Феномен швидкого розповсюдження тріщини при опресуванні ПЕ труб великого діаметру
Поліетилен є високопластичним матеріалом, труби з якого можуть протистояти досить великим деформаціям, не втрачаючи при цьому своєї працездатність. Яскравим прикладом високого ступеня надійності поліетиленових газопроводів, в силу їх високої пластичності, може служити аналіз руйнувань газопроводів при землетрусі, що стався в 1995 році в Кобе, Японія. При практично повному руйнуванні сталевих газопроводів, поліетиленові труби витримали значні зсуви землі без порушення герметичності газопроводу (1).
Однак поліетилен може ставати крихким при несприятливому сполученні таких фактор, як високі швидкості деформації, низькі температури, виникнення об'ємних рівноважних напруг, що перешкоджають розвитку одноосної деформації. У трубах в цьому випадку ініціатором крихкого руйнування може бути зовнішній вплив, наприклад, удар або, що частіше буває на практиці дефекти або погана якість стикового зварного шва (2), (3), (4).
У тому випадку, коли трубопровід працює під тиском газоподібного середовища, частково або повністю заповнюється трубопровід, ймовірність виникнення процесу швидкого поширення тріщин різко зростає. Це пов'язано з великою енергією, запасеної газовим середовищем, що знаходиться під тиском, і низьким коефіцієнтом поверхневого натягу газу, що викликає поширення тріщини зі швидкістю декількох сотень метрів в секунду. Слід зазначити, що в перші руйнування такого характеру мали місце на сталевих трубопроводах великого діаметру. Літературні джерела наводять дані про руйнування труб з поліетилену середньої щільності, як, наприклад, на газопроводі в Угорщині, де довжина тріщини досягла 700 метрів, або руйнування водопроводу діаметром 500 мм на нафтопереробному заводі в Антверпені, Бельгія (5).
Науково-технічний центр "Пластик" Холдингу "Євротрубпласт" аналізував два випадки крихкого руйнування з швидким поширенням тріщини, що мали місце в російській практиці і трапилися в 2004 році. Обидва випадки сталися при будівництві водогонів: труби з ПЕ 80, діаметром 315 і 800 мм з SDR 21, робочий тиск трубопроводу 0,6 МПа. В обох випадках руйнування труби відбулося при опрісненні трубопроводу.
Опресування труби діаметром 800 мм проводилася в наступному режимі: в трубу закачувалася вода, і створювався тиск близько 0,35 МПа, подальше збільшення тиску аж до руйнування при 0,63 МПа. проводилось за рахунок закачування в трубу повітря; температура навколишнього повітря близько 15О С. Джерелом руйнування, за експертною оцінкою, є стиковий шов, низької якості (недостатній прогрів торців труби і, як наслідок низький грат і відсутність слідів сплавления торцевих поверхонь), рис. 1.
Однак поліетилен може ставати крихким при несприятливому сполученні таких фактор, як високі швидкості деформації, низькі температури, виникнення об'ємних рівноважних напруг, що перешкоджають розвитку одноосної деформації. У трубах в цьому випадку ініціатором крихкого руйнування може бути зовнішній вплив, наприклад, удар або, що частіше буває на практиці дефекти або погана якість стикового зварного шва (2), (3), (4).
У тому випадку, коли трубопровід працює під тиском газоподібного середовища, частково або повністю заповнюється трубопровід, ймовірність виникнення процесу швидкого поширення тріщин різко зростає. Це пов'язано з великою енергією, запасеної газовим середовищем, що знаходиться під тиском, і низьким коефіцієнтом поверхневого натягу газу, що викликає поширення тріщини зі швидкістю декількох сотень метрів в секунду. Слід зазначити, що в перші руйнування такого характеру мали місце на сталевих трубопроводах великого діаметру. Літературні джерела наводять дані про руйнування труб з поліетилену середньої щільності, як, наприклад, на газопроводі в Угорщині, де довжина тріщини досягла 700 метрів, або руйнування водопроводу діаметром 500 мм на нафтопереробному заводі в Антверпені, Бельгія (5).
Науково-технічний центр "Пластик" Холдингу "Євротрубпласт" аналізував два випадки крихкого руйнування з швидким поширенням тріщини, що мали місце в російській практиці і трапилися в 2004 році. Обидва випадки сталися при будівництві водогонів: труби з ПЕ 80, діаметром 315 і 800 мм з SDR 21, робочий тиск трубопроводу 0,6 МПа. В обох випадках руйнування труби відбулося при опрісненні трубопроводу.
Опресування труби діаметром 800 мм проводилася в наступному режимі: в трубу закачувалася вода, і створювався тиск близько 0,35 МПа, подальше збільшення тиску аж до руйнування при 0,63 МПа. проводилось за рахунок закачування в трубу повітря; температура навколишнього повітря близько 15О С. Джерелом руйнування, за експертною оцінкою, є стиковий шов, низької якості (недостатній прогрів торців труби і, як наслідок низький грат і відсутність слідів сплавления торцевих поверхонь), рис. 1.
Крихка тріщина поширювалася уздовж труби на довжину 70 м і мала сінусоі-дальную форму (рис. 2).
У другому випадку опресування проводилася при дуже низькій температурі навколишнього повітря - близько мінус 20о С. У трубопровід було подано невелику кількість холодної води, і подальше збільшення тиску аж до руйнування проводилось за рахунок накачування повітря. Руйнування сталося при тиску 0,68 МПа. Тріщина мала кільцеву форму і з'явилася причиною повного поперечного руйнування труби (рис. 3).
Обидві труби виготовлені у відповідності до вимог ГОСТ 18599 на тиск 0,6 МПа при коефіцієнті запасу міцності для водоводу рівним С = 1,25.
При цьому максимальний операційний (робочий) тиск (МОР) розраховується наступним чином:
MOP= 2 x MRS/(C x (SDR - 1))= 2x80/(1,25x(21-1)= 6,4 атм= 0,64 МПа,
Опресованний тиск у відповідності з будівельними нормами і правилами (6) має дорівнювати Рісп = 1,3 х МОР = 0,78 МПа. При цьому тиск повинен створюватися гідравлічним способом з видаленням повітря при заповненні трубопроводу водою, пневматичний спосіб допускається тільки для чавунних, сталевих та залізобетонних труб. Порушення при опресуванні вимог СН і П призвело до руйнування трубопроводу.
Розглянемо ситуацію з опресуванням вищевказаних труб з SDR 21, виготовлених з ПЕ 80. У зв'язку з тим, що при опресовці в трубі утворювалася повітряна подушка, умови її роботи ставали подібними роботі газопроводу. Робочий тиск газопроводу в разі використання цих труби становить
2 x MRS/(C x (SDR - 1))= 2x80/(2,5х(21-1)= 3,2 атм= 0,32 МПа,
оскільки коефіцієнт запасу (С) для газопроводів дорівнює 2,5, що в два рази більше ніж для води. При цьому опресувальний тиск мав становити Рісп = 1,3 х МОР = 0,42 МПа., Яке у вищевказаних прикладах було перевишено в 1,5-1,6 рази (6,3 і 6,8 атм).
Для оцінки поліетиленових газопроводів на стійкість до швидкого розповсюдження тріщин (так званий повномасштабний тест, практично повністю відтворює реальні умови експлуатації) використовують поняття критичного тиску при якому труба ще не руйнується, що розраховується в нашому випадку, таким чином Ркріт = 1,5 х МОР = 1 , 5 х 3,2 = 4,8 атм.
Таким чином, критичний тиск поширення тріщин було перевищено при опресуванні трубопроводів в 1,3 - 1,4 рази!
Сукупність збігу несприятливих обставин: закачування повітря при опресуванні, шов поганої якості в першому випадку і низькі температури (-20С) при опрісовці в другому випадку, призвели до виникнення досить рідкісного явища "швидкого поширення тріщини" (2 випадки на 3580 км трубопроводів діаметром від 160 до 1200 мм в 2004р).
Обидві труби виготовлені у відповідності до вимог ГОСТ 18599 на тиск 0,6 МПа при коефіцієнті запасу міцності для водоводу рівним С = 1,25.
При цьому максимальний операційний (робочий) тиск (МОР) розраховується наступним чином:
MOP= 2 x MRS/(C x (SDR - 1))= 2x80/(1,25x(21-1)= 6,4 атм= 0,64 МПа,
Опресованний тиск у відповідності з будівельними нормами і правилами (6) має дорівнювати Рісп = 1,3 х МОР = 0,78 МПа. При цьому тиск повинен створюватися гідравлічним способом з видаленням повітря при заповненні трубопроводу водою, пневматичний спосіб допускається тільки для чавунних, сталевих та залізобетонних труб. Порушення при опресуванні вимог СН і П призвело до руйнування трубопроводу.
Розглянемо ситуацію з опресуванням вищевказаних труб з SDR 21, виготовлених з ПЕ 80. У зв'язку з тим, що при опресовці в трубі утворювалася повітряна подушка, умови її роботи ставали подібними роботі газопроводу. Робочий тиск газопроводу в разі використання цих труби становить
2 x MRS/(C x (SDR - 1))= 2x80/(2,5х(21-1)= 3,2 атм= 0,32 МПа,
оскільки коефіцієнт запасу (С) для газопроводів дорівнює 2,5, що в два рази більше ніж для води. При цьому опресувальний тиск мав становити Рісп = 1,3 х МОР = 0,42 МПа., Яке у вищевказаних прикладах було перевишено в 1,5-1,6 рази (6,3 і 6,8 атм).
Для оцінки поліетиленових газопроводів на стійкість до швидкого розповсюдження тріщин (так званий повномасштабний тест, практично повністю відтворює реальні умови експлуатації) використовують поняття критичного тиску при якому труба ще не руйнується, що розраховується в нашому випадку, таким чином Ркріт = 1,5 х МОР = 1 , 5 х 3,2 = 4,8 атм.
Таким чином, критичний тиск поширення тріщин було перевищено при опресуванні трубопроводів в 1,3 - 1,4 рази!
Сукупність збігу несприятливих обставин: закачування повітря при опресуванні, шов поганої якості в першому випадку і низькі температури (-20С) при опрісовці в другому випадку, призвели до виникнення досить рідкісного явища "швидкого поширення тріщини" (2 випадки на 3580 км трубопроводів діаметром від 160 до 1200 мм в 2004р).
Висновки
1. Причиною руйнування, що мали місце в наведених випадках, є не погана якість труби, а порушення правил будівництва та випробувань трубопроводу.
2. З метою усунення можливості повторення таких явищ необхідно:-опресування трубопроводу проводити водою і забезпечити повне видалення з труби скупчень повітря, в тому числі викликаних перепадом висот місцевості;
- Здійснювати суворий контроль за якістю зварювання і уникати можливих механічних пошкоджень труби.
3. Застосування поліетилену типу ПЕ 100 значно збільшує стійкість до швидкого розповсюдження тріщин, особливо для труб великого діаметру.
Література
1. P.S. Leevers "Rapid crack propagation", Plastic Pipes XI, 2001
2. J.M. Greig "Polyethylene pipe in British gas distribution system", Plastics, Rubber and Composites Processing and Application V. 21 NO 3 1994
3. Альперн В. Д. "Что следует знать о трубном полиэтилене" Инженерные се-ти из полимерных материалов, №2, 2002
4. Rapport d'essai №3456 "Belgian research centre for pipes and fitting", 1997
5. N. VAN Speybroeck, P Vanspeybroek "Use of polyethylene for gas networks un-der 10 bar", 1998
6. СНиП 3.05.04 - 85* "Наружные сети и сооружения водоснабжения и кана-лизации", Москва 2001
Автори: Ігор Гвоздьов
Джерело: (Журнал "Полімерні труби")
Читайте також
- Компанія Georg Fischer Piping Systems Ltd. провела навчання фахівців із застосування нової технології з'єднання ПЕ труб великого діаметруНовини Євротрубпласт / 28.06.2006
- Виробництво труб великого діаметру з поліетиленуТехнічні статті / 29.05.2006
- Розрахунок на міцність труб "КОРСИС" та гладких ПЕ труб.Технічні статті / 20.02.2011
