Методическое пособие 826

Научный журнал строительства и архитектуры

Применение таких способов центрифугирования, как послойное формование, центробежный прокат, циклическое центрифугирование, совмещение центрифугирования бетонной смеси с вибрированием и прокаткой, реверсивное центрифугирование, модификация центрифугированного бетона комплексными химическими добавками и тому подобным, позволяет решать задачу получения бетонов высокой прочности для сильнонагруженных колонн

[1, 9—11, 13].

1. Теоретические основы формирования структуры центрифугированного бетона.

При центрифугировании элементов с достаточно толстой стенкой центробежные и центростремительные силы, действующие на различные — наружные и внутренние — слои поперечного сечения, сильно разнятся, что приводит к существенной разнице в структуре и физикомеханических и конструктивных характеристиках слоев элемента, что в ряде случаев необходимо учитывать в расчетах [2—4, 14, 15].

Сущность изготовления элементов методом центрифугирования [11] заключается в том, что при вращении формы с бетонной смесью вокруг неподвижной оси возникает прессующее центробежное давление, под влиянием которого из цементного геля отжимается жидкость со взвешенными в ней высокодисперсными фракциями и одновременно сближаются более крупные частицы твердой фазы. Такой бетон при однослойном формовании без пластифицирующих добавок отличается от бетона, изготовленного путем виброуплотнения, тем, что имеет свойство неоднородного распределения зерен заполнителя по толщине стенки изделия, так как более крупные зерна под влиянием сил инерции отжимаются к наружной поверхности, а более мелкие — к внутренней.

Всвязи с этим к недостаткам центрифугированного бетона при однослойном формовании обычно относят его анизотропность по сечению и изменение прочностных характеристик по толщине стенки [16, 17]. Однако возникают вопросы: во-первых, является ли это недостатком, и, во-вторых, как это явление можно использовать в качестве преимущества при расчетах и проектировании центрифугированных конструкций.

Впроцессе изготовления образцов на ременной центрифуге при однослойном формовании И. Н. Ахвердовым [1] была установлена такая структурная анизотропия бетона:

на наружной поверхности происходит наиболее плотное отжатие воды и уплотнение цементного теста;

в средней части сечения значительная неоднородность цементного камня обусловлена наличием в нем радиальных фильтрационных каналов, размеры сечения и количество которых возрастают от наружной к внутренней поверхности изделия;

по мере приближения к внутренней поверхности изделия микрокапилляры соединяются и образуют макрокапилляры, которые затем составляют систему дисперсных протоков, исчезающих вследствие разжижения цементного геля водой, вытесненной из вышерасположенных зон.

Все это приводит к тому, что структура и прочность одного и того же центрифугированного бетона по толщине изделия меняется. Так появляется то, что сейчас именуется вариатропностью или вариатропией.

Полученные В. П. Петровым [12] данные показали, что при центрифугировании в течение 20 мин разность прочности между внешним I и средним II слоями бетона составляет 7,6 %, а между внешним I и внутренним III слоями бетона — 20,1 %.

При этом прочность центрифугированного бетона I и II слоев была выше чем у аналогичного вибрированного бетона, а III слоя — ниже. Вместе с тем пористость во всех зонах центрифугированного бетона была ниже, чем у вибрированного. Экспериментальные результаты [12] приведены в табл. 1 и 2.

Кольцевые сечения разрезались по слоям, из которых готовились образцы-кубы с ребром 2 см, по ним определялись прочность, водопоглощение и пористость бетона различных слоев кольцевого сечения.

30

Аналогично производился распил вибрированных образцов с ребром 3 см для определения предела прочности, водопоглощения и пористости различных зон бетона.

На основании приведенных данных нами была выдвинута гипотеза и сформулирована проблема исследования. При расчете и проектировании центрифугированных железобетонных конструкций не учитываются и теряются существенные резервы прочности, которые можно аналитически определить расчетными и экспериментальными методами.

2. Расчетные и экспериментальные методы определения резервов прочности центрифугированных железобетонных конструкций. Для решения проблемы исследования нами была поставлена задача сравнения различных методик расчета центрифугированных железобетонных конструкций, как существующих в действующих сводах правил (СП), так и предложенных авторами на основе полученных экспериментальных данных [5, 18—20)].

Опытные конструкции по своему кольцевому сечению являлись вариатропными, то есть представляли собой сочетание слоев одного материала, свойства и характеристики которых отличались друг от друга вследствие центрифугирования.

В связи с этим, после выявления интегральной (обобщенной) прочности бетона центрифугированных железобетонных конструкций кольцевого сечения нами была исследована дифференциальная (послойная) прочность бетона, связанная с вариатропностью его структуры при центрифугировании.

Анализ опытных результатов показал, что согласно теоретическим выкладкам, наибольшей прочностью обладает внешний слой центрифугированной кольцевой конструкции, на который действует максимальная центробежная сила, наименьшей прочностью — внутренний слой.

График изменения прочности центрифугированного бетона по слоям (от внешнего к внутреннему) принимает вид нисходящей прямой выпуклостью вниз (рис. 1).

Тем самым экспериментально подтверждено обоснование и целесообразность трехслойности модели вариатропной структуры центрифугированной конструкции.

Характерна существенная разница и в модулях упругости слоев такой трехслойной конструкции. Наибольшим модулем упругости обладает здесь бетон внешнего слоя. Бетон внутреннего слоя, наоборот, имеет минимальный модуль упругости, что также подтверждает вариатропность структуры и трехслойную модель центрифугированной конструкции (рис. 2).

Диаграммы деформирования центрифугированных бетонов также существенно разнятся по слоям, подтверждая тем самым вариатропность структуры таких бетонов. Из всех диаграмм наибольшими по прочности и по подъемистости являются диаграммы деформирования внешнего слоя бетона, наименьшими — диаграммы деформирования внутреннего слоя

31

Научный журнал строительства и архитектуры

бетона. Во всех образцах усредненные показатели имеют диаграммы деформирования для среднего слоя бетона.

Рис. 1. Распределение прочности и скорости ультразвука по слоям: 1 — внешний; 2 — средний; 3 — внутренний слои

Рис. 2. Изменение модуля упругости по слоям: 1 — внешний; 2 — средний; 3 — внутренний слои

Для сравнения методик расчета нами принята стандартная центрифугированная железобетонная колонна — типовая серийная, по ГОСТ 23444 «Стойки железобетонные центрифугированные кольцевого сечения для производственных зданий и инженерных сооружений. Технические условия», с характеристиками, приведенными в табл. 3.

32

Выпуск № 4 (56), 2019 ISSN 2541-7592

Исходные данные для расчета несущей способности типовой серийной колонны приведены в табл. 4.

Расчет несущей способности центрифугированной железобетонной колонны, выполненный по методике СП, дал следующие результаты:

Для сравнения выполним теперь расчет несущей способности той же центрифугированной железобетонной колонны по интегральным (обобщенным) и дифференциальным (послойным) прочностям бетона с учетом полученных нами данных [5—8].

Несущая способность колонны по интегральной прочности бетона:

Несущая способность колонны по дифференциальным прочностям бетона (с учетом значений прочности и площади каждого из трех условных слоев сечения — внутреннего, среднего и внешнего):

Внутренний слой:

Суммарная несущая способность по дифференциальным прочностям:

Fd RbB AB Rbср Aср Rbвн Aвн 37,3 104 47,5 104 61,9 104

(11)

146,7 104МПа мм2.

33

Научный журнал строительства и архитектуры

Сведем полученные данные в табл. 5.

Выводы. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

1.Значения несущей способности центрифугированной железобетонной колонны, рассчитанные по СП, по интегральной и по дифференциальным прочностям бетона характеристикам существенно различаются между собой;

2.Расчетная несущая способность центрифугированной колонны прочности, определенная по интегральной прочности бетона, оказалась на 10,4 % больше, а расчетная несущая способность, определенная по дифференциальным прочностям бетона,— на 28,8 % больше;

3.Таким образом, расчетными и экспериментальными способами выявлены и определены не учитываемые ранее скрытые прочностные резервы промышленных колонн вариатропной структуры, производимых методами центрифугирования, которые в дальнейшем предлагается учитывать предложенным способом расчета по дифференциальным прочностям бетона различных слоев колонн.

Библиографический список

1.Ахвердов, И. Н. Железобетонные напорные центрифугированные трубы / И. Н. Ахвердов. — М.: Госстройиздат, 1967. — 164 с.

2.Карпенко, Н. И. Общиемоделимеханики железобетона / Н. И. Карпенко. — М.: Стройиздат, 1996. —

416 с.

3.Кудзис, А. П. Железобетонные конструкции кольцевого сечения / А. П. Кудзис. — Вильнюс: Минтис, 1975. — 224 с.

4.Кудзис, А. П. О расчете по прочности внецентренно сжатых элементов кольцевого сечения при малых эксцентриситетах / А. П. Кудзис // Труды КПИ «Исследования по железобетонным конструкциям». — Вильнюс, 1969. — С. 29−36.

5.Маилян, Л. Р. Совершенствование расчетных рекомендаций по подбору состава бетона центрифугированных конструкций [Электронный ресурс] / Л. Р. Маилян, С. А. Стельмах, А. К. Халюшев, Е. М. Щербань, М. Г. Холодняк, М. П. Нажуев // Вестник Евразийской науки. — 2018. — № 3. — URL: esj.today/ PDF/63SAVN318.pdf.

6.Маилян, Л. Р. Рекомендации по учету вариатропии при расчете, проектировании и изготовлении центрифугированных конструкций из тяжелого бетона [Электронный ресурс] / Л. Р. Маилян, С. А. Стельмах, М. Г, Холодняк, А. К. Халюшев, Е. М. Щербань, М. П. Нажуев // Вестник Евразийской науки. — 2018. — № 4. — URL: esj.today/PDF/07SAVN418.pdf.

7. Маилян, Л. Р. Выбор состава центрифугированного бетона на тяжелых заполнителях / Л. Р. Маилян, С. А. Стельмах, М. Г. Холодняк, Е. М. Щербань // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. — 2017. —

№10. — С. 52—57.

8.Маилян, Л. Р. Исследование различных типов центрифуг и режимов уплотнения бетонных смесей для изготовления образцов кольцевого сечения / Л. Р. Маилян, С. А. Стельмах, М. Г. Холодняк, Е. М. Щербань // Вестник СевКавГТИ. — 2017. — Вып. № 3 (30). — С. 134—137.

9. Морштейн, О. Б. Уплотнение бетонной смеси в консолях центрифугированных колонн / О. Б. Морштейн, А. Н. Попов // Транспортное строительство. — 1978. — № 12. — С. 41—43.

34

В. Г. Пастушков, В. А. Белый // Проблемы современного бетона и железобетона: сб. трудов междунар. симпозиума, Минск, 16—19 октября 2007. Ч. 1 — Минск: Стринко, 2007. — С. 280—294.

11.Пастушков, Г. П. Опыт применения центрифугированных линейных элементов с поперечными сечениями различного профиля при строительстве многоэтажных зданий / Г. П. Пастушков, В. Г. Пастушков // Архитектура и строительные науки. — 2014. — № 1, 2. — С. 36—38.

12.Петров, В. П. Технология и свойства центрифугированного бетона с комбинированным заполнителем для стоек опор контактной сети: дис. … канд. техн. наук: 05.23.05 / Виктор Петрович Петров. — Ростов-на- Дону, 1983. — 175 с.

13.Пецольд, Т. М. Центрифугированные колонны квадратного сечения / Т. М. Пецольд // Бетон и железобетон. — 1983. — № 6. — С. 6—7.

14.Раджан, С. Свойства центрифугированного бетона и совершенствование проектирования центрифугированных железобетонных стоек опор ЛЭП: дис. … канд. техн. наук: 05.23.05 / Сувал Раджан. — Ростов- на-Дону, 1997. — 267 с.

15.Щуцкий, В. Л. Исследование работы конических опор линий электропередач в качестве стоек для

антенных башенных надстроек [Электронный ресурс] / В. Л. Щуцкий, А. П. Коробкин, А. С. Шевченко, С. А. Стельмах // Интернет-журнал «Науковедение». — 2017. — Т. 9, № 4. — URL: http://naukovedenie.ru/ PDF/43TVN417.pdf.

16.Mohamed, K. Ismail. An Experimental Study on Flexural Behaviour of Large-Scale Concrete Beams Incorporating Crumb Rubber and Steel Fibres / Ismail K. Mohamed, Hassan A. A. Assem // Engineering Structures. — 2017. — Vol. 145. — P. 97—108.

17.Pooya, Alaee. High-Strength Concrete Exterior Beam-Column Joints with High-Yield Strength Steel Reinforcements / Alaee Pooya, Li Bing // Engineering Structures. — 2017. — Vol. 145. — P. 305—321.

18.Shuyskiy, A. I. Investigation of the Influence of the Initial Composition of Heavy Concrete Designed for

the Manufacture of Ring-Section Products on its Properties / A. I. Shuyskiy, S. A. Stel’makh, E. M. Shcherban’,

M.G. Kholodnyak // Materials Science Forum. — 2018. — Vol. 931. — P. 508—514.

19.Stel'makh, S. A. Theoretical and Practical Aspects of the Formation of the Variational Structure of Centrifuged Products from Heavy Concrete / S. A. Stel'makh, E. M. Shcherban', A. I. Shuyskiy, M. P. Nazhuev // Materials Science Forum. — 2018. — № 931. — P. 502—507.

20.Stel'makh, S. A. Prescription and Technological Aspects of Manufacturing High-Quality Centrifuged Products and Structures from Heavy Concrete / S. A. Stel'makh, E. M. Shcherban, O. A. Zholobova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Cep. «International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern technologies». — 2018. — V. 463. — С. 022056.

References

1.Akhverdov, I. N. Zhelezobetonnye napornye tsentrifugirovannye truby / I. N. Akhverdov. — M.: Gosstroiizdat, 1967. — 164 s.

2.Karpenko, N. I. Obshchie modeli mekhaniki zhelezobetona / N. I. Karpenko. — M.: Stroiizdat, 1996. —

416 s.

3.Kudzis, A. P. Zhelezobetonnye konstruktsii kol'tsevogo secheniya / A. P. Kudzis. — Vil'nyus: Mintis, 1975. — 224 s.

4.Kudzis, A. P. O raschete po prochnosti vnetsentrenno szhatykh elementov kol'tsevogo secheniya pri malykh ekstsentrisitetakh / A. P. Kudzis // Trudy KPI «Issledovaniya po zhelezobetonnym konstruktsiyam». — Vil'nyus, 1969. — S. 29−36.

5.Mailyan, L. R. Sovershenstvovanie raschetnykh rekomendatsii po podboru sostava betona

tsentrifugirovannykh konstruktsii [Elektronnyi resurs] / L. R. Mailyan, S. A. Stel'makh, A. K. Khalyushev, E. M. Shcherban', M. G. Kholodnyak, M. P. Nazhuev // Vestnik Evraziiskoi nauki. — 2018. — № 3. — URL: esj.today/PDF/63SAVN318.pdf.

6.Mailyan, L. R. Rekomendatsii po uchetu variatropii pri raschete, proektirovanii i izgotovlenii

tsentrifugirovannykh konstruktsii iz tyazhelogo betona [Elektronnyi resurs] / L. R. Mailyan, S. A. Stel'makh, M. G, Kholodnyak, A. K. Khalyushev, E. M. Shcherban', M. P. Nazhuev // Vestnik Evraziiskoi nauki. — 2018. —

№4. — URL: esj.today/PDF/07SAVN418.pdf.

7.Mailyan, L. R. Vybor sostava tsentrifugirovannogo betona na tyazhelykh zapolnitelyakh / L. R. Mailyan, S. A. Stel'makh, M. G. Kholodnyak, E. M. Shcherban' // Vestnik BGTU im. V. G. Shukhova. — 2017. — № 10. — S. 52—57.

8.Mailyan, L. R. Issledovanie razlichnykh tipov tsentrifug i rezhimov uplotneniya betonnykh smesei dlya izgotovleniya obraztsov kol'tsevogo secheniya / L. R. Mailyan, S. A. Stel'makh, M. G. Kholodnyak, E. M. Shcherban' // Vestnik SevKavGTI. — 2017. — Vyp. № 3 (30). — S. 134—137.

35

Научный журнал строительства и архитектуры

9.Morshtein, O. B. Uplotnenie betonnoi smesi v konsolyakh tsentrifugirovannykh kolonn / O. B. Morshtein, A. N. Popov // Transportnoe stroitel'stvo. — 1978. — № 12. — S. 41—43.

10. Pastushkov, G. P. Mnogoetazhnye zdaniya s gibkoi planirovochnoi skhemoi / G. P. Pastushkov, V. G. Pastushkov, V. A. Belyi // Problemy sovremennogo betona i zhelezobetona: sb. trudov mezhdunar. simpoziuma, Minsk, 16—19 oktyabrya 2007. Ch. 1 — Minsk: Strinko, 2007. — S. 280—294.

11.Pastushkov, G. P. Opyt primeneniya tsentrifugirovannykh lineinykh elementov s poperechnymi secheniyami razlichnogo profilya pri stroitel'stve mnogoetazhnykh zdanii / G. P. Pastushkov, V. G. Pastushkov // Arkhitektura i stroitel'nye nauki. — 2014. — № 1, 2. — S. 36—38.

12.Petrov, V. P. Tekhnologiya i svoistva tsentrifugirovannogo betona s kombinirovannym zapolnitelem dlya stoek opor kontaktnoi seti: dis. … kand. tekhn. nauk: 05.23.05 / Viktor Petrovich Petrov. — Rostov-na-Donu, 1983. — 175 s.

13.Petsol'd, T. M. Tsentrifugirovannye kolonny kvadratnogo secheniya / T. M. Petsol'd // Beton i zhelezobeton. — 1983. — № 6. — S. 6—7.

14.Radzhan, S. Svoistva tsentrifugirovannogo betona i sovershenstvovanie proektirovaniya tsentrifugirovannykh zhelezobetonnykh stoek opor LEP: dis. … kand. tekhn. nauk: 05.23.05 / Suval Radzhan. — Ros- tov-na-Donu, 1997. — 267 s.

15.Shchutskii, V. L. Issledovanie raboty konicheskikh opor linii elektroperedach v kachestve stoek dlya

antennykh bashennykh nadstroek [Elektronnyi resurs] / V. L. Shchutskii, A. P. Korobkin, A. S. Shevchenko, S. A. Stel'makh // Internet-zhurnal «Naukovedenie». — 2017. — T. 9, № 4. — URL: http://naukovedenie.ru/ PDF/43TVN417.pdf.

16.Mohamed, K. Ismail. An Experimental Study on Flexural Behaviour of Large-Scale Concrete Beams Incorporating Crumb Rubber and Steel Fibres / Ismail K. Mohamed, Hassan A. A. Assem // Engineering Structures. — 2017. — Vol. 145. — P. 97—108.

17.Pooya, Alaee. High-Strength Concrete Exterior Beam-Column Joints with High-Yield Strength Steel Reinforcements / Alaee Pooya, Li Bing // Engineering Structures. — 2017. — Vol. 145. — P. 305—321.

18.Shuyskiy, A. I. Investigation of the Influence of the Initial Composition of Heavy Concrete Designed for

the Manufacture of Ring-Section Products on its Properties / A. I. Shuyskiy, S. A. Stel’makh, E. M. Shcherban’,

M.G. Kholodnyak // Materials Science Forum. — 2018. — Vol. 931. — P. 508—514.

19.Stel'makh, S. A. Theoretical and Practical Aspects of the Formation of the Variational Structure of Centrifuged Products from Heavy Concrete / S. A. Stel'makh, E. M. Shcherban', A. I. Shuyskiy, M. P. Nazhuev // Materials Science Forum. — 2018. — № 931. — P. 502—507.

20.Stel'makh, S. A. Prescription and Technological Aspects of Manufacturing High-Quality Centrifuged Products and Structures from Heavy Concrete / S. A. Stel'makh, E. M. Shcherban, O. A. Zholobova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Cep. «International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern technologies». — 2018. — V. 463. — С. 022056.

DETERMINATION AND USE OF HIDDEN STRENGTH RESERVES OF CENTRIFUGED REINFORCED CONSTRUCTIONS

BY MEANS OF CALCULATION AND EXPERIMENTAL METHODS

L. R. Mailyan 1, S. A. Stel'makh 2, E. M. Shcherban' 3, M. G. Kholodnyak 4

Don State Technical University 1, 2, 3, 4

Russia, Rostov-on-Don

1Corresponding Member of RAACS, D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Reinforced Concrete and Stone Structures, e-mail: mailyan@sroufo.ru

2PhD in Engineering, Assoc. Prof of the Dept. of Engineering Geology, Bases and Foundations,

e-mail: sergej. stelmax@mail.ru

3PhD in Engineering, Assoc. Prof of the Dept. of Engineering Geology, Bases and Foundations, tel.: +7-928-193-76-37, e-mail: au-geen@mail.ru

4Engineer of the Dept. of Technology of Binders, Concretes and Building Ceramics, e-mail: xolodniak@yandex.ru

Statement of the problem. The method of centrifugation for the production of ring section elements has shown a high efficiencyin the construction of various applications. However, when centrifuging elements with a sufficiently thick wall, the effect of centrifugal and centripetal forces acting on different internal

36

layers of the cross section varies greatly, which leads to a significant difference in the structure, physical, mechanical and structural characteristics of concrete layers, which in some cases must be taken into account in the calculations. It becomes possible to use substantial reserves of structural strength that can be determined by means of calculation and experimental methods. The paper posed and solved the problem of identifying the difference in properties and characteristics of layers of centrifuged reinforced concrete structures, its analytical description, adjusting the strength calculation methods to account for this and comparing them with the existingregulatorymethods for calculating strength in the current regulations.

Results and conclusions. A model of a three-layer variotropic structure of a centrifuged structure is proposed, its substantiation, expediency and efficiency are experimentally confirmed. When comparing the methods of calculating standard centrifuged reinforced concrete columns, it was concluded that the values of their strength calculated based on the integral (generalized) and differential (layered) characteristics differ significantly. The previously hidden latent reserves of industrial columns of the variotropic structure produced bycentrifuging methods are not analyticallyidentified.

Keywords: centrifuged reinforced concrete structures, variotropic properties of sections, layers of concrete, calculation of the strength of building structures, integral and differential characteristics of centrifuged concrete.

ОБЪЯВЛЕНИЕОКОНКУРСЕРАБОТ,

ПРЕДСТАВЛЯЕМЫХНАСОИСКАНИЕПРЕМИЙ

ПРАВИТЕЛЬСТВАРОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИ2020ГОДА

ВОБЛАСТИНАУКИИТЕХНИКИДЛЯМОЛОДЫХУЧЕНЫХ

Всоответствии с «Положением о премиях Правительства Российской Федерации в области науки и техники для молодых ученых», утвержденным постановлением Правительства Российской Федерации от 5 августа 2010 г. № 601, с изменениями, внесенными постановлениями Правительства Российской Федерации от 20 августа 2014 г. № 834, от 16 июля 2015 г.

№712, от 9 апреля 2016 № 279 и от 28 сентября 2018 № 1152, Межведомственный совет по присуждению премий Правительства Российской Федерации в области науки и техники объявляет конкурс работ на соискание премий Правительства Российской Федерации 2020 года в области науки и техники для молодых ученых.

Представление работ производится в соответствии с указанным положением и перечнем, образцами и требованиями, предъявляемыми к оформлению прилагаемых к работе на соискание премий Правительства Российской Федерации в области науки и техники для молодых ученых документов. Перечень публикуется на сайте «Российской газеты»: www.rg.ru.

Работы, оформленные в соответствии с изложенными в перечне требованиями, принимаются лично от авторов или их доверенных лиц в Министерстве науки и высшего образования Российской Федерации по адресу: г. Москва, Брюсов пер., д. 21, каб. 134, а также размещаются авторами на сайте Правпремии.рф до 20 февраля 2020 года.

Вздании действует пропускная система. В связи с этим прием работ осуществляется строго по предварительной записи по телефону (за один день).

Контакты для справок: Синявская Анастасия Сергеевна:

(495) 547-12-59 (доб. 3815), sinyavskayaas@minobrnauki.gov.ru; Терехина Алина Алексеевна:

(495) 547-12-59 (доб. 3823), terekhinaaa@minobrnauki.gov.ru;

Работы, оформленные с нарушением указанных требований, не принимаются. Представленные материалы авторам не возвращаются.

37

Научный журнал строительства и архитектуры

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ

DOI 0.25987/VSTU.2019.56.4.003

УДК 621.6:62-621

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ БУТАНА ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ

Н. Н. Осипова 1, С. Г. Культяев 2

Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А., Институт урбанистики, архитектуры и строительства 1, 2

Россия, г. Саратов

1Д-р техн. наук, зав. кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции, водообеспечения и прикладной гидрогазодинамики, тел.: (8452)99-88-93, e-mail: osnat75@mail.ru

2Ассистент кафедры теплогазоснабжения, вентиляции, водообеспечения и прикладной гидрогазодинамики,

тел.: (8452)99-88-93, e-mail: svyatoslav@kultyaev.ru

Постановка задачи. Переменный состав сжиженного углеводородного газа оказывает значительное влияние на работуавтономных систем газоснабжения. Наличие бутановой фракции в условиях минусовых температур приводит к прекращению генерации паровой фазы в резервуаре, конденсации влаги и образованию ледяных и гидратных пробок.

Результаты. Рассмотрены особенности применения технического бутана в системах газоснабжения. Рекомендован состав газовоздушной смеси (с учетом ограничений по колебаниям числа Воббе) обеспечивающий полноту сгорания смеси в газоиспользующих установках потребителя. Обоснован уровень заполнения подземных резервуаров техническим бутаном с учетом коэффициента объемного расширения газа при наличии предельных температур эксплуатации.

Выводы. Определен состав газовоздушных смесей на основе бутана для газоснабжения потребителей, отвечающий условию взаимозаменяемости горючих газов и обеспечивающий более низкие значения температуры точки росы: обоснован уровень заполнения наземных и подземных емкостей бутаном техническим.

Ключевые слова: система газоснабжения, бутан, газовоздушная смесь, число Воббе, взаимозаменяемость, уровень заполнения резервуара, точка росы.

Введение. В настоящее время широкое распространения получили автономные системы снабжения сжиженным углеводородным газом на основе смеси пропана и бутана [1, 2, 4, 6, 9]. По мере расходования паровой фазы из резервуара состав газа изменяется и содержание бутана в жидкой и паровой фазах увеличивается [3, 10, 14, 15]. Это обуславливает фракционный характер испарения жидкой фазы пропан-бутана и переменный газовый состав, подаваемый на сжигание в газоиспользующем оборудовании. При этом перевод газоиспользующего оборудования к работе на природный газ, в случае обеспечения централизованной газификации без замены горелок, невозможен.

Как показывает существующая практика, системы автономного газоснабжения с естественной регазификацией в большинстве случаев не рассчитаны на применение сжиженного

© Осипова Н. Н., Культяев С. Г., 2019

38

газа с повышенным содержанием бутановых фракций [3, 10]. А рекомендации по работе систем на техническом бутане вообще не отмечены в известной литературе.

Как известно, бутан имеет температуру кипения жидкой фазы минус 0,5 0С, что полностью исключает его применение в качестве газового топлива в системах газоснабжения — наземных (во всех климатических зонах эксплуатации) и подземных (в холодной и очень холодной климатических зонах) [3, 10, 11].

Температура точки росы паровой фазы бутана в зависимости от давления в резервуаре начинается от минус 1 0С (при 0,1 МПа) и захватывает положительный диапазон температур. Поэтому даже в теплой и умеренно холодной климатических зонах при перемещении паровой фазы бутана из резервуара по трубопроводной обвязке температура последней оказывается ниже температуры точки росы, что способствует выпадению конденсата и образованию ледяных и гидратных пробок.

Проведенные научные исследования [12, 14, 15, 17, 18, 20] показали, что газоснабжение потребителей на основе бутана возможно с применением газовоздушных смесей. Использование газовоздушной смеси на основе технического бутана в качестве газового топлива позволит:

стабилизировать состав подаваемой на горение горючей смеси;

снизить точку росы и образования конденсата в газообразной смеси для безгидратного редуцирования газовоздушной смеси;

полностью адаптировать газовоздушную смесь для последующей замены на природный газ без замены газоиспользующего оборудования;

Для определения необходимых параметров систем газоснабжения на основе бутана необходимо провести дополнительные исследования.

1. Обоснование состава газовоздушной смеси. Критерием, определяющим взаимоза-

меняемость горючих газов, является число Воббе. Заменимость определяется возможностью использования альтернативного газа без нарушения нормальной работы газогорелочных устройств и их конструктивных решений [13, 16, 21].

Число Воббе газовоздушной смеси «бутан — воздух» определяется по формуле:

где (Qнр )см — низшая теплота сгорания смеси, Мдж/м3; d — относительная плотность газо-

воздушной смеси по воздуху, кг/нм3.

В свою очередь, теплотворная способность газовоздушной смеси на основе бутана определяется по формуле:

где (Qнр )б — низшая теплота сгорания бутана, МДж/м3 [10]; kб0 — объемная концентрация

бутана в газовоздушной смеси, %; Относительная плотность газовоздушной смеси по воздуху определяется по формуле

где kв0 — объемная концентрация воздуха в газовоздушной смеси, %; ρв — удельная плот-

ность воздуха, принимаемая 1,29 кг/нм3; ρб — удельная плотность бутана, принимаемая

2,7 кг/нм3.

Для обоснования состава газовоздушной смеси «бутан — воздух» были проведены соответствующие расчеты. В расчетах использованы данные:

низшая теплота сгорания бутана (принимается 118,53 МДж/м3);

39