Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Игорь Гвоздев, Сергей Шаляпин, Сергей Самойлов

Армирование полимерных труб прочными материалами на сегодня является самым действенным методом роста прочности и, как следует, наибольшего рабочего давления в трубе при существенном понижении материалоемкости и цены труб, без утраты их эксплуатационных черт.

Мультислойная армированная труба состоит из последующих главных частей:

— внутренняя камера — герметизирующая полимерная оболочка, по которой транспортируется водянистая либо газообразная среда под давлением;

— армирующий каркас — слой из прочных материалов (железные, синтетические, минеральные нити либо ленты) нанесенные, в большинстве случаев, в форме сетки на внутреннюю камеру способом обмотки либо оплетки. Армирующий слой принимает на себя основную нагрузку, возникающую от деяния внутреннего давления;

— внешний 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 нужно выбирать материалы каждого из слоев таким макаром, чтоб обеспечить работоспособность мультислойной конструкции в течение срока эксплуатации трубы при данных 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 целофана, армированного прочными арамидными нитями. Эти трубы уже в протяжении более 5 лет эксплуатируются в сетях Москвы, Столичной области и других регионов нашей страны. Их применение стало так действенным, что было принято решение на базе скопленного 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. Так как для полимеров типично понижение прочностных и эксплуатационных параметров с увеличением температуры, повышение температуры эксплуатации даже на 20°С потребовало конфигураций конструкции трубы, усиления армированного каркаса, подмены материалов. Конкретно эту всеохватывающую задачку и предстяло решить при разработке труб с завышенной теплостойкостью.

За конструкционную базу была принята труба ДЖИ-ПЕКС-АМТ, но с учетом воздействия завышенных температур армирующий каркас был усилен. В качестве внутреннего слоя был избран измененный сшитый целофан, а в качестве внешнего слоя — термостойкий сополимер пропилена с этиленом.

Крепкость армированных труб с завышенной теплостойкостью

Армирующий каркас — это основной элемент, определяющий крепкость мультислойной конструкции, и, соответственно, от материалов, из которых он делается, требуются высочайшие прочностные характеристики. Применение для этих целей нитей из прочного арамидного волокна позволяет понизить материалоемкость труб до 40% при сохранении эксплуатационных черт за счет уменьшения толщины стены. Как и для всех полимерных материалов, для арамидных волокон свойственна температурно-временная зависимость прочности. На сегодня для оценки долговременной прочности трубных материалов применяется способ статистической экстраполяции данных, установленный интернациональным эталоном ISO 9080 [1]. В данном эталоне изложена методика по набору и анализу данных, приобретенных в итоге тестов по определению прочности при различныхтемпературах и уровнях напряжений в образчике в форме трубы.

В работе [2] долгосрочную крепкость арамидных волокон определяли при растяжении нитей, а для обработки данных употреблялся способ, предписанный ISO 9080. Для нитей марки Кевлар-29 компании DuPont были получены зависимости при 4 температурах (рис. 1).

При статистической обработке приобретенных данных было получено обобщенное уравнение температурно-временной зависимости прочности нитей во времени.

Более всераспространенной и комфортной чертой нитей является текс — вес в граммах 1000 м нитей, потому удобнее оперировать понятием относительной прочности нити — Н/текс. Для Кевлара-29 относительная крепкость составляет приблизительно 2 Н/текс. При экстраполяции по приобретенному уравнению на 50 лет для температур 105°С и 120°С значение прочности составит 0,813 Н/текс 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, обрисованных в статье [3].

Так как основную нагрузку под действием внутреннего давления принимает на себя армирующий каркас, а внутренняя камера принимает только малые нагрузки, обусловленные конструкцией трубы, то изменение во времени прочности материала камеры не оказывает существенного воздействия на несущую способность трубопровода.

Воспринимая нагрузку от внутреннего давления, армирующий каркас деформируется на величину, не превосходящую удлинения при разрыве материала каркаса. Для арамидных волокон удлинение составляет 2,5-3%. Расчет указывает [4], что при принятых конструкционных габаритах внутренняя камера и внешнее покрытие воспринимают менее 4% от внутреннего давления. При номинальном рабочем давлении 1 МПа напряжение в стене внутренней камеры будет равным 0,35-0,4 МПа.

Способность оболочки из измененного сшитого целофана выдерживать такие напряжения при завышенных температурах была доказана испытаниями труб ДЖИ-ПЕКС поперечником 32 мм SDR 11 и поперечником 90 мм с шириной стены 4 мм при 110°С и напряжении 2,5 МПа. Эталоны труб выдержали тесты в течение 13 600 часов без разрушения при требованиях нормативной документации по времени до разрушения 8760 часов [5].

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Результаты испытаний опытнейших образцов

Для того, чтоб спроектировать трубу на данный срок эксплуатации (50 лет) в сетях с температурой до 115°С, нужно найти времена работы трубы при разных температурах теплоносителя на весь срок службы. Данный вопрос является далековато не обычным, так как любая теплосетевая компания имеет собственный температурный график зависимо от температуры среды. Для решения этой задачки был взят модельный температурный график с более жесткими термическими нагрузками из огромного набора температурных графиков в теплосетях в различных регионах страны.

Способ определения модельного температурного графика был последующим:

1. Были проанализированы реальные временные зависимости температуры теплоносителя в большенном количестве теплосетей с температурными графиками 115°С/70°С и 110°С/70°С. Для анализа был избран самый прохладный отопительный сезон за последние 10 лет — таким оказался отопительный сезон 2009-2010 гг.

2. Анализ проводили потеплосетевым компаниям в разных регионах страны, включая районы Сибири с критическими нагрузками на теплосети в пиковые периоды и с большей длительностью отопительного сезона.

3. Из всего массива данных был избран температурный график самого прохладного месяца в обозначенный отопи-

тельный сезон 2009-2010 гг. и в самой «горячей» теплосети. Таким оказался график Омской теплосете-вой компании (МП г. Омска «Тепловая компания») в феврале 2010 г.

4. Исходя из догадки о том, что в течение всех месяцев отопительного сезона в протяжении всех 50 лет эксплуатации труб расчетный температурный график будет конкретно таким, каким он был в Омской теплосетевой компании в самый тяжкий месяц за последние 10 отопительных сезонов, был смоделирован более жесткий температурный график (таблица 1), в каком могут эксплуатироваться трубы с рабочей температурой до 115°С.

Для построения температурно-временной зависимости прочности труб были проведены тесты опытнейших образцов трубы на стойкость к внутреннему давлению. Тесты проводили в согласовании с ГОСТ 24157-80 [6] в термошкафах, имитирующих реальные условия эксплуатации трубопровода, а результаты обрабатывали в согласовании с методикой ISO 9080.

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

На рис. 3 представлены результаты испытаний и температурно-временные зависимости прочности трубы, рассчитанные по уравнению, приобретенному после статистической обработки данных по ISO 9080 с нижним доверительным интервалом при вероятности 97,5% (LPL). Для армированной трубы не существует понятия «напряжение в стене трубы», потому что все слои

мультислойной конструкции нагружены по-разному. Потому уравнение представлено как функция давления в виде:

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Для расчета наибольшего допустимого напряжения для труб, подверженных действию различного внутреннего давления и/либо переменным температурам в протяжении их срока эксплуатации, употребляется способ, предписанный ISO 13760 [6]. Данный эмпирический способ известен обычно Майнера и в случае армированных труб может быть применен для расчета наибольшего допустимого рабочего давления в трубе при разных режимах и сроках эксплуатации.

Правило Майнера основано на последующих допущениях:

а) Суммарное повреждение материала либо продукта определяется с допущением, что определенный нрав воздействия является неизменным (100%).

б) При неизменных критериях приобретенное повреждение пропорционально длительности воздействия. Материал либо продукт будет выдерживать воздействие прямо до разрушения.

в) Если материал подвергается воздействию не безпрерывно, а лишь на протяжении части года (т.е. а,- % от года, заместо 100%), годичное повреждение будет не 100/1, %, a a,/1, %.

г) В случае повреждений схожего нрава, но при разных наборах критерий (разная твердость, температура, давление, напряжение и т. д.), суммарное повреждение за год будет комбинированным эффектом разных наборов критерий. Правило аддитивности заключается в том, что разбитые значения повреждения могут быть суммированы. Результатом будет общее повреждение при разных критериях.

Используя температурно-временную зависимость прочности труб, вычисляют предельное время работы t, трубопровода при разных температурах теплоносителя, при всем этом в расчете предсказываемое рабочее давление множат на коэффициент припаса прочности, зависящий от температуры эксплуатации.

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Общее значение скопленных повреждений при долговременной эксплуатации (TYD) рассчитывают по формуле:

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Если расчетный срок службы отличается от данного, в расчет по уравнению долговременной прочности вводят другое значение рабочего давления и способом поочередного приближения вычисляют рабочее давление для данного срока службы.

Используя изложенный принцип расчета, можно проводить проверку работоспособности трубопровода в данных критериях эксплуатации либо выбирать характеристики трубопровода для требуемых критерий эксплуатации.

В таблице 2 приведены результаты расчета срока эксплуатации трубы с температурным режимом по таблице 1 и давлении 11 бар. Время работоспособности трубопровода t, для каждой температуры рассчитано по уравнению (2). Рабочее давление, рассчитанное способом поочередного приближения для срока эксплуатации 50 лет, составляет 11 бар. При всем этом коэффициент припаса прочности для температур с большей толикой времени работы принят равным 1,5.

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Для доказательства работоспособности труб ДЖИ-ПЕКС-115-АМТ в реальных критериях на РТЭС Люблино (Москва, ОАО МОЭК) был организован полигон для проведения испытаний экспериментального участка трубопровода И30ПР0ФЛЕКС-115А 90/125, внутренняя напорная труба которого ДЖИ-ПЕКС-115-АМТ 90.

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Для расчета режима тесты учитывали толики временного воздействия температур, приобретенные из реальных температурных графиков, предоставленных спецами ОАО МОЭК. Исходя из приобретенного графика и предсказуемого срока тесты, было рассчитано давление с уменьшенным коэффициентом припаса для оценки работоспособности экспериментального трубопровода. Поддерживать температуру теплоносителя в трубе неизменной не удавалось, потому температуру регистрировали каждую минутку, потом рассчитывали время воздействия температуры в часах и усредняли по данному спектру температур в интервале +5°С. При неизменном мониторинге режим тесты корректировали по давлению и температуре.

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

График конфигурации температуры и давления в трубопроводе представлен на рис. 5, а усредненные времена воздействия температур — в таблице 3.

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Расчет срока службы по правилу Майнера и уравнению (2) температурно-временной зависимости для приобретенного температурного графика представлен в таблице 4.

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Общее время работы трубопровода (2139 часов) в опытнейших критериях эксплуатации превысило расчетное без разрушения трубы на опытнейшем участке.

Не считая того, приобретенные толики временного воздействия завышенных температур при опытнейшей эксплуатации существенно превосходят толики, принятые для температурного графика первичного контура отопительных сетей. За обозначенный период также были и большие скачки температуры выше 120°С, в общей трудности время воздействия критичной температуры (>120°С) составило около 2 часов, а выше очень допустимой рабочей температуры (>115°С) -более суток, что составляет годичную норму для 115°С.

Наибольшее же значение температуры во время испытаний составило 127°С.

Таким макаром, на основании результатов лабораторных испытаний опытнейших образцов и тесты опытнейшего трубопровода установлено, что мультислойные армированные трубы ДЖИ-ПЕКС-115-АМТ с термический изоляцией могут эксплуатироваться в сетях отопления с наибольшим рабочим давлением до 1 МПа и температурой теплоносителя до 115°С до 50 лет.

Перечень литературы

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

2. G. M. Fallatah, N. Dobbs, A.G. Gibson. Long term creep and stress rupture of aramid fibre. — Plastics, Rubber and Composites, 2007 vol. 36 № 9.

3. Гориловский М.И., Гвоздев И.В., Швабауэр В.В. К вопросу прочностного расчета армированных полимерных труб. — Полимерные трубы, №2, 2005.

4. Лепетов В.А., Юрцев Л.Н. Расчеты и конструирование резиновых изделий и технологической оснастки. М.: Истек, 2006.

5. Plastics piping systems for hot and cold water installations -crosslinked polyethylene (PEX) — pipes, ISO 15875-2, 2003.

6. Plastics pipes for conveyance of fluids under pressure — Miner’s rule — Calculation method for cumulative damage, EN ISO 13760,1998.

Армированные трубы c завышенной теплостойкостью

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

recuperatio.ru