О практических мерах по борьбе с температурной деформацией на ПЭ трубопроводах больших диаметров

В полиэтиленовых трубопроводах водоснабжения при колебаниях температуры воды может происходить значительная (по сравнению с трубопроводами из других материалов) линейная деформация. Например, при изменении температуры транспортируемой среды на 20 градусов удлинение в незакреплённой полиэтиленовом трубопроводе может составлять до 4 м на 1 км трубы. Но температурная деформация – неотъемлемое физическое свойство полиэтилена, и для её «укрощения» на практике существует целый ряд технических мер.

Прежде всего, на этапе проектирования следует учитывать не только коэффициент линейного термического расширения полиэтилена, который, действительно, существенно больше, чем, например, у стали, но и модуль его упругости (модуль Юнга), определяющий величину возникающих в трубе напряжений.

У полиэтилена кратковременный модуль Юнга равен 900 МПа, что более чем в 200 раз меньше, чем у стали (2•105 МПа). Таким образом, напряжения, возникающие в полиэтиленовой трубе при ограничении термической деформации, относительно невелики, и основная задача сводится к предотвращению смещения концов трубопровода при изменении температуры.

Это достигается путем выбора рациональной схемы прокладки и правильным размещением неподвижных опор, делящих трубопровод на участки, температурное расширение которых происходит независимо один от другого и воспринимается компенсирующими элементами трубопровода.

Неподвижная опора – специальная деталь из полиэтилена – рассчитывается таким образом, чтобы выдержать нагрузку, возникающую в случае механической фиксации полиэтиленовой трубы определённого типоразмера при изменении температуры транспортируемой среды на 20 градусов.
Типичные места размещения неподвижных опор:

– перед входами в камеры (колодцы) и после выхода из них;

– перед отводами и тройниками, а также после них – для минимизации дополнительных нагрузок (изгибающих, осевых), возникающих под действием внутреннего давления в местах поворотов и ответвлений трубопроводов.

Неподвижные опоры должны быть закреплены в армированном бетоне, причем фиксирующие их бетонные конструкции должны устанавливаться на твердый и тщательно уплотненный грунт, не создавать дополнительную нагрузку на трубопровод, а главное – обеспечивать сопротивление соответствующему расчетному усилию.

В качестве неподвижных опор на ПЭ трубопроводах диаметром до 500 мм, как правило, используют стандартную муфту с закладным нагревательным элементом, которая после установки размещается в фиксирующей бетонной конструкции.

Для заказчиков, озабоченных решением проблемы компенсации линейной деформации на трубопроводах диаметром 630-1200 мм, Группа ПОЛИПЛАСТИК изготавливает неподвижные опоры под заказ по согласованным с заказчиком эскизам.

Такая неподвижная опора представляет собой отрезок полиэтиленовой трубы с выступами, наваренными на него методом экструзионной сварки. Количество навариваемых выступов определяется исходя из расчетного усилия.

Напряжения, возникающие вследствие температурных изменений в трубопроводе, смонтированном и зафиксированном с помощью таких неподвижных опор, замоноличенных в бетонных конструкциях, не приводят к ухудшению рабочих параметров трубопровода.

Пример расчета усилия и конструкции неподвижной опоры для трубы ПЭ100

SDR21 - 1200х57,2 мм (PN 8)

Табличное значение коэффициента температурного расширения полиэтилена – 2•10-4 1/°С.

При изменении температуры транспортируемой среды на 20° величина относительного удлинения составит:

e= 20°С•2•10^-41/°С=4•10^-3

Исходя из величины модуля упругости полиэтилена, равного

Е= 9•103 кг/см²,

легко подсчитать величину напряжения

у = Е•e = 9•10² кг/см² •4•10^-3 =36 кг/см²,

а рассчитав площадь сечения трубы

S = 3,14 • (120/2)² - 3,14 •(120/2 - 5,72)² = 2053 см²,

получить искомое усилие:

U = S •у = 2053 см² •36 кг/см² =73 908 кг.

Следовательно, неподвижная опора должна быть рассчитана таким образом, чтобы выдержать нагрузку, составляющую в этом случае не менее 74 т.

В данном случае количество ПЭ выступов, навариваемых на отрезок трубы, рассчитывается следующим образом. Размер навариваемых выступов – 150х150 мм с допусками ±15 мм. С них снимается фаска 20 мм с каждой стороны с допусками 2 мм. Тогда катет приварки примерно 28 мм (с учетом допусков по фаске – никак не менее 25 мм).

Следовательно, площадь приварки каждого выступа в любом случае составит не менее

((150-2•15)+(150-2•15-2•22))/2•18•4=7056 мм² ≈ 70 см²

Предел текучести полиэтилена равен 200 кг/см2 для ПЭ 100, 180 кг/см2 для ПЭ 80. Поэтому расчетная нагрузка, обеспечиваемая каждым наваренным выступом, составит, по крайней мере,
180х70=12 600 кг

Мы считаем, что реальная нагрузка на узел не должна превышать 40% от расчетной нагрузки.

12 600 • 0,4=5040 кг

Таким образом, для обеспечения искомого усилия в 74 тонны необходимо наварить 74 000/5040= 14,7 выступов.

Следовательно, в этом случае целесообразно (достаточно, с запасом прочности более 2,5) конструктивно реализовать два «гребешка» по 8-10 выступов вышеуказанного размера в каждом.
В таблице 1 приведены рассчитанные для ПЭ труб диаметром от 630 мм значения усилий и минимально необходимое количество выступов неподвижной опоры.

Группа ПОЛИПЛАСТИК готова предложить не только качественные и сертифицированные материалы для полиэтиленовых напорных трубопроводов больших диаметров, но и техническую поддержку проектных и подрядных организаций в части консультаций и грамотной комплектации трубопроводных систем.