Инструменты цифровизации в практике проектирования трубопроводных систем

 
 
 
 
В. А. Орлов 
 
 
 
 
ИНСТРУМЕНТЫ ЦИФРОВИЗАЦИИ  
В ПРАКТИКЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

 
УДК 628.1 
ББК 38.761.1 
О-66 
 
 
Рецензенты: 
 
доктор технических наук, профессор, начальник отдела  
АО «МОСВОДОКАНАЛНИИПРОЕКТ» Павлинова И. И.;  
 
доктор технических наук, профессор кафедры гидравлики, водоснабжения  
и водоотведения Воронежского государственного технического университета  
Щербаков В. И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Орлов, В. А. 
О-66  
Инструменты цифровизации в практике проектирования трубопроводных систем : монография / В. А. Орлов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 128 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1773-0 
 
Представлены сведения об использовании информационных технологий для решения отдельных задач вариантного проектирования и эксплуатации трубопроводных  
систем водоснабжения и водоотведения. Приведены подходы к информационному  
моделированию ряда задач, связанных с вопросами ресурсо- и энергосбережения при 
транспортировке воды по трубопроводам с учетом экологических аспектов, а также  
алгоритмы пользования автоматизированными программными средствами. 
Для специалистов в области проектирования, а также аспирантов и магистрантов 
технических вузов, обучающихся по научной специальности 2.1.4. «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов» и 08.04.01 «Строительство» (профиль «Системы водоснабжения, водоотведения и охраны водных ресурсов»). 
 
УДК 628.1 
ББК 38.761.1 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1773-0 
” Орлов В. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 

 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
.......................................................................................................... 5  
Глава 1. Выбор объекта проектирования ремонтно-восстановительных  
работ на водопроводных и водоотводящих сетях.................................................... 7 
1.1. Программный модуль выбора объекта реконструкции  
на водопроводной сети города 
................................................................................... 7 
1.2. Программный модуль выбора объекта реконструкции  
на водоотводящей сети города 
................................................................................. 14  
Глава 2. Выбор оптимального метода восстановительных работ  
на действующих водопроводных и водоотводящих сетях ................................... 20  
Глава 3. Определение минимальной толщины стенки напорного 
стального трубопровода ........................................................................................... 28 
Глава 4. Расчет ресурса действующих стальных трубопроводов  
по остаточной толщине стенки ................................................................................ 35  
Глава 5. Проведение прочностных расчетов ветхих напорных  
и безнапорных трубопроводов, восстанавливаемых полимерным рукавом 
....... 43 
5.1. Прочностные расчеты напорных систем  
«материал трубопровода + полимерный рукав» .................................................... 43  
5.2. Расчёт толщины стенки полимерного рукава при реновации  
трубопроводов и определение наиболее эффективного варианта  
в отношении затрат электроэнергии при течении воды 
........................................ 53  
Глава 6. Проведение прочностных расчетов системы трубопроводов  
при забутовке межтрубного пространства ............................................................. 58  
6.1. Теоретические положения по вопросу определения нагрузок  
в двухслойной трубной системе при заполнении межтрубного пространства .. 58  
6.2. Программный модуль проведения прочностных расчетов  
при заполнении межтрубного пространства в двухслойной трубной системе .. 66 
Глава 7. Анализ гидравлической совместимости участков  
безнапорных трубопроводов из различных материалов  
при проектировании ремонтно-восстановительных работ на сети 
...................... 70 
7.1. Аналитические проработки по учету гидравлической составляющей 
при проектировании ремонтных работ на трубопроводной сети ........................ 70 
7.2. Автоматизированная программа оценки совместимости  
старых и новых участков трубопроводной сети .................................................... 73  
Глава 8. Автоматизированное проектирование  
ремонтно-восстановительных работ по реконструкции трубопроводов  
с учетом удаления агрессивных дурнопахнущих газов  
из их подсводного пространства 
.............................................................................. 78  
8.1. Теоретические положения по возможности управления  
водно-воздушным режимом работы безнапорных водоотводящих сетей  
в период проектирования ......................................................................................... 78  
8.2. Программный модуль многовариантного проектирования  
водоотводящей сети и результаты его эксплуатации 
............................................ 79  
3 

 
 
8.3. Анализ расчетных данных по нейтрализации токсичных газов  
в подсводном пространстве самотечных трубопроводов,  
подлежащих реновации бестраншейными методами 
............................................ 82  
Глава 9. Разработка системы оценки гидравлических показателей  
труб и защитных покрытий на основе гидрофобности ......................................... 86 
9.1. Теоретические положения по определению  
гидравлических показателей на малогабаритных стендах ................................... 86 
9.2. Программный модуль комплексного учета спектра  
гидравлических и геометрических показателей потока  
на базе исследования гидрофобности защитных покрытий ................................. 89  
Глава 10. Проектирование трубопроводных систем  
открытых плавательных бассейнов и управление ими ......................................... 91  
10.1. Вопросы регулирования работы плавательных бассейнов  
и моделирование их водного режима 
...................................................................... 91  
10.2. Математическое моделирование работы открытого бассейна 
............ 92 
10.3. Разработка и эксплуатации автоматизированной  
программы моделирования процесса водообмена 
................................................. 95 
Глава 11. Определение гидравлических характеристик напорных труб  
из новых материалов для использования в практике проектирования  
трубопроводных сетей .............................................................................................. 99 
Глава 12. Определение гидравлических характеристик самотечных труб 
для использования в практике проектирования трубопроводных сетей 
........... 107 
Глава 13. Определения потенциала энергосбережения  
при восстановлении старых стальных трубопроводов  
полимерными трубами при реализации технологии  
их предварительного сжатия с последующим распрямлением 
.......................... 114 
13.1. Базовые положения по использованию бестраншейной технологии 
ремонта ветхих трубопроводов деформируемыми полимерными трубами ..... 114 
13.2. Программный модуль реализации задачи по определению  
потенциала энергосбережения и анализ полученных результатов 
.................... 115 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 119 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
............................................................................... 121 
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................... 123 
4 

 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
В России в последние годы наблюдается активизация процесса цифровизации, о чем свидетельствует предложенный Министерством цифрового развития, 
связи и массовых коммуникаций федеральный проект «Цифровое государственное управление», который включает автоматизацию всех стадий жизненного 
цикла недвижимости от проектирования до эксплуатации зданий и сооружений.  
Цифровизация представляет собой процесс внедрения цифровых технологий в разные сферы жизни. В основе цифровизации лежит аналитика данных, 
обеспечивающая их оптимизацию и управление технологическими процессами 
путем автоматизации принятия решений с достижением наибольшего эффекта 
при эксплуатации того или иного объекта.  
Одним из инструментов (элементов) цифровизации является программная инженерия, под которой, прежде всего, понимается использование информационнопоисковых систем в виде автоматизированных программ (отдельных модулей) 
для эффективной реализации разрабатываемых проектов в плане их многовариантности.  
В настоящий момент вычислительные мощности компьютера и современные цифровые инструменты уже заметно повлияли на то, как проектируется  
и проверяется техническое и иное решения. 
Разработка проекта рассматривается как универсальный и самостоятельный в интеллектуальном и социокультурном отношениях тип деятельности, 
направленный на создание реальных объектов и/или эффектов с заданными 
функциональными, технико-экономическими, экологическими и потребительскими качествами.  
 При архитектурно-строительном проектировании тех или иных реализуемых на практике процессов (объектов) инженеры обращаются к их цифровой 
модели (макету). Благодаря наличию цифровых макетов, а также непрерывному 
накоплению и анализу данных мониторинга, цифровизация может содействовать возможному опережающему управлению работой проектируемого объекта, его последующей эффективной эксплуатации, снижая затраты на проведение сервисных работ и экономии электроэнергии, рыночная стоимость которой 
растет опережающими темпами. 
Представленные в книге инструменты цифровизации призваны рассматриваться как совершенствование процесса вариантного проектирования за счёт 
внедрения цифровых программных модулей (т. е. автоматизированных программ) в практику строительства и реконструкции трубопроводных систем, 
включая вопросы экологического проектирования, т. е. комплекса разработок, 
предназначенных для решения задач в сфере природопользования и охраны 
окружающей среды.  
Проектировщику и эксплуатационному персоналу водоканалов часто приходится решать вопросы выявления наиболее ущербных в техническом отношении участков трубопроводной или водоотводящей сетей, оптимального метода их восстановления, в том числе с помощью современных бестраншейных 
5 

 
 
технологий реновации. Эти операции возможны с использованием инструментов цифровизации. 
К актуальным вопросам также следует отнести определение толщины 
стенки проектируемых трубопроводов, экономии электроэнергии при транспортировке жидкости и обеспечения высокого потенциала энергосбережения 
при выборе метода ремонта трубопроводов в зависимости от его материала и 
диаметра, а также ресурса эксплуатирующихся в течение нескольких лет (даже 
десятилетий) трубопроводов не только с точки зрения обеспечения прочности, 
но и с учетом сохранения окружающей природной среды при негативной техногенной обстановке.  
Для эффективного проведения проектных разработок, позволяющих повысить надежность работы трубопроводной сети, заслуживают внимание вопросы 
применения новых ремонтных материалов на трубопроводных сетях, которые 
на данный момент могут быть недостаточно изученными в плане исследования 
их реальных гидравлических характеристик и оценки эффективности последующей совместной работы со старыми участками трубопроводных сетей не подвергнутыми реновации. 
Таким образом, в монографии представлено описание разноплановых актуальных задач в области автоматизированного проектирования трубопроводных коммуникаций с раскрытием сущности и алгоритмов информационнопоисковых систем, призванных решать указанные выше проблемы. В приложении представлены рекомендации по гидравлическому расчету напорных и безнапорных трубопроводов.  
Информационно-поисковые системы разработаны на основе Microsoft  
Visual Fox Pro 6.0 и обеспечивают регистрацию, хранение, редактирование и 
обработку данных по вводимым исходным позициям паспорта участка трубопровода и других объектов проектирования. Описание инструкций пользователя каждой из представленных в монографии программных комплексов предполагает свободный доступ к ним и активное их использование.   
Необходимо отметить, что в представленных материалах не затрагиваются 
вопросы автоматизации гидравлических расчетов (процесса увязки) кольцевых 
трубопроводных сетей с помощью ЭВМ, так как в практике проектирования и 
расчета водопроводных и водоотводящих сетей они широко распространены и 
успешно используются в течение последних десятилетий.  
Материалы книги могут быть полезными проектировщикам, строителям и 
эксплуатационному персоналу водоканалов, перед которыми стоят задачи нового строительства трубопроводного транспорта, оперативной реновации и модернизации ветхих подземных трубопроводных коммуникаций, оптимизации 
принимаемых решений на базе результатов моделирования и автоматизированных расчетов гидравлических, прочностных, экономических параметров, а также в решении вопросов сохранения окружающей природной среды. Также содержание книги может быть использовано для студентов вузов при выполнении 
отдельных разделов курсового и дипломного проектирования.    
6 

 
 
ГЛАВА 1. Выбор объекта проектирования  
ремонтно-восстановительных работ  
на водопроводных и водоотводящих сетях 
 
1.1. Программный модуль выбора объекта реконструкции  
на водопроводной сети города 
 
Современное состояние городских трубопроводных сетей систем водоснабжения в РФ и других странах мира можно охарактеризовать как неудовлетворительное, так как свыше 60 % трубопроводов требуют неотложного ремонта или 
замены, в основном по причине ветхости и наличия различного рода дефектов 
(повреждений). Такое состояние инженерных сетей приводит к негативным последствиям, к числу которых, в первую очередь, относятся чрезвычайные ситуации на трубопроводном транспорте (аварии), сопровождающиеся значительными 
утечками воды, подъемом уровня грунтовых вод, подтоплением территорий, 
нарушением транспортных потоков. Все это влечёт к материальному ущербу (затраты на ликвидацию аварий, штрафы за нанесенный ущерб), экологическому 
ущербу (изменение гидрогеологического режима территорий, повышению коррозионной активности грунтов), социальным издержкам (неудовлетворительному 
качеству услуг по водоснабжению и водоотведению) и т. д. 
Перед проектировщиками стоит сложная задача, заключающаяся в выборе 
наиболее ущербного с технической точки зрения участка сети (ее составной части 
между двумя смежными колодцами) из огромного числа находящихся  
в ветхом состоянии. Такие участки называют первоочередными или приоритетными для реновации. 
Выявление указанных участков на протяженной водопроводной сети, значительная часть трубопроводов которой исчерпала нормативный срок службы  
и имеет высокий риск возникновения аварийных ситуаций, является сложной 
многофакторной и многовариантной задачей. Для ее решения используется математический аппарат теории графов. В основе этого лежит составление семантической и математической моделей с ранжированием каждого из рассматриваемых 
негативных факторов по отношению к основному, т. е. аварийности (например, 
год укладки, толщина стенки трубы, глубина залегания, давление воды, наличие 
станций катодной защиты и т. д.) с присвоением им определенного балла значимости по результатам записи графа в виде матрицы доминирования. В деталях с 
математическим аппаратом можно ознакомиться в первоисточнике (книга Храменкова С. В., Примина О. Г., Орлова В. А. «Бестраншейные методы восстановления трубопроводов», Издательство Прима-Пресс-М, 2002, 283 с.).  
В качестве базового примера решения задачи поиска выбора объекта реконструкции на водопроводной сети города представлена схема водоснабжения виртуального населенного пункта А (рисунок 1.1), трубопроводная сеть которого 
эксплуатируется много лет и должна быть исследована на предмет необходимости реновации с выявлением первоочередных и приоритетных объектов (участков сети) для восстановления. Система водоснабжения населённого пункта представлена комплексом инженерных сооружений, включающих речные водозабор7 

 
 
ные сооружения, станцию водоподготовки, водоводы и наружную водопроводную сеть.  
 
Рис. 1.1. Упрощенный генплан населенного пункта А  
с водопроводной сетью 
 
Водопроводная сеть выполнена из чугунных труб и включает 12 замкнутых контуров (колец) и 31 участок. Для каждого участка водопроводной сети на 
стадии проектирования произведены предварительное распределение расходов, 
назначены соответствующие диаметры, произведена увязка сети (гидравлический расчёт) и получены необходимые данные о свободных напорах в различных её точках. Диаметры трубопроводов на участках сети составили: 600 (водоводы), 500, 400, 300, 250 и 200 мм.  
Решение поставленной задачи осуществляется с помощью специальной автоматизированной программы, включающей два самостоятельных блока:  
по моделированию работы напорной водопроводной и безнапорной водоотводящей сетей [1–2].  
Для работы с автоматизированным программным комплексом, диалоговое 
окно которого представлено на рисунке 1.2, пользователю предоставляются все 
необходимые для заполнения паспорта ранжирования сведения о качественных 
показателях воды, начиная от станции водоподготовки и кончая самыми удалёнными от неё точками водоразбора. Данные мониторинга качества воды изымаются из соответствующих архивов стационарных городских пунктов отбора проб и 
представляются как усреднённые за несколько лет. Также представляется проектная информация о глубинах залегания трубопроводов и другие данные, получаемые путём инвентаризации сетей (в частности, годы укладки участков водопроводной сети).  
8 

 
 
 
Рис. 1.2. Образец диалогового окна программы выбора объекта реновации  
на напорных трубопроводах с произвольными данными 
 
В распоряжение пользователя должны предоставляться геологические и 
гидрогеологические карты местности, карты плотности населения, интенсивности транспортных и пассажиропотоков (рисунки 1.3–1.6). 
 
 
 
Рис. 1.3. Гидрогеологическая карта местности 
9 

 
 
 
 
Рис. 1.4. Геологическая карта местности с преобладающими грунтами 
 
 
 
 
Рис. 1.5. Карта плотности населения 
 
10