1286

УДК: 622.692.4.053-419.8: 534

УПОРЯДОЧЕННЫЙ ХАРАКТЕР ОЦЕНКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ (ТРУБОПРОВОДЕ)

А.М. Щелудяков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Трубопроводный транспорт нашел широкое прменение при транспортировке жидкости и газа на значительные расстояния в различных условиях нашей страны. В настоящий момент большинство трубопроводов выполнено из металлических материалов. Главной альтернативой металлическим трубопроводам являются трубопроводы из композиционных материалов (полимерно-армированные, стеклопластиковые, футерованные полиэтиленом и др.).

Ключевые слова: трубопровод, характер распространения волн, моды колебаний.

Развитие трубопроводного транспорта в последние годы связано с широким применением неметаллических трубопроводов, поскольку их преимущества в сравнении с металлическими трубопроводами очевидны: затраты на их обслуживание в процессе эксплуатации минимальны (не требуется коррозионной защиты, специальной химической обработки и др.). Начиная с 80-х гг. ХХ в. протяженность неметаллических трубопроводов превышает 35 млн км. С развитием трубопроводного транспорта требуется решать задачи определения остаточной работоспособности. Существующая техническая диагностика связана с оценкой работоспособности металлических трубопроводов. Идентичный способ оценки состояния неметаллических трубопроводов не реализован, поскольку их физико-механические свойства значительно отличаются. Использование существующих методик (применительно к металлическим трубопроводам) невозможно. Поэтому необходимо четкое понимание характера распространения волн в цилиндрическом канале (трубопроводе) с целью формирования подхода по оценке остаточного ресурса неметаллических трубопроводов [1–4].

311

Проанализируем распространение волн в цилиндрическом канале в линейном приближении.

Для` упрощения математических выкладок будем считать колебания изоэнтропическими и потенциальными

S′ ≡ 0, rot v’ = 0.

Тогда вектор скорости υ′ = − ψ, где ψ – потенциал скорости, удовлетворяющий уравнению

Моды колебаний цилиндрического канала представлены на рис. 1.

Рис. 1. Моды колебаний цилиндрического канала: a – тангенциальная мода (m = l, n = 0, ν10 = 1,84);

б– вторая тангенциальная мода (m = 2, n = 0, ν10 = 3,054);

в– первая радиальная мода (m = 0, n = 1, ν10 = 3,833)

Если считать, что на входе в цилиндрический канал задана так называемая частотная характеристика (δp/δG)2 (или импеданс, или проводимость) для моды (т, п), то можно найти частотную характеристику на входе в трубу θ1:

θ1 = Amn + Bmnθ2 .

Cmn + Dmnθ2

312

Расчет этой характеристики можно сделать только численно. Вид модуля этой частотной характеристики для 1-й тангенциальной моды поперечных колебаний в случае граничного условия, отвечающего ги-

близки к собственным частотам трубы для этих форм колебаний и определяются выражением

Здесь f (Гц); с0 (м/с); D = 2R (м); L (м), k – тон колебаний (число узловых плоскостей по длине трубы).

Рис. 2. Резонансные частоты

Рассмотренный пример носит лишь методический характер, поскольку учет реальной конфигурации трубопровода может существенно повлиять на результат. Привлекая гипотезу квазистационарности, априори делаем допущение, что энергия поперечных мод колебаний выносится через трубопровод так же, как и энергия продольных колебаний, что недостаточно очевидно.

Список литературы

1. Щелудяков А.М., Сальников А.Ф. Применение полимерно-арми- рованного материала в трубопроводном транспорте // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического универси-

313

тета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедея-

тельности. – 2012. – № 2. – С. 158–166.

2.Щелудяков А.М., Сальников А.Ф., Дутлов О.А. Волновая диагностика трубопроводов из полимерно-армированных труб // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы междунар. науч.-практ. конф. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2014. – Т. 1. – С. 254–258.

3.Сальников А.Ф., Сальников С.А., Щелудяков А.М. Оценка влияния динамических нагрузок на остаточную работоспособность по- лимерно-армированных труб // Газовая промышленность. – 2014. – № 1 (701). – С. 52–55.

4.Транспорт трубопроводный. Проблемы и подходы к оценке технического состояния функционирующих трубопроводов с помощью волнового метода неразрушающего контроля / А.М. Щелудяков, А.Ф. Сальников, М.А. Щелудяков, С.А. Сальников // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. – 2014. – № 4. – С. 126–137.

Об авторе

Щелудяков Алексей Михайлович (Пермь, Россия) – старший пре-

подаватель кафедры «Автомобили и технологические машины», Пермский национальный исследовательский политехнический университет

(614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: sam@pstu.ru).

314

УДК 625.731

ОЦЕНКА УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНА НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНО-БИТУМНОГО ВЯЖУЩЕГО ПБВЭ (МОДИФИКАТОР «ЭЛВАЛОЙ»)

ПРИ ИСПЫТАНИИ НА ЦИКЛИЧЕСКОЕ СЖАТИЕ

(ПО EN 12697-25)

Л.С. Щепетева, Д.А. Агапитов, К.Ю. Тюрюханов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

В настоящее время сдвигоустойчивость асфальтобетона при высоких температурах оценивают стандартными показателями по ГОСТ 9128-2009 – пределом прочности при сжатии при 50 °С и показателями сдвигоустойчивости: по коэффициенту внутреннего трения и сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С. Очевидно, что характеристики прочности не отражают деформационных свойств материала в реальных условиях работы асфальтобетона в покрытиях автомобильных дорог при многократном циклическом приложении нагрузки. За рубежом для оценки напряженно-деформированного состояния применяют методы испытания асфальтобетона путем многократного (циклического) нагружения.

Ключевые слова: асфальтобетон, сдвигоустойчивость, циклическое нагружение, модуль ползучести.

Известно, что применение модифицированных битумов в составе асфальтобетона значительно повышает прочностные характеристики материала при высоких температурах: предел прочности при сжатии при 50 °С, а также показатели сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения и по сцеплению при сдвиге при температуре 50 °С [1–3]. Однако, как отмечают многие исследователи, применение прочностных показателей, величина которых нормируется требованиями ГОСТ 9128-2009, совершенно недопустимо для оценки деформационного поведения асфальтобетона при высоких температурах при многократном (циклическом) нагружении, как это происходит в реальных условиях работы покрытий автомобильных дорог [4–6].

Асфальтобетон является упруговязкопластичным материалом: в зависимости от состояния и условий деформирования в нем могут про-

315

являться или преимущественно упругие свойства, или вязкопластические свойства. Наиболее полно указанные свойства асфальтобетона можно определить и учесть при решении практических задач методами реологии, науки, рассматривающей образование и развитие деформаций во времени. Определение структурно-механических свойств на основе анализа кривых ползучести (реологических кривых) является в настоящее время одним из наиболее объективных методов изучения этих свойств [4, 5].

Для испытаний образцов асфальтобетона применялась динамическая испытательная установка, предназначенная для проведения испытаний на жесткость и усталостную выносливость асфальтобетонных образцов с использованием переменного нагружения/снятия нагрузки в специальной климатической камере (рис. 1).

Рис. 1. Климатическая камера динамической испытательной установки

Для испытаний асфальтобетонных образцов, изготовленных с применением стандартного битума БНД 90/130 и полимерно-битумного вяжущего ПБВЭ 90/130 производства ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез», был использован динамический метод испытаний на сжатие по EN 12697-25 (методА).

Данный метод испытаний описывает определение сопротивления деформации цилиндрического образца асфальтобетона при испытании в климатической камере при температуре 50 °С. Образец подвергается циклическому аксиальному прямоугольно-импульсному давлению с частотой 0,5 Гц и нагрузкой (100±2) кПа. При испытании измеряется изменение высоты образца при заданном числе циклов нагрузки. На основе этого кумулятивная аксиальная деформация образца определяется как функция числа циклов нагрузки. Результаты представляются в виде

316

кривой ползучести (рис. 2). По результатам испытаний рассчитываются характеристики ползучести образца.

Рис. 2. Кривая ползучести при испытании на циклическое приложение нагрузки: εn – кумулятивная аксиальная нагрузка; n – число циклов приложения нагрузки; 1 – стадия 1;

2 – стадия 2; 3 – стадия 3; 4 – точка поворота

В лаборатории кафедры «Автомобильные дороги и мосты» Пермского национального исследовательского политехнического университета выполнены сравнительные испытания для образцов асфальтобетона типа А, марки I на стандартном битуме БНД 90/130 и на полимернобитумном вяжущем ПБВЭ 90/130.

Результаты испытаний приведены в таблице. Сравнение результатов испытаний показывает, что абсолютная величина деформации при 10000 циклах нагружения образца для асфальтобетона на основе полимер- но-битумного вяжущего ПБВЭ 90/130 в 1,78 раза меньше деформации для асфальтобетона на основе стандартного битума БНД 90/130. Модуль ползучести, характеризующийжесткость смеси и ееустойчивость кдействию

Результаты испытаний

циклической нагрузки, для асфальтобетона на основе ПБВЭ 90/130 на 7532,08 МПа выше, чем для асфальтобетона на основе стандартного битума БНД 90/130. Асфальтобетон на основе ПБВЭ 90/130 имеет более высокую усталостную долговечность по сравнению с асфальтобетоном на основе БНД 90/130.

Список литературы

1.Применение модифицированных битумов производства ООО

«ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» в дорожном строительстве Пермского края / Л.С. Щепетева, А.В. Березин, И.В. Овчаров, Р.Г. Шпенст, А.С. Дегтянников, А.Н. Нечаев // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2010. – № 6. – С. 54–57.

2.Галдина В.Д. Модифицированные битумы: учеб. пособие;

СибАДИ. – Омск, 2009. – 228 с.

3.Платонов А.П. Полимерные материалы в дорожном и аэродромном строительстве. – М.: Транспорт, 1994. – 157 с.

4.Бонченко Г.А. Асфальтобетон. Сдвигоустойчивость и технология модифицирования полимером. – М.: Машиностроение, 1994. – 176 с.

5.Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславский, И.В. Королев / под ред. Л.Б. Гезенцвея. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1985. – 350 с.

6.Кирюхин Г.Н. Проектирование состава асфальтобетона и методы его испытаний. – М., 2005 – 96 с. – (Автомоб.дороги и мосты: Об-

зорн. информ. / ФГУП «Информавтодор»; вып. 6).

Об авторах

Щепетева Людмила Станиславовна (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги и мосты», почетный работник высшего профессионального образования, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

(614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 19а; e-mail: adfsad@pstu.ru).

Агапитов Денис Андреевич (Пермь, Россия) – старший преподаватель кафедры «Автомобильные дороги и мосты», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990,

г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: adfsad@pstu.ru).

Тюрюханов Кирилл Юрьевич (Пермь, Россия) – инженер кафедры «Автомобильные дороги и мосты», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614990, г. Пермь, Комсо-

мольский пр., 29; e-mail: adfsad@pstu.ru).

318

УДК 625.731

УСТОЙЧИВОСТЬ АСФАЛЬТОБЕТОНА К КОЛЕЕОБРАЗОВАНИЮ

Л.С. Щепетева, Д.А. Агапитов, К.Ю. Тюрюханов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Образование колеи на отдельных участках автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием зависит от множества факторов. В значительной степени устойчивость асфальтобетона к сдвиговым деформациям связана с его прочностными характеристиками– считается, чем выше прочность асфальтобетона при высоких температурах, тем выше сдвигоустойчивость асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог. Прочностные характеристики асфальтобетона при высоких температурах оценивают разными способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Повышение сдвигоустойчивости асфальтобетона– одна из основных задач проектирования составов асфальтобетонных смесей. Решение этой задачичастосвязаносприменениеммодифицированныхбитумов.

Ключевые слова: асфальтобетон, сдвигоустойчивость, колея.

Одним из существенных недостатков применения асфальтобетона для строительства покрытий автомобильных дорог является зависимость прочностных свойств этого материала от температуры [1]. При высоких летних температурах воздуха асфальтобетонное покрытие может нагреваться до 60–70 °С – в этом случае материал покрытия становится пластичным (битум размягчается). В слое асфальтобетона под воздействием вертикальных и горизонтальных усилий от транспортных средств возникают напряжения сдвига и, соответственно, сдвиговые деформации в виде волн, колеи и др. Как известно, колея в зависимости от прочности конструкции дорожной одежды в целом и от прочности отдельных конструктивных слоев может быть двух видов: поверхностная колея и глубинная колея. При этом «верхний слой покрытия расположен в зоне максимальных температурных воздействий и воспринимает наибольшую нагрузку от колес транспорта. Поэтому он подвержен деформациям в наибольшей степени и чаще других является причиной образования колеи» [2]. При проектировании дорожной одежды выполняется расчет грунта земляного полотна и конструктивных

319

слоев из слабосвязных материалов на сдвигающие напряжения в зависимости от числа приложений нагрузки за расчетный период [3]. Следовательно, если конструкция рассчитана на сдвиг достаточно надежно, то появление в дальнейшем в процессе эксплуатации сдвиговых деформаций скорее связано с недостаточной прочностью асфальтобетона при высоких температурах. В «Инструкцию по проектированию дорожных одежд нежесткого типа» (ВСН 46-83) был введен расчет слоев из асфальтобетона по сопротивлению сдвигу. «Цель расчета – проверка соответствия свойств выбранной асфальтобетонной смеси условию сдвигоустойчивости материала в конструкции» [4]. Однако уже во вновь введенный документ по проектированию дорожных одежд нежесткого типа ОДН 218.046-01 этот расчет не был включен. Как указывают авторы Н.М. Смуров и А.М. Стрижевский, применение этого метода расчета для оценки сопротивления сдвигу покрытия на эксплуатируемой дороге связано с существенными погрешностями и необходим метод, позволяющий получать фактические параметры конкретного материала [5]. ГОСТ 9128-09 «Смеси асфальтобетонные и асфальтобетон». Технические условия регламентируют требования к асфальтобетону по сдвигоустойчивости – при подборе состава асфальтобетона определяют показатели сдвигоустойчивости по коэффициенту внутреннего трения tgφ и по сцеплению при сдвиге С, МПа при температуре 50 °С. Как указывает Л.Б. Гезенцвей, сопротивление асфальтобетона сдвигу по теории Н.Н. Иванова может быть выражено известной зависимостью: τ = Р tgφ + С + Σ, где Р– нормальное давление на площадке сдвига; φ– угол внутреннего трения материала; С– зацепление минеральных зерен; Σ – сцепление, обусловленное битумными связями [1]. Первые два слагаемых (Р tgφ + С) определяют сопротивление сдвигу, обусловленное особенностями структуры минерального остова. При этом повышение сдвигоустойчивости может быть достигнуто за счет увеличения количества щебня в составе асфальтобетона (например, щебеночномастичный асфальтобетон). Другой путь повышения сдвигоустойчивости – усиление структурообразующей роли дисперсной системы «битум–минеральный порошок», играющей роль вяжущего материала. В этом случае эффективными являются асфальтобетонные смеси с применением модифицированного битума, например полимерно-би- тумного вяжущего [6].

Существуют различные методы испытаний асфальтобетона, моделирующие напряженно-деформированное состояние покрытия при высоких температурах. Как указывает Г.Н. Кирюхин, среди зарубежных

320