Полиэтиленовые трубы больших диаметров укрепляют энергетику Эстонии

Журнал Полимерные трубы - Применение полимеров

Полиэтиленовые трубы больших диаметров укрепляют энергетику Эстонии

Введение 

В 2010 году Eesti Energia  был осуществлен проект по реконструкции трубопроводов системы охлаждения воды Эстонской ГРЭС.

Действующие циркуляционные трубопроводы были спроектированы и построены в конце 1960-х – начале 70-х гг.  Длительная эксплуатация в течение более сорока лет  привела к их практически полному износу: трубы были изъедены ржавчиной, деформированы, в сети происходили хронические утечки, требующие постоянных ремонтов.

Руководством компании было принято решение отремонтировать старые трубопроводы систем охлаждения диаметром 1600 мм,  при этом главными условиями стали оптимизация затрат с учетом гарантированного срока безаварийной эксплуатации обновленного трубопровода не менее 30 лет.   Были рассмотрены многочисленные варианты выбора как материала труб, так и методов монтажа: металл, стекловолокно, пластик, различные варианты санации труб, их химическая стойкость и т. д. После тщательного анализа всех предложений выбор был остановлен на полиэтиленовых трубах диаметром 1400 мм, выпущенных по технологии компании Krag AG (Германия), с применением различных современных методов монтажа трубопроводных систем: перекладки существующих трубопроводов, соединенных с помощью технологии электрофузионной сварки по методу «труба в трубе» в сочетании с монтажом отводов и колодцев в открытых траншеях. 

Рис. 1. Внешний вид старой трубопроводной системы

Описание проекта и еготехническое решение 

Ремонт трубопровода начался в насосной станции и был завершен в турбинном отсеке с дисковым затвором. Обследование старой трубопроводной системы показало, что трубопровод был существенно поврежден коррозией (слой ржавчины составлял приблизительно 4 мм), а также деформирован в нескольких местах,  как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Также в ходе осмотра были выявлены продольные смещения (примерно на 20%) на прямолинейных участках трубопровода. 

В Eesti Energia  было принято решение заменить поврежденные коррозией металлические трубы диаметром 1600 мм на  полиэтиленовые трубы из ПЭ 100 диаметром 1400 мм. Новые трубы отвечают требованиям международных стандартов EN 13476-1,3 и DIN 16961-1,2 и соответствуют условиям эксплуатации. Эти трубы производятся методом спирально-витой намотки гомогенной экструзионной массы на оправку нужного диаметра. Гибкость процесса производства труб позволяет изготовителю находить идеальные решения для любых трубопроводов вплоть до диаметра 4000 мм. Структура трубной стенки может быть массивной или профилированной  – в зависимости от проектного задания. 

Как правило, гарантированный срок безаварийной эксплуатации трубопровода составляет не менее 30 лет, однако опыт использования данных труб показывает, что этот срок достигает 50 лет. 

В Таллиннском техническом университете были произведены первичные расчеты по потерям напора с учетом всех характеристик труб. Учитывая все гидравлические параметры, результаты расчетов показали, что в изношенной старой трубопроводной системе потери напора воды составляют 1,01 м, в то время как при  использовании новых труб они составят 0,98 м, не смотря на уменьшение диаметра трубы. 

По сравнению с металлом, полиэтилен обладает повышенной стойкостью к истиранию, к тому же трубы из ПЭНД не подвержены коррозии. Кроме того полиэтиленовые трубы имеют идеально гладкую внутреннюю поверхность, что выгодно отличает их от стальных труб. Таким образом, эти характеристики оптимально подходят для замены старого стального трубопровода диаметром 1600 мм на полиэтиленовый трубопровод  диаметром 1400 мм из PE 100 с сохранением всех необходимых параметров потока. В данном проекте использовался сверхсовременный материал PE 100 (Borealis HE3490-LS). Этот материал представляет собой черный бимодальный полиэтилен высокой плотности с значениями MRS 10,0. Производитель данного материала гарантирует его долговечность, доказанную в результате многочисленных долгосрочных испытаний, а также его соответствие международным стандартам ISO 9080 и ISO 12162. 

Ход выполнения проекта и дизайн трубопровода 

Первый этап ремонта был осуществлен на двух параллельных нитках циркуляционного трубопровода общей протяженностью 260 м. Работы по первому этапу санации трубопровода были начаты в сентябре 2010 года и завершены уже через два месяца к концу ноября 2010 года. В течение этого периода времени, кроме перекладки 260 м труб, были также произведены следующие работы:

  1. с использованием электрофузионной сварки межтрубных соединений проложен прямолинейный участок трубопровода длиной 160 м, в том числе с использованием 60-метровых сегментов, затянутых в старый трубопровод;
  2. произведена перекладка 60 м трубопровода посредством сварки на месте сегментов труб длиной по 1,25 м ручным экструдером;
  3. установлено:
  • 2 колодца для  регулировки давления;
  • 8 горизонтальных отводов на 15 и 60° и 8 вертикальных отводов на 15 и 30°, изготовленных специально с учетом конкретных требований данного проекта;
  • 4 напорных фланцевых соединения диаметром 1600 мм.

alt

Рис. 3.Схема новой трубопроводной системы

Обновленная часть трубопровода была соединена со старым трубопроводом диаметром 1600 мм с использованием фланцевых соединений. Подлежащая санации старая система охлаждения воды была смонтирована во время строительства электростанции из стальных труб диаметром  1600 мм с толщиной стенки 10 мм. Трубопровод состоял из прямолинейных сегментов с максимальной длиной до 60 м, которые соединялись между собой посредством горизонтальных и вертикальных отводов  под углом от 15 до 60°. На каждой из двух параллельных ниток трубопроводной системы был установлен колодец.  Один из сегментов трубопровода длиной около 30 м располагается под опорной бетонной плитой весом приблизительно 120 тонн. 

На рис. 3 красными квадратами отмечены места поворотов трубопровода на 60°, зеленым квадратом отмечена опорная бетонная плита, а также горизонтальные и вертикальные отводы.

Технические параметры трубопровода:

  • рабочая субстанция: речная вода;
  • температура воды: 4-25 °С;
  • пропускная способность: 5 м3/с;
  • скорость потока воды в старом трубопроводе: до 2,55 м/с;
  • скорость потока воды в новом трубопроводе: до 3,25 м/с;
  • рабочее давление: 0,5-1 бар.

Ввиду сложной конфигурации трубопроводной системы и для обеспечения максимально быстрого и экономически эффективного процесса реконструкции были выбраны три варианта монтажа труб:

  1. открытый траншейный монтаж отводов и колодцев, соединенных посредством электрофузионной сварки;
  2. протяжка предварительно сваренных отрезков полиэтиленовых труб в изношенные стальные на прямых участках трубопровода;
  3. монтаж горизонтальных и вертикальных отводов из заранее изготовленных сегментов длиной по 1,25 м каждый, соединяемых с использованием  ручной экструзионной сварки. 

Технология интегрированного электрофузионного соединения спиральновитых полиэтиленовых труб в сочетании с экструзионной сваркой сегментов, с соблюдением требований европейских стандартов процесса сварки полимерных труб (в частности DVS 2205 и DVS 2207-1,4), обеспечили высокое качество и 100-процентную герметичность нового трубопровода. 

Для каждого отдельного сегмента трубопровода была разработана индивидуальная программа монтажа. В соответствии с технологической необходимостью, толщина стенок труб должна составлять не менее 20 мм. Расчет толщины трубных стенок, с учетом того, что сварные соединения должны будут в процессе эксплуатации выдерживать рабочее давление  в 1,25 бар, видился наиболее проблемным параметром соответствия нового трубопровода требованиям проекта. 

112_53a

Рис. 4. Трубопровод, соединенный посредством электрофузионной сварки, с колодцем регулировки давления

Этот статический расчет был осуществлен в соответствии с немецким стандартом ATV и использованием метода конечных элементов (МКЭ) [FEM- Finite Element Method]. Применение данного метода позволило более детально выявить распределение нагрузок на трубопровод в процессе его монтажа и дальнейшей эксплуатации. 

Оригинальные особенности системы труб Krah позволяют решать широкий спектр универсальных задач. Так например, профилированная поверхность труб в сочетании с муфтовым соединением обусловили успешность монтажа методом релайнинга. Отводы и колодцы же  производились со специальным гладким внешним профилем, что обеспечило идеальную поверхность для сварки сегментов как внутри, так и снаружи. Также как и на других участках трубопровода, данные сегменты имеют толщину внутренних стенок 20 мм с дополнительным наружным покрытием,  что обеспечивает им необходимую кольцевую жесткость при гладкой внешней поверхности. 

112_54

Рис. 5. График анализа деформаций поворотов труб, созданный с помощью

Для оптимизации процесса монтажа высота профиля внешней поверхности труб была подобрана таким образом, что бы она совпадала с внешним диаметром раструба.

В подлежащий санации старый трубопровод были протянуты трубы  с 20-милиметровым внутренним слоем и такой высотой наружного профиля, чтобы зазор между стенками старых и новых труб был минимальным. В расчётах строения массивной стенки трубы также принимались во внимание требования к нагрузкам, могущим возникнуть в процессе монтажа. 

Межтрубное пространство (между стальными и полиэтиленовыми трубами) заполнялось смесью бентонита для дополнительной фиксации труб в случае разрушения старого трубопровода. Кроме того, бентонитовая прослойка служит «якорем», удерживающим трубы от продольного перемещения.

112_54a

Рис. 6. Начальный этап монтажа: электрофузионная сварка Krah и заполнение межтрубного пространства бетонитом

Сегменты, подлежащие ручной экструзионной сварке,  также были разработаны на базе трубы со сплошной 20-миллиметровой стенкой. Невысокий наружный профиль был добавлен для лучшего закрепления частей трубопровода в бентоните. Сегменты были протянуты по частям в старый трубопровод и соединены посредством сварки ручным экструдером. 

112_55

Рис. 7.Заглушки для крепления канатов и распределения нагрузки

Окончательный выбор дизайна труб включал в себя расчет сил, необходимых для протягивания нового трубопровода внутрь существующего, и нагрузок, возникающих в результате производства данной операции. Необходимые вычисления были осуществлены в сотрудничестве с Таллиннским техническим университетом.  Для определения нагрузок потока воды на поворотных участках были сделаны гидравлические расчеты. Моделирование процесса протяжки труб проводилось без учета наличия засыпки или дополнительных опор для труб, заведомо создавая гораздо худшие условия,  чем реальные условия эксплуатации системы охлаждения воды.

В целях обеспечения безаварийной эксплуатации трубопроводной системы на весь гарантированный срок в 50 лет эстонская строительная компания Merko EhitusAS предоставила отдельные рекомендации по монтажным работам. Для наиболее безопасной эксплуатации трубопровода на протяжении данного периода при каждом повороте трубы были использованы бетонные опоры, выдерживающие нагрузку до 32 тонн,  обусловленную изменением направления потока воды.

Тестирование и обеспечение качества

Все трубы, предназначенные для использования в данном проекте, подвергались тщательной проверке после их производства. Основные параметры, такие как  толщина стенки массивной трубы, высота и ширина профиля и т. д., тщательно контролировались. Перед отправкой на строительную площадку все необходимые испытания проходили также раструбные и сгоновые части труб.  Протоколы всех измерений были представлены заказчику. В качестве средств контроля использовались откалибрированный ультразвуковой толщиномер и измерительные ленты. 

112_55a

Рис. 8. Подготовка отводов 60°на бетонных опорах

Все параметры производства сварочных работ (как электрофузионной, так и ручной экструзионной  сварки) заносились в специальные журналы в соответствии со стандартами DVS. В дополнение к этому  все  сварные швы были позже протестированы с помощью тестера высокочастотной проверки качества сварного шва. Протоколы тестирования и специальные журналы сварки были представлены заказчику вместе с остальной документацией. Кроме того немецкая компания Plaspitec GmbH была назначена в качестве независимого стороннего консультанта. 

112_56

Рис. 9. Монтаж сегментов длиной в 1,25 м в санируемом трубопроводе

Перед окончательным запуском в эксплуатацию трубопровод подвегли испытанию давлением. Во время этого теста максимальное рабочее давление было превышено в 1,25 раза. До момента достижения максимального давления трубопровод находился под обычным рабочим давлением на протяжении 30 мин. Затем трубопровод держали под давлением в 1,25 бар на протяжении 2 часов. После этого давление снизили до максимально рабочего уровня, и продержали его в таком состоянии 30 мин. Трубопровод прошел проверку без единой утечки и был успешно введен в эксплуатацию в ноябре 2010 года через два месяца после начала его реконструкции. 

Метод релайнинга или санации по принципу «труба в трубу» с использованием профилированных полиэтиленовых труб является наиболее эффективным и экономически  обоснованным способом обновления подвергнутых коррозии или поврежденных трубопроводов с утечками.

Процесс спирально-витой намотки экструзииобеспечиваетпризводителямвозможность разработки оптимального строения трубных стенок и комплектующих с учетом всех требований заказчика. Стенка практически любой толщины, профиль любого уровня сложности – все это может быть легко произведено. 

 

 

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА