На Климовском трубном заводе (Россия) в соответствии с разрешением Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору производится выпуск газовых труб на рабочее давление 1,2 МПа по ГОСТ Р 50838. Одновременно с трубами производятся и фитинги на рабочее давление 1,2 МПа по ТУ 2248-007-59355492-2006. В связи с отсутствием в ассортименте ведущих мировых фирм, производящих соединительные детали для газопроводов, фитингов на рабочее давление 1,2 МПа, ООО «Климовский трубный завод» разработало новый вид изделия (разрешение № РРС 00‑22605), изготавливаемый из фитингов ПЭ 100 SDR 11, разрешенных к применению на рабочее давление 1,0 МПа, усиленных дополнительно стеклопластиковой оболочкой, и газовых труб ПЭ 100 SDR 9 на рабочее давление 1,2 МПа (разрешение № РРС 00-17559). Согласно требованиям ТУ, условия испытания фитингов точно повторяют условия испытания труб, из которых они изготавливаются. Условия гидравлических испытаний приведены в таблице 1. Величины испытательных давлений определены по формуле (1), приведенной в ГОСТ 50438:

                 2σ

Р = ----------------,                                                 (1)

         (SDR - 1)

где σ – начальное напряжение в стенке трубы, МПа;

SDR – стандартное размерное отношение;

Р – рабочее давление, Мпа.

Таблица 1. Условия гидравлических испытаний

Как видно из таблицы, испытания проводятся при двух температурах: Т = 20 °С и Т = 80 °С. Анализ условий работы труб на 1,2 МПа показывает, что при подземной прокладке трубы работают при температурах, не превышающих 30 °С, и двух уровнях давления – номинальном рабочем давлении до 1,2 МПа и при повышенном давлении, используемом при опрессовке магистрали.

Поэтому рассмотрим уровень напряжений в стенке трубы при трех уровнях внутреннего давления – 12, 15 и 18 бар (табл. 2).

Таблица 2. Напряжения в стенке трубы при рабочем и опрессовочных давлениях

Если уровень напряжений в полиэтиленовых трубах с равным SDR одинаковый, то в стеклопластиковой оболочке ситуация складывается по-другому. Согласно требованиям ТУ, толщина стеклопластиковой оболочки не может быть меньше 6 мм для всех диаметров фитингов. Поэтому оболочка на фитингах большого диаметра находится в наиболее тяжелых условиях нагружения, которые необходимо проанализировать. Так как усилие, вызывающее нагружение стеклопластиковой оболочки, определяется внутренним давлением, SDR и толщиной стенки, рассчитаем нагрузку для труб различных диаметров. В таблице 3 представлены величины окружных усилий, рассчитанные для труб различных диаметров и напряжения в стеклопластиковой оболочке.

Таблица 3. Уровень напряжения в стенке стеклопластиковой оболочки

Сопоставление уровня напряжений в стенке с величиной предела текучести материалов типа ПЭ 100, равным 20÷25 МПа для ПЭ 100 разных марок (рис. 1), показывает, что запас прочности трубы, оцененный по отношению предела текучести и уровня напряжений в стенке трубы, составляет от 1,6 до 2,0.

Как видно из данных, приведенных в таблице 2, напряжение в стенке трубы при рабочем и опрессовочном давлении значительно (в 1,5-2 раза) ниже, чем при 100-часовых испытаниях при температуре 20 °С. Поэтому достаточно принять во внимание только уровень испытательного давления.

Рис. 1. Кривая «напряжение – деформация» для материала KPIС 600 BL типа ПЭ 100

Из данных таблицы 3 видно, что стеклопластиковая оболочка фитингов большого диаметра находится под действием довольно высоких напряжений.

Для того, чтобы оценить относительную величину этих напряжений, необходимо сравнить их с уровнями разрушающих напряжений для полиэфирных стеклопластиков. Величина разрушающего напряжения при растяжении для использованных полиэфирных стеклопластиков составляет 75 МПа.

Как видно, это разрушающее напряжение меньше уровня напряжения для фитинга со стеклопластиковой оболочкой диаметром 315 мм. А для фитинга диаметром 225 мм коэффициент запаса прочности составляет всего 1,3, что явно недостаточно. Поэтому на фитингах диаметром 225 и 315 мм необходимо использовать более высокие толщины стеклопластиковой оболочки, обеспечивающие запас прочности на уровне 2,0. Поскольку теплостойкость стеклопластиков, определенная при изгибе, составляет 67 °С для импортной полиэфирной смолы, аналогичной российской ПН-1, то естественно, что при 80°С стеклопластиковая оболочка может не выдержать испытательных напряжений на уровне 15-33 МПа. Для решения этой проблемы изготовителями была применена смола повышенной теплостойкости, деформационная теплостойкость которой составляет 112 °С, что обеспечивает работоспособность стеклопластика при температурах 80 °С. Однако использование такой смолы приводит к сильному удорожанию фитингов – более чем в два раза.

На основании этих расчетов можно рекомендовать:

1) не проводить на полиэфирных стеклопластиках испытаний при 80 °С по двум причинам:

- низкой теплостойкости полиэфирных связующих, которая практически не существенна, так как трубы работают при температурах до 30°С;

- высокой себестоимости теплостойких полимерных связующих, в которых для изготовления стеклопластиковых оболочек нет необходимости;

2) для стеклопластиковых оболочек фитингов диаметром выше 225 мм не ограничиваться минимальной толщиной оболочки, а использовать толщины, обеспечивающие коэффициент запаса на уровне 1,8-2.

Предлагаемые мероприятия позволят снизить себестоимость фитингов без ухудшения их эксплуатационных свойств.

Авторы: Коврига В.В., Колбая В.Г., Матрохин В.В.