IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

 

1.   Пластиковые трубы: сравнительная характеристика полимерных материалов

Сегодня на рынке труб предлагается большой ассортимент стальных, чугунных и пластмассовых труб. Металлические трубы прокладывали в России издавна, пластмассовые стали популярны в последнее десятилетие. Сегодняшние трубопроводы российских городов на 80% состоят из чугунных и стальных труб, срок службы которых составляет 15-20 лет из-за низкой коррозионной стойкости. В большинстве населенных пунктах 70% трубопроводов имеют физический износ 95% и более.

В европейских странах решение подобных проблем привело к разработке альтернативных материалов. Так, в середине 60-х годов появились полимерные трубы, смонтированные более 30-ти лет назад, они до сих пор сохранили свои первоначальные свойства.

Динамика развития рынка полимерных труб в России в период с 2001 по 2008 годы показывает, что рост производства и потребления полимерных труб составляет около 430%. При этом рост объемов потребления полиэтиленовых труб составил 390%, а труб из НПВХ 270%. Около 60% полимерных труб используется в сетях водоснабжения и более 27% - в газораспределительных сетях. В основном это полиэтиленовые трубы.

Чтобы разобраться в достоинствах и недостатках полимерных труб, необходимо начать с изучения свойств самих полимеров, из которых они изготовлены, так как химическое строение вещества и определяет его будущие свойства.

Полимеры - это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из повторяющихся структурных элементов-звеньев, соединенных в цепочки химическими связями. Следует иметь в виду, что характерные свойства полимеров могут быть реализованы только тогда, когда связи вдоль цепи намного прочнее поперечных связей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодействия любого происхождения. Именно в этом и состоит особенность строения полимерных молекул, что определяет весь комплекс специфических свойств полимеров, таких как способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; высокая конформационная гибкость цепи - упругость, эластичность; резкое изменение свойств при добавлении небольших количеств низкомолекулярных веществ; способность в высокоэластичном состоянии набухать под действием растворителя - высокая устойчивость к химически агрессивным средам; хорошие диэлектрические и теплоизоляционные свойства.

Полиэтилен (ПЭ)

Полиэтилен - это термопластичный полимерный материал, который получают полимеризацией продукта переработки нефти - этилена, молекулы которого полимеризуются в высокомолекулярное соединение [ - СН2 - СН2 -]n.

В зависимости от условий полимеризации различают три вида полиэтилена: полиэтилен высокого давления (ПЭВД, или низкой плотности ПЭНП), полиэтилен среднего давления ПЭСД и полиэтилен низкого давления (ПЭНД, или высокой плотности ПЭВП). Несмотря на то, что различные виды полиэтилена получают из одного и того же мономера, они представляют собой совершенно различные материалы. Это объясняется разным строением макромолекул и разной способностью к кристаллизации, что влияет на конечные свойства полиэтилена. Полимерные трубы производят из полиэтилена высокой плотности (ПЭНД), имеющий линейное строение и высокую степень кристалличности - жесткий полимер, на его основе производят трубный полиэтилен марок ПЭ63, ПЭ80 и ПЭ100.

В ряду ПЭ63, ПЭ80, ПЭ100 происходит увеличение молекулярной массы и плотности, что приводит к улучшению физико-механических свойств полиэтилена - возрастает прочность на разрыв, разрывное удлинение, длительная прочность, теплостойкость, стойкость к растрескиванию под нагрузкой.

Жесткость, стабильность размеров изделий в широком диапазоне температур, сохранение достаточно высокой прочности и эластичности при низких температурах - повышенная морозостойкость - основные характерные свойства трубного полиэтилена.

Также полиэтилен обладает стойкостью к большинству химически агрессивных сред, лишь при повышении температуры (70ºС и выше) набухает, а затем растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах. Масла, жиры, керосин и другие нефтеуглеводороды практически не действуют на полиэтилен. Также материал имеет хорошую стойкость к большинству органических и неорганических кислот, щелочей и солей.

Перспективность применения полиэтиленовых труб обусловлена сочетанием гибкости и прочностных характеристик, устойчивостью к долговременным гидравлическим нагрузкам, надежностью, долговечностью, коррозионной и химической стойкостью.

 

Поливинилхлорид (ПВХ)

Поливинилхлорид (ПВХ) [ - СН2 - СНCl - ]n - один из наиболее давно известных полимеров, превосходящие все другие по разнообразию возможностей переработки и применения. К преимуществам применения ПВХ относятся широкие возможности модификации полимера разнообразными добавками. В чистом виде ПВХ не используется, так как это крайне нетермостабильный материал, который под действием высоких температур начинает интенсивно деполимеризоваться с выделением хлористого водорода, хлористого винила, окиси углерода и других соединений.

Когда говорят о ПВХ, имеют в виду композицию, состоящую из полимера и разнообразных добавок, делающих полимер способным к удовлетворительной переработке. Поэтому смеси на его основе обычно классифицируют как жесткий и пластифицированный (эластичный) материал. Жесткий ПВХ обычно называют непластифицированный ПВХ - НПВХ. В композицию жесткого ПВХ, из которого изготавливают трубы, вводят стабилизаторы для повышения способности материала к переработке при повышенных температурах и эксплуатации при воздействии внешних атмосферных факторов, модификаторы ударопрочности для увеличения стойкости к различным нагрузкам при эксплуатации, наполнители, повышающие стойкость к воздействии внешних факторов (атмосферостойкость, морозостойкость и т.д).

В зависимости от способа полимеризации различают суспензионный, эмульсионный ПВХ. Для производства пластмассовых труб используют суспензионный ПВХ. Степень полимеризации, молекулярная масса характеризуется константой Фикентчера К, величина которой связана с вязкостью полимера. С ростом К увеличиваются вязкость расплава, теплостойкость и улучшаются физико-механические свойства.

Главные качества ПВХ в строительстве: износоустойчивость, механическая прочность, жесткость, небольшая масса, устойчивость к коррозии, менее чувствителен к УФ-излучению. Однако при низких температурах хрупок, прочность на удар невысока. Но введение в композиции ударопрочных добавок позволяет производить трубу с более высокими физико-механическими показателями. Трубопроводы из ПВХ - сам материал, процесс переработки и свойства готовых изделий подробно исследованы, проанализированы, конструкции проверены и спроектированы таким образом, чтобы отвечать стандартам на протяжении 50 лет (предел прочности) при удвоении давления в ходе эксплуатации.

Имеет высокую длительную прочность, повышенный модуль упругости (до 3000-3500 МПа). ПВХ обладает низкой проницаемостью по отношению к жидкостям, парам и газам.

На сегодняшний день пластиковые трубы приобретают всё большую популярность. Это связано, прежде всего, с тем, что полимерные материалы имеют ряд очевидных преимуществ:

1. Универсальная химическая стойкость труб из ПЭ и ПВХ позволяет использовать их в различных системах - как в канализации, так и в хозяйственно-питьевом водоснабжении.

2. Сам материал (ПЭ и ПВХ), процесс переработки и свойства готовых изделий подробно исследованы, а конструкции проверены и спроектированы таким образом, чтобы они отвечали существующим стандартам на протяжении 50 лет (предел прочности) при увеличении давления в ходе эксплуатации.

3. Полимеры - хорошие диэлектрики, поэтому отпадает необходимость применения изоляции и защиты от блуждающих токов. Кроме того, существует возможность использования трубопровода как электрического защитного.

4. Пластиковые трубопроводы не подвержены коррозии, не зарастают, обеспечивая постоянными качество воды и пропускную способность трубопровода.

5. Несмотря на свою легкость (их плотность в 5-8 раз ниже плотности металлов), они достаточно прочные и эластичные, и способны выдерживать давление до 16 атм.

6. Теплопроводность полимерных труб ниже, чем у металлов, что, в частности, снижает теплопотери и уменьшает образование конденсата на поверхности трубы.

7. Ввиду своей легкости, простоты погрузки и перевозки, полимерные трубы удобны в плане транспортировки - одно транспортное средство способно перевезти большее количество пластикового трубопровода, чем, к примеру, металлического. Легкость установки и монтажа трубопроводов (для НПВХ труб - раструбное соединение, для ПЭ труб - сварное соединение) также является весомым преимуществом.

8. Сварные соединения пластиковых труб сохраняют надёжность в течение всего срока эксплуатации, что подтверждено гидравлическими испытаниями.

9. Довольно значимым для сурового климата нашей страны оказалось снижение вероятности разрушения трубопровода при замерзании жидкости. Полиэтиленовые трубы при этом не разрушаются, а увеличиваются в диаметре, приобретая прежний размер при оттаивании льда.

10. Вероятность утечек и прорывов, т. е. проникновение внешних вод в систему питьевого водоснабжения, значительно мала по сравнению с существующими системами, которые подвержены коррозии и не устойчивы к скачкам давления.

11. Еще одним преимуществом полимерных трубопроводов является простота их использования для устройства подводных трубопроводов. Весь комплекс монтажных работ проводится на берегу, а затем производится постепенное затопление уже готового трубопровода, что облегчает и удешевляет строительство.

12. Трубы из полиэтилена значительно длиннее металлических, поэтому существует возможность укладывать одним отрезком длинные участки.

13. Пластиковые трубы обладают высокими санитарно-гигиеническими показателями.

14. Унифицированный стандарт для полимерных труб (ГОСТ 18599-2001, ГОСТ Р 52134-2003 для труб из ПЭ для водоснабжения, ГССТ Р 50838-95 для газоснабжения, ГОСТ Р 51613-2000 - для напорных систем труб из ПВХ), что обеспечивает возможность приобретать трубы и фитинги разных производителей, все они являются взаимозаменяемыми.

Наряду с достоинствами системы трубопроводов из современных материалов имеют и некоторые недостатки. К ним, в частности, можно отнести старение материалов под воздействием УФ-излучения, однако этот процесс можно замедлить введением антиоксидантов, светостабилизаторов или химическим модифицированием. ПВХ при этом менее чувствительны к излучению, поэтому их используют в водосточной системе и канализации.

Прочность полимеров также зависит от температуры внутренней среды, что ограничивает пределы их использования. Для полиэтилена это значение составляет 0...+40ºС, для поливинилхлорида - 0...+60ºС.

2.      Целесообразность и эффективность применения полиэтиленовых труб

Газоснабжение представляет собой сложнейшую инженерную систему, обеспечивающую безопасную подачу газа по трубам ко всем потребителям. Трубы для газоснабжения являются составной частью этой сложной инженерной системы. В связи с этим выбор материала труб для газоснабжения имеет первоочередное и определяющее значение. Так как газ - это взрыво-, пожароопасное вещество, трубы для газоснабжения, как и все остальные составляющие части системы газоснабжения должны отвечать определенным требованиям техники безопасности. Поэтому очень важную роль в характеристике используемых труб для газоснабжения играет их прочность, стойкость к коррозии, долговечность и герметичность.

При строительстве подземных газопроводов широко используется полиэтиленовые трубы, которые обладают рядом преимуществ по сравнению со стальными.

Полиэтиленовые трубы для газоснабжения укладывают прямо в грунт без специальной защиты и изоляции, в которых нуждаются стальные трубы. Полиэтиленовые трубы весят  в 7 раз меньше стальных аналогичного диаметра и поставляются в бухтах или намотанными на барабаны.

Высокая пластичность полиэтиленовых труб для газоснабжения и прочность на разрыв позволяют прокладывать их в пучинистых грунтах и в регионах с повышенной сейсмической активностью.

По мнению многих ведущих специалистов газовой отрасли, широкое применение полиэтиленовых труб для газоснабжения способно радикальным образом изменить способы и темпы газификации. Полиэтиленовые трубы обладают целым рядом преимуществ, определяющих целесообразность и высокую эффективность их использования. Срок службы полиэтиленовых труб для газопроводов значительно больше, чем металлических.

Они не боятся почвенной коррозии, не требуют защиты от блуждающих токов, легче стальных в два-четыре раза, выпускаются длинномерными отрезками, требуют меньших затрат на транспортировку. При правильной организации работ, скорость строительства газопроводов с использованием полиэтиленовых труб для газоснабжения в два-три раза выше скорости строительства из стальных труб. Стоимость строительства газопроводов с использованием полиэтиленовых труб в среднем ниже по сравнению со строительством стальных газопроводов. Затраты труда при использовании полиэтиленовых труб в строительстве газопроводов меньше в три раза, чем при монтаже аналогичных стальных конструкций.

Полиэтиленовые трубы характеризуются полным отсутствием коррозии. В отличие от стали, физические и химические свойства полиэтиленовых труб гарантируют герметичность и устойчивость к потере массы под воздействием агрессивных веществ (кислоты, щелочи и др.), находящихся в почве и в транспортируемой среде, в течение всего срока эксплуатации. Полиэтиленовые трубы стойки к деструкции в атмосферных условиях. Полиэтиленовые трубы пластичны, радиус изгиба труб - не менее 10 наружных диаметров.

Поэтому при монтаже трубопровода требуется меньше соединительных деталей, упрощается проектирование и строительство трубопровода. Для сварки полиэтиленовых труб не требуется тяжелая техника, ниже потребление электроэнергии (либо топлива) по сравнению со сваркой стальных труб. Применение длинномерных труб в бухтах снижает количество сварных соединений в 15-20 раз. Все это значительно ускоряет строительство полиэтиленового трубопровода и снижает стоимость монтажа.

Полиэтиленовые трубы имеют пропускную способность на 25-30% выше, чем у стальных за счет гладкой внутренней поверхности и отсутствия внутренних отложений. Внутренний диаметр стальных труб со временем уменьшается вследствие коррозионного зарастания. Диаметр же полиэтиленовых труб увеличивается в процессе эксплуатации без потери работоспособности за счет характерного для полиэтилена явления ползучести. Это увеличение составляет около 1,5% за первые 10 лет и около 3% за весь срок службы трубопровода. Вследствие этого внутренняя поверхность полиэтиленовых труб со временем становится более мягкой и гладкой, что улучшает условия обтекания стенки полиэтиленовой трубы и снижает сопротивление движению. К достоинствам полиэтиленовых труб также относятся надежность, долговечность, низкие эксплуатационные расходы. Срок службы стальных подземных трубопроводов составляет не более 25 лет. Тогда как срок эксплуатации полиэтиленовых трубопроводов - не менее 50 лет. Такие трубы могут эксплуатироваться при температурах от -50°C до + 60°C.

В России накоплен достаточно большой опыт применения полиэтиленовых труб для газоснабжения. Однако сегодня их применяют при строительстве немногим более 20% новых газопроводов низкого и среднего давления (5 лет назад не более 2%). В Московской области в этом плане новые технологии при строительстве газопроводов применяются активнее, - протяженность полиэтиленовых труб составляют порядка 65% от общей протяженности строящихся газопроводов с давлением газа до 6 атмосфер.

 

Таблица 1. Скорость и потери напора в металлических и полиэтиленовых трубах

Труба	Расход, м3/ч	Скорость, м/с	Потери напора, м/100м
Сталь новая 133х5	60	1,4	3,6
Сталь старая 133х5	60	1,4	6,84
ПЭ 100 110х6,6 (SDR17)	60	2,26	4,1
ПЭ 80 110х8,1 (SDR13,6)	60	2,41	4,8
Сталь новая 245х6	400	2,6	4,3
Сталь старая 245х6	400	2,6	7,0
ПЭ 100 225х13,4 (SDR17)	400	3,6	4,0
ПЭ 80 225х16,6 (SDR13,6)	400	3,85	4,8
Сталь новая 630х10	3000	2,85	1,33
Сталь старая 630х10	3000	2,85	1,98
ПЭ 100 560х33,2 (SDR17)	3000	4,35	1,96
ПЭ 80 560х41,2 (SDR13,6)	3000	4,65	2,3
Сталь новая 820х12	4000	2,23	0,6
Сталь старая 820х12	4000	2,23	0,87
ПЭ 100 800х47,4 (SDR17)	4000	2,85	0,59
ПЭ 80 800х58,8 (SDR13,6)	4000	3,0	0,69

В Европе этот показатель превышает 95%. В Японии, например, в законодательном порядке стальные трубы заменяются на трубы полиэтиленовые. Немаловажной особенностью применения полиэтиленовых труб для водо- и газоснабжения является их высокая устойчивость к различным видам электрохимической коррозии. Расходы на защиту от коррозии снижаются практически до нуля. В европейской части России и Западной Сибири, где активная газификация проводилась в 70-е годы прошлого столетия, проблема изношенности газопроводов вследствие их коррозии требует больших затрат и неусыпного внимания эксплуатационных служб.

Использование труб из полиэтилена при ремонте изношенных газопроводов и прокладке новых (строительство газопроводов) позволяет значительно снизить остроту проблемы антикоррозийной защиты и повысить безопасность газовых объектов. Несмотря на весомые преимущества полиэтиленовых труб и мировой опыт в их использовании при газификации, существует целый ряд факторов, которые тормозят его активное применение.

Это - недооценка возможности, целесообразности и эффективности применения полиэтиленовых труб в экономике со стороны конечных потребителей, в том числе при формировании программ газификации, строительных программ, программы реформы ЖКХ, занятость рыночной ниши металлическими трубами, недостаточность нормативной базы.

Они довольно чувствительны к температуре. Показатели предельного рабочего давления в трубах уменьшаются с повышением температуры, а при 100 градусах Цельсия полиэтиленовые трубы просто плавятся. Кроме того, полиэтиленовые трубы чувствительны к ультрафиолетовому солнечному излучению. Чтобы устранить эту зависимость, при изготовлении в полиэтилен добавляют сажу. В связи с этим, полиэтиленовые трубы пока не используют для магистральных газопроводов, хотя технология изготовления постоянно совершенствуется, что дает реальную возможность завоевания полиэтиленовыми трубами почти всех областей народного хозяйства.

3.   Выполнение соединений сваркой в системах из полиэтиленовых труб

 

Соединения полиэтиленовых труб можно разделить на два типа:

Неразъемные:

• произведенные сваркой встык с помощью сварочного инструмента;
• электромуфтовые;

Разъемные:

• фланцевые;
• раструбные с эластичными уплотнителями.

Как правило, для трубопроводов, работающих под давлением, используют неразъемные соединения - сварку встык или муфтовую сварку, хотя нельзя сказать, что фланцевые соединения менее надежны. Разъемные виды соединений более подходят для безнапорных систем, в каждом же частном случае более подходящий способ соединения выбирается исходя из конкретных условий. Сварные и электросварные соединения, используемые для монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб, имеют высокую прочность, герметичны и стойки к внешним разрушающим воздействиям в процессе монтажа и эксплуатации.

Гибкость полиэтиленовых труб и надежность соединений делают полиэтиленовые трубопроводы незаменимыми в сейсмически активных областях и в местах, где возможны подвижки почвы. Сшитый полиэтилен обладает молекулярной памятью: в процессе монтажа труба "самоусаживается" на фитинге, образуя соединение, прочность которого выше прочности самой трубы. Отходов при монтаже или сварке полиэтиленовых труб практически не бывает. Скорость этих операций в сравнении с металлическими трубами выше в 2-4 раза.

В настоящее время сварка является наиболее популярным способом соединения полиэтиленовых труб. Этот способ позволяет соединять трубы непосредственно друг с другом или с фасонными частями.

Соединение сваркой:

Трубы, соединенные сваркой, имеют не меньшую прочность, чем до выполнения соединения; таким образом, сваренный трубопровод можно сравнить с одной очень длинной трубой.

Техника сварки гарантирует, что по всей длине трубопровода сохранится присущая полиэтиленовым трубам гибкость. Можно соединить длинный трубопровод на поверхности земли, а затем уложить его в траншею (рис.3) . При такой процедуре не возникает никаких проблем, независимо от того, предусматривается ли проектом традиционная укладка труб, открытым способом или бестраншейная реновация.

Чаще всего для ПЭ напорных труб используют два метода сварки: электромуфтовую (рис.4) и стыковую сварку (рис.5).

Стыковая сварка

Стыковая сварка - это технология, которая уже многие годы применяется для соединения полиэтиленовых труб диаметром более 50 мм. Концы труб устанавливают и соединяют в специальной машине для стыковой сварки. После выравнивания и фиксации края труб гладко зачищают при помощи специального электрического приспособления, обеспечивая их взаимную параллельность. Затем концы труб разогревают нагревательной плитой с фторопластовым покрытием, температура которой регулируется термостатом. Нагревательную плиту помещают между подлежащими соединению концами труб. Когда края труб достаточно расплавятся, плиту убирают, а концы труб прижимают друг к другу и дают трубам остыть.

После сварки стыка на наружной и внутренней поверхности трубы образуется шов. Его можно легко удалить при помощи специального оборудования. Качество соединения быстро и надежно устанавливается визуальным контролем шва снаружи.

Электромуфтовая сварка

При электромуфтовой сварке разогрев труб обеспечивается за счёт применения полиэтиленовых фасонных частей с заделанными в них при изготовлении нагревательными элементами. Выпускаются оборудованные вмонтированными электроспиралями ответвительные седла, отводы, тройники, заглушки, когда по спирали проходит электрический ток, она действует как нагревательный элемент, в результате чего полиэтилен расплавляется, и фасонная часть приваривается к стенке трубы.

Перед сваркой поверхность на свариваемых участках должна быть механически зачищена для удаления возможных загрязнений и окисной плёнки.

Важно обеспечить полную неподвижность полиэтиленовой трубы и фасонной части как в процессе нагрева при прохождении электрического тока, так и в процессе остывания. В случае приваривания ответвительного седла должны применяться правильно подобранные зажимы.

Правила проведения стыковой сварки контактным нагревом

Подобная операция производится при помощи сварочно-монтажной установки (рис.6) предназначенной для сварки полиэтиленовых трубопроводов при толщине стенки трубы более 4 мм.

В комплект сварочно-монтажной установки входит: центратор; торцеватель с электроприводом 220В, 650Вт; нагревательный элемент с электронным регулятором температуры 220В, 1000Вт; гидравлический агрегат "Гидромойп-790" 220В, 370Вт; коробка управления 220; контейнер для торцевателя и сварочного зеркала; вкладыши от 40 до 630мм в зависимости от типа машины.

 

Подготовка к сварке

Перед подключением торцевателя и нагревательного элемента необходимо убедиться в том, что источник электрического питания находится в рабочем состоянии и отвечает их характеристикам.

Перед началом работы следует проверить исправность приводного механизма, зажимных устройств, наличие смазки трущихся поверхностей, плавность перемещения каретки по направляющим.

При сварке полиэтиленовых труб применяются соответствующие сменные вкладыши.

 

Работа установки

При контактной сварке с применением монтажных приспособлений выполняются следующие операции:

• установка и центровка полиэтиленовых труб в зажимном центрирующем присоблении;
• торцовка труб и обезжиривание торцов;
• нагрев и оплавление свариваемых поверхностей;
• удаление сварочного нагревателя;
• сопряжение разогретых свариваемых поверхностей под давлением (осадка);
• охлаждение сварного шва под осевой нагрузкой;

1. Свариваемые полиэтиленовые трубы винтами зажимаются в хомутах: одна - в неподвижных, другая - в подвижных.

2. С помощью приводного механизма каретка с трубой помещается до упора В торцы труб в: торцовочное устройство (при торцовке), сварочный нагреватель (при оплавлении) или друг в друга (при осадке).

3. После фиксации и выравнивании концов труб производят торцовку ПЭ труб. По завершении операции надо приподнять торцеватель и соединить фрезерованные концы труб, чтобы проверить их параллельность.

4. Разводим концы труб и вставляем разогретый нагревательный элемент с фторопластовым покрытием.

5. Разогрев концов труб производим под средним давлением, которое создается с помощью рычага.

6. При формировании кромки 1,5-2мм отделяем расплавленные трубы от нагревательного элемента и убираем его.

7. В кратчайшее время, когда убрали нагревательный элемент, соединяем полиэтиленовые трубы под давлением, которое устанавливается рычагом передвижения суппортов.

8. Достигнутое давление фиксируется с помощью специальной рукоятки (поворачивая ее по часовой стрелке) и выдерживается время охлаждения до температуры 40-50С.

9. При охлаждении трубы снимается давление. Операция сварки выполнена.

При сварке необходимо подбирать трубы и фасонные части по партиям поставки. Необходимо обращать внимание на размер наружного диаметра трубы и ее эллипсность. При стыковой сварке максимальная величина несовпадения кромок не должна превышать 10% номинальной толщины стенки трубы.

Основным параметром процесса стыковой сварки являются: температура рабочих поверхностей нагревателя, глубина оплавления, величина контактных давлений при оплавлении и осадке.

Контроль качества сварных швов

Качество сварки должно отвечать следующим требованиям:

• стыковой шов не должен быть ниже уровня поверхности трубы;
• взаимное смещение сварных труб не должно быть более 10% толщины стенки трубы;
• высота внутреннего и наружного валиков после сварки должна быть не более 2-2,5мм, при толщине стенки трубы до 5мм и не более 3-5мм, при толщине стенок 6-20мм.

4.           Технология соединения полиэтиленовых труб большого диаметра

Характеристики полиэтиленовых труб большого диаметра

Формально трубы большого диаметра обладают теми же базовыми характеристиками (табл. 2), что и трубы меньшего диаметра, но, тем не менее, они требуют несколько другой технологии обращения с ними. Небольшой и удобный для монтажа вес полиэтиленовой трубы диаметром, скажем, 110 мм становится большим и неудобным, когда речь идет о стандартной длине трубы диаметром 630 мм. Для перемещения полиэтиленовой трубы большого диаметра уже не обойтись без крана или других грузоподъемных приспособлений.

Трубы изготавливаются с использованием процесса непрерывной экструзии и нарезаются на отрезки необходимой длины во время производства. При разрезании трубы внутренние напряжения приводят к возникновению так называемой бочкообразности - уменьшению диаметра на конце трубы, причем с увеличением диаметра трубы величина бочкообразности растет и должна приниматься во внимание. Кроме того, при нарезке труб растет важность перпендикулярности плоскости разреза оси трубы. Каждый градус углового отклонения приводит к разнице в общей длине труб. Если на трубе диаметром 110 мм эта разница составляет 2 мм на каждый градус отклонения, то на трубе диаметром 630 мм - уже 11 мм. Один угловой градус - очень небольшое отклонение, и такой точности сложно достичь на месте. Кроме того, существует вероятность того, что линия разреза трубы будет волнистой, а не прямой, если используется пила с коротким лезвием.

Наружный диаметр полиэтиленовой трубы большого размера определяется с использованием кольцевой измерительной ленты. Этот метод автоматически дает средний диаметр трубы, но не учитывает ее овальность (рис.7).

Европейские стандарты указывают, что минимальный наружный диаметр для полиэтиленовых труб должен равняться их номинальному размеру. Для трубы диаметром 630 мм допускается отклонение максимального диаметра от номинального до 3,8 мм. При этом для трубы диаметром 110 мм максимально допустимое превышение размера должно составлять всего лишь 0,7 мм.

Таблица 2. Сравнение характеристик труб диаметром 110 и 630 мм

С увеличением номинальных размеров разрешенные стандартами допуски по овальности увеличиваются. Рассматривая максимально допустимую овальность для труб большого диаметра 3,5% сразу после производства, необходимо принимать во внимание, что это означает для труб диаметром 630 мм абсолютное отклонение от их номинального диаметра в пределах ± 11 мм, и, таким образом, совокупную разницу 22,1 мм. Во многих случаях овальность часто усиливается во время хранения. Причин этому несколько:

- неправильное складирование труб в виде пирамиды, либо простым нагромождением друг на друга;

- увеличение кольцевого напряжения с увеличением толщины стенок;

- воздействие собственного веса труб при длительном хранении.

Чрезмерная овальность является источником большинства проблем при монтаже полиэтиленовых труб больших диаметров.

Зоны подвижной посадки между трубами большого диаметра и электросварными муфтами

Все технологические операции, используемые во время производства корпусов муфт большого диаметра, производятся на токарном станке. Таким образом,  форма электросварных муфт является практически точно круглой. В готовой продукции может проявляться только очень ограниченная овальность. С другой стороны, трубы большого диаметра, как правило, имеют довольно большую овальность.

Таким образом, существуют зоны (рис. 8), где овальная труба имеет больший наружный диаметр, чем внутренний диаметр муфты, что делает невозможной надевание муфты на трубу, и зоны, в которых имеется большой зазор между трубой и муфтой. Эту проблему необходимо решить при разработке муфтовых соединений для полиэтиленовых труб большого диаметра.

 

Требования к новым соединениям для труб

Новая система соединения труб должна дополнять стыковую сварку. Основной областью ее применения будут небольшие трубопроводы, а также соединения в наиболее ответственных точках трубопровода. Примерами таких точек являются запорные вентили, места вставки заранее изготовленного участка трубы, соединения с емкостями, а также участки, где монтаж проводится в стесненных условиях, другими словами, там, где стыковая сварка является практически невозможной.

К такой технологии должны предъявляться следующие требования:

- простота использования и правильность применения при сборке всех соединений труб;

- возможность применения в стесненных условиях (не более 40 см вокруг трубы);

- все оборудование и аксессуары должны быть с ручным управлением;

- использование стандартного оборудования для сварки существующего ассортимента электросварных фитингов ELGEF Plus®;

- возможность использования с другими методами сварки полиэтиленовых труб большого диаметра;

- обеспечение высокого качества соединений в сложных условиях на площадке;

- возможность использования для монтажа труб в диапазоне от SDR 11 до SDR 33, марок ПЭ 80 и ПЭ 100, при температурах от -10 до +45 ^оC;

- тестирование и критерии приемки должны соответствовать международным правилам.

Решение проблемы - новая технология установки

В результате интенсивной научно-исследовательской работы появился запатентованный процесс монтажа полиэтиленовых труб большого диаметра при помощи комплекта прижимных пластин. Процесс состоит из двух основных операций:

1. Восстановление первоначальной формы полиэтиленовой трубы при помощи комплекта прижимных пластин (рис. 9)

2. Установка муфт при помощи комплекта прижимных пластин (рис. 10).

В основе новой технологии лежит использование комплекта прижимных пластин, выполняющего две функции: во-первых, облегченное восстановление первоначальной формы полиэтиленовой трубы большого диаметра, и, во-вторых, активное усиление муфт большого диаметра во время процесса сварки.

Комплект прижимных пластин - схема и компоненты

Комплект прижимных пластин состоит из собственно прижимной пластины и корсета из хомутов. Прижимная пластина состоит из двух пневматических плоских подушек, изготовленных из вулканизированного композитного материала. Эти подушки наполняются сжатым воздухом до максимального давления в 10 бар. Большая зона контакта пластин в сочетании с имеющимся давлением создает огромное усилие - примерно 15 000 Н или 1,5 тонны на бар давления! Усилие крепления по отношению к прижимным пластинам дополняется при помощи корсета из хомутов.

 

Этот корсет из хомутов помогает прижимным пластинам передавать давление на поверхность трубы, с которой они соприкасаются, для восстановления ее первоначальной формы, либо активно передавать давление на поверхность муфты во время процесса монтажа. Корсет из хомутов состоит из трех специальных взаимосвязанных хомутов с храповым механизмом повышенной надежности.

Прочие пневматические компоненты - это шланги высокого давления и манометр для регулирования давления воздуха, нагнетаемого в прижимные пластины. Другие хомуты используются для сохранения расстояния между прижимными пластинами и для обеспечения симметричного расстояния между трубами или муфтами во время монтажа. Полный комплект прижимных пластин хранится в прочном переносном ящике (рис. 11).

Электросварные муфты ELGEF® Plus диаметром 560 и 630 мм

В основе специальных характеристик новых муфт ELGEF® Plus (рис. 12) лежит принцип активного усиления, дополняющего поддержание давления сварки и обеспечивающего плотное прилегание муфты к трубе. Этот принцип очень успешно использовался многие годы для электросварных муфт ELGEF® диаметром 355 и 500 мм, которые снабжались наружным усиливающим кольцом. Для более крупных диаметров 560 и 630 мм этот тип активного усиления не применялся, а использовались многоразовые наружные прижимные пластины.

Используя именно этот принцип активного усиления, стало возможным достичь чрезвычайно высоких уровней качества соединения электросварных муфт ELGEF® номинального размера 560 и 630 мм с отличными результатами заполнения зазоров.

Уже упомянутые возможные отклонения торца трубы от перпендикуляра и овальность конца трубы могут привести к тому, что в процессе сварки расплав стечет к центру муфты, не образуя достаточного давления соединения. Новые муфты имеют увеличенную длину холодных зон, что с высоким уровнем уверенности исключает такую возможность.

Дополнительной характеристикой этих муфт является то, что все электрические зажимы и индикаторы плавки имеют потайную головку, а муфты имеют рельефные угловые канавки с каждой стороны. Положение и глубина индикаторов сварки были выбраны таким образом, чтобы даже полностью активированный штырь индикатора все равно оставался ниже наружной поверхности муфты после завершения цикла сварки. Круглые канавки на фитинге играют роль визуальных маркеров выравнивания для правильного размещения комплекта прижимных пластин.

Восстановление первоначальной формы трубы с использованием комплекта прижимных пластин

Трубы большого диаметра обычно отличаются значительной овальностью, которую нельзя исправить без использования специального инструмента. В прошлом для этого использовались тяжелые, громоздкие и достаточно дорогие гидравлические тиски.

Начальная стадия новой процедуры для установки муфт большого диаметра заключается в восстановлении первоначальной формы полиэтиленовой трубы при помощи комплекта прижимных пластин. Сначала определяется овальность трубы на ее торце путем измерения наибольшего и наименьшего диаметров (рис. 13). Это легко сделать при помощи линейки. Оба диаметра должны быть промаркированы на торце трубы, а также должны быть зафиксированы их значения. Две прижимные пластины размещаются на расстоянии 30 см от торца трубы так, чтобы плоскость наибольшего диаметра проходила через их центр, и жестко фиксируются при помощи корсета из хомутов. Используя для контроля манометр, необходимо заполнять прижимные пластины сжатым воздухом до пор, пока оба диаметра не станут одинаковыми.

Этот процесс восстановления первоначальной формы исправляет пригонку между трубой и фитингом. После завершения этой операции вращающийся инструмент для зачистки (рис.14) легко снимает окислившийся наружный слой трубы. Многолетний опыт Georg Fischer показал, что ручная зачистка труб большого диаметра (периметр которых составляет 2 м и более), особенно для ширины 20 см, никогда не может обеспечить требуемой равномерности удаления материала. Поэтому рекомендуется использование вращающегося инструмента для зачистки. Хотя ручные скребки полезны для обработки углов на концах труб, они никогда не могут дать повторяющийся результат на больших поверхностях!

Когда труба зачищена и обезжирена, глубина вставки промаркирована, и труба полностью вставлена в муфту, прижимные пластины можно удалить.

Установка муфты с использованием комплекта прижимных пластин

Конструкция активного усиления электросварных муфт ELGEF® Plus обеспечивает оптимальное заполнение зазоров между внутренней поверхностью фитинга и наружной поверхностью трубы расплавом в процессе сварки. При необходимости наружный диаметр трубы можно уменьшить, повторяя операцию зачистки до тех пор, пока муфта не будет легко надеваться на конец трубы.

 

Когда муфта правильно расположена между соединяемыми трубами, все три прижимные пластины соединяются вместе и оборачиваются вокруг фитинга. Соединительные стяжки необходимо отрегулировать таким образом, чтобы прижимные пластины находились на равном расстоянии друг от друга. Обвязка из прижимных пластин выравнивается по кольцевому выступу с той стороны фитинга, которая будет свариваться первой (рис.15). Пластины наполняются сжатым воздухом до тех пор, пока давление не достигнет заданного уровня, после чего можно начинать процесс сварки. После завершения цикла первой сварки необходимо выдержать минимум 20 минут для охлаждения, после чего прижимные пластины можно снять и установить на другую сторону фитинга для начала второго цикла сварки.

Блок обвязки прижимными пластинами прижимает муфту к поверхности трубы с огромным усилием. Хотя обвязка не имеет полного кругового контакта, доказано, что на зону контакта между трубой и муфтой воздействует достаточное давление. Именно эти сжимающие усилия образуют ядро конструкции активного усиления. Несомненными преимуществами предлагаемой системы являются простота и удобство монтажа, возможность работы с трубами всех классов и при температуре окружающей среды от -10 до +45 o C, а также высокое качество соединения (рис. 16).

 

5.      Тенденции российского рынка полиэтиленовых труб

В течение последних нескольких лет производство полиэтиленовых труб в России активно развивается. При этом, в производстве происходят изменения как качественного, так и количественного характера. В России появляются новые производители полиэтиленовых труб, а также расширяется ассортимент производимой продукции.

Объем производства полиэтиленовых труб в России в 2005 году составил 175 тыс. тонн, что выше, чем показатель 2004 года на 35%.

На протяжении нескольких лет основная доля труб, производимых в России, приходится на трубы из полиэтилена (по оценке, в 2005 году - 75%).

В январе-феврале 2006 года, было произведено 18 тыс. тонн полиэтиленовых труб, что выше аналогичного периода 2005 на 20%. При этом, необходимо отметить, что в январе-феврале бесперебойно работали только крупные и несколько средних предприятий. А что касается небольших предприятий, то они, в основном, простаивали. Кроме этого, позднее начало сезона, вызванное погодными условиями, привело к тому, что складские запасы производителей значительно увеличились.

Сейчас в России полиэтиленовые трубы производят более чем девяносто предприятий. Их число растет с каждым годом из-за растущего спроса. В основной массе это предприятия с небольшими производственными мощностями, продукция которых распространяется на локальных рынках.

Большое количество мелких производителей обусловлено, в первую очередь, легкостью вхождения в бизнес и простотой технологического процесса. Немаловажным фактором увеличения числа производителей полиэтиленовых труб является быстрая окупаемость вложений. В настоящий момент разброс стоимости оборудования для производства полиэтиленовых труб значителен. Одношнековый корейский экструдер небольшой мощности можно приобрести за 10-20 тысяч евро, а современный двушнековый от ведущих производителей оборудования - за 200-300 тысяч евро.

Основная масса мелких российских производителей работает на экструдерах корейского производства, затраты на приобретение и монтаж которых окупаются в течение 1,5 лет.

В 2005 году заметно изменилась структура российской отрасли по производству труб. Начиная с 2003 года, в российском производстве растет доля продукции, выпущенной на средних предприятиях, в то время как небольшие компании постепенно снижают объемы производства. Если в конце 2003 года около 35% от всего объема произведенных полиэтиленовых труб приходилось на небольшие предприятия, то к концу 2005 эта доля незначительно превышает 20%. При этом в российском производстве стало возможным выделить нескольких крупных производителей, контролирующих не только локальные рынки, но и реализующих свою продукцию в других регионах.

Из всех предприятий, производящих полиэтиленовые трубы в России, можно выделить два основных, доля которых превышает 35% от общего объема производства. Это холдинг "Евротрубпласт" и ОАО "Казаньоргсинтез".

Свыше 20% полиэтиленовых труб российского производства являются продукцией ОАО "Казаньоргсинтез", мощности которого расположены на одной площадке. Предприятие выпускает полиэтиленовые трубы для газопроводов по ГОСТ Р 50864-95 диаметром 63-315 мм и напорные по ГОСТ 18599-2001 диаметром 10-1200 мм. До 2006 года трубы производились из полиэтилена собственного производства марок ПЭ-63 и ПЭ-80. Компания "Казаньоргсинтез" с 1 января 2006 года сняла с производства трубы из полиэтилена марки ПЭ-63. Такое решение было принято, поскольку марка ПЭ-63 является устаревшей и не соответствует мировым стандартам качества. Производственные мощности переориентированы на выпуск труб из полиэтилена марки ПЭ-80. Весь перечень предлагаемой продукции поставляет официальный дистрибьютор ОАО «Казаньоргсинтез» - ООО «фирма «Центр», г. Казань. Сайт дистрибьютора ОАО «Казаньоргсинтез» - www.firmacentr.ru.

Распределение предприятий по производству полиэтиленовых труб на территории России неравномерно. Основными продуцентами труб являются Центральный, Поволжский, Уральский, Северо-Западный регионы России. В Северо-Кавказском и Дальневосточном районах производство труб развито слабо.

Значительное увеличение объемов производства полиэтиленовых труб в России в первую очередь связано со "строительным бумом". В связи с тем, что полиэтиленовые трубы обладают целым рядом преимуществ перед металлическими, потребительский спрос на них растет. Причем, уровень спроса в отдельно взятом регионе зависит от целого ряда факторов. Одним из основополагающих является темп развития стройиндустрии в регионе.

Но интенсивное развитие производства ограничивается несколькими факторами, связанными с тем, что монтажники и жилищно-коммунальное хозяйство изначально привыкли работать с металлическими трубами. По мнению некоторых производителей полиэтиленовых труб, развитие производства тормозится тем, что полиэтиленовые трубы иногда невыгодны для строителей, так как монтаж полиэтиленовой трубы имеет намного меньшую трудоемкость и более длительный срок эксплуатации.

В настоящий момент полиэтиленовые трубы в первую очередь конкурируют со сварными водо-газопроводными трубами небольших диаметров (Ду10-Ду50 и диаметров от 57 до 159 мм). Однако, в связи с тем, что в течение последнего года на многих предприятиях стал осваиваться выпуск труб больших диаметров, существуют предпосылки для того, чтобы в России начался процесс замещения и металлических труб больших диаметров полиэтиленовыми.

Немаловажным фактором, тормозящим развитие производства полиэтиленовых труб, является стабильный рост цен на основные виды пластиков для их производства. В 2005 году рост цен на трубный полиэтилен составил 25-28%. А в разгар сезона 2005 года наблюдался его дефицит на рынке. Это привело к тому, что небольшие предприятия были вынуждены снизить закупки сырья, что повлекло за собой сокращение объемов производства. По мнению некоторых российских производителей ПЭ труб, в 2005 году Россия стала "нетто-импортером" трубных марок полиэтилена. По их мнению, рост объемов производства полиэтиленовых труб в России, в сочетании с дефицитом сырья для их производства, может привести к тому, что российские производители ПЭ труб будут находиться в сырьевой зависимости от импорта. Если российские производители трубного ПЭ не увеличат объемы его реализации на внутренний рынок, то уже в 2006 году объем импорта ПЭ, направляемого на производство труб, может составить 35-40 тыс. тонн.

Из-за того, что мощности по производству труб в России более чем в два раза превышают потребности рынка, еще несколько лет российское производство будет характеризоваться ростом конкуренции между производителями при сбыте продукции. Часть производителей, не выдержав конкуренции, будут вынуждены не только значительно сократить объем производства, но и законсервировать мощности или перепрофилировать производство.

Все процессы преобразования производственных мощностей, начатые в 2004-2005 годах, продолжились и в 2006 году. Количество мелких производителей полиэтиленовых труб значительно не изменится по сравнению с 2005 годом. Из-за постоянно растущего спроса на полиэтиленовые трубы, тенденции увеличения объемов производства в России сохраняется и в 2006 году. По оценке специалистов, они вырастут не менее чем на 20% по сравнению с 2005 годом, при этом процесс перераспределения долей в пользу крупных компаний будет продолжаться.

Используемые источники:

• 1. СНиП 42-01-2002 «Газораспределительные системы»
• 2. СП 42-101-2003 «Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб»
• 3. http://www.polimerbud.com/
• 4. http://htplast.kharkov.ua/ru
• 5. http://etp.com.ua/

Код для цитирования: Скопировать