ПРОГНОЗ 100-річного терміну експлуатації поліолефінових безнапірних труб

Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

ПРОГНОЗ 100-річного терміну експлуатації поліолефінових безнапірних труб

Вступ

Питання оцінки терміну служби полімерних трубопровідних систем досить добре опрацьовані для напірних труб, у яких напруження в стінці труби діють постійно. Гідравлічні випробування труб, проведені при різних температурах, дозволяють дати за допомогою екстраполяції Арреніуса достатньо надійні оцінки їх терміну служби при заданих тиску і температурі.

Безнапірні труби в системах каналізації та водовідведення не відчувають внутрішнього тиску. Після укладання та засипки вони зазнають постійну деформацію і, отже, постійне напруження. Проте в існуючих міжнародних стандартах на безнапірні системи з ПЕ і ПП труб відсутні будь-які вказівки на термін їх служби. Відсутня також методика оцінки терміну служби цих труб, не визначені методи випробувань. Мета цієї роботи – обґрунтувати можливості експлуатації ПЕ і ПП труб, що відповідають вимогам EN13476-3 (тип B) [1], EN12666 [2] і EN1852 [3], протягом не менше, ніж 100 років.

Для доведення можливості тривалої експлуатації безнапірних ПЕ і ПП труб (як гладких, так і з структурованою стінкою) були проведені наступні дослідження:

1) підтвердження тривалої стійкості матеріалів труб до термоокислювальної деструкції. Визначення допустимих напружень і параметрів випробувань на підставі результатів гідравлічних випробувань та оцінки MRS;

2) аналіз поведінки безнапірних труб під дією тривалого деформуючого навантаження. За результатами випробувань на релаксацію зроблені оцінки тривалих напружень. Оцінено ризик руйнування труби під дією тривалої постійної деформації;

3) розглянуто можливий вплив складу та температур стічних вод, що транспортуються, на термін служби труб;

4) вивчені зразки безнапірних труб з діючих трубопроводів з метою оцінки їх залишкового ресурсу;

5) уся програма випробувань і результати досліджень підтверджені незалежною третьою стороною.

1. Тривала стійкість до термоокислювальної деструкції

Прийнято вважати, що домінуючим механізмом руйнування безнапірних труб у результаті хімічної деградації полімеру є крихке руйнування. Для досягнення 100-річного терміну служби необхідно довести, що безнапірні труби здатні протистояти передчасному руйнуванню внаслідок термоокислювальної деструкції.

Самоокислення ПЕ та ПП добре вивчено [4, 5]. Доведено, що кінетика процесів старіння описується рівнянням Арреніуса, що встановлює залежність швидкості деструкції від температури


де k – швидкість реакції деструкції при температурі Т; ЕА – енергія активації процесу старіння; Т – абсолютна температура; R – універсальна газова стала.
На кривих повзучості, отриманих за ISO 9080 [6], виділяються різні типи руйнування труб з поліолефінів: у фазі I відбувається пластичне руйнування внаслідок текучості, в той час як у фазі II домінує крихке руйнування, зумовлене переважно повільним поширенням тріщин. Термін служби труби обмежується фазою III, яка характеризується винятковою крихкістю, пов'язаною з деструкцією полімеру (рис. 1).



Рис. 1. Загальний вигляд кривих повзучості та кривих Арреніуса

Енергію активації EA кожної фази можна визначити за нахилом кривої Арреніуса, що відображає експериментальну залежність часу руйнування при заданій напрузі від температури (рис. 1).

Як правило, термін служби оцінюють на основі рівняння Арреніуса. Прикладом такої методології є ISO 9080, пп. 5.1.4 і 5.2, для напірних труб. Було б логічно використовувати правила екстраполяції, прийняті ISO 9080, і для прогнозу 100-річного терміну служби безнапірних труб.

У цьому випадку для досягнення часу екстраполяції 100 років прискорені випробування на старіння для безнапірних труб повинні проводитися при температурі, що перевищує температуру експлуатації труб мінімум на 50 °С, і тривати мінімум 8760 годин (1 рік) без крихкого руйнування.

Було прийнято, що прогноз 100-річного терміну служби повинен будуватися для постійної температури води 45 °С – відповідно до EN 476 [7] для систем каналізації. Отже, мінімальна температура старіння для безнапірних поліолефінових труб становить 95 °С, якщо їх уявна енергія активації ЕА процесу старіння перевищує 90 кДж/моль (що було підтверджено експериментально).

Якщо уявна енергія активації ЕА нижче 90 кДж/моль, то для того, щоб прискорити старіння, необхідно підвищити температуру. Попередні експериментальні результати показують, що для блок-сополімера ПП уявна енергія активації ЕА знаходиться в межах 75-85 кДж/моль.

Таким чином, для підтвердження стійкості трубних поліолефінів до термоокислювальної деструкції випробування повинні мати наступні параметри:

ПЕ: 8760 год (1 рік) / 95 °С / 1,0 МПа / середовище вода-вода (внутр.-зовн.);
ПП: 8760 год (1 рік) / 110 °С / 1,0 МПа / середовище вода-повітря (внутр.-зовн.).

Марки ПЕ і ПП, рекомендовані для виробництва безнапірних труб, повинні перевищувати ці вимоги.

2. Оцінка терміну служби при постійному напруженні

Стандарти на ПЕ і ПП безнапірні труби (гладкостінні та зі структурованою стінкою) не включають розрахунків максимально допустимого напруження для досягнення 100-річного терміну служби, тому вони не описують тривалої залежності температури та напруження. Максимально допустимі напруження для 100-річного терміну служби можна оцінити, використовуючи еталонні криві, наведені в стандарті для напірних труб (табл. 1).

Таблиця 1. Максимальні допустимі напруження для 100-річного терміну служби, розраховані за еталонними кривими, наведеними у EN ISO 15494 [8]



Стійкість до повільного поширення тріщин протягом 100-річного терміну експлуатації буде забезпечена, якщо ПЕ і ПП безнапірні труби відповідають вимогам діючих галузевих стандартів і якщо тривалі напруження не перевищують максимально допустимих.

3. Оцінка терміну служби при постійній деформації та релаксації напружень

Фактично режим навантаження безнапірних труб у процесі експлуатації характеризується не постійним напруженням, а постійною деформацією. Протягом досить короткого часу після укладання (не більше 2 років) деформація труби і, відповідно, напруження в трубній стінці перестає наростати.

У проведеному TEPPFA дослідженні «Розрахунок підземних трубопроводів із термопластів» [9] показано, що деформація труби після 100 років експлуатації залишиться істотно нижчою допустимої стандартами EN величини 8 %. З наведеного в дослідженні графіка випливає, що при належному (сильному і середньому) ущільненні ґрунту засипки початкова деформація труб не перевищує 2-4 %, а після осідання ґрунту – 6 %. При постійній деформації труби напруження в її стінці будуть з часом зменшуватися внаслідок процесу релаксації.

У цьому дослідженні в якості основи для оцінки терміну служби труб був прийнятий підхід Дженсона [10], в якому провідна роль відводиться релаксації напружень як функції часу.

Як приклад на рис. 2 показані криві релаксації, використані Дженсоном. Для більш надійної оцінки терміну служби трубних матеріалів екстраполяцію слід проводити за коефіцієнтом податливості С – величиною, зворотною модулю релаксації Е.
Рис. 2. Криві релаксації Дженсона [10]

Лінійний вигляд кривих відображає фізичне старіння матеріалу труб. Прямолінійна частина кривих податливості починається порівняно рано за часом, і момент початку такої лінійної поведінки також залежить від типу матеріалу та характеру навантаження. Для поліетилену прямолінійний вигляд кривих податливості починається при сильній деформації після 10-100 годин навантаження. Це означає, що тривалий (10-100 годин) модуль релаксації Е для більшості марок ПЕ може бути визначений при тривалості випробувань 1000 годин і більше. Надійна екстраполяція даних можлива на період 20-30 років. Для поліпропілену прямолінійна частина зазвичай починається після приблизно 1000 годин, відповідно, для надійної екстраполяції потрібні більш тривалі випробування – імовірно, мінімум 4000 годин.

У роботі [11] показана релаксація труб, а також вплив на її характер низькоякісних матеріалів і профілю трубної стінки.

4. Вимірювання релаксації

Випробування на релаксацію були проведені протягом 13270 годин при постійній деформації 15 % при температурах 23 і 45 °С. Величина деформації 15 % була обрана як екстремальна ситуація, що демонструє працездатність і надійність труб (EN 476 допускає кінцеву величину деформації 8 %, а також стверджує, що випадкові та локальні деформації до 15 % не зумовлять проблем).

Поряд із зразками нових безнапірних труб із сучасних марок сировини були відібрані три зразки з трубопроводів, що перебувають в експлуатації.

Випробування гладкостінних труб (із суцільною стінкою) проводилися при 23 °С: ПЕ – на зразках діаметром 200 мм SDR 17, як нових, так і з діючих трубопроводів (38 років експлуатації), ПП (блок-сополімер) – діаметром 110 мм, SN 6, як нових, так і після 23 років експлуатації.

Випробування труб зі структурованою стінкою (EN13476-3, тип B – гофровані зовні) проводилися при 23 і 45 °С на зразках труб PP-B діаметром 160 мм, SN 8, нових і б/в (21 рік експлуатації).

У кожному випробуванні брали участь по два зразки з кожного типу труби. Тривалість випробувань – 13270 годин (при температурі 45 °С - до 4000 годин) – дає хорошу можливість для надійної екстраполяції.



Рис. 3. Коефіцієнт релаксації ПП гофрованих труб при 23 і 45 °С


Рис. 4. Криві податливості ПП гофрованих труб при 23 і 45 °С

На рис. 3 показані результати випробувань на релаксацію зразків гофрованих труб діаметром 160 мм. На рис. 4 – залежність коефіцієнта податливості від часу для гофрованих труб з екстраполяцією до 100 років (кожна лінія – середня за результатами двох визначень). Схожі результати отримані для гладкостінних ПП (діаметром 110 мм) і ПЕ (200 мм) труб.

У табл. 2 наведені значення модулів релаксації та податливості для всіх зразків, екстрапольовані на 100 років. Слід зазначити, що у нових гладкостінних труб екстрапольовані значення коефіцієнта релаксації нижче, ніж у труб, що були в експлуатації. Крім того, трубам, що були в експлуатації, в результаті старіння властива більша жорсткість. Це, однак, не поширюється на труби з структурованою стінкою, у яких нові труби показали більш високі значення коефіцієнта релаксації.

Таблиця 2. Значення модуля релаксації (МПа) та податливості (1/МПа), екстрапольовані на 100 років на підставі результатів випробувань тривалістю до 13270 годин


*Коефіцієнт кореляції R був розрахований за останніми 12 замірами. Значення R> 0,99 вказує на дуже високу кореляцію та прямолінійність кривих.

5. Розрахункові деформації та залишкові напруження в деформованій трубі

Для розрахунку залишкових напружень у довгостроковому періоді необхідно знати реальні деформації в стінці труби та коефіцієнт релаксації. Деформація ε у зовнішньому шарі труби при заданому вигині може бути розрахована за формулою:

де Fd – постійний коефіцієнт, який призначається залежно від умов навантаження, при поперечній деформації труби приймається Fd = 3; δ – зміна діаметра; Dn – діаметр труби по нейтральній осі; е – відстань від зовнішнього шару до нейтральної осі. Через релаксацію діючі в трубі напруження залежать від часу, тому σ(t) – напруження в момент часу t; E(t) - коефіцієнт релаксації в цей же момент часу.

На основі отриманих результатів випробувань на релаксацію можна розрахувати і проаналізувати деформації та напруження, що виникають у стінці труби. Наведені вище формули дозволяють розрахувати реальні постійні деформації для будь-якої конструкції труби.

З них випливає, що деформація зовнішнього волокна стінки труби залежить від величини е, відстані до нейтральної осі. Для гладких труб це близько половини товщини стінки. Для труб зі структурованою стінкою це відстань істотно більша, а це означає, що деформація зовнішнього волокна набагато вища. Для розрахунку деформацій були проаналізовані різні конструкції труб. У результаті були отримані наступні розрахункові значення максимальних деформацій, прийняті за основу для розрахунку напружень (табл. 3).

Таблиця 3. Максимальні деформації зовнішнього волокна стінки труб SN8

 
Усі наведені в табл. 3 значення відносяться до труб SN8. Для труб SN4 ці значення будуть нижчими, а для труб більш високих класів жорсткості – вищими. Значення для труб інших діаметрів не будуть суттєво відрізнятися від зазначених.


З отриманих кривих релаксації були взяті значення коефіцієнта релаксації в моменти 1, 24, 400 і 13270 годин. Екстрапольовані значення взяті з табл. 2. Величини напружень у трубах зі структурованою стінкою після релаксації в ці моменти часу наведено в табл. 4. Напруження в стінці гладких труб істотно менші і не є критичними.

Таблиця 4. Зміна коефіцієнта релаксації та напружень у гофрованій ПП трубі SN8 діаметром 160 мм при 23 °C


З табл. 4 видно, що при деформації труби 8 % вже через 24 години в усіх зразках напруження знижується до рівня нижче гранично припустимого (див. також табл. 5). При деформації 15 % напруження знижується до припустимого рівня протягом 1000 годин. У цьому прикладі наведено результати розрахунків тільки для труб зі структурованою стінкою EN13476-3 тип В. Були також розраховані максимальні величини внутрішніх деформацій усіх інших діаметрів і типів профілю – вони лише в дуже незначній мірі відрізнялися від наведених значень, так що ці значення є цілком репрезентативними.

Для ПЕ труб, і гладкостінних, і зі структурованою стінкою, розрахунки дають нижчі початкові значення в порівнянні з ПП трубами, але вищі в тривалому періоді, які, тим не менш, ніколи не перевищують критичних значень завдяки вищим допустимим напруженням. При температурі 45 °С напруження виявляється істотно нижче допустимих 4,0 МПа (табл. 5).

Примітка: при кінцевій величині деформації 8 % початкова деформація зазвичай не перевищує 6 %. При цьому максимальні початкові напруження істотно нижче границі повзучості, навіть у трубах зі структурованою стінкою. Тому вимога максимальної тривалої деформації 8 % є цілком безпечною.

Таблиця 5. Порівняння припустимих і розрахункових напружень у ПП трубі зі структурованою стінкою через 100 років


Табл. 5 показує, що, коли ми розглядаємо постійну деформацію при 23 і 45 °С, в обох випадках напруження в стінці труби не перевищують припустимих значень. Якщо прийняти більш реалістичну температуру 30 °С, критичний рівень також не буде досягнутий. Проте слід зазначити, що ці оцінки виконані для рівнів напружень у гофрованій трубі, виходячи з границь екстраполяції 100 років. На практиці трапляються короткочасні перевищення цих рівнів, і це питання розглянуто в наступному розділі.

6. Концентрація напружень, аналіз методом кінцевих елементів, візуальний аналіз, конструкція стінки

У трубах зі структурованою стінкою, незалежно від матеріалу труби, в деяких особливих точках може спостерігатися концентрація напружень, що перевищує розрахункові значення. Для виявлення таких місць критичної концентрації напружень був проведений аналіз методом кінцевих елементів зразка труби такої конструкції: двошарова ПП труба діаметром 300 мм з гладким внутрішнім і гофрованим зовнішнім шарами (деформація 6 і 15 %). Він показав, що на деяких ділянках гофр початкові напруження можуть бути істотно вищими за розрахункові. Важливо було проаналізувати можливість виникнення при цьому повзучості або розтріскування. Такий аналіз входить у число процедур, обов'язкових при оцінці можливості 100-річного терміну експлуатації. Візуальний огляд зразків показав відсутність помутніння, характерного для початку повзучості, і ознак утворення тріщин.

Необхідно підкреслити, що аналіз кривих релаксації не виявив жодних порушень безперервності цього процесу – розтріскування має виявлятися в зламах на цих кривих, що підтвердило висновки візуального аналізу.

З іншого боку, короткочасні випробування при 30 % кільцевої деформації і випробування на стійкість до удару дозволяють виявити неякісний матеріал або недоліки конструкції труби. Проте питання залишається відкритим, і при конструюванні труб зі структурованою стінкою можливість виникнення концентрації напружень повинна бути врахована і зведена до мінімуму. Ідентифікація ділянок концентрації напружень у гофрованих трубах має велике значення при мікроскопічних дослідженнях після закінчення випробувань Дженсона.

7. Вплив складу і температури стічних вод

7.1 Можливий вплив стічних вод

Фаза III процесу старіння (див. рис. 1) – так звана фаза закінчення життєвого циклу – характеризується повним виробленням стабілізатора та втратою матеріалом цілісності. В рамках проведених досліджень було вивчено вплив складу води, що транспортується, на витрату стабілізатора. Дослідження проводилося в Technologisches Gewerbe Museum (TGM) у Відні.

Ці дослідження не виявили впливу складу стічних вод на швидкість старіння труб внаслідок низької концентрації домішок. Навіть у підключеннях до будівель, де концентрація іноді підвищується (короткочасні шокові навантаження), швидкість старіння не збільшується.

7.2 Вплив температури

В основі цього дослідження можливості 100-річного терміну служби труб лежить припущення про сталу температуру води, що транспортується, 45 °С – відповідно до EN 476 [10] для безнапірних зовнішніх мереж діаметром до 200 мм. Для більш реалістичної оцінки необхідні відомості про фактичні температури стічних вод.

У рамках проведених робіт TGM зібрані опубліковані дані про температуру стічних вод і, крім того, проведено моніторинг температури протягом одного робочого дня на чотирьох різних об'єктах.

Отримані дані показали, що температура стічних вод протягом дня не перевищувала 30 °С, складаючи в середньому близько 25 °С.

Дані, знайдені в інших джерелах, аналогічні отриманим в Австрії. Більше того, встановлено, що на практиці температура стічних вод нижче зазначеної у стандарті (15-20 °С проти 45 °С), що дає додатковий запас надійності.

8. Дослідження труб – гладкостінних і гофрованих, що були в експлуатації

Для прогнозування терміну служби велике значення має дослідження труб, що довгий час експлуатуються в мережах каналізації: оцінка змін, що відбуваються в них, і залишкового ресурсу. На п'яти об'єктах у Німеччині, Фінляндії, Норвегії та Данії були відібрані зразки труб - гладкостінної ПП труби діаметром 110 мм, гофрованої ПП труби діаметром 160 мм, гладкостінної ПЕ труби з поліетилену першого покоління діаметром 200 мм, а також зразки труб діаметром 280 і 255 мм з сучасних марок ПЕ. Труби перебували в експлуатації від 10 до 38 років. Крім стандартних випробувань, було проведено аналіз матеріалу труб і його стабілізації.

Результати випробувань не виявили погіршення якості труб і показали, що всі труби відповідають вимогам стандартів. Також було встановлено, що вміст стабілізаторів залишається достатнім для того, щоб протистояти термоокислювальній деструкції протягом більш ніж 100 років.

Крім того, труби з ПЕ першого покоління, що експлуатуються 38 років, при гідростатичних випробуваннях при 80 °С показали час руйнування, що повністю відповідає кривій регресії. Це свідчить про те, що матеріал повністю зберіг свої властивості. Такий висновок підтверджується і результатами OIT, ІЧ-Фур'є-спектрометрії, гельпроникної хроматографії тощо.

9. Висновки

Проведені дослідження показали, що термін служби безнапірних труб з ПЕ і ПП може досягати 100 років при дотриманні деяких важливих умов, наведених у табл. 6.

Таблиця 6



Подяка

Автори та учасники проекту висловлюють подяку професору Хайнцу Драгону з TGM (Відень) за його внесок і керівництво дослідженнями.

Література

1. EN 13476-2:2007-05 «Plastics piping systems for non-pressure underground drainage and sewerage – Structured-wall piping systems of non-plasticized poly(vinyl chloride) (PVC-U), polypropylene (PP) and polyethylene (PE) – Part 3: Specifications for pipes and fittings with smooth internal and profiled external surface and the system, Type B».
2. EN 12666-1:2011-11 «Plastics piping systems for non-pressure underground drainage and sewerage – Polyethylene (PE) – Part 1: Specifications for pipes, fittings and the system».
3. EN 1852-1:2009-07 «Plastics piping systems for non-pressure underground drainage and sewerage – Polypropylene (PP) – Part 1: Specifications for pipes and fittings and the system».
4. F. Gugumus «Thermo-oxidative degradation of polyolefins in the solid state». – Polymer Degradation and Stability. – 1996, 52, 131 ff.
5. J.D. Peterson, S. Vyazovkin, C. A. Wight «Kinetics of the thermal and thermo-oxidative degradation of polystyrene, polyethylene and polypropylene)». – Macromol. Chem. Phys. 2001, 202, 775–784.
6. ISO 9080:2012-10 «Plastics piping and ducting systems – Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation».
7. EN 476:2011-04 «General requirements for components used in drains and sewers».
8. EN ISO 15494:2003 «Рlastics piping systems for industrial applications – Polybutene (PB), polyethylene (PE) and polypropylene (PP) – Specifications for components and the system – Metric series».
9. Design of Buried Thermoplastic Pipes, Results of a European research project by APME and TEPPFA. – March 1999.
10. Plastics Pipes for Water Supply and Sewage Disposal, by Lars-Eric Janson. – Stockholm 2003, 4th edition.
11. Durability testing for 100 year lifetime for buried non-pressure plastic pipes. – G. Bergström, S. Nilsson, K.Thörnblom, C.-G. Ek, H. Herbst, A. –Stenström, Plastics Pipes XIII, Washington DC, 1-5 October 2006.

Автори: Тім Мейєринг – TEPPFA, Бельгія
Жанетт Малдер – Wavin, Нідерланди
Гюнтер Дрейлінг – Borealis, Австрія
Хайнц Фогт – Lyondellbasell, Німеччина
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА