Армированным трубам для городских сетей теплоснабжения нет альтернативы. К вопросу о длительной прочности гибких армированных теплоизолированных труб ИЗОПРОФЛЕКС-А

Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Армированным трубам для городских сетей теплоснабжения нет альтернативы. К вопросу о длительной прочности гибких армированных теплоизолированных труб ИЗОПРОФЛЕКС-А

 
Неутешительное состояние тепловых распределительных сетей в Украине есть следствие накопившегося громоздкого комплекса проблем отрасли. Однако в этом году, впервые в украинской практике, вопрос цены ушел на второй план. Во многом благодаря взлетевшим ценам на стальную трубу и решению Министерства о резком сокращении финансирования производства монтажных работ. Наступил тот самый момент, когда тепловики Украины смогли, наконец, по достоинству оценить давно известные им свойства полимерных труб ИЗОПРОФЛЕКС-А и КАСАФЛЕКС, но казавшиеся недоступными. 

Опираясь на опыт российских коллег, ООО «Полимертепло-Украина» предлагает тепловикам Украины комплексную программу сотрудничества и поддержки: на организационном и техническом уровне, сопровождение проектов и организацию складов на базе головных областных предприятий.       

За минувший год  клиентами и партнерами «Полимертепло-Украина»  стали многие областные и городские предприятие теплосетей Украины, рассматривающих обязательную перспективу модернизации и замены распределительных сетей горячего водоснабжения и теплоснабжения. Помимо предложения высокотехничных решений для инвестиционных и промышленных объектов, «Полимертепло-Украина» заинтересовано в развитии долгосрочного партнерства с украинскими предприятиями теплосетей.

Гибкие армированные полимерные теплоизолированные трубы типа ИЗОПРОФЛЕКС-А уже нашли применение в объектах таких предприятий как: АЭК «Киевэнерго», «Городские тепловые сети» г. Запорожье и КП «Теплоснабжение города Одессы», коммунальное коммерческое  предприятие Донецкого городского совета "Донецкгортеплосеть» и областное коммунальное предприятие "Донецктеплокоммунэнерго", областное производственное предприятие теплового хозяйства «Полтаватеплокоммунэнерго», КП «Харьковские тепловые сети» и городское КП «Херсонтеплосеть», КП тепловых сетей "Черкассытеплокоммунэнерго" и КП "Макеевтеплосеть".

Естественно, что у технических служб таких серьезных заказчиков, как теплосетевые компании, появляются вопросы о надежности гибких армированных  полимерных труб и ресурсе их работы в конкретных условиях эксплуатации. Тем более, что данные трубы позиционируются как трубы повышенной надежности. 

Поводом для написания данной статьи явились, с одной стороны, накопленные репрезентативные результаты долговременных испытаний труб ИЗОПРОФЛЕКС-А подтверждающие требуемые эксплуатационные свойства, с другой – большой опыт эксплуатации данных труб в реальных тепловых сетях с повышенной тепловой нагрузкой.  

Конструкция трубы ИЗОПРОФЛЕКС-А

Армирование труб высокопрочными материалами – стальной проволокой, лентой, стекловолокном или синтетическими нитями – преследует две основные цели: увеличение прочности, обеспечивающей повышение рабочего давления трубопровода, или, при сохранении его эксплуатационных параметров (рабочее давление, температура эксплуатации), увеличение срока службы трубопровода.

Напомним, что армированная РЕХ труба, являющаяся напорной в трубах ИЗОПРОФЛЕКС-А, состоит из внутренней герметизирующей полимерной оболочки из сшитого полиэтилена, на внешнюю поверхность которой нанесен слой переплетенных армирующих нитей, расположенных под таким под углом к оси трубы, который обеспечивает равнопрочность трубы в осевом и радиальном направлениях (рис. 1). Под армировку нанесен полимерный слой, обеспечивающий адгезию сшитого полиэтилена к армирующей сетке, а также, по требованию заказчика, кислородозащитный слой.  Поверх армировки положен еще один полимерный слой, защищающий армирующую систему от механических повреждений и обеспечивающий монолитность и конструкции.

 Конструкция трубы ИЗОПРОФЛЕКС-А

Рис. 1. Конструкция трубы ИЗОПРОФЛЕКС-А

 

Основы расчета длительной прочности армированных труб

Для трубопроводов из полимерных материалов требуемый уровень длительной прочности определяется с учетом временного фактора воздействия напряжений, возникающих от внутреннего давления и температуры. Существует стандартизованный в мировой практике метод определения рабочего давления по показателю длительной прочности материала трубопровода (MRS), определяемого в соответствии со стандартом ISO 9080 [1].

В этом случае временная зависимость прочности описывается уравнением вида

                               lg τ =  A + B/T + C lg σ + D lg σ / T ,

где τ – время эксплуатации (срок службы), ч;

σ – напряжение, МПа;

T – температура, К;

А, В, С, D – коэффициенты.

Указанные коэффициенты нормированы международными (ISO) и европейскими (EN) стандартами для трубных марок полимеров (полиэтилена, полипропилена, полибутена, сшитого полиэтилена и других).

Технический комитет ISO TC 138 «Пластмассовые трубы, фитинги и вентили для транспортировки жидких и газообразных сред» наряду со стандартами в особых случаях, например, при острой потребности рынка, выпускает «Технические спецификации» (Technical Specification ISO/TS), являющиеся результатом работ технических экспертов, но не имеющие ранга стандарта. В этих документах излагаются технические требования, которые являются необходимыми в качестве основы для расчета эксплутационных характеристик, а также методы и правила подтверждения их достоверности.

Таким документом является публикация ISO DTS 18226 [2], определяющая требования к армированным трубам из термопластов для работы под давлением. Положения этого документа положены в основу разработки армированных труб и приняты для оценки эксплуатационных характеристик и методов их контроля. Поскольку данный документ разработан на основе имеющегося опыта многих специалистов и прошел все стадии согласования, разработка труб с его использованием позволяет создать продукцию с надежно определенными эксплуатационными характеристиками, методами их контроля и статистически обоснованными значениями величин контрольных параметров.

Армированные трубы из термопластов по документу ISO DTS 18226 состоят из внутреннего слоя, изготовленного из термопласта (также  может быть использован и сшитый полиэтилен), с непрерывной армировкой, и наружного покрывного слоя из термопласта. В принципе, несущим нагрузку элементом этих труб является высокопрочный компонент в форме волокон, нитей, лент или проволоки. Армировка может быть, как связана, так и не связана с внутренним и наружным слоями. Наружное покрытие предназначено для защиты от повреждений труб, в первую очередь, армирующих элементов, и других функций.

Основополагающим требованием этого документа, подтверждающим эксплуатационные характеристики труб, является нахождение зависимостей длительной прочности путем испытания труб на стойкость к внутреннему давлению на основе процедуры стандарта ISO 9080.

Регрессионная кривая зависимости давления от времени разрушения должна описываться уравнением вида:                        

 

                                            P = F·tf-G ,

где F и G – константы уравнения регрессии, при этом коэффициент G должен быть положительным.

Результаты испытаний используются для определения констант линии регрессии, давления длительной гидростатической прочности (LTHP), значения нижнего доверительного предела (LPL) и контрольных параметров испытания на стойкость к внутреннему давлению.

Очевидно, что при освоении производства и определении долговечности армированных труб необходимо идти по этому пути. Естественно, что для труб, эксплуатируемых при переменных, в том числе при повышенных температурах, зависимости длительной прочности должны быть получены при различных, как минимум трех, температурах. 

Положения этого документа и были положены в основу расчета длительной прочности, эксплуатационных параметров и методов контроля труб ИЗОПРОФЛЕКС-А.

Результаты испытаний на длительную прочность

При расчете длительной прочности армирующей системы решалась задача обеспечить необходимую прочность армированных труб, рассчитанных на давление 1,0 МПа, в условиях работы в системах горячего водоснабжения и теплоснабжения с переменной рабочей температурой до 95 °С.

Для определения эксплуатационных параметров изготовленных труб было необходимо провести долговременные испытания на стойкость к постоянному внутреннему давлению при различных температурах с целью нахождения температурно-временной зависимости прочности. Испытания проводились при температурах 20, 60 и 95 °С.

Указанные зависимости представлены на рис. 2 в полулогарифмических координатах, дающих представление о реальных значениях испытательного давления.

Временная зависимость прочности труб ИЗОПРОФЛЕКС-А по данным испытаний

 Рис. 2. Временная зависимость прочности труб ИЗОПРОФЛЕКС-А по данным испытаний

Наряду с результатами испытаний на графиках нанесены прямые зависимости длительной прочности труб из сшитого полиэтилена, взятые из стандартов ISО 15875 [3] и пересчитанные на давление по обычной формуле:

 

                                                  Р = 2σ/(SDR-1).

 

Как видно из представленных на рис.2 результатов испытаний, принятая конструкция армирующей системы полностью обеспечивает необходимую длительную прочность труб.

Для расчета конкретных эксплуатационных характеристик армированных труб и сопоставления их с характеристиками труб из сшитого полиэтилена однослойной конструкции нами было рассчитано уравнение длительной прочности по нижней границе доверительного интервала с общепринятой вероятностью 97,5 %, имеющее следующие коэффициенты:

 

             lg P=2,6599 - 0,0037·T + 0,031764·lg τ - 0,0001482·T·lg τ,

 

где Р – давление, бар;

Т – температура, К;

τ – время, ч.

Указанное уравнение позволяет рассчитывать эксплуатационные параметры – давление и срок службы – не только при постоянной температуре, но и для переменных температур при заданных или реальных сроках их воздействия, используя «Правило Майнера», сформулированное в стандарте ISO 13760 [4].

Были проведены расчеты для постоянной температуры эксплуатации (горячее водоснабжение) и двух режимов эксплуатации с переменной температурой (теплоснабжение). В первом случае – для режима, соответствующего Классу 5 по ISO 10508 [5], и во втором – для реального режима теплоснабжения с числом дней с той или иной среднесуточной температурой, усредненным за три года. Полученные данные по рабочим давлениям при сроке службы 50 лет, в сопоставлении с данными для труб из РЕХ SDR 7,4, представлены в табл. 1.  

Таблица 1. Рабочее давление для различных условий эксплуатации  при сроке службы 50 лет, бар

 

Рабочее давление для различных условий эксплуатации  при сроке службы 50 лет, бар

 

Как видно из представленных в таблице результатов, трубы с армирующим слоем не только соответствуют требуемым условиям эксплуатации трубопроводов горячего водоснабжения и теплоснабжения, но и по запасу прочности существенно превосходят трубы из сшитого полиэтилена с SDR 7,4.

Так, например, если для труб из сшитого полиэтилена, эксплуатируемых в горячем водоснабжении при давлении 10 бар, коэффициент запаса прочности составляет 1,53, то для армированных труб коэффициент запаса прочности равен 1,78. Расчет с использованием экспериментальных зависимостей длительной прочности показывает, что изготавливаемые трубы этой конструкции могут быть использованы и в более жестких условиях теплоснабжения.

рис

 

Следует, однако, отметить, что сравнения с толстостенными трубами РЕХ SDR 7,4 корректно проводить только для труб с диаметрами до 63 мм, поскольку трубы с большими диаметрами на сетях с тепловыми нагрузками не применяются [6].

Испытания соединений

Надежность работы трубопровода в значительной мере определяется принятой конструкцией узлов соединения, включающих трубу и соединительную деталь (фитинг).

Естественно, что способ соединения новых конструкций армированных труб должен подвергаться контролю, гарантирующему работоспособность трубопровода.

Технические требования и методы испытаний соединений труб, предназначенных для горячего водоснабжения и теплоснабжения, определены рядом стандартов, например, EN ISO 15875 «Трубопроводы для горячего и холодного водоснабжения – Сшитый полиэтилен».

Помимо общепринятого испытания соединений на стойкость к внутреннему давлению, вышеназванный стандарт предусматривает обязательные испытания на стойкость к циклически изменяющемуся давлению и циклическому воздействию переменной температуры воды, прокачиваемой под давлением через образец. Суть этих испытаний, которые достаточно полно имитируют условия эксплуатации трубопровода, заключается в следующем.

При циклически изменяющемся давлении образец узла соединения, состоящий из труб и одной или нескольких соединительных деталей, подвергается переменному давлению воды, синусоидально меняющемуся от минимального до максимального значения. Значения давлений зависят от рабочего давления трубопровода и, например, для давления 1,0 МПа составляют: минимальное – 0,05 МПа, максимальное – 1,5 МПа. Частота циклов – 30±5 в минуту. Испытания проводятся при нормальной температуре.

Общее число циклов, которые образец должен выдержать без потери герметичности, равно 10 000. Испытание, в определенной степени, моделирует эффект непрерывных гидроударов на системе труба-фитинг в течение почти 6 часов.


 Рис. 3. Стенд для термоциклических испытаний

Для испытания под воздействием переменной температуры транспортируемой среды собирается образец общей длиной порядка 6-7 м, включающий отрезки труб с 20 соединительными деталями различных типов (концевые детали, муфты, отводы и др.). Форма образца испытываемых соединений в зависимости от вида трубы задается требованиями стандарта. Перед испытанием одна ветка образца нагружается растягивающим усилием, создающим в стенке трубы напряжение 1,8 МПа. Достигнутое удлинение ветки фиксируется путем закрепления крайней на ветке соединительной детали. Через образец прокачивается вода под давлением, равным максимальному рабочему давлению трубопровода. Температура воды меняется от минимальной, равной 20±5 °С, до максимальной рабочей температуры (в случае испытания труб, предназначенных для теплоснабжения, температура равна 95 °С). Время прокачки воды при каждой температуре составляет 15+1 минут. Полное время цикла – 30+2 минут. Во время каждого цикла разница температур на входе и выходе образца не должна превышать 5 °С, что достигается установкой скорости движения воды через образец.

Общее число циклов, которые образец должен выдержать без потери герметичности, равно 5000. Длительность испытания – 2500 часов.

Высокая точность автоматического поддержания параметров испытаний, длительность испытаний при температурных циклах требуют использования специального надежного оборудования.

Испытательная лаборатория ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт» группы «ПОЛИПЛАСТИК» – одна из немногих европейских лабораторий имеет оборудование для проведения всего комплекса вышеописанных испытаний. Она оснащена двумя стендами, изготовленными фирмой Institut fur Pruftechnik Geratebau (Германия) – ведущей компанией в области производства оборудования для испытаний пластмасс и изделий из них, в том числе труб.

Проведенные Испытательной лабораторией ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт» испытания показали полное соответствие требованиям нормативной документации и стандартам ISO соединений «Труб напорных из сшитого полиэтилена ДЖИ-ПЕКС,   ИЗОПРОФЛЕКС-А, с соединительными деталями собственной запатентованной конструкции.

Указанные требования и методы испытаний введены в нормативную документацию на трубы ИЗОПРОФЛЕКС-А и предусмотрены в «Области аккредитации» Испытательной лаборатории ЗАО «Завод АНД Газтрубпласт».

Дополнительные преимущества конструкции армированных труб

Помимо увеличения прочностных показателей труб, армирование позволяет уменьшить толщину их внутренней оболочки из сшитого полиэтилена. Расчет, основанный на разнице модулей армирующей системы и внутреннего слоя армированной трубы из сшитого полиэтилена, показывает, что при принятых толщинах стенок внутреннего слоя от 2,5 до 6 мм для диаметров от 50 до 160 мм напряжение в стенке внутренней оболочки не превышает 1,8 МПа. Работа внутренней оболочки под таким напряжением практически не имеет временного ограничения даже при максимальной температуре эксплуатации.

Указанные величины толщин стенок имеют следующие преимущества перед толщинами стенок для труб аналогичных диаметров с SDR 7,4 (от 7 до 22 мм):

 – во-первых, для армированных труб на 10 бар сохраняются внутренний диаметр и, соответственно, пропускная способность, характерные для тонкостенных труб с SDR 11 (6 бар);

– во-вторых, надежно обеспечивается равномерность степени сшивки по толщине стенки внутренней оболочки, ответственная  за стойкость труб к повышенной температуре эксплуатации;         

– в-третьих, увеличивается ресурс по стойкости трубы к возникновению и распространению трещин в связи со снижением уровня напряжений в тонкостенном РЕХ слое армированной трубы.

В заключение, необходимо отметить, что использование толстостенных  труб из сшитого полиэтилена с SDR 7,4 и диаметром до 110 мм, которые предлагаются некоторыми отечественными организациями, в тепловых сетях с параметрами 1,0 МПа и 95 °С на практике не рекомендуется. Даже у такого уважаемого  производителя, как фирма Rehau, толстостенные (SDR 7,4) трубы РЕХ с диаметрами 75-110 мм в каталогах просто отсутствуют и выпускаются компанией только по специальному заказу, в частности, для транспортировки агрессивных жидкостей без тепловых нагрузок [8]. Эти трубы выпускаются строго без кислородозащитного слоя, чтобы не допустить их применения для транспортировки теплоносителя. Компания Rehau не несет ответственности за использование данных труб в условиях тепловых нагрузок, не соответствующих их техническим условиям.


 

На основании всех приведенных данных следует признать, что гибким армированным  теплоизолированным трубам на сегодняшний день нет альтернативы при использовании неметаллических труб на тепловых разводящих сетях с параметрами 1,0 МПа и 95 °С. Гибкие теплоизолированные трубы ИЗОПРОФЛЕКС-А, разработанные специально для тепловых сетей крупных  городов, значительно превосходят аналогичную продукцию других производителей, использующих традиционную РЕХ трубу, как по техническим параметрам, так и по надежности. Эти преимущества подтверждают и расчеты, и результаты долговременных испытаний, проведенных по методикам, утвержденным европейскими стандартами.

Авторы: Игорь Гвоздев, Владислав Ковригай

 

Литература

1. ISO 9080:2003 Plastics piping and ducting systems – Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation.

2. ISO DTS 18226 Reinforced thermoplastic piping systems for gaseous fuels.

3. ISО 15875  Plastics piping systems for hot and cold water installations -- Crosslinked polyethylene (PE-X)

4. ISO 13760:1998 Plastics pipes for the conveyance of fluids under pressure – Miner's rule – Calculation method for cumulative damage.

5. ISO 10508:2006 Plastics piping systems for hot and cold water installations – Guidance for classification and design

6. Rehau. Техническое описание: Трубопроводная система RAUTHERMEX для сетей теплоснабжения.

7. Rehau. Техническое описание: Система трубопроводов для промышленности RAUPEX.

8. Rehau. Техническое описание: Система индустриальных трубопроводов  RAUPEX.

 

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА