи с установленными на них отражателями, рулетки и др.). Вехи устанавливались в характерных точках данного сооружения для определения их планового и высотного положения. В дальнейшем при камеральной обработке результатов полевых измерений были построены продольные профили двух веток дюкера, вычислены превышения между точками, определены уклоны и длины отдельных участков и другие параметры сооружения.
Рисунок 3 - Коррозия металла внутренней поверхности трубы дюкера: 1 - пластинчатая коррозия; 2, 3, 4, 5 - точечная коррозия
(автор фото А. А. Чураев)
Наиболее простой и часто применяемый способ натурного исследования - это массовый способ, который был применен на данном объекте. Известными данными являются: труба стальная электросварная из углеродистой стали (марки Ст3) по ГОСТ 10706, ТУ 1381-001-62594197-2011 с внешним диаметром D = 2020 мм, толщиной стенки трубы д = 14 мм, объемной массой стали г = 7850 кг/м3, площадь испытываемой поверхности S = 150 Ч 150 мм = 22500 мм2. Таких площадок было намечено 20 шт. (через каждые 25 м длины трубы дюкера).
Анализ результатов натурного обследования и исследования проводился с применением метода статистического анализа данных. Цифровой материал оформлен в виде таблицы, на основании данных которой построен график для получения эмпирической зависимости распределения оставшейся толщины стенки по участкам дюкера после коррозионных процессов.
Результаты и обсуждение
В результате обработки полученных данных было установлено, что водопроводящая часть Алханчуртского канала по средней трубе дюкера № 2 находится в предаварийном состоянии. Геодезические исследования трассы дюкера позволили установить, что часть трубы длиной 497 м имеет геодезический угол наклона к горизонту 4,7°, на остальных 79,78 м дюкер проложен под углом 23,9°. Такой угол превышает угол наклона, рекомендуемый нормативными документами [10].
Измерения толщины стенок трубы показали, что в результате действия коррозии остаточная толщина неповрежденных стенок трубы на период обследования составляла от 2 до 2,5 мм. Причиной образования такой водно-воздушной коррозии явился процесс эксплуатации сооружения. В поздневесенний, летний и раннеосенний периоды дюкер наполнен водой с давлением около 3,7 атм, а в остальные периоды он освобожден от воды и подвергается воздушному воздействию на внутреннюю часть трубы.
Поэтому разрушение металла произошло из-за коррозии, вызванной воздействием транспортируемой воды, а также внешними атмосферными явлениями, при которых металл окисляется, в связи с чем теряет свои первоначальные свойства [4]. Увеличение коррозии происходило и за счет изменения температуры воздуха и металла. Помимо этого, на образование коррозии влияет степень агрессивности среды по отношению к конструктивным металлическим элементам, находящимся на открытом воздухе. Ввиду незащищенности от непосредственного влияния атмосферных осадков, определяемого климатической зоной и концентрацией газов и пыли в воздухе [5-9], металлические конструкции теряют свои прочностные свойства.