Армирование полимерных труб высокопрочными материалами на сегодняшний день является самым эффективным способом увеличения прочности и, следовательно, максимального рабочего давления в трубе при существенном снижении материалоемкости и стоимости труб, без потери их эксплуатационных характеристик.
Многослойная армированная труба состоит из следующих основных элементов:
– внутренняя камера – герметизирующая полимерная оболочка, по которой транспортируется жидкая или газообразная среда под давлением;
– армирующий каркас – слой из высокопрочных материалов (стальные, синтетические, минеральные нити или ленты) нанесенные, чаще всего, в форме сетки на внутреннюю камеру методом обмотки или оплетки. Армирующий слой воспринимает на себя основную нагрузку, возникающую от действия внутреннего давления;
– наружный слой – полимерный слой, закрывающий армирующий каркас, защищая его от механических повреждений и обеспечивающий монолитность конструкции при адгезии к внутренней камере через ячейки сетчатого каркаса.
При проектировании армированной трубы необходимо выбирать материалы каждого из слоев таким образом, чтобы обеспечить работоспособность многослойной конструкции в течение срока эксплуатации трубы при заданных эксплуатационных параметрах.
Для сетей ГВС и отопления с температурой теплоносителя до 95 °С и давлением до 1 МПа была спроектирована труба ДЖИ-ПЕКС-АМТ из сшитого полиэтилена, армированного высокопрочными арамидными нитями. Эти трубы уже на протяжении более 5 лет эксплуатируются в сетях Москвы, Московской области и других регионов Росии. Их применение стало настолько эффективным, что было принято решение на основе накопленного производственного и эксплуатационного опыта осваивать новые сферы для использования армированных труб. Первым шагом стало освоение отопительных систем с температурой носителя до 115 °С и давлением до 1 МПа. Поскольку для полимеров характерно снижение прочностных и эксплуатационных свойств с повышением температуры, увеличение температуры эксплуатации даже на 20 °С потребовало изменений конструкции трубы, усиления армированного каркаса, замены материалов. Именно эту комплексную задачу и предстояло решить при создании труб с повышенной теплостойкостью.
За конструкционную основу была принята труба ДЖИ-ПЕКС-АМТ, но с учетом влияния повышенных температур армирующий каркас был усилен. В качестве внутреннего слоя был выбран модифицированный сшитый полиэтилен, а в качестве наружного слоя – теплостойкий сополимер пропилена с этиленом.
Прочность армированных труб с повышенной теплостойкостью
Армирующий каркас – это основной элемент, определяющий прочность многослойной конструкции, и, соответственно, от материалов, из которых он изготавливается, требуются высокие прочностные показатели. Применение для этих целей нитей из высокопрочного арамидного волокна позволяет снизить материалоемкость труб до 40 % при сохранении эксплуатационных характеристик за счет уменьшения толщины стенки. Как и для всех полимерных материалов, для арамидных волокон характерна температурно-временная зависимость прочности. На сегодняшний день для оценки длительной прочности трубных материалов применяется метод статистической экстраполяции данных, установленный международным стандартом ISO 9080 [1]. В данном стандарте изложена методика по набору и анализу данных, полученных в результате экспериментов по определению прочности при различных температурах и уровнях напряжений в образце в форме трубы.
В работе [2] длительную прочность арамидных волокон определяли при растяжении нитей, а для обработки данных использовался метод, предписанный ISO 9080. Для нитей марки Кевлар-29 фирмы DuPont были получены зависимости при четырех температурах.
При статистической обработке полученных данных было получено обобщенное уравнение температурно-временной зависимости прочности нитей во времени.
Наиболее распространенной и удобной характеристикой нитей является текс – вес в граммах 1000 м нитей, поэтому удобнее оперировать понятием относительной прочности нити – Н/текс. Для Кевлара-29 относительная прочность составляет примерно 2 Н/текс. При экстраполяции по полученному уравнению на 50 лет для температур 105 и 120 °С значение прочности составит 0,813 и 0,731 Н/текс соответственно. С учетом этой зависимости прочности материала армирующего каркаса была спроектирована труба, а прочностной расчет армирующей системы основан на принципах, описанных в статье [3].
Поскольку основную нагрузку под действием внутреннего давления воспринимает на себя армирующий каркас, а внутренняя камера воспринимает лишь минимальные нагрузки, обусловленные конструкцией трубы, то изменение во времени прочности материала камеры не оказывает существенного влияния на несущую способность трубопровода.
Воспринимая нагрузку от внутреннего давления, армирующий каркас деформируется на величину, не превышающую удлинения при разрыве материала каркаса. Для арамидных волокон удлинение составляет 2,5–3 %. Расчет показывает [4], что при принятых конструкционных габаритах внутренняя камера и наружное покрытие воспринимают не более 4 % от внутреннего давления. При номинальном рабочем давлении 1 МПа напряжение в стенке внутренней камеры будет равным 0,35–0,4 МПа.
Способность оболочки из модифицированного сшитого полиэтилена выдерживать такие напряжения при повышенных температурах была подтверждена испытаниями труб ДЖИ-ПЕКС диаметром 32 мм SDR 11 и диаметром 90 мм с толщиной стенки 4 мм при 110 °С и напряжении 2,5 МПа. Образцы труб выдержали испытания в течение 13 600 часов без разрушения при требованиях нормативной документации по времени до разрушения 8760 часов [5].
Результаты испытаний опытных образцов
Для того, чтобы спроектировать трубу на заданный срок эксплуатации (50 лет) в сетях с температурой до 115 °С, необходимо определить времена работы трубы при различных температурах теплоносителя на [I1] весь срок службы. Данный вопрос является далеко не простым, поскольку каждая теплосетевая компания имеет свой температурный график в зависимости от температуры окружающей среды. Для решения этой задачи был взят модельный температурный график с наиболее жесткими тепловыми нагрузками из большого набора температурных графиков в теплосетях в разных регионах страны.
Метод определения модельного температурного графика был следующим:
Были проанализированы реальные временные зависимости температуры теплоносителя в большом количестве теплосетей с температурными графиками 115 °С/70 °С и 110 °С/70 °С. Для анализа был выбран самый холодный отопительный сезон за последние 10 лет – таковым оказался отопительный сезон 2009–2010 гг.
Анализ проводили по теплосетевым компаниям в различных регионах страны, включая районы Сибири с максимальными нагрузками на теплосети в пиковые периоды и с наибольшей продолжительностью отопительного сезона.
Из всего массива данных был выбран температурный график самого холодного месяца в указанный отопительный сезон 2009–2010 гг. и в самой «горячей» теплосети. Таковым оказался график Омской теплосетевой компании (МП г. Омска «Тепловая компания») в феврале 2010 г.
Исходя из предположения о том, что в течение всех месяцев отопительного сезона на протяжении всех 50 лет эксплуатации труб расчетный температурный график будет именно таким, каким он был в Омской теплосетевой компании в самый тяжелый месяц за последние 10 отопительных сезонов, был смоделирован наиболее жесткий температурный график (табл. 1), в котором могут эксплуатироваться трубы с рабочей температурой до 115 °С.
Для построения температурно-временной зависимости прочности труб были проведены испытания опытных образцов трубы на стойкость к внутреннему давлению. Испытания проводили в соответствии с ГОСТ 24157–80 [6] в термошкафах, имитирующих реальные условия эксплуатации трубопровода, а результаты обрабатывали в соответствии с методикой ISO 9080.
