Трубопроводи з пластмас: компенсація лінійного розширення

Трубопровідні мережі з полімерних матеріалів мають незаперечні переваги: вони надійні та довговічні, стійкі до руйнувань і мають найнижчу вартість життєвого циклу.


Однак, успішність поліетиленових труб в інженерних мережах залежить від значно більшої кількості чинників, з-поміж яких згадаймо «ключові»:
- застосування якісних труб;
- фахове виконання проекту;
- професійне проведення будівельно-монтажних робіт;
- експлуатація мереж відповідно до визначених параметрів.
Як засвідчує практика, жоден з цих чинників не можна вважати другорядним, якщо йдеться про надійність та довговічність трубопровідних мереж.

В основі проекту – інформація

Проектні організації щоразу вирішують безліч специфічних завдань, які пов’язані з особливостями прокладання та експлуатації трубопровідних мереж з поліетилену. Зокрема, складним і відповідальним завданням є компенсація лінійного розширення поліетиленових трубопроводів під час експлуатації.

Руйнування трубопроводу з поліетилену, спричинене тепловим подовженням.

Трубопроводи з пластмас мал. 01
Трубопроводи з пластмас мал. 02

При зміні температури середовища, що транспортується поліетиленовими трубопроводами, в мережі відбуваються лінійні зміни: видовження, або скорочення. Вони зумовлені фізичними властивостями поліетиленових труб, які мають значний коефіцієнт теплового лінійного розширення:

α = 2 • 10-4 1/ °С (0,2 мм/м • °С)

Для розрахунку теплового лінійного розширення є чимало спеціальних програм, а також відповідних формул. Зокрема, і така:

Δ l = α (tе - tм) • l 

де Δ l – величина, на яку змінюється довжина трубопроводу, мм;
– максимальна температура експлуатації трубопроводу, °С;
– температура, при якій було завершено монтаж трубопроводу, °С;
l – довжина трубопроводу на час завершення монтажних робіт, м;
α – коефіцієнт теплового лінійного розширення, мм/м °С.

Слід пам’ятати, що довжина трубопроводу збільшуватиметься при tе > tм, а якщо tе < tм – зменшуватиметься, при tе = tм трубопровід не змінюватиме свою довжину.
Наголосимо: подовження трубопроводів можуть бути значними. Наприклад, якщо температура води змінюється на 20º С, то подовження поліетиленової трубопровідної мережі може сягати 4 метрів на 1 кілометр. Тож нехтувати цим явищем необачно і, навіть, безвідповідально.
Дана формула не враховує систему «ґрунт-труба», що при підземній прокладці трубопроводу призводить до неправильних розрахунків. Коли трубопровід прокладається відкритим способом з пошаровим ущільненням ґрунту засипки, то майже всі зусилля, які виникають від лінійного розширення, компенсуються ґрунтом. І при таких умовах виконання додаткових заходів захисту трубопроводу від лінійних розширень не потрібне.
Однак, якщо зміна довжини трубопроводу відбувається безперешкодно, то в трубі не виникають напруження, які здатні спричинити її руйнування. Натомість в нерухомих мережах можуть виникати критичні осьові а також тангенційні напруження.


Аби запобігти руйнівним впливам температурної деформації (спричинюють пошкодження труб, фасонних частин, запірної арматури) потрібно впроваджувати системні рішення задля компенсації лінійних подовжень.
На етапі проектування важливо:

  • - зібрати інформацію про умови та параметри експлуатації трубопровідної мережі (вихідні дані);
  • - провести розрахунки;
  • - обрати метод захисту трубопроводу;
  • - виконати економічне обґрунтування щодо доцільності застосування ПЕ труб.

Аналіз вихідних даних повинен враховувати:

  • інженерно-геологічні вишукування (на підставі цієї інформації проектант приймає рішення про матеріал трубопроводу, обирає основу під трубопровід, визначає матеріал для засипання траншеї);
  • інженерно-геодезичні вишукування (впливають на вибір матеріалу трубопроводу, спосіб його прокладання та інші фактори);
  • відомості про існуючі інженерні мережі (як правило, раніше сформована підземна інфраструктура ускладнює прокладання нових мереж);
  • вихідні дані експлуатуючих організацій (передовсім, потрібно врахувати робочий тиск мережі, а також з’ясувати додаткові вимоги експлуатуючої організації).

Завжди потрібно пам’ятати, що хибні результати аналізу вихідних даних, помилки в розрахунках, або ж застарілі методи проектування – це фактори, які впливають на надійність та довговічність трубопровідної мережі.

Можливості та недоліки

Сьогодні в арсеналі проектанта є різні варіанти компенсації теплового лінійного розширення поліетиленових трубопроводів:

  • n система «ґрунт-труба»;
  • n «Г»-, «Z»-, «П»-подібні повороти траси;
  • n прокладання труби вільним вигином («змійкою»);
  • n застосування нерухомих опор;
  • n застосування осьових компенсаторів.

На жаль, кожний варіант компенсації теплового лінійного розширення ПЕ труб має обмеження та недоліки:

  • система «ґрунт-труба» не працює в умовах, коли трубопровідну мережу прокладають у футлярі;
  • «Г»-, «Z»-, «П»-подібні повороти траси складно або й неможливо

Трубопроводи з пластмас мал. 03

Взаємодія системи «ґрунт – труба».

Трубопроводи з пластмас мал. 04Трубопроводи з пластмас мал. 05

«Г» – «Z» – «П» – подібні повороти траси працюють як компенсатори теплового подовження трубопровідної мережі.

Трубопроводи з пластмас мал. 06
Задля компенсування теплового подовження мережі, поліетиленову трубу можна прокладати вільним вигином («змійкою»). Подовження трубопроводу визначається співвідношенням довжини дуги до довжини хорди.
Трубопроводи з пластмас мал. 07
Трубопроводи з пластмас мал. 08
Осьовий компенсатор.

Трубопроводи з пластмас мал. 09
Один з можливих варіантів виконання нерухомої опори.


Трубопроводи з пластмас мал. 10

Трубопроводи з пластмас мал. 11

Трубопроводи з пластмас мал. 12

Нерухома опора. Приклади виконання

Трубопроводи з пластмас мал. 13
Трубопроводи з пластмас мал. 14

Проектні рішення

  • прокладання «змійкою» не підходить для труб великих діаметрів;
  • нерухомі опори неможливо збудувати в умовах щільної міської забудови;
  • застосування осьових сильфонних компенсаторів спричинює зростання кошторисної вартості проекту; габарити камер мають бути більшими; експлуатуюча організація повинна забезпечити обслуговування таких елементів мережі.

Зосередимо свою увагу на застосуванні нерухомих опор та сильфонних компенсаторів у мережах з поліетиленових труб.

Нерухомі опори

У випадку, коли є небезпека значного подовження/скорочення поліетиленового трубопроводу на прямих ділянках під дією лінійного розширення, а застосування поворотів траси чи прокладання вільним вигином неможливі, найдоцільніше застосовувати нерухомі опори. У такий спосіб фіксується трубопровідна мережа і мінімалізуються напруження, які можуть спричинити руйнування трубопровідної арматури.
Виробники труб з полімерних матеріалів пропонують до застосування опори, які за конструкцією є відтинком ПЕ труби з навареними поліетиленовими сегментами. Ці виступи приварюються до труби нагрітим інструментом встик, або ж за допомогою ручного зварювального апарата (екструдера).
Опори для мереж водопостачання та водовідведення виготовляють відповідно до вимог ДСТУ EN 12201-21 з SDR 9; 11; 13,6; 17,6; 21 діаметром від 160 мм до 1200 мм.


Трубопроводи з пластмас мал. 15

Трубопроводи з пластмас мал. 16

Трубопроводи з пластмас мал. 17

Для поліетиленових мереж газопостачання опори виготовляють за ДСТУ Б.В.2.7-732 або ДСТУ Б EN 1555-23 з SDR 11; 17; 17,6 діаметром від 160 мм до 630 мм та максимальним робочим тиском до 1,0 МПа.
Конструкція опори може мати різні варіанти розміщення певної кількості сегментів. При розміщенні сегментів в один ряд, вони фіксуються по колу на рівновіддаленій відстані один від одного. Також допускається розміщення сегментів у два чи більше рядів. При цьому кожний наступний ряд зміщується щодо попереднього щонайменше на 100 мм.
При прокладанні трубопроводів такі опори замонолічують в армовану нерухому опору та заливаються бетонним розчином, щоб забезпечити нерухомість системи.
Конструкція та розміри бетонних блоків (нерухома опора) залежать від максимального навантаження на опору й властивостей ґрунту. Опори з бетону не повинні створювати додаткове навантаження на трубопровід. Їх потрібно встановлювати на твердий та якісно втрамбований ґрунт (100 кН/м2).
Загальна висота нерухомої опори з армованого бетону залежить від діаметру труби і може становити від 1 до 2 м. Товщина шару бетону під опорою має бути не меншою за 150 мм. Ширина і довжина бетонного блоку опори розраховуються для компенсації максимальних розрахункових навантажень.
До речі, нерухомі опори встановлюються на певній відстані одна від одної, дану відстань необхідно розраховувати для кожного відрізку трубопроводу, перед входами в колодязі (камери), в яких розміщена запірна арматура, та після виходу з них (це робиться для захисту запірної арматури від руйнування та забезпечення нормальної експлуатації).
Правильно запроектовані нерухомі опори під час експлуатації успішно компенсують усі навантаження, які діють на трубопровід.

Сильфонні компенсатори

Малознаний, але ефективний і подекуди чи не єдиний спосіб компенсації теплового лінійного розширення – застосування сильфонних компенсаторів в трубопровідних мережах з поліетилену.
Щоб проілюструвати переваги цього методу компенсації теплового розширення, пропоную розглянути проект з реконструкції водопровідної мережі методом релайнінгу, який був успішно реалізований за кордоном4.
Для відновлення частини трубопроводу діаметром 600 мм і завдовжки 949 м були застосовані труби ПЕ 100 SDR 17 діаметром 315 мм.
На етапі проектування перед фахівцями постало завдання вирішити проблему суттєвого лінійного подовження поліетиленового трубопроводу в умовах, коли різниця температур повітря у міському колекторі і трубопроводі змінювалась у діапазоні 20-30º С, а температура води в мережі становила 10º С.
Запобігти переміщенню кінців труби і виникненню критичних навантажень в конструкції трубопроводу вдалось завдяки застосуванню комплексу проектних рішень. На прямолінійних ділянках мережі було передбачено встановлення нерухомих опор на відстані до 54 м одна від одної. Щоб уникнути руйнівних навантажень на трубопровід та арматуру, проектанти вирішили застосувати «Г»- та «П»-подібні компенсатори, а також сильфонні компенсатори осьового типу з умовним діаметром 300 мм, які розраховані на тиск 0,16 МПа і мають компенсаційну здатність 180 мм.


Трубопроводи з пластмас мал. 18

Осьовий сильфонний компенсатор.

Трубопроводи з пластмас мал. 19

Фіксація сильфонного осьового компенсатора на ділянці «трубопровід - відвід під 90º», який змонтовано в колекторі.

Встановлення компенсаторів такого типу було передбачене на 18 ділянках поліетиленового трубопроводу між двома нерухомими опорами для компенсації лінійних переміщень внаслідок видовження, або скорочення мережі.
На етапі проектування фахівці виконали розрахунок можливих впливів лінійного видовження поліетиленової труби на конструкцію трубопроводу.
Щоб уникнути зміщення кінців труби під час перепаду температур, було проведено розрахунок зусиль N (кН) за формулою (1):

N = αΔT ∙ E ∙ F /1000, (1)

де α – коефіцієнт теплового лінійного розширення, 1/°С (для поліетилену 2 ∙10-4);
ΔT – діапазон зміни температури, 20° С;
E – модуль пружності поліетиленової труби, 800 ∙106 Н/м2;
F – площа стінки труби діаметром 315 мм в її поперечному перетині (для труби SDR 17 з товщиною стінки 18,7 мм) 0,0174 м2;

N =2 ∙10-4 ∙ 20 ∙ 800 ∙ 106 ∙ 0,0174/1000 = 55,6 кН

Для визначення максимальних зусиль Fmax (кН), які діють на поліетиленовий трубопровід, було проведено розрахунок за формулою (2):

Fmax = (π(D2 – (D – 2l)2)/4)σ, (2)

де D – зовнішній діаметр труби (0,315 м);
l – товщина стінки труби (0,0187 м);
σ – межа текучості труби при видовженні (19 ∙ 103 кН/м2);

Fmax =(3,14(0,3152 – (0,315 – 2 ∙ 0,0187) 2)/4) ∙19 ∙103 =330,56 кН

Для перевірки міцності трубопроводу під впливом температурного розширення використовується формула (3):

N ≤ 0,5 Fmax , (3)

де 0,5 – коефіцієнт запасу міцності.
Таким чином отримуємо:

55,6 < 0,5 ∙ 330,56 = 165,28

При дотриманні таких умов міцність трубопроводу буде гарантована.
Величини температурного подовження ΔL на ділянках трубопроводу визначаються за формулою (4):

ΔL = α ∙ ΔT ∙ L1 , (4)

де L1 – довжина ділянки трубопроводу, м.
Вже на етапі проектування було визначено, що величини температурного подовження на ділянках трубопроводу під впливом зміни температури не будуть більшими за 0,18 м. Цей показник був прийнятий за основу при виконанні робіт.
Для запобігання надзвичайним аварійним ситуаціям під час експлуатації компенсаторів (можливе руйнування при максимальному подовженні компенсатора на понад 18 см) були передбачені фіксатори – 6 шпильок, які розміщувались по окружності. Максимальне подовження компенсатора становить 17 см.
До слова, подальший моніторинг водопровідної мережі під час експлуатації засвідчив правильність та ефективність проектних рішень.

Олександр ГРИЦАЙ,
проектувальник інженерних мереж.
Олексій СТОЛЯРЧУК,
проектувальник інженерних мереж.

Література

1. ДСТУ EN 12201-2:2018 Системи трубопровідних систем для водопостачання, дренажу та каналізації під тиском. Поліетилен (ПЕ). Частина 2. Труби (EN 12201-2:2011 + А1:2013, IDT).
2. ДСТУ Б В.2.7-73-98 Труби поліетиленові для подачі горючих газів. Технічні умови.
3. ДСТУ Б EN 1555-2:2012 Системи пластмасових трубопроводів для подачі газоподібного палива. Поліетилен (PE). Частина 2.Труби (EN 1555-2:2010, IDT).
4. В.А. Орлов, С.А. Тимофеев, С.В. Кабачкин. Реконструкция водопроводной сети с использованием полиэтиленовых труб и сильфонных компенсаторов. – Системные технологии. – 2018. – № 27. – С. 105-110.