В современных трубопроводных системах для водо- и газоснабжения в последние годы все шире применяются полимерные материалы, среди которых  лидирующие позиции занимает полиэтилен высокой плотности.

Одним из важнейших элементов трубопровода наряду с полиэтиленовыми трубами являются фитинги, позволяющие вести трубопровод под  нужными углами, выполнять разветвление потока, изменять рабочее сечение трубопровода и т.д.

Фитинги можно разделить на следующие группы:

1) компрессионные фитинги для «ручного» монтажа труб;

2) терморезисторные фитинги (с закладными электронагревателями);

3) втулки под фланец и переходы с диаметра на диаметр;

4) литые фитинги для сварки встык;

5) сегментные (сварные) фитинги для сварки встык.

В этой статье мы остановимся подробнее на двух последних группах – сегментных и литых фитингах для стыковой сварки.

Литые фитинги производятся методом термоформования на специально оборудованных термопластавтоматах. Исходным сырьем для производства литых фитинов является непосредственно композиция полиэтилена для производства труб класса ПЭ 100 или ПЭ 80 в гранулах.

Сегментные фитинги производятся методом стыковой сварки отдельных, предварительно подготовленных фрагментов полиэтиленовых труб – «сегментов». Сварка производится на специальных сварочных аппаратах, позволяющих выставлять отдельные элементы фитинга под разными углами. Необходимым приспособлением для производства сегментных фитингов является ленточная пила, с помощью которой производится разделка кромок фитинга под нужным углом. Соответственно в качестве сырья для производства сегментных фитингов используются полиэтиленовые трубы.

Если отечественная нормативная база по проектированию и строительству водопроводов и канализационных коллекторов из полиэтиленовых труб предусматривает применение стыковых фитингов, полученных, как методом литья, так и сегментных, то в газоснабжении использование сегментных фитингов не допускается.

Чем вызвана такая дискриминация?

К сожалению, на сегодняшний день полиэтиленовые фитинги для сварки встык (равно как и любые другие полимерные фитинги и полимерные трубы) не подлежат обязательной сертификации.

Качество литых фитингов, производство которых зачастую полностью автоматизировано, минимально зависит от человеческого фактора, имеет высокую повторяемость от детали к детали, а свойства самого фитинга равномерно распределены в его массе. Соответственно производство литых фитингов достаточно капиталоемкое, предприятия, их выпускающие, имеют лаборатории, оборудованные всем необходимым для контроля используемых композиций полиэтилена, а также контроля самих фитингов.

Сегментные фитинги производятся всегда вручную. В зависимости от «обеспеченности» предприятия-изготовителя их могут выпускать на автоматических и полуавтоматических сварочных аппаратах ведущих мировых производителей, а могут использовать примитивные ручные станки. В таких условиях повторяемость качества деталей может обеспечиваться как характеристиками оборудования, так, и это главное, квалификацией работающего на нем персонала. Учитывая тот факт, что для запуска примитивного производства сегментных фитингов не требуется значительных капиталовложений, они выпускаются многими отечественными фирмами, в составе которых нет лабораторного оборудования не только для испытаний производимой продукции, но и даже для входного контроля поступающих на производство полиэтиленовых труб. Кроме того, учитывая наличие на фитинге сварных швов (минимум одного, максимум 4 и более), плоскость которых зачастую не перпендикулярна оси трубы, возникает неравномерность свойств в материале фитинга. Но об этом подробнее мы остановимся ниже.

Основным требованием, определяющим качество фитинга, является определение стойкости к постоянному внутреннему давлению.  Для этого фитинг, помещается в специальную ванну, где при определенной температуре нагружается испытательным давлением, которое превышает рабочее от в 1,25 раза – для водопроводных сегментных фитингов, до в 4 раза – для литых фитингов в газоснабжении.

Не смотря на кажущуюся дешевизну недорогих сегментных фитингов отечественного производства, ситуация не так однозначна, как это можно было бы себе представить.

Условно  фитинги для стыковой сварки можно подразделить на три группы по величине диаметра.

1. В диапазоне диаметров до 225 мм литые фитинги в последнее время получают все большие преимущества. Это объясняется низкой себестоимостью массового производства литья по сравнению с затратами при ручном труде в производстве сегментных фитингов. На ходовых  диаметрах 110, 160 и 225 мм литые фитинги имеют практически одинаковую стоимость с сегментными.

2. В средней группе диаметров (от 250 до 315 мм) более дорогие литые фитинги могут конкурировать с сегментными с учетом затрат на заливку сегментных в армированный бетон. Так на газопроводах и ответственных водопроводах в основном используется литье, на прочих объектах водоснабжения, напорных канализационных коллекторах применяются сегментные фитинги

3. Литые фитинги больших диаметров (от 400  мм) характеризуются сложностью изготовления и обслуживания пресс-форм, а потому разница в цене с сегментными фитингами более существенна. Поэтому для строительства и монтажа полиэтиленовых трубопроводов таких диаметров используются в основном сегментные фитинги. Хотя на очень ответственных объектах  целесообразно  использовать  литые фитинги.

В Украине только наиболее крупные компании-производители имеют соответствующее оборудование для производства качественных сегментных фитингов. К ним относятся такие предприятия как ООО «ЦТ «ВИК», концерн «Водполимер», группа ПОЛИПЛАСТИК (ООО «ТД «Евротрубпласт» и Рубежанский трубный завод), ООО «Эльпласт-Львов». Остальные – менее мощные фирмы, вряд ли могут обеспечить достойное качество продукции ввиду отсутствия современного оборудования.

Компания «ВиК» выпускает сегментные фитинги диаметром до 315 мм (установка WM-315, Georg Fischer-Omicron), компания  «Эльпласт» – до 400 мм (установка Ritmo).  Производство сегментных фитингов более крупных диаметров (до 630 мм) освоено концерном «Водполимер» (установки WM-315, Georg Fischer-Omicron, WIDOS 630) и предприятиями группы ПОЛИПЛАСТИК (установки WM-315, WM-630, Georg Fischer-Omicron).

Качество выпускаемых соединительных деталей непременно должно быть подтверждено испытаниями в специальной лаборатории. Концерн «Водполимер» и компания «Эльпласт» располагают лабораторной базой для испытания фитингов диаметром до 315 мм. Среди перечисленных компаний только Рубежанский трубный завод имеет полноценную гидравлическую лабораторию для испытания фитингов диаметром до 630 мм.

Следует отметить, что после гидравлических испытаний фитинги к повторному использованию не подлежат, их необходимо утилизировать в обязательном порядке.

Сегментные фитинги диаметром свыше 710–1200 мм поступают в Украину из-за рубежа. Это в основном российская продукция, преимущественно Климовского трубного завода (предприятие группы ПОЛИПЛАСТИК). Это обусловлено очень высокой стоимостью производственного оборудования (от 250 тыс. евро).

Теперь подробнее остановимся на особенностях прочностного расчета фитингов и связанных с этим нюансами их применения.

Напряжение в стенке гладкого напорного трубопровода, возникающее от действия внутреннего давления  Р  определяется по формуле

В момент подачи первоначального давления в трубопровод (в момент опрессовки) под действием указанного напряжения наблюдается незначительное перемещение стенки трубы – уширение трубопровода. Из-за этого возникает продольная сила, стремящаяся сократить длину трубопровода, которая, складываясь с усилием от температурной деформации, может привести к разрушению трубопровода при отсутствии на нем обустроенных компенсаторов.

В случае наличия на трубопроводе фитингов, изменяющих направление движения потока, суммарное напряжение, возникающее в стенке фитинга, складывается из собственного напряжения в стенке фитинга от действия внутреннего давления и напряжения от восприятия усилия деформации линейной части трубопровода. Если со вторым слагаемым все более-менее понятно, то на первом остановимся поподробнее.

В качестве примеров рассмотрим расчет напряженного состояния от действия внутреннего давления в моделях таких наиболее распространенных фитингов, как:

– тройник, изготовленный из ПЭ 100, SDR17 диаметром 160 мм;

– отвод под 90° с одной промежуточной секцией, изготовленный из ПЭ 100, SDR17 диаметром 160 мм.

Фитинги нагружаются рабочим давлением MOP, МПа, соответствующим аналогичным трубам:

Как мы договорились ранее, принимаем тот факт,

что фитинги нагружаются «сами по себе», т.е. не учитываем влияние линейного усилия присоединенного трубопровода, а для упрощения расчета считаем, что концы фитингов жестко заделаны.

Из рис. 1 и 2, отображающих напряженное состояние деформированных под воздействием внутреннего давления фитингов, видим, что напряжение в стенке цилиндрических участков фитингов (в зависимости от ориентации) находится в пределах 8-10 МПа, что отвечает напряжению в гладкой полиэтиленовой трубе при прочих равных условиях (диаметр, стандартное размерное отношение, давление) – см. формулу выше. При приближении к плоскости изменения направления потока напряжение на внешней стороне фитинга постепенно спадает (для отвода достигает всего 1,5 МПа), а на внутренней – резко возрастает: для тройника это значение находится на уровне 24 МПа, для отвода – 18 МПа. Это объясняется двумя факторами: во-первых, более высоким усилием, действующим изнутри на наружную, бόльшую по площади, часть трубопровода, а во-вторых, изгибающими моментами, действующими на краях цилиндрических участков. 

На рис. 3 и 4 показаны перемещения стенок фитинга от воздействия внутреннего давления

Отчетливо видно, что максимальное перемещение происходит на боковых стенках фитингов и достигает 2,3 мм для отвода (в плоскостях изменения направления потока) и 7,7 мм – для тройника.

В результате проверочного расчета трубопровода (рис. 5 и 6) видно, что минимальный запас прочности у фитингов наблюдается на внутренних частях в плоскостях изменения направления потока.

Приведенные здесь расчеты свидетельствуют о том, что в критических зонах (плоскость изменения направления потока) стенок фитингов действуют бόльшие напряжения, чем возникающие в стенке гладкой цилиндрической трубы.

Какое же влияние оказывают эти напряжения на фитинги при их эксплуатации?

Литые фитинги

Отличия реальных литых фитингов от моделей, рассчитанных выше, обусловлены особенностями конструкции пресс-формы для производства фитинга:

– фитинг не имеет резко выраженных плоскостей изменения направления потока, что приводит к более равномерному распределению напряжений, действующих в стенке фитинга;

– изначально наиболее нагруженная часть фитинга (область изменения направления потока) выполнена с большей толщиной стенки, что приводит к общему снижению напряжений, возникающих от действия внутреннего давления;

– свойства полиэтилена равномерно распределены во всей массе фитинга.

Все эти факторы приводят к тому, что реально возникающие в стенке литого фитинга напряжения меньше расчетных и не оказывают разрушительного влияния в процессе эксплуатации.

 Рис.7

Сегментные фитинги

Отличие реальных сегментных фитингов от моделей, приведенных выше, в том, что свойства полиэтилена неравномерно распределены в массе фитинга. В цилиндрических участках фитинга молекулы ориентированы вдоль образующей трубы. В плоскости же изменения направления потока – плоскости сварного шва –  концы молекул хаотически оборваны, в результате чего деформация одной цилиндрической части фитинга не может быть равномерно передана другой части.

Приведенные выше расчеты наглядно показывают, что плоскость сварного шва сегментного фитинга является потенциально опасной областью с точки зрения разрушения фитинга (рис. 8).

 Рис. 8

Как же выйти из сложившейся ситуации? В соответствии с каким нормам применять сегментные фитинги для обеспечения долговременной и безопасной эксплуатации?

Согласно техническим условиям ТУ У В.2.7-25.2-32926466-004:2007, по которым фитинги производятся на Рубежанском трубном заводе, при строительстве необходимо размещать и фиксировать их в опорах из армированного бетона (конфигурация и размеры опор подробно описаны в ТУ) для передачи возникающих нагрузок на материал бетонного каркаса (рис. 9).

Рис.9

В случае невозможности обустройства бетонных опор рекомендуем использовать фитинги, изготовленные из трубы с более высокой группой давления. Так, например, для сварки трубы ПЭ 100 SDR17-160x9,5 на максимальное рабочее давление 1,0 МПа следует использовать тройник, изготовленный из трубы ПЭ 100 SDR13,6-160x11,8. А для соединения труб ПЭ 80 SDR13,6-250x18,4 на максимальное рабочее давление 1,0 МПа нужно применить отвод, изготовленный из труб ПЭ 80 SDR11-250x22,7 или ПЭ 100 SDR13,6-250x18,4.

При заказе необходимо предупредить, для чего будет использован приобретаемый фитинг, и тогда, в заводских условиях, будет подобран оптимальный режим сварки (в случае сварки трубы и фитинга из полиэтилена разных классов) или на краях фитинга будут выполнены фаски для соответствия толщин свариваемых стенок (в случае различного SDR фитинга и трубы).

Не стоит экономить при строительстве инженерных коммуникаций (различного назначения) на соединительных деталях и их монтаже. Затраты на  фитинги  составляют, как правило, от 5 до 20 % общей стоимости трубопровода. Использование же качественных изделий окупается отсутствием аварийных ситуаций при эксплуатации,  соответственно снижением затрат на ремонтные работы.

Что нужно учитывать при выборе фитинга

● В первую очередь необходимо определиться, для каких коммуникаций  фитинг предназначен: систем газоснабжения, водоснабжения или канализационных коллекторов.

● Следует обратить внимание на внешний вид изделия: целостность, отсутствие механических повреждений.

● Необходимо проверить наличие маркировки. На изделии в обязательном порядке должно быть указано предприятие-производитель, наименование, дата  изготовления, тип материала, нормативный документ, в соответствии с которым  изделие изготовлено, номер партии.

● Изделие должно иметь паспорт, выданный предприятием-изготовителем, данные которого должны совпадать с данными маркировки, в паспорте должен быть перечень испытаний конкретной партии изделий. Необходимо проверить, чтобы в паспорте стояла печать ОТК и подпись ответственного лица отдела контроля качества.

Наличие маркировки и правильно оформленного паспорта может свидетельствовать о качестве данного изделия. Если же маркировка или паспорт отсутствуют – такой фитинг лучше обойти стороной.

КОММЕТАРИИ

Олег Коржевский, ООО «ТД «Евротрубпласт»

На украинском рынке литьевых соединительных деталей в достаточно широком ассортименте представлена продукция таких известных фирм как GF, AGRU, Simona, Bärnninger, КТЗ (Климовский трубный завод), различных польских и турецких, а также отечественных производителей.  Соответственно ощутимо велик  качественный и ценовой диапазон изделий перечисленных фирм-производителей. Для потребителей украинского рынка наряду  с дорогостоящей и проверенной опытом продукцией наиболее известных производителей оптимальными по соотношению цена-качество   могут быть  фитинги КТЗ.

Хочется отметить литьевую линейку фитингов КТЗ, которая благодаря серийному производству по ценовой политике конкурентна с сегментными фитингами.

Александр Воробкало, директор ООО «Аквагрупмаркет»

Центр технологий ВиК начал производство   фитингов в  2005 году. Решение о запуске  специализированного (и первого на то время) производства принимала команда специалистов из России и Украины.

Наш цех по изготовлению термопрессованных фитингов и стальных муфт различного назначения оснащен современным аппаратом для производства сегментных фитингов  (установка WM-315, Georg Fischer-Omicron).

В настоящее время  "ВиК" создал торговую компанию "Аквагрупмаркет", отработал качество производимых фитингов до безупречного,  ассортимент до необходимого, заработал доверие, став надежным поставщиком фасонных изделий для  всех производителей ПЭ труб Украины.

На сегодняшний день ассортимент украинского рынка соединительных деталей для ПЭ труб очень  разнообразен: от всемирно известных компаний до немаркированной продукции фирм «темных лошадок». Отечественный производитель может выдерживать конкуренцию только за счет качества, быстроты поставок и моментально реагирования на спрос.