Меню

Что такое коэффициент запаса прочности полиэтиленовых труб

О коэффициентах запаса прочности и применении ПЭ-80 и ПЭ-100 для полиэтиленовых межпоселковых газопроводов

В европейском ЕН 1555, международном стандарте ИСО 4437, российском стандарте ГОСТ Р 50838, а также украинском стандарте ДСТУ Б-В.2.7-73-98 на газораспределительные полиэтиленовые трубы введено два условия для определения максимального рабочего давления (МОР) газопровода:

— по значению MRS
МОР = 2 · MRS/ (C · (SDR -1)), МПа (1)
— и по критическому давлению (Pc) быстрого распространения трещин
Pc = MOP/2,4 — 0,072
или
МОР = Pc ·2,4+ 0,173, МПа, (2)
причем второе условие распространяется на трубы, предназначенные для трубопроводов, работающих под давлением свыше 0,4 МПа.

Значение Рс , полученное в результате большого количества испытаний труб диаметром 110, 160 и 225 мм с SDR 11, изготовленных из полиэтилена средней плотности типа ПЭ-80, как российского, так и зарубежного производства, составляет 0,18 МПа, максимум 0,2 МПа.
Отсюда, максимальное рабочее давление (МОР), рассчитанное по формуле (2), лежит в пределах от 0,6 до 0,65 МПа.

Поскольку рабочее давление для рассматриваемых труб, изготовленных из ПЭ 80, не может превышать указанных величин, то, в свою очередь, коэффициент запаса прочности (С), рассчитанный по уравнению (1), не может быть меньше 2,5. То есть, снижая коэффициент запаса прочности до 2,0, мы выходим за пределы рабочего давления, ограниченного вторым условием.

Таким образом, при расчете рабочего давления для труб из ПЭ-80 необходимо и достаточно использовать значение коэффициента безопасности равное 2,5. Этим значениям для межпоселковых газопроводов давлением 0,6 МПа удовлетворяют трубы из ПЭ-80 SDR 11.

Участившиеся случаи обозначения некоторыми производителями труб из ПЭ 80 SDR 13,6 для давления 6 бар с неправомерным применением С=2, приводят к дезориентации потребителя и, кроме того, грубо нарушают «Правила безопасности систем газораспределения и газопотребления».

Упомянутые «Правила безопасности систем газораспределения и газопотребления», предписывающие для межпоселковых газопроводов давлением до 0,6 МПа применение С ?2,5, исключают также применение труб ПЭ 100 SDR 17. Несмотря на то, что эти газопроводы соответствуют уравнениям (1) и (2), мы полагаем, что это ограничение является оправданным. Трубы с SDR 17 имеют относительно малую толщину стенки, а для бухт из труб диаметрами 32 110 допускается значительная овальность. Это может привести к тому, что дефекты (смещения) при стыковой сварке могут оказаться критическими для работоспособности газопровода. Кроме того, повреждения поверхности при перевозке, складировании и монтаже трубы оказываются значительно большими по отношению к толщине стенки трубы для труб SDR 17 по сравнению с трубами SDR 11 (13,6).

Следовательно, для межпоселковых газопроводов на 0,6 МПа возможно применение трубы ПЭ-100 SDR 13,6, удовлетворяющей всем требованиям нормативных документов, в том числе, С=2,5. По нашему мнению, наиболее оправдано применение таких труб, начиная с диаметра 160 мм и выше, а трубы диаметрами 315-400 мм должны изготавливаться исключительно из ПЭ 100 для соблюдения норматива по быстрому распространению трещин.

Коэффициент запаса прочности (С) равный 2, введенный в последнюю редакцию ГОСТ Р 50838, может быть применен только к газопроводам из ПЭ 100 с рабочим давлением 1,0 и 1,2 МПа, с учетом того, что Рс для труб, изготовленных из ПЭ 100, существенно превышает значения, полученные для труб из ПЭ 80, и рабочее давление не ограничивается вторым условием. Для этих газопроводов толщина стенок (SDR 11 и SDR 9) является достаточно большой, и применение С=2 является оправданным как с научной, так и с практической точки зрения.

Читайте также:  Не прошел испытание медными трубами

Эта позиция дополнительно подтверждена широкой европейской практикой применения газопроводов SDR 11 из ПЭ-100 на давление 1,0 МПа. Однако, нигде в Европе (а также в России и на Украине) не применяется труба SDR 17 на 0,6 МПа.

Кратко резюмируем для межпоселковых газопроводов:

давление 0,3 МПа и менее -[B] ПЭ-80 SDR 17,6;
давление 0,6 МПа, диаметр 25-110 мм — ПЭ-80 SDR 11;
давление 0,6 МПа, диаметр 160-225 мм — ПЭ-80 SDR 11, ПЭ-100 SDR 13,6;
давление 0,6 МПа, диаметр 315-400 мм — ПЭ-100 SDR 13,6;
давление 1,0 МПа — ПЭ-100 SDR 11;
давление 1,2 МПа — ПЭ-100 SDR 9.

Хочется надеяться, что выш[/B]еприведенные нормы, обоснованные с позиций теории и практики применения полиэтиленовых газопроводов, найдут свое точное и недвусмысленное отражение в нормативных документах Российских и Украинских сертификационных и надзорных органов.

Источник

Выбор характеристик полиэтиленовых труб в зависимости от результатов гидравлического расчета

Selecting Characteristics of Polyethylene Pipes depending on the Hydraulic Calculation Results

Keywords: pressure polyethylene pipes, single-layer pipes, multi-layer pipes, hydraulic calculation of pipelines, flow head losses

Use of pressure polyethylene (PE) pipes for construction of outside networks is becoming more and more popular over the last years. An important stage of outside water supply pipelines’ design is correct selection of pipes. This article describes the main characteristics of pipes, provides an algorithm for hydraulic calculations and recommendations on selection of pipes based on their characteristics.

Использование напорных полиэтиленовых (ПЭ) труб для прокладки наружных сетей получило широкое распространение в последние годы. При проектировании трубопроводов наружного водоснабжения важным этапом является правильный выбор труб. В данной статье описаны основные характеристики труб, дан алгоритм проведения гидравлического расчета и рекомендации по выбору труб в зависимости от их характеристик.

Выбор характеристик полиэтиленовых труб в зависимости от результатов гидравлического расчета

Использование напорных полиэтиленовых (ПЭ) труб для прокладки наружных сетей получило широкое распространение в последние годы. При проектировании трубопроводов наружного водоснабжения важным этапом является правильный выбор труб. В статье описаны основные характеристики труб, дан алгоритм проведения гидравлического расчета, преставлены рекомендации по выбору труб в зависимости от их характеристик.

Использование труб из полиэтилена для устройства трубопроводов наружного водоснабжения, канализации и технологических трубопроводов обусловлено рядом преимуществ, которыми ПЭ-трубы обладают по сравнению с трубами из традиционных материалов, а именно:

  • коррозионная стойкость;
  • срок службы не менее 50 лет * ;
  • санитарно-гигиеническая и экологическая безопасность;
  • низкая шероховатость и практическое отсутствие зарастания труб;
  • высокая стойкость к гидроабразивному износу;
  • высокая химическая стойкость;
  • устойчивость к гидравлическим ударам;
  • устойчивость к воздействию блуждающих токов (не проводят ток);
  • небольшой вес труб;
  • легкость транспортирования;
  • прочность сварных соединений, превосходящая прочность самих труб;
  • высокая ремонтопригодность.

Типы напорных полиэтиленовых труб и выбор способа прокладки

Трубы для водоснабжения и канализации изготавливаются в соответствии с ГОСТ 18599–2001 [1]. Выпускаются следующие типы напорных труб из полиэтилена:

  • однослойные трубы с защитной оболочкой и без нее;
  • многослойные трубы.

Трубы с защитной оболочкой предназначены для траншейного и бестраншейного способов прокладки напорных сетей водоснабжения и водоотведения.

Однослойные трубы из ПЭ 100 или ПЭ 100 RC с/без защитной оболочки

Пример возможного вида труб приведен на рис. 1, 2.

Многослойные трубы из ПЭ 100 или ПЭ 100 RC

Трубы изготавливаются из ПЭ 100 и ПЭ 100 RC. ПЭ 100 RC – новый тип полиэтилена. Отличительной чертой полиэтилена ПЭ 100 RC является повышенная стойкость к распространению трещин по сравнению с обычным полиэтиленом ПЭ 100. При условии соблюдения правил монтажа и эксплуатации срок службы сетей из труб ПЭ 100 RC составляет 100 лет. В соответствии с классификацией труб из ПЭ100 RC РМД 40–20–2016 трубы с защитной оболочкой относятся к типу 3.

Наружные сети из полиэтиленовых труб рекомендуется прокладывать подземным способом, так как при надземной прокладке требуется защита трубопровода теплоизоляционными материалами для предотвращения замерзания транспортируемого вещества при отрицательных температурах воздуха и нагрева стенок труб при воздействии солнечной радиации и повышенных температур воздуха (табл. 1).

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), в каналах (проходных или непроходных) и в грунте (бесканальная прокладка).

Понятия MRS и SDR, применяемые при подборе труб и расчете трубопроводов из полиэтилена

Полиэтилен, как и все термопласты, является вязкоупругим материалом, поведение которого в деформированном состоянии зависит от нагрузки, температуры и времени. Это означает, что закон Гука для него не применим и в соответствии с ГОСТ ИСО 12162 [2] и ISO 9080[3] допустимая нагрузка на трубу при прочих равных условиях зависит от величины минимальной длительной прочности материала, обозначаемой как MRS (Minimum Required Strength). Минимальная длительная прочность – напряжение, полученное путем экстраполяции на срок службы 50 лет в результате испытаний труб на их стойкость к внутреннему гидростатическому давлению воды при ее температуре 20 °C. Напряжение, возникающее в стенке трубы, как известно, прямо пропорционально гидростатическому давлению и приведенному среднему радиусу трубы и обратно пропорционально толщине ее стенки. Поэтому при прочих равных условиях с увеличением толщины стенки трубы увеличивается и допустимое гидростатическое давление, которое в ней может быть создано.

Максимально допустимое рабочее давление в трубопроводе обозначается как MOP (Maximum Allowable Operating Pressure) и определяется по формуле

(1)

С – коэффициент запаса прочности, принимаемый равным 1,25 для водопроводов из полиэтиленовых труб;

SDR – стандартное размерное соотношение, равное отношению номинального наружного диаметра трубы dн к номинальной толщине стенки е, определяется по формуле

(2)

Между SDR и номинальным рабочим давлением PN труб существует зависимость, представленная в табл. 2.

Для маркировки труб вместо SDR иногда используется трубная серия S.

Выражение SDR – 1, входящее в формулу (1), характеризует трубную серию S

(3)

Максимальное рабочее давление в трубопроводе, МПа

(4)

σ – допускаемое напряжение в стенке трубы, равное MRS/C, МПа.

(5)

Зависимости (1) – (5) дают возможность рассчитать соотношение диаметра и толщины стенки трубы применительно к конкретным условиям объекта строительства. Окончательно выбор диаметра трубы производится на основании гидравлического расчета трубопровода.

Гидравлический расчет полиэтиленовых напорных трубопроводов

Гидравлический расчет трубопроводов выполняется с целью определения потерь напора потока, на основании чего в дальнейшем выбираются диаметр труб и марка повысительного (или вакуумного) насоса.

Потери напора Н, мм вод. ст., в общем случае течения жидкости равны

(6)

i – удельная потеря напора на трение, м/м;

hм.с. – потери напора в местных сопротивлениях, м;

l – расчетная длина трубопровода, м;

hв – потери напора в водоизмерительных устройствах, м;

hг.в – геометрическая высота подъема воды (плюс или минус), м;

hг – гарантийный напор перед насосным оборудованием, м;

hсв.н – свободный напор, необходимый для создания комфортной струи в водоразборной арматуре.

Удельная потеря напора i определяется по формуле

(7)

λ – коэффициент сопротивления трения по длине трубопровода;

V – скорость течения жидкости, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

dр – расчетный диаметр труб, м. Допускается определять как d – 2е (наружный диаметр минус две толщины стенки).

Скорость течения жидкости равна

(8)

q – расчетный расход жидкости, м³/c;

w = πdр2/4 – площадь живого сечения трубы, м².

Коэффициент сопротивления трения λ определяется в соответствии с регламентами СП 40-102–2000 [4]

(9)

b – некоторое число подобия режимов течения жидкости. При b > 2 принимается b = 2.

(10)

Re – фактическое число Рейнольдса.

(11)

υ – коэффициент кинематической вязкости жидкости, мг/с. При расчетах холодных водопроводов принимается равным 1,31 · 10 м²/с – вязкость воды при температуре +10 °C;

Reкв – число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области гидравлических сопротивлений

(12)

Кэ – гидравлическая шероховатость материала труб, м. Для труб из полимерных материалов принимается Кэ = 0,00002 м, если производитель труб не дает других значений шероховатости.

В случае течения, когда Re > Reкв, расчетное значение параметра b становится равным 2 и формула (9) существенно упрощается, обращаясь в известную формулу Прандтля

(13)

При Кэ = 0,00002 м квадратичная область сопротивлений наступает при скорости течения воды (υ = 1,31 · 10–6 м²/с), равной 32,75 м/с, что практически недостижимо в коммунальных водопроводах.

Затраты электроэнергии на перекачку жидкости находятся в прямой пропорциональной зависимости от величины Н (при прочих равных условиях). Подставив выражение (9) в формулу (8), нетрудно увидеть, что величина i (а следовательно, и Н) обратно пропорциональна расчетному диаметру dp в пятой степени

(14)

Выше показано, что величина dp зависит от толщины стенки трубы е: чем тоньше стенка, тем выше dg и тем, соответственно, меньше потери напора на трение и затраты электроэнергии.

Таким образом, результаты расчетов толщины стенки е трубы по формулам (1) – (5) в сочетании с результатами гидравлических расчетов по формулам (6) – (14) позволяют выбрать трубу с конкретным значением SDR и конкретным значением MRS. В зависимости от величины расчетного расхода жидкости на объекте и требуемого напора подбирается марка повысительного (вакуумного) насоса. Если в дальнейшем по каким-либо причинам меняется значение MRS трубы, ее диаметр и толщина стенки (SDR) должны быть пересчитаны.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев применение труб с MRS10,0 взамен труб с MRS8,0 позволяет на один типоразмер уменьшить диаметр трубопровода. Например, применение компанией «ИКАПЛАСТ» полиэтилена ПЭ 100 (MRS10,0) взамен полиэтилена ПЭ 80 (MRS8,0) для изготовления труб позволяет уменьшить толщину стенки труб, их массу и материалоемкость.

Литература

  1. ГОСТ 18599–2001 «Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия (с изменением №1)». М., 2001.
  2. ГОСТ ИСО 12162–2017 «Материалы термопластичные для напорных труб и соединительных деталей. Классификация и обозначение. Коэффициент запаса прочности». М., 2017.
  3. ГОСТ Р 54866–2011 (ИСО 9080:2003) «Трубы из термопластичных материалов. Определение длительной гидростатической прочности на образцах труб методом экстраполяции». М., 2011.
  4. СП 40-102–2000 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования». М., 2000.

Статья подготовлена по материалам компании ООО «ИКАПЛАСТ».

* При использовании в сетях холодного водоснабжения и канализации в соответствии с ГОСТ 18599–2001.

Источник

Adblock
detector