Полиэтилен — предвестник новой эры трубных материалов
С начала 1960-х годов полиэтилен (ПЭ) зарекомендовал себя как материал, чьи качественные показатели наилучшим образом отвечают потребностям производства изделий для распределительных трубопроводов. Применение ПЭ в производстве труб для водоснабжения и газоснабжения привело к коренным изменениям индустрии строительства трубопроводов по всему миру. В подавляющем количестве стран более 90% вновь вводимых в строй трубопроводных распределительных систем для воды и газа изготовлены из ПЭ, и это закономерный результат тех хорошо известных и многочисленных преимуществ, которые предоставляет ПЭ-материал по сравнению с традиционными жесткими материалами.
ПЭ-материалы, используемые для трубопроводных систем в начале 60-х годов, были известны как ПЭ высокой плотности (низкого давления) и в то время считались самыми лучшими полимерными материалами, производимыми для этих целей. Сегодня их относят к ПЭ первого поколения. Значительным событием явилось появление в конце 60-х годов полиэтилена средней плотности, который заметно отличался по своим свойствам от ПЭ высокой плотности и явился первым материалом из ПЭ второго поколения.
Создание ПЭ средней плотности позволило качественно улучшить материалы, относящиеся к ПЭ первого поколения, и с середины 70-х годов внедрить в производство ПЭ высокой плотности второго поколения. Эти материалы отличались более высоким классом минимальной длительной прочности в сочетании с более высоким сопротивлением как медленному, так и быстрому распространению трещин. Если учесть, что ПЭ первого и второго поколения были унимодальными (один пик на кривой молекулярно-массового распределения), то разработка в 80-х и 90-х годах бимодальных ПЭ (два пика на кривой молекулярно-массового распределения) еще больше расширила потенциальные возможности этих материалов, приведя к созданию ПЭ третьего и четвертого поколений.
Изначально ПЭ первого и второго поколений классифицировались по системе, основанной на показателе расчетного уровня гидростатического напряжения (Hydrostatic Design Stress — HDS). Новая же классификация исходит из класса минимальной длительной прочности (MRS) и включает показатель коэффициента запаса прочности. В связи с этим материалы первого, второго, а также третьего/четвертого поколений сокращенно обозначаются MRS 6,3, MRS 8 и MRS 10, что соответствует ПЭ-63, ПЭ-80 и ПЭ-100. В настоящее время отечественные производители способны предложить весьма широкий ассортимент полиэтиленовых труб для разных областей применения, различающихся по предельно допустимому рабочему давлению, диаметру, марке сырья.
Сферы применения
Известно, что наиболее дорогим элементом комплекса водоснабжения любого большого города является система транспортирования питьевой и технической воды. Она включает водоводы, распределительную сеть и устанавливаемые на ней сооружения и арматуру для выключения, регулирования, обслуживания, ремонта и обеспечения надежной и безаварийной работы трубопроводов. Стоимость систем подачи и распределения воды составляет от 40% до 70% стоимости всей системы водоснабжения города. В связи с этим надежность и долговечность этих систем, снижение затрат на их монтаж и эксплуатацию являются для городских хозяйств важнейшими приоритетами. Поэтому основным вопросом при проектировании является достижение максимальной экономической эффективности при строительстве и эксплуатации (конечно, при удовлетворении всех санитарно-гигиенических норм). А этот вопрос в настоящее время напрямую сводится к вопросам выбора материала для трубопроводной системы и способа монтажа.
Общеизвестно, что использование пластмассовых труб большого диаметра открывает новые возможности при строительстве трубопроводов. Традиционно трубами большого диаметра считаются трубы диаметром 500-1200 мм. Основными областями применения таких труб являются ливневые и канализационные коллекторы, напорные водоводы, дренаж.
Доля рынка, которую занимают полимеры, довольно значительна и растет быстрыми темпами. Согласно проведенным исследованиям, рост объема потребления полимерных труб большого диаметра в США предполагается на уровне 4,7% в год и к 2007 году достигнет 12,4 тыс. км. Доля полимеров будет составлять более 20% потребления труб большого диаметра, на что будет израсходовано 440 тыс. тонн исходного сырья. Увеличение доли полимерных труб будет происходить, в первую очередь, за счет постройки новых и восстановления старых или устаревших систем водоводов и канализации, в особенности для специфических условий больших городов, протяженных улиц и автомагистралей.
Бетонные трубы пока сохранят свое лидирующее положение для подземных применений. Однако полимерные трубы начинают составлять им серьезную конкуренцию, основанную на таких преимуществах, как лучшие эксплуатационные характеристики, более быстрый и легкий монтаж по сравнению с трубами из других материалов.
Хорошие перспективы использования напорных полиэтиленовых труб в водоснабжении и водоотведении обусловлены устареванием существующих систем и все более частым возникновением таких проблем, как утечки, прорывы, экс-фильтрация, то есть диффузное проникновение внешних вод в систему питьевого водоснабжения, которые вызываются коррозией и низкой устойчивостью существующих систем к скачкам давления.
При наличии в напорном трубопроводе сквозных повреждений в стенке трубы или в соединениях через них утекает вода. Кроме того, вытекающая вода размывает грунт вокруг трубы. В результате происходят провалы грунта, подтопление подвалов, повреждение фундаментов близлежащих зданий. Если рядом проложена канализация, потерявшая герметичность, то вода из водопровода размывает зараженный канализационными стоками (в том числе и фекальными) грунт вокруг трубопровода и может переместить его в водоносные слои. При перерывах в подаче воды в трубопроводе образуется вакуум, который засасывает через сквозные неплотности окружающий грунт и грунтовые воды. При возобновлении водоснабжения они разносятся потоком по трубопроводу.
Применение полиэтиленовых труб позволяет существенно уменьшить аварийность, опасность загрязнения питьевой воды и, кроме того, значительно облегчает монтаж и позволяет использовать бестраншейные технологии.
Тенденции последних лет указывают на то, что коммунальные службы городов-мегаполисов различных стран все большее внимание уделяют вопросам использования перспективных бестраншейных технологий восстановления (санации) и прокладки водопроводных и водоотводящих сетей, под которыми понимаются технологии прокладки, замены, ремонта и обнаружения дефектов в подземных коммуникациях различного назначения с минимальным вскрытием земной поверхности. В передовой зарубежной практике сейчас 90% объема работ по замене и восстановлению подземных коммуникаций производится бестраншейным способом.
Одним из интереснейших применений полимерных труб является строительство подводных трубопроводов. В отличие от работы с металлическими трубами, в данном случае весь комплекс монтажных работ проводится на берегу, что несравнимо облегчает и удешевляет строительство. Затем производится постепенное затопление уже готового трубопровода, снабженного балластными грузами.
Комплектация и особенности монтажа
Соединения полимерных труб можно разделить на два типа:
Неразъемные:
— произведенные сваркой встык с помощью сварочного инструмента;
— муфтовые.
Разъемные:
— резьбовые соединения с помощью накидной гайки и резиновой прокладки;
— фланцевые;
— раструбные с эластичными уплотнителями.
Как правило, для трубопроводов, работающих под давлением, используют неразъемные соединения — сварку встык или муфтовую сварку, хотя нельзя сказать, что фланцевые соединения менее надежны. Разъемные виды соединений более подходят для безнапорных систем, в каждом же частном случае более подходящий способ соединения выбирается исходя из конкретных условий. Сварные и электросварные соединения, используемые для монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб, имеют высокую прочность, герметичны и стойки к внешним разрушающим воздействиям в процессе монтажа и эксплуатации.
Гибкость полиэтиленовых труб и надежность соединений делают полиэтиленовые трубопроводы незаменимыми в сейсмически активных областях и в местах, где возможны подвижки почвы. Сшитый полиэтилен обладает молекулярной памятью: в процессе монтажа труба "самоусаживается" на фитинге, образуя соединение, прочность которого выше прочности самой трубы. Отходов при монтаже или сварке полиэтиленовых труб практически не бывает. Скорость этих операций в сравнении с металлическими трубами выше в 2-4 раза. Но главное преимущество таких труб — дешевизна: они примерно на 30% дешевле оцинкованных стальных того же диаметра.
Эксплуатационно-экономические характеристики трубопроводов
По динамическим характеристикам полиэтиленовые трубопроводы значительно превосходят трубы из других материалов: коэффициент их шероховатости в 7 раз ниже, чем у стальных, и в 23 раза ниже, чем у новых чугунных, и, к тому же, не меняется в течение всего срока эксплуатации. Например, металлические трубы подвержены зарастанию внутренней поверхности продуктами коррозии и карбонатными отложениями, что приводит к резкому возрастанию величины шероховатости труб и уменьшению площади их проходного сечения. В результате пропускная способность трубопровода снижается через 5 лет эксплуатации в зависимости от группы воды на 10-43%, через 10 лет — на 14-57%, через 20 лет — на 20-63%. Так как уже через 5-6 лет эксплуатации насосы, подобранные по шероховатости новых труб, не справляются с работой, в целом ряде случаев эксплуатационные организации вынуждены менять насосы на более мощные, и при этом затраты электроэнергии на перекачку воды увеличиваются в 4-3 раза. Для информации: на перекачку чистых и сточных вод в России расходуется в среднем 120-130 млрд кВт/час электроэнергии.
Исходя из того, что за последние 15-20 лет и технологии производства трубных марок полиэтилена, и уровень оборудования, особенно для формования больших труб, ушли далеко вперед, напорные полиэтиленовые трубопроводы являются на сегодняшний день наиболее надежными. Естественно, работа с новыми материалами требует большей технологической дисциплины как при производстве трубы и комплектующих, так и при монтаже. Во многих крупных городах и регионах России эксплуатируются многокилометровые водопроводные сети из традиционных раструбных труб, аварии на которых происходят в основном из-за разгерметизации стыковых соединений и переломов труб. Надежные сварные соединения — еще одно из преимуществ напорных полиэтиленовых труб. В дополнение можно отметить, что во время двух крупных землетрясений в Японии в 1995 и 2000 годах не были повреждены только трубопроводы из полимерных труб.
В Беларуси полиэтиленовые трубы больших диаметров начали применяться сравнительно недавно. Первоначально они использовались преимущественно при строительстве безнапорных коллекторов. Однако в последние годы полиэтиленовые трубы больших диаметров все активнее применяются при строительстве напорных водоводов на давление 6 и 10 атм.
Совершенству нет предела!
Несмотря на то, что технология производства труб из ПЭ уже неоднократно подвергалась существенным усовершенствованиям на всех своих этапах, по-прежнему остается потенциал для дальнейшего ее развития. Основной целью является повышение экономичности, чего можно достичь посредством оптимального проектирования системы с точки зрения повышения ее надежности, увеличения пропускной способности и удлинения срока службы, а также уменьшения затрат на монтаж.
Если иметь в виду производителей сырья, то благодаря разработке материалов с улучшенными свойствами можно добиваться повышения экономичности, а именно:
— Расчетная долговечность и фактический срок службы материала являются важными экономическими параметрами, т.к. непосредственно влияют на сроки замены трубопроводов. 50-летний срок службы предполагает, что годовая норма замены составляет 2% от протяженности трубопроводной сети и, соответственно, влечет сопутствующие расходы. Улучшение свойств материала является основополагающим для продления срока службы реально до 100 лет или даже более.
— Коэффициенты запаса прочности, учитываемые при проектировании трубопроводных систем, включают в себя ряд факторов, в большей или меньшей степени неконтролируемых, зависящих от свойств материала, эксплуатационного режима и окружающей среды. Повышение класса минимальной краткосрочной и длительной прочности материала позволит максимально увеличить пропускную способность труб и, следовательно, минимизировать затраты.
— Затраты на монтаж составляют большую часть всех затрат на трубопровод, в то время как стоимость самого материала трубы — не более 10%. Улучшение свойств материала может способствовать оптимизации затрат по монтажу. Примером этого может служить снижение требований к качеству засыпного материала. Так, использование вынутого грунта вместо привозного песка ведет к снижению затрат на монтаж на 10%. Помимо этого, для применения методов бестраншейной укладки труб (как, например, метода направленного бурения) или методов реабилитации (как протяжка в изношенном стальном трубопроводе) необходимо наличие соответствующих материалов, нечувствительных к неизбежным при этом повреждениям и стрессам.
Гарантированность более продолжительного срока службы, более высокая работоспособность, а также более широкие рамки возможностей при монтаже требуют использования материалов с улучшенными показателями сопротивления процессам, которые могут привести в конечном счете к аварии. Как уже давно признано, к таким процессам относится быстрое и медленное распространение трещин.
Производители сырья постоянно борются за повышение сопротивления трещинообразованию. В этой связи были единодушно одобрены эксплуатационные качества, демонстрируемые ПЭ средней плотности, материалом второго поколения и бимодальными полиэтиленами трубных марок третьего поколения, о чем свидетельствует увеличение их доли в газовом секторе. Качество этих материалов такое высокое, что обычные испытания под давлением при повышенных температурах не позволяют выявить изменения реальных показателей. Во многих случаях требуется проведение испытаний в течение нескольких лет (в том числе при температуре 80°С), а такой побочный эффект, как химическая деградация материала, исключает возможность механического подхода. Для преодоления подобных ограничений был разработан ряд альтернативных методов испытаний. В их основе лежит применение ускоряющих факторов, например, надрезов, высоких температур, высоких относительных напряжений, а в некоторых случаях — добавок, провоцирующих трещинообразование.
Что же выбрать?
Первый вопрос, который необходимо решить при выборе труб, — это вопрос о том, труба из какого материала оказывается экономически целесообразной. При выборе полиэтиленовых труб для конкретного применения нужно исходить из основных характеристик и параметров трубопровода. Для напорных трубопроводов (Межгосударственный Стандарт/ГОСТ 18599-2001) это:
— минимальная длительная прочность (MRS) — напряжение, определяющее свойства материала, применяемого для изготовления труб, полученное путем экстраполяции на срок службы 50 лет при температуре 20°С данных испытаний труб на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению;
— максимальное операционное давление (МОР);
— стандартное размерное отношение (SDR) — отношение номинального наружного диаметра трубы к номинальной толщине стенки;
— коэффициент запаса прочности (Ст) — коэффициент снижения максимального рабочего давления в зависимости от температуры транспортируемой воды и прочих условий.
Трубы могут изготавливаться из различных марок полиэтилена (ПЭ-63, ПЭ-80 и ПЭ-100). В соответствии с этим различаются и эксплуатационные характеристики труб, изготовленных из полиэтилена разных марок. Нужно отметить, что для напорных трубопроводов целесообразно применение полиэтилена более высоких марок, позволяющего изготавливать трубы с меньшей толщиной стенки (с большим SDR). Несмотря на более высокую стоимость материала, труба получается легче и имеет большее проходное сечение. Другой, не менее важный, вывод напрашивается для самотечных трубопроводов. В данном случае внутреннее давление, которое выдерживает труба, не имеет значения, а играет роль только внешнее воздействие грунта, то есть надежность трубопроводов определяется качеством обустройства грунтовых зон вокруг них. В СП 40-102-2000 применение полимерных труб для этих целей ограничивается кольцевой жесткостью 10 кПа. Из этого следует, что могут применяться трубы из ПЭ 63 до SDR 17,6, а из ПЭ 80 — до SDR 21. Применение труб из ПЭ 100 оказывается экономически нецелесообразным. В данной области обычным полиэтиленовым трубам, видимо, будет трудно выдержать конкуренцию с витыми полиэтиленовыми трубами, которые имеют меньший удельный вес и более низкую удельную стоимость.
Окончательный выбор типа и марки полиэтилена зависит от действующих международных, европейских, национальных или внутрифирменных стандартов, а конструктивное исполнение трубы — от рабочих параметров, местных правил и экономических аспектов.
Ирина ШУМСКАЯ
ПЭ-материалы, используемые для трубопроводных систем в начале 60-х годов, были известны как ПЭ высокой плотности (низкого давления) и в то время считались самыми лучшими полимерными материалами, производимыми для этих целей. Сегодня их относят к ПЭ первого поколения. Значительным событием явилось появление в конце 60-х годов полиэтилена средней плотности, который заметно отличался по своим свойствам от ПЭ высокой плотности и явился первым материалом из ПЭ второго поколения.
Создание ПЭ средней плотности позволило качественно улучшить материалы, относящиеся к ПЭ первого поколения, и с середины 70-х годов внедрить в производство ПЭ высокой плотности второго поколения. Эти материалы отличались более высоким классом минимальной длительной прочности в сочетании с более высоким сопротивлением как медленному, так и быстрому распространению трещин. Если учесть, что ПЭ первого и второго поколения были унимодальными (один пик на кривой молекулярно-массового распределения), то разработка в 80-х и 90-х годах бимодальных ПЭ (два пика на кривой молекулярно-массового распределения) еще больше расширила потенциальные возможности этих материалов, приведя к созданию ПЭ третьего и четвертого поколений.
Изначально ПЭ первого и второго поколений классифицировались по системе, основанной на показателе расчетного уровня гидростатического напряжения (Hydrostatic Design Stress — HDS). Новая же классификация исходит из класса минимальной длительной прочности (MRS) и включает показатель коэффициента запаса прочности. В связи с этим материалы первого, второго, а также третьего/четвертого поколений сокращенно обозначаются MRS 6,3, MRS 8 и MRS 10, что соответствует ПЭ-63, ПЭ-80 и ПЭ-100. В настоящее время отечественные производители способны предложить весьма широкий ассортимент полиэтиленовых труб для разных областей применения, различающихся по предельно допустимому рабочему давлению, диаметру, марке сырья.
Сферы применения
Известно, что наиболее дорогим элементом комплекса водоснабжения любого большого города является система транспортирования питьевой и технической воды. Она включает водоводы, распределительную сеть и устанавливаемые на ней сооружения и арматуру для выключения, регулирования, обслуживания, ремонта и обеспечения надежной и безаварийной работы трубопроводов. Стоимость систем подачи и распределения воды составляет от 40% до 70% стоимости всей системы водоснабжения города. В связи с этим надежность и долговечность этих систем, снижение затрат на их монтаж и эксплуатацию являются для городских хозяйств важнейшими приоритетами. Поэтому основным вопросом при проектировании является достижение максимальной экономической эффективности при строительстве и эксплуатации (конечно, при удовлетворении всех санитарно-гигиенических норм). А этот вопрос в настоящее время напрямую сводится к вопросам выбора материала для трубопроводной системы и способа монтажа.
Общеизвестно, что использование пластмассовых труб большого диаметра открывает новые возможности при строительстве трубопроводов. Традиционно трубами большого диаметра считаются трубы диаметром 500-1200 мм. Основными областями применения таких труб являются ливневые и канализационные коллекторы, напорные водоводы, дренаж.
Доля рынка, которую занимают полимеры, довольно значительна и растет быстрыми темпами. Согласно проведенным исследованиям, рост объема потребления полимерных труб большого диаметра в США предполагается на уровне 4,7% в год и к 2007 году достигнет 12,4 тыс. км. Доля полимеров будет составлять более 20% потребления труб большого диаметра, на что будет израсходовано 440 тыс. тонн исходного сырья. Увеличение доли полимерных труб будет происходить, в первую очередь, за счет постройки новых и восстановления старых или устаревших систем водоводов и канализации, в особенности для специфических условий больших городов, протяженных улиц и автомагистралей.
Бетонные трубы пока сохранят свое лидирующее положение для подземных применений. Однако полимерные трубы начинают составлять им серьезную конкуренцию, основанную на таких преимуществах, как лучшие эксплуатационные характеристики, более быстрый и легкий монтаж по сравнению с трубами из других материалов.
Хорошие перспективы использования напорных полиэтиленовых труб в водоснабжении и водоотведении обусловлены устареванием существующих систем и все более частым возникновением таких проблем, как утечки, прорывы, экс-фильтрация, то есть диффузное проникновение внешних вод в систему питьевого водоснабжения, которые вызываются коррозией и низкой устойчивостью существующих систем к скачкам давления.
При наличии в напорном трубопроводе сквозных повреждений в стенке трубы или в соединениях через них утекает вода. Кроме того, вытекающая вода размывает грунт вокруг трубы. В результате происходят провалы грунта, подтопление подвалов, повреждение фундаментов близлежащих зданий. Если рядом проложена канализация, потерявшая герметичность, то вода из водопровода размывает зараженный канализационными стоками (в том числе и фекальными) грунт вокруг трубопровода и может переместить его в водоносные слои. При перерывах в подаче воды в трубопроводе образуется вакуум, который засасывает через сквозные неплотности окружающий грунт и грунтовые воды. При возобновлении водоснабжения они разносятся потоком по трубопроводу.
Применение полиэтиленовых труб позволяет существенно уменьшить аварийность, опасность загрязнения питьевой воды и, кроме того, значительно облегчает монтаж и позволяет использовать бестраншейные технологии.
Тенденции последних лет указывают на то, что коммунальные службы городов-мегаполисов различных стран все большее внимание уделяют вопросам использования перспективных бестраншейных технологий восстановления (санации) и прокладки водопроводных и водоотводящих сетей, под которыми понимаются технологии прокладки, замены, ремонта и обнаружения дефектов в подземных коммуникациях различного назначения с минимальным вскрытием земной поверхности. В передовой зарубежной практике сейчас 90% объема работ по замене и восстановлению подземных коммуникаций производится бестраншейным способом.
Одним из интереснейших применений полимерных труб является строительство подводных трубопроводов. В отличие от работы с металлическими трубами, в данном случае весь комплекс монтажных работ проводится на берегу, что несравнимо облегчает и удешевляет строительство. Затем производится постепенное затопление уже готового трубопровода, снабженного балластными грузами.
Комплектация и особенности монтажа
Соединения полимерных труб можно разделить на два типа:
Неразъемные:
— произведенные сваркой встык с помощью сварочного инструмента;
— муфтовые.
Разъемные:
— резьбовые соединения с помощью накидной гайки и резиновой прокладки;
— фланцевые;
— раструбные с эластичными уплотнителями.
Как правило, для трубопроводов, работающих под давлением, используют неразъемные соединения — сварку встык или муфтовую сварку, хотя нельзя сказать, что фланцевые соединения менее надежны. Разъемные виды соединений более подходят для безнапорных систем, в каждом же частном случае более подходящий способ соединения выбирается исходя из конкретных условий. Сварные и электросварные соединения, используемые для монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб, имеют высокую прочность, герметичны и стойки к внешним разрушающим воздействиям в процессе монтажа и эксплуатации.
Гибкость полиэтиленовых труб и надежность соединений делают полиэтиленовые трубопроводы незаменимыми в сейсмически активных областях и в местах, где возможны подвижки почвы. Сшитый полиэтилен обладает молекулярной памятью: в процессе монтажа труба "самоусаживается" на фитинге, образуя соединение, прочность которого выше прочности самой трубы. Отходов при монтаже или сварке полиэтиленовых труб практически не бывает. Скорость этих операций в сравнении с металлическими трубами выше в 2-4 раза. Но главное преимущество таких труб — дешевизна: они примерно на 30% дешевле оцинкованных стальных того же диаметра.
Эксплуатационно-экономические характеристики трубопроводов
По динамическим характеристикам полиэтиленовые трубопроводы значительно превосходят трубы из других материалов: коэффициент их шероховатости в 7 раз ниже, чем у стальных, и в 23 раза ниже, чем у новых чугунных, и, к тому же, не меняется в течение всего срока эксплуатации. Например, металлические трубы подвержены зарастанию внутренней поверхности продуктами коррозии и карбонатными отложениями, что приводит к резкому возрастанию величины шероховатости труб и уменьшению площади их проходного сечения. В результате пропускная способность трубопровода снижается через 5 лет эксплуатации в зависимости от группы воды на 10-43%, через 10 лет — на 14-57%, через 20 лет — на 20-63%. Так как уже через 5-6 лет эксплуатации насосы, подобранные по шероховатости новых труб, не справляются с работой, в целом ряде случаев эксплуатационные организации вынуждены менять насосы на более мощные, и при этом затраты электроэнергии на перекачку воды увеличиваются в 4-3 раза. Для информации: на перекачку чистых и сточных вод в России расходуется в среднем 120-130 млрд кВт/час электроэнергии.
Исходя из того, что за последние 15-20 лет и технологии производства трубных марок полиэтилена, и уровень оборудования, особенно для формования больших труб, ушли далеко вперед, напорные полиэтиленовые трубопроводы являются на сегодняшний день наиболее надежными. Естественно, работа с новыми материалами требует большей технологической дисциплины как при производстве трубы и комплектующих, так и при монтаже. Во многих крупных городах и регионах России эксплуатируются многокилометровые водопроводные сети из традиционных раструбных труб, аварии на которых происходят в основном из-за разгерметизации стыковых соединений и переломов труб. Надежные сварные соединения — еще одно из преимуществ напорных полиэтиленовых труб. В дополнение можно отметить, что во время двух крупных землетрясений в Японии в 1995 и 2000 годах не были повреждены только трубопроводы из полимерных труб.
В Беларуси полиэтиленовые трубы больших диаметров начали применяться сравнительно недавно. Первоначально они использовались преимущественно при строительстве безнапорных коллекторов. Однако в последние годы полиэтиленовые трубы больших диаметров все активнее применяются при строительстве напорных водоводов на давление 6 и 10 атм.
Совершенству нет предела!
Несмотря на то, что технология производства труб из ПЭ уже неоднократно подвергалась существенным усовершенствованиям на всех своих этапах, по-прежнему остается потенциал для дальнейшего ее развития. Основной целью является повышение экономичности, чего можно достичь посредством оптимального проектирования системы с точки зрения повышения ее надежности, увеличения пропускной способности и удлинения срока службы, а также уменьшения затрат на монтаж.
Если иметь в виду производителей сырья, то благодаря разработке материалов с улучшенными свойствами можно добиваться повышения экономичности, а именно:
— Расчетная долговечность и фактический срок службы материала являются важными экономическими параметрами, т.к. непосредственно влияют на сроки замены трубопроводов. 50-летний срок службы предполагает, что годовая норма замены составляет 2% от протяженности трубопроводной сети и, соответственно, влечет сопутствующие расходы. Улучшение свойств материала является основополагающим для продления срока службы реально до 100 лет или даже более.
— Коэффициенты запаса прочности, учитываемые при проектировании трубопроводных систем, включают в себя ряд факторов, в большей или меньшей степени неконтролируемых, зависящих от свойств материала, эксплуатационного режима и окружающей среды. Повышение класса минимальной краткосрочной и длительной прочности материала позволит максимально увеличить пропускную способность труб и, следовательно, минимизировать затраты.
— Затраты на монтаж составляют большую часть всех затрат на трубопровод, в то время как стоимость самого материала трубы — не более 10%. Улучшение свойств материала может способствовать оптимизации затрат по монтажу. Примером этого может служить снижение требований к качеству засыпного материала. Так, использование вынутого грунта вместо привозного песка ведет к снижению затрат на монтаж на 10%. Помимо этого, для применения методов бестраншейной укладки труб (как, например, метода направленного бурения) или методов реабилитации (как протяжка в изношенном стальном трубопроводе) необходимо наличие соответствующих материалов, нечувствительных к неизбежным при этом повреждениям и стрессам.
Гарантированность более продолжительного срока службы, более высокая работоспособность, а также более широкие рамки возможностей при монтаже требуют использования материалов с улучшенными показателями сопротивления процессам, которые могут привести в конечном счете к аварии. Как уже давно признано, к таким процессам относится быстрое и медленное распространение трещин.
Производители сырья постоянно борются за повышение сопротивления трещинообразованию. В этой связи были единодушно одобрены эксплуатационные качества, демонстрируемые ПЭ средней плотности, материалом второго поколения и бимодальными полиэтиленами трубных марок третьего поколения, о чем свидетельствует увеличение их доли в газовом секторе. Качество этих материалов такое высокое, что обычные испытания под давлением при повышенных температурах не позволяют выявить изменения реальных показателей. Во многих случаях требуется проведение испытаний в течение нескольких лет (в том числе при температуре 80°С), а такой побочный эффект, как химическая деградация материала, исключает возможность механического подхода. Для преодоления подобных ограничений был разработан ряд альтернативных методов испытаний. В их основе лежит применение ускоряющих факторов, например, надрезов, высоких температур, высоких относительных напряжений, а в некоторых случаях — добавок, провоцирующих трещинообразование.
Что же выбрать?
Первый вопрос, который необходимо решить при выборе труб, — это вопрос о том, труба из какого материала оказывается экономически целесообразной. При выборе полиэтиленовых труб для конкретного применения нужно исходить из основных характеристик и параметров трубопровода. Для напорных трубопроводов (Межгосударственный Стандарт/ГОСТ 18599-2001) это:
— минимальная длительная прочность (MRS) — напряжение, определяющее свойства материала, применяемого для изготовления труб, полученное путем экстраполяции на срок службы 50 лет при температуре 20°С данных испытаний труб на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению;
— максимальное операционное давление (МОР);
— стандартное размерное отношение (SDR) — отношение номинального наружного диаметра трубы к номинальной толщине стенки;
— коэффициент запаса прочности (Ст) — коэффициент снижения максимального рабочего давления в зависимости от температуры транспортируемой воды и прочих условий.
Трубы могут изготавливаться из различных марок полиэтилена (ПЭ-63, ПЭ-80 и ПЭ-100). В соответствии с этим различаются и эксплуатационные характеристики труб, изготовленных из полиэтилена разных марок. Нужно отметить, что для напорных трубопроводов целесообразно применение полиэтилена более высоких марок, позволяющего изготавливать трубы с меньшей толщиной стенки (с большим SDR). Несмотря на более высокую стоимость материала, труба получается легче и имеет большее проходное сечение. Другой, не менее важный, вывод напрашивается для самотечных трубопроводов. В данном случае внутреннее давление, которое выдерживает труба, не имеет значения, а играет роль только внешнее воздействие грунта, то есть надежность трубопроводов определяется качеством обустройства грунтовых зон вокруг них. В СП 40-102-2000 применение полимерных труб для этих целей ограничивается кольцевой жесткостью 10 кПа. Из этого следует, что могут применяться трубы из ПЭ 63 до SDR 17,6, а из ПЭ 80 — до SDR 21. Применение труб из ПЭ 100 оказывается экономически нецелесообразным. В данной области обычным полиэтиленовым трубам, видимо, будет трудно выдержать конкуренцию с витыми полиэтиленовыми трубами, которые имеют меньший удельный вес и более низкую удельную стоимость.
Окончательный выбор типа и марки полиэтилена зависит от действующих международных, европейских, национальных или внутрифирменных стандартов, а конструктивное исполнение трубы — от рабочих параметров, местных правил и экономических аспектов.
Ирина ШУМСКАЯ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 34 за 2004 год в рубрике материалы и технологии
