Применение полиэтиленовых труб в газоснабжении на подрабатываемых и сейсмически активных территориях

Газопроводы на подрабатываемых территориях подвержены воздействию постоянных и временных нагрузок, возникающих под тяжестью поверхности и засыпки, давления транспортируемого газа и нагрузок, вызванных перемещениями грунта в результате горнодобывающей деятельности.

Дополнительные нагрузки вызваны изменениями температуры окружающей среды газопроводов. Эти нагрузки – основная причина возникновения напряжений в стенках труб. Влияние отдельных нагрузок на тип и величину напряжений в трубах бывает разным. В газопроводах высокого давления доминирующей является нагрузка, вызванная давлением транспортируемого газа. В газопроводах низкого и среднего давления более существенны напряжения, вызванные воздействием грунта. Газовые сети на подрабатываемых территориях характеризуются разнообразием. Магистральные газопроводы, например, являются объектами линей-ного типа, тогда как распределительные газопроводы разветвлены. Глубина залегания газопроводов составляет от 0,8 метра и более. Грунты, в которые укладывают газопроводы, также бывают разными – от песков (17 кN/м3) до глин (23 кN/м3). Нагрузка поверхности на трубу может быть концентрированной (напр., гружёный грузовик) либо распределённой равномерно. Отдельный тип составляют для трубопроводных конструкций нагрузки, возникающие вследствие эксплуатации подземных месторождений. Именно она вызываетет деформации земной поверхности. В случае постоянных деформаций чаще всего приходится иметь дело с оседанием, профиль которого иллюстрирует рис. 1.

Рис. 1. Профиль оседания (деформации) грунта.

Подрабатываемые территории с постоянными деформациями согласно классификации делятся на категории в зависимости от ожидаемых экстремальных деформаций. Газовые сети можно сооружать на подрабатываемых территориях до IV категории включительно.

Таблица 1. Категории подрабатываемых территорий

Поскольку максимальная деформация поверхности грунта на подрабатываемых территориях IV категории не превышает 1% (9 мм/м), то при медленном деформировании ПЭ трубы подвергаются ему равномерно по всей своей длине, обеспечивая интегральность газовой сети (фото 1а).
Важным свойством полиэтиленовых труб, применяемых на подрабатываемых территориях, является их стойкость к динамическим нагрузкам, подтверждённая практическим опытом стран с высокой сейсмической активностью, где подземная городская инфраструктура из полиэтилена имела значительно меньшую аварийность при сейсмических колебаниях, чем инженерные сети из стали, чугуна или ПВХ. Трубопроводы из полиэтиленовых труб сохраняют работопригодность даже в случае возникновения трещин и провалов грунта (фото 2).

Фото 1. Форма деформации ПЭ трубы в зависимости от скорости растяжения.
а) 5 мм/мин.б) 100 мм/мин.

Фото 2. Трещина в грунте как следствие землетрясения.

В качестве примера стойкости ПЭ труб к сейсмическим воздействиям можно привести данные, касающиеся последствий землетрясения 17 января 1995 г. возле города Кобэ (Япония). Оно причинило завалы либо частичные повреждения около 191 тыс. домов.

850 000 потребителей остались без газа. Произошло 95 аварий газовых сетей среднего давления и около 10 000 – в сетях низкого давления. В то же время не было зафиксировано аварий на газопроводах из полиэтилена, которые были построены в начале 80-х годов. Эти газопроводы составляли около 5% общей протяжённости распределительных сетей в районе Кобэ.

Актуальный уровень знаний и практики в сфере строительства и эксплуатации трубопроводов позволяет надёжно обезопасить их от сейсмического воздействия. Для стальных магистральных трубопроводов главными факторами, влияющими на достижение требуемой стойкости, являются выносливость материала труб и их надлежащая укладка в траншее. Для распределительных газовых сетей особое значение имеет эластичность структуры труб. Наилучшее решение – использовать в строительстве газопроводов полиэтиленовые трубы.

Требования потребителей полиэтиленовых труб сейчас обусловлены повышением рабочих давлений, бестраншейной укладкой трубопроводов, возможностями применения ПЭ труб в реновации старых стальных или чугунных трубопроводов. Наиболее соответствуют этим требованиям материалы, известные под названием ПЭ 100+.

Полиэтиленовые композиции и отдельные элементы трубопроводных систем из полиэтилена должны соответствовать требованиям европейских или международных нормативов (например, EN 1555, ISO 4427, ISO 4437). Содержащиеся там требования – результат определённого компромисса. Среди клиентов, нуждающихся в продуктах с наилучшими параметрами, ощущалась потребность создания списка рекомендованных продуктов, которые отвечали бы повышенным требованиям. Навстречу этим ожиданиям пошел Клуб «ПЭ 100+», основанный в 1999 г.
Цель его создания – гарантировать наивысший уровень качества продукции и переработки материала типа ПЭ 100, предназначенного для производства напорных труб. Основанием для внесения данного материала в список рекомендованных является, кроме соответствия основным нормативным требованиям, соответствие дополнительным требованиям, которые сформулированы Клубом и касаются трёх основных параметров труб:

- стойкости к ползучести (деформации) (Creep Rupture Strength);
- стойкости к медленному распространению трещин (Stress Crack Resistance);
- стойкости к распространению «быстрых трещин» (Resistance to Rapid Crack Propagation).

Стойкость полиэтиленовых труб к ползучести (деформации) определяется, исходя из тестов на гидростатическую стойкость при разных температурах и уровнях напряжений (фото 3). При испытаниях труб из ПЭ 100 при температуре 20° С и под давлением 12,4 МПа норматив требует, чтобы время до их разрушения составляло минимум 100 часов. Клуб «ПЭ 100+» поднял эту «планку» до 200 часов.Соответствие этим повышенным требованиям в данной сфере позволяет гарантировать безопасность эксплуатации трубной системы, в которой основную нагрузку составляет давление транспортируемого вещества.

Фото 3. Образец [B]ПЭ трубы во время испытания на гидростатическую выносливость.[/B]

Стойкость к медленному распространению трещин – второй параметр, повышенный Клубом «ПЭ 100+» при квалификации полиэтилена в списке рекомендованных материалов. Норматив требует, чтобы при испытаниях на стойкость к медленному распространению трещин образец трубы из ПЭ 100 (SDR 11), на поверхности которого с интервалом 90° сделаны четыре надреза фрезой в виде литеры «V» (параллельно продольной оси, глубиной 0,2 толщины стенки (фото 4), выдержал до разрушения минимум 165 часов при температуре 80° С и давлении 9,2 бар. В данном случае Клуб увеличил время разрушения до 500 часов.

Высокие требования стойкости к медленному распространению трещин имеют существенное практическое значение. Полиэтиленовые трубы в процессе складирования, транспортировки, разгрузки и монтажа нередко получают повреждения – чаще всего, в виде «порисованности» поверхностей. Трубы, отвечающие требованиям «ПЭ 100+», имеют особо высокую стойкость к воздействиям подобного рода. Это свойство приобретает огромное значение при укладке трубопроводов бестраншейными методами либо в узких траншеях. Не стоит забывать также о широком применении полиэтиленовых труб при реновации старых трубопроводов. И при таком использовании полиэтиленовые трубы, изготовленные из сырья, находящегося в списке «ПЭ 100+», обеспечивают надлежащую длительность и безаварийность функционирования трубопроводных систем после реновации.

Быстрое распространение трещин – RCP (Rapid Crack Propagation) – это явление, которое может развится в трубах на значительном растоянии со скоростью, близкой скорости звука. Впервые проблема быстрого распространения трещин в газопроводах из полиэтилена стала предметом дискуссии в 1975 г. на заседании рабочей группы № 4, действующей в рамках Технического комитета № 138 ISO. С тех пор проводились интенсивные исследования свойств полиэтиленовых материалов, которые могут влиять на их способность к быстрому распространению трещин. Появилось два основных метода определения стойкости ПЭ труб к этому явлению.

Полномасштабное испытание (Full Scale Test), разработанное специалистами British Gaz, позволяет определять стойкость трубы к распространению «быстрых трещин» способом, который симулирует реальные условия эксплуатации трубопровода. Однако, с точки зрения условий проведения это испытание признано трудновыполнимым и дорогостоящим.

Испытание S4 – маломасштабное испытание в устойчивом состоянии (Small Scale Steady State) Отрезок полимерной трубы определённой длины, содержащий газ под определённым давлением, подвергают удару вблизи одного из концов, провоцируя распространение «быстрой трещины» вдоль продольной оси. Температура и давление, при котором проводятся испытания, оговорены соответствующими нормативами. Использованный при этом газ должен быть идентичным транспортируемому по трубопроводу, или дающий подобные эффекты (воздух). Стремительная декомпрессия впереди трещины лимитирована внутренними ограничителями, а также внешней клеткой, ограничивающей расширение исследуемой трубы на краях трещины. Описанная технология позволяет достичь типичного для распространения «быстрой трещины» состояния (RCP), при небольшой длине трубного образца и более низком давлении, чем требует для такого же эффекта та же труба при полномасштабном испытании (Full Scale Test). Потом исследуемую трубу проверяют, остановилось ли развитие трещины или продолжается её распространение. На основании серии тестов при разных давлениях и постоянной температуре можно определить критическое давление или критические напряжения, которые вызывает распространение «быстрых трещин». Подобным образом на основании тестов при разных температурах и постоянном давлении можно определить критическую температуру, при которой возможно RCP. Требования, касающиеся стойкости полиэтиленовых труб к распространению «быстрых трещин», определены нормативным документом PN-EN 12007-2. Согласно этого норматива отношение критического давления pc (определяемого во время полномасштабного исследования) к максимальному рабочему давлению (МОР) должно быть большим или равным 1,5. Это давление должно определяться согласно PN-EN 1555-2. Коэффициент корреляции (взаимозависимости) между полномасштабным испытанием и тестом S4 определяется как отношение безусловного критического давления полномасштабного испытания к подобному давлению теста S4:

Соблюдение этого критерия относительно полиэтиленовых труб практически исключает возможность распространения «быстрых трещин» в трубопроводных системах (в климатических условиях Польши).

Применение полиэтиленовых труб в реновации металлических газопроводов
Эксплуатационные свойства распределительных газовых сетей с течением времени могут ухудшаться. Поэтому и возникает необходимость восстановить их первичное техническое состояние. Каждый оператор распределительной сети должен эксплуатировать, консервировать, ремонтировать или обустраивать с учётом экономической целесообразности безопасную, надёжную и исправную трубопроводную систему, заботясь о бережном отношении к окружающей среде. Улучшить техническое состояние газовых сетей можно заменив их открытым способом, либо применяя бестраншейные методы реновации. Последние стали сейчас очень популярными, так как проведение земляных работ и необходимость последующего ремонта дорожных покрытий в городских условиях сопряжены с большими затратами средств и времени. По сравнению с традиционными методами бестраншейные технологии позволяют минимизировать площади вскрытия грунта, снизить затраты и негативное воздействие на среду.
Для реновации металлических газопроводов широко применяются полиэтиленовые трубы. Над вопросами реновации газопроводов работал Технический комитет CEN-TC «Системы труб и полимерных трубопроводов». В этой сфере созданы следующие нормативы:
N 14408-1 Plastics piping systems for renovation of underground gas supply networks – Part 1: General (Системы полимерных трубопроводов для реновации подземных газовых сетей – Часть 1: Общие положения);
EN 14408-3 Plastics piping systems for renovation of underground gas supply networks – Part 3: Lining with close-fit pipes (Системы полимерных трубопроводов для реновации подземных газовых сетей – Часть 3: Укладка из плотно прилегающих труб).
Критерии выбора и подробные характеристики методов реновации газовых сетей содержатся в нормативе PN-EN 12007-4:2002 «Системы газоснабжения – Трубопроводы с максимальным рабочим давлением до 16 бар – Часть 4: Подробные практические рекомендации по реновации».

Фото 5. Оборудование для проведения исследований стойкости полиэтиленовых труб к распространению «быстрых трещин» в Институте нефти и газа (г. Краков, Польша).

Фото 6. Форма повреждения полиэтиленовой трубы после проведения теста S4

Технологии реновации газопроводов

Введение сплошной трубы (sliplining)
Самым простым и наиболее популярным методом реновации газопроводов является втягивание вовнутрь восстанавливаемого трубопровода полимерной трубы (чаще всего – из полиэтилена или полиамида РА 11) меньшего диаметра. Ремонтируемый газопровод в то же время превращается в защитную трубу-оболочку. Недостатки этого метода – уменьшение пропускной способности газопровода, необходимость тщательной очистки его внутренней поверхности, возможность «зарисования» втягиваемой трубы. Стоимость реновации этим методом может дополнительно возрасти в случае необходимости заполнения межтрубного пространства цементным раствором.
Существует две разновидности данного метода:
- реновация при сохранении подачи газа (live insertion);
- реновация газопровода, выведенного из эксплуатации (dead insertion).

Суть этих технологий состоит во временном уменьшении диаметра вводимой в газопровод трубы с последующим её распрямлением под воздействием водяного пара и давления, благодаря чему достигается плотность её прилегания к внутренним стенкам трубопровода, который подлежит реновации (фото 7).

Фото 7. Форма повреждения полиэтиленовой трубы после проведения теста S4.

В случае, когда диаметр чугунного газопровода не позволяет увеличить его пропускную способность, можно применить технологию, суть которой – во введении вовнутрь старого трубопровода специального гидравлического пробойника («крота»), который, продвигаясь вперёд, разрушает чугунные трубы и вдавливает их осколки в грунт (burstlining). Когда же старый газопровод состоит из стальных труб, то в этом случае «крот» оборудован остриём, которое разрезает трубы, что также позволяет увеличить пространство для введения ПЭ труб большего диаметра.

Новые материалы для строительства газовых сетей
Исследования, касающиеся применяемых в строительстве газовых сетей материалов, ведутся сейчас в следующих направлениях:
- разработка полиэтиленовых труб, укреплённых волокном;
- разработка труб из композитных материалов;
- внедрение труб из сшитого полиэтилена (РЕ-Х).

Для транспортирования углеводородов под высоким давлением всё шире применяются эпоксидные трубы, укрепленные стекловолокном (GRE – Glass fibre reinforced epoxy). Целью проведенных исследований было определение их пригодности к транспортированию газа под давлением до 7,0 МПа. Они получили положительную оценку для этого рода применения.

Интересное решение, которое может служить альтернативой стальным газопроводам, представляет собой полиэтиленовые трубы, укрепленные арамидным волокном, с защитным слоем из сшитого полиэтилена. Это трубы структурированного типа (фото 8). В процессе исследований стойкости этих труб к внутреннему давлению при температуре 65 °С давления, при которых образец разрушался, составляли:
> 210 бар для труб диаметром 100 мм;
> 168 бар для труб диаметром 125 мм

При реновации газопроводов либо их укладке в узких траншеях особое значение приобретает стойкость полиэтиленовых труб к царапанию («зарисованию») или повреждениям вследствие точечных нагрузок. Высокую стойкость к воздействиям этого типа имеют многослойные (multilayer) трубы, которые производятся в двух вариантах – «М» и «Р». Вариант «М» содержит один или более слоёв металла, а вариант «Р» состоит из двух или более слоёв полимера.

Фото 8. Структурированная труба

Среди полимерных труб для подачи горючих газов, доминирующие позиции занимает полиэтилен. Трубы из него широко применяются как в строительстве новых газопроводов, так и в реновации старых чугунных или стальных трубопроводов. Их применение – наилучшее решение для подрабатываемых или сейсмически активных территорий. Трубы структурированного типа создают возможность преодолеть в будущем очередные барьеры по показателям рабочих давлений.