Проектирование наружных трубопроводов из полиэтиленовых труб
Классификация трубопроводов
При использовании напорных труб из ПЭ необходимо учитывать следующие факторы: назначение трубопровода, вид и рабочие параметры транспортируемого вещества, а также способ прокладки.
По области применения наружные полиэтиленовые трубопроводы подразделяют на:
- наружные сети водоснабжения, канализации и газоснабжения (распределительные газопроводы);
- технологические трубопроводы: наружные внеплощадочные и внутриплощадочные (межцеховые);
- нефтепроводы, трубопроводы заводнения нефтяных пластов и сброса пластовых вод;
- трубопроводы при бурении скважин на воду;
- трубопроводы сжатого воздуха, пневмоавтоматики, пневмотранспорта, воздуховоды;
- закрытые оросительные системы обводнения пастбищ, осушения закрытым дренажем, внутрипочвенного полива, подземного обогрева грунта теплиц;
- кабели связи, каналообразователи и т.п.
Системы водопровода разделяют на хозяйственно питьевые, противопожарные и технологические. В отдельных случаях эти системы могут быть объединенными.
К технологическим трубопроводам из ПЭ труб относятся в т.ч. трубопроводы горнодобывающей промышленности пульпопроводы для транспортировки воды с содержанием твердых частиц, например шлака, суспензий и т.п., а также трубопроводы бальнеотехнических систем для транспортировки растворов солей, лечебной грязи и других веществ. Технологические трубопроводы в зависимости от физико химических свойств транспортируемых по ним веществ подразделяют на категории и группы, указанные в разделе «Группы и категории технологических трубопроводов» Полиэтиленовые трубы могут применяться для транспортировки химически агрессивных сред. Таблица хим. стойкости труб из ПЭ приведена в разделе. «Химическая стойкость труб».
Существуют разные типы полиэтилена (ПЭ) для производства труб, в основном это ПЭ 63, ПЭ 80 и ПЭ 100, которые различаются по прочности и назначению. ПЭ 100 является наиболее современной и прочной маркой, используется для напорных систем водоснабжения, газопроводов, а также для производства более тонкостенных и легких труб, в то время как ПЭ 80 дешевле и часто используется для безнапорных и технических трубопроводов.
Физико-механические свойства полиэтилена трубных марок
Свойства полиэтилена трубных марок (Таблица 1)
| Показатель | Классификация полиэтилена по MRS | |
| PE 80 | PE 100 | |
| MRS (Минимальная длительная прочность), МПа | 8,0 | 10,0 |
| Прочность при 23оС, кг/м3 | 945-955 | 960-970 |
| Показатель текучести расплава при 190 оС и нагрузки 5 кг, г/10 мин | 0,4 – 1,1 | 0,0 – 0,45 |
| Предел текучести при растяжении, МПа, не менее | 17 | 21 |
| Относительное удлинение при разрыве, %, не менее | 600 | 700 |
| Термостабильность при 200 оС, мин, не менее | 20 | |
| Температура хрупкости, оС | -70 | |
| Содержание сажи, % мас. | 2,5 | |
| Массовая доля летучих веществ, мг/кг, не более | 350 | |
| Тип распределения технического углерода | I — II | |
| Коэффициент теплового расширения, мм/м оК | 0.150 — 20 | |
Полиэтилен получают полимеризацией этилена. В зависимости от давления, при котором получают полиэтилен, различают:
- полиэтилен, получаемый при давлении 100 ‑ 350 МПа и температуре 200 ‑ 300 °С;
- полиэтилен, получаемый при давлении 3 ‑ 6 МПа и температуре 150 ‑ 180 °С;
- полиэтилен, получаемый при давлении 0,2 ‑ 4 МПа и температуре 20 ‑ 180 °С.
В зависимости от величины давления, при котором получают полиэтилен (сырье для дальнейшего производства труб и фитингов), полиэтилен называется полиэтиленом высокого, среднего или низкого давления и обозначается, соответственно, ‑ ПВД, ПСД, ПНД (ПЭВД, ПЭСД, ПЭНД).* Полиэтилены имеют различную плотность и классифицируются по этому признаку. Полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) имеет плотность 910 ‑ 935 кг/м3. Полиэтилен средней плотности (ПЭСП) имеет плотность 945 ‑ 955 кг/м3, а полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) – 960 ‑ 970 кг/м3 .
Начиная с 1955 г., когда впервые была изготовлена первая полиэтиленовая труба (низкого давления или высокой плотности), непрерывно ведутся работы по улучшению свойств, в частности, минимальной длительной прочности (MRS) полиэтилена. В настоящее время в мировой практике используются полиэтилены классов ПЭ80 (MRS 8,0) и ПЭ100 (MRS 10,0) ‑ второго и третьего поколений.
Классификация полиэтилена в зависимости от его минимальной длительной прочности (MRS) (Таблица 2)
| Классификация полиэтилена | MRS, МПа | Длительная прочность, Мпа |
| ПЭ80 | 8,0 | 8,0 — 9,99 |
| ПЭ100 | 10,0 | 10,0 — 11,19 |
Как следует из зависимостей (1.1) (1.5), с увеличением MRS может быть уменьшена толщина стенки трубы. В табл. 3 это показано на примере напорной трубы диаметром 225 мм.
Сравнение различных классов полиэтилена на примере напорной трубы диаметром 225 мм (Таблица 3)
| Труба ПЭ диаметром 225 мм | Ед. изм. | ПЭ80 | ПЭ100 |
| Минимальная длительная прочность MRS | МПа | 8,0 | 10,0 |
| Толщина стенки | мм | 16,6 | 13,4 |
| Внутренний диаметр | мм | 191,8 | 198,2 |
| Теоретическая масса | кг | 11,1 | 9,12 |
| Стоимость (соотношение) | % | 110 | 100 |
Расчет долговременной прочности труб
По определению минимальной длительной прочности полиэтиленовый трубопровод будет работать не менее 50 лет при температуре транспортируемой среды 20 °С и соответствующем рабочем давлении*. Увеличение температуры и/или давления приводит к снижению срока службы труб в соответствии с табл. 4
Зависимость срока службы трубопровода от температуры и рабочего давления (Таблица 4)
| Срок службы, лет | Температура, °С | Рабочее давление, МПа | ||
| 0,4 | 0,6 | 1,0 | ||
| 50 | 20 | 0,40 | 0,60 | 1,0 |
| 30 | 0,25 | 0,40 | 0,63 | |
| 40 | 0,16 | 0,25 | 0,40 | |
| 50 | — | — | — | |
| 60 | — | — | — | |
| 25 | 20 | 0,45 | 0,67 | 1,12 |
| 30 | 0,30 | 0,45 | 0,75 | |
| 40 | 1,18 | 0,28 | 0,45 | |
| 50 | — | — | — | |
| 60 | — | — | — | |
| 10 | 20 | 0,50 | 0,75 | 1,25 |
| 30 | 0,35 | 0,53 | 0,90 | |
| 40 | 0,22 | 0,35 | 0,60 | |
| 50 | 0,12 | 0,20 | 0,32 | |
| 60 | — | — | — | |
| 5 | 20 | 0,53 | 0,80 | 1,32 |
| 30 | 0,40 | 0,60 | 1,00 | |
| 40 | 2,25 | 0,40 | 0,67 | |
| 50 | 0,16 | 0,25 | 0,40 | |
| 60 | 0,10 | 0,16 | 0,25 | |
| 1 | 20 | 0,60 | 0,85 | 1,40 |
| 30 | 0,50 | 0,70 | 1,20 | |
| 40 | 0,35 | 0,56 | 0,95 | |
| 50 | 0,27 | 0,40 | 0,65 | |
| 60 | 0,16 | 0,25 | 0,40 | |
В соответствии с регламентом ISO 161, полиэтиленовые трубы, как и трубы из других полимерных материалов, нормируются по наружному диаметру.
Как следует из табл. 4, применять полиэтиленовые трубы при температуре выше 60 °С не рекомендуется.
Ни один из трех параметров (давление, температура, срок службы) не может рассматриваться без учета двух других параметров.
Стойкость к гидроабразивному износу
Трубы из ПЭ имеют высокую стойкость к гидроабразивному износу, что обуславливает целесообразность их применения для транспортировки жидкостей с содержанием твердых частиц. При применении труб из ПЭ в сетях самотечной ливневой канализации с содержанием твердых частиц износ будет составлять менее 0,5 мм на весь 50‑летний эксплуатационный период и им можно пренебречь. В напорных технологических трубопроводах, транспортирующих жидкость с содержанием твердых частиц, абразивному износу будут подвергаться в первую очередь места сужений и поворотов. Наблюдаемый износ в полиэтиленовых трубах составляет лишь небольшую часть износа, имеющего место в аналогичных условиях на поворотах стальных труб.
Химическая стойкость
Трубы из полиэтилена обладают высокой химической стойкостью к большинству агрессивных сред, под влиянием которых традиционные материалы корродируют и стареют.
Химическая стойкость труб из ПЭ является производной температуры, концентрации, давления и типа самого вещества.
При нормальной (близкой к 20 °С) температуре они устойчивы к действию щелочей и таких неокисляющих кислот, как соляная и фосфорная. Трубы из ПЭ устойчивы к воздействию спиртов, формальдегида и сложных эфиров (этилацетата). Ввиду своей высокой химической стойкости трубы из ПЭ используются в т.ч. в качестве нефтепромысловых, для транспортировки неочищенных стоков промышленных предприятий.
Паро‑ и газопроницаемость труб из ПЭ незначительна.
Выбор способа прокладки трубопровода
Наружные сети из полиэтиленовых труб рекомендуется прокладывать подземно, т.к. при надземной прокладке требуется защита трубопровода теплоизоляционными материалами для предотвращения замерзания транспортируемого вещества при отрицательных температурах воздуха и чрезмерного нагрева стенок труб при воздействии солнечной радиации и повышенных температур воздуха. Для наружных сетей газоснабжения из полиэтиленовых труб разрешена только подземная прокладка.
Полиэтиленовые трубопроводы также могут быть проложены:
- в зданиях (внутрицеховые или внутренние трубопроводы) на подвесках, опорах и кронштейнах; открыто или внутри борозд, шахт, строительных конструкций, в каналах, образованных, например, из гофрированных пластмассовых труб, скрыто;
- вне зданий (межцеховые или наружные трубопроводы) на эстакадах и опорах (в обогреваемых или необогреваемых коробах и галереях или без них), в каналах (проходных или непроходных) и в грунте (бесканальная прокладка).
Компенсация линейных изменений полиэтиленовых трубопроводов
Полиэтиленовые трубы характеризуются достаточно высоким коэффициентом теплового линейного расширения α. При расчетах принимается α = 2 · 10‑4 1/ °С (0,2 мм/м · °С). Это обстоятельство определяет необходимость учета изменения длины трубопровода в процессе эксплуатации, т.к. изменение температуры транспортируемой среды приводит к удлинению или укорочению трубопровода.
Следует иметь ввиду, что беспрепятственное изменение длины трубопровода в ту или иную сторону не приводит к возникновению в теле трубы напряжений, способствующих ее разрушению. Если же трубопровод неподвижен, то в его теле возникают осевые и тангенциальные напряжения. Величина осевых напряжений не зависит от длины трубопровода и равна:
σ0 = Е · α(tэ ‑ tм)
где Е ‑ модуль упругости полиэтилена, МПа;
tэ ‑ максимальная температура, при которой может эксплуатироваться трубопровод, °С;
tм ‑ температура, при которой заканчивался монтаж трубопровода, °С.
Тангенциальные напряжения σт допускается принимать равным 10 ‑ 12 % от σ0.
Если расчетное значение суммы напряжений σ0 + σт меньше MRS трубы (без учета коэффициента запаса прочности допустимое значение MRS полиэтиленовых труб в зависимости от марки полиэтилена равно 8,0 МПа (ПЭ80); 10,0 МПа (ПЭ100)), то трубопровод разрушен быть не может. В этом случае он может быть жестко зафиксирован по всей своей длине.
Если же сумма напряжений больше MRS, необходима компенсация линейных изменений длины трубопровода.
Увеличение или уменьшение длины трубопровода рассчитывается по формуле:
Δl = α( tэ ‑ tм) · l
где Δl ‑ величина, на которую изменяется длина трубопровода, м;
l ‑ длина трубопровода в момент окончания монтажа, м.
Если tэ > tм, длина трубопровода увеличивается, если tэ < tм ‑ уменьшается, при tэ = tм трубопровод не меняет своей длины.
В тех случаях, когда необходима компенсация изменений длины трубопровода, на трассе либо используются так называемые естественные компенсаторы: «Г» ‑ , «Z» ‑ , «П» ‑ образные повороты трассы, либо такие компенсаторы устраиваются специально. В этом случае необходимо обеспечивать требуемую длину плеча lпл
lпл = 10 · (dн · Δl )1/2
где dн ‑ наружный диаметр трубопровода, мм.
Рис. 1 — «Г» — образный поворот
Рис. 2 — «П» — образный компенсатор
На практике, необходимо учитывать, что в грунте трубопровод не изменяет свою длину в той степени, как он это делает на поверхности. Утрамбованный грунт достаточно надежно фиксирует трубопровод и не позволяет ему свободно изменять свою длину. В практике строительства выполнение нормы СП 40_102_2000 о свободной укладке трубы в траншее (укладка «змейкой» (рис. 3) позволяет решить вопрос температурного воздействия на трубопровод в соответствии с сезонными колебаниями температуры транспортируемой среды.
Рис. 3 — Укладка «змейкой»
Выполнение укладки трубы в траншее свободным изгибом (укладка «змейкой») применимо и для трубопроводов большого (более 710 мм) диаметра.
В практике укладки напорных ПЭ трубопроводов диаметром 1000 мм и более встречаются ситуации, когда расчет (2) показывает значительное изменения длины на прямом участке (при осуществлении монтажа в условиях отрицательных температур). Если надежное защемление такой трубы грунтом, как и укладка «змейкой» или устройство на данном участке «Г» ‑ , «Z» ‑ , «П» ‑ образных компенсаторов невозможно, то в таких ситуациях допускается фиксация трубопровода большого диаметра с применением «неподвижных опор», установленных через определенные расстояния. В указанных случаях применение «неподвижных опор» допускается и в местах установки арматуры, для ее защиты от возможных напряжений.
Как правило, для подземных ПЭ водопроводов холодной воды специальной компенсации не требуется.
Расчет опор при укладке полиэтиленового трубопровода вне грунта
При прокладке вне грунта полиэтиленовый трубопровод проектируют и конструктивно выполняют так, чтобы он имел возможность свободно удлиняться при нагревании и укорачиваться при охлаждении без перенапряжения материала и соединений трубопровода.
Компенсации линейного температурного удлинения трубопровода из ПЭ при его прокладке вне грунта обеспечивается продольным прогибом труб при их прокладке в виде «змейки». Змейка выполняется свободным изгибом трубопровода. Так же можно использовать установленные через определенные расстояния П образные компенсаторы из сварных отводов.
Устройство опор рассчитывается таким образом, чтобы была возможность получить компенсацию теплового удлинения как в горизонтальном, так и вертикальном направлении.
Опоры должны выдерживать растягивающие нагрузки, которым подвергается труба. Для полиэтиленовых труб, Для полиэтиленовых труб, прокладываемых вне грунта, монтаж предпочтительнее производить тогда, когда температура окружающей среды равна или приближена к максимальной рабочей температуре. Таким образом, трубы будут находиться в состоянии максимального теплового удлинения. Прочное крепление труб в такой позиции предохраняет трубопроводы от усадки.
Во время остывания труб появляются растягивающие нагрузки, которые будут поддерживать трубопровод на прямой линии между опорами. Таким образом, во время нового нагрева могут появляться только минимальные прогибы трубопровода. Примерное предлагаемое расстояние между опорами для трубопроводов с SDR17 для транспортировки воды с температурой +20 °С, при сгибе трубы посередине пролета между опорами приводится ниже. В случае транспортировки среды с температурой выше, чем +20 °С, расстояние между опорами необходимо уменьшить, а в случае температуры около +50 °С или выше, ‑ рекомендуются сплошные опоры.
Рекомендуемое максимальное расстояние между опорами, пример для SDR 17; температура +20°С (Таблица 5)
| Номинальный диаметр, мм | Максимальное расстояние, м |
| 20 мм | 0,45 |
| 25 мм | 0,65 |
| 32 мм | — |
| 40 мм | — |
| 50 мм | — |
| 63 мм | 0,70 |
| 75 мм | — |
| 90 мм | 0,85 |
| 110 мм | — |
| 125 мм | 1,25 |
| 140 мм | — |
| 160 мм | — |
| 180 мм | 1,50 |
| 200 мм | — |
| 225 мм | — |
| 250 мм | 2,0 |
| 280 мм | — |
| 315 мм | 2,5 |
| 355 мм | — |
| 400 мм | 3,0 |
| 450 мм | — |
| 500 мм | 4,0 |
Минимальный радиус изгиба труб из ПЭ
В зависимости от температуры прокладки и SDR минимальные радиусы изгиба труб из полиэтилена приведены в табл. 6. В зависимости от максимальной разности температур трубопровода имеем соответствующее относительное удлинение трубопровода, определяемое отношением длины дуги l к длине хорды a (табл. 7). Для радиуса R, равного единице, в этой таблице приведены отношения длины дуги к длине хорды, а также значения длин дуги, длин хорды и стрелы прогиба h. Пользуясь данными табл. 6 и табл. 7, можно рассчитать шаг «змейки» трубопровода.