Разместить информацию

Особенности проектирования незамерзающих полиэтиленовых трубопроводов

1. Проектирование незамерзающих водоводов

В ООО «Чебоксарский трубный завод», входящем в группу «ПОЛИПЛАСТИК» освоено производство нового класса незамерзающих, теплоизолированных пенополиуретаном полиэтиленовых труб «АРКТИК» с диаметром рабочей трубы от 32 до 900 мм.
Изолированные полиэтиленовые трубы выпускаются в виде мерных отрезков длиной до 13 м, при этом трубы «АРКТИК-У» имеют один или несколько кабель-каналов для протяжки саморегулирующихся нагревательных лент [1]. Они предназначены для трубопроводов, транспортирующих воду, в том числе для хозяйственно-питьевого водоснабжения, напорной и безнапорной канализации, при температуре транспортируемой воды от 0°С до 40 °С, а также другие жидкости, к которым полиэтилен химически стоек.
Трубы «АРКТИК» могут использоваться при отрицательных температурах окружающей среды в любых климатических зонах (в том числе в районах Крайнего Севера и приравненных к ним местностям), они могут также использоваться в качестве технологических трубопроводов.
Изолированные полиэтиленовые трубы и фасонные изделия с оболочкой из оцинкованной стали предназначены для наружной прокладки, изолированные трубы и фасонные изделия с полиэтиленовой оболочкой – для подземной канальной и бесканальной прокладки.
Освоено производство теплоизолированных фасонных элементов «АРКТИК»: отводы, тройники, неподвижные опоры, элементы вывода обогревающих кабелей и кабелей термодатчиков, полиэтиленовая и стальная арматура и т.д. Эти фасонные изделия производятся также при необходимости с интегрированными под слой теплоизоляции кабель - каналами системы электрического обогрева.
Для строительства магистральных водопроводов разработаны изолированные трубы для подземной и надземной прокладки с индуктивно-резистивным нагревом. Особенностью данного вида попутного электрического обогрева является возможность подачи напряжения на трубопровод с одной или двух сторон, при этом протяженность обогреваемых трасс может составить до 30 км - без прокладки питающих электрических кабельных линий вдоль трассы.
Применение предварительно изолированных полиэтиленовых труб и фасонных изделий в сочетании с возможностью применения бесканальной прокладки сокращает сроки выполнения монтажных работ и повышает надежность систем водоснабжения при эксплуатации в условиях экстремальных температур.
Применение пенополиуретановой теплоизоляции и гидроизолирующей оболочки позволяет уменьшить тепловые потери при транспортировании веществ по сравнению с альтернативными вариантами и соответственно уменьшать эксплуатационные затраты на обогрев.
Высокая энергоэффективность трубопроводов «АРКТИК-У» позволяет отказаться от традиционных не эффективных методов обеспечения устойчивости водоводов к воздействию низких температур, например таких как:
устройство циркуляционных насосных станций;
- устройство проточных подогревателей;
- прокладки трасс отопления и водоснабжения в одном канале (оболочке);
- сброс до 20% воды в канализацию и огромные затраты на прокачку и биологическую очистку сбросных вод;
Существенным преимуществом теплоизолированных полиэтиленовых труб является возможность обеспечения устойчивой работы трубопроводов в районах с высокой сейсмической активностью, поскольку, как показывают результаты расчетов, запас деформативности полиэтиленовых изолированных труб более чем в 10 раз превышает аналогичный показатель для стальных трубопроводов.
У многих проектных организаций отсутствует опыт проектирования изолированных полиэтиленовых трубопроводов. Это часто приводит к ошибкам в выборе технических решений.
К сожалению, устаревшая нормативная база на трубопроводы из пластмасс для наружного водоснабжения, канализации и технологических трубопроводов тормозит внедрение новых технологий. Так инструкция по проектированию технологических трубопроводов из пластмассовых труб разработана в 1982 году, действующий СНиПна наружное водоснабжение принят в 1985 г., а СП 40- 102 «Проектирование и монтаж сетей водоснабжения и канализации из полимерных материалов» разрабатывался в конце прошлого века. За истекшее время на рынке появился трубный полиэтилен второго и третьего поколений (ПЭ80 и ПЭ100), на подходе к широкому применению ПЭ125. Они по определению способны длительно работать при значительно более высоких кольцевых и осевых напряжениях, что позволяет использовать иные принципы проектирования трубопроводов.
Изолированные полиэтиленовые трубопроводы «АРКТИК» имеют высокую кольцевую жесткость и их прокладка методом самокомпенсации или как еще говорят «змейкой» весьма затруднительна. Применение фасонных компенсаторов в изолированных трубопроводах наружной прокладки невозможно в связи с тем, что значения линейных термических удлинений для полиэтиленовой трубы и оцинкованной оболочки отличаются на 2 порядка. Кроме того, в обогреваемых трубопроводах подземной и надземной прокладки с использованием фасонных компенсаторов возникают труднопреодолимые проблемы с компенсацией температурных удлинений нагревательных лент.
Вместе с тем, расчеты показывают, что теплоизолированные водопроводы из ПЭ100 способны работать в пределах 50-ти летнего ресурса при номинальном давлении в режиме некомпенсируемой осевой температурной нагрузки в диапазоне температур ±30оС от температуры фиксации последних стыков при монтаже. Проектирование таких трубопроводов действующими нормами не предусмотрено, поскольку они создавались исходя из прочностных характеристик ПЭ63. Кроме того, в действующих нормах отсутствуют методики расчета сейсмостойкости, нагрузок при балластировке и прочих методик расчетов устойчивости и деформаций при прокладке изолированных трубопроводов в особых условиях.
На наш взгляд условия прочности должны удовлетворять требованиям критериальных уравнений по продольным осевым напряжениям от действия всех нагрузок силового воздействия sоF, продольным осевым напряжениям от действия нагрузок силового и деформационного воздействий sоNS и продольным фибровым напряжениям от совместного действия всех нагрузок силового и деформационного воздействий sоS:
sо•F = t×m×gр < 0,4 MRS•gп; (1)

sоNS1 = (t×m×gр - a×E(te)•Dt•gt) ≤ 0,5×MRS•gп; (2)

sоS1 = |st•m•gр - a•E(te)• D t• gt|+E(te)×Dе/(2×r) gi• gг +sоу•gz ≤ 0,9•MRS• gп, (3)
где t - кольцевые напряжения в стенке трубы от внутреннего давления, МПа;
m - коэффициент Пуассона, принимаемый равным 0,43;
a - коэффициент температурного расширения полиэтилена, равный 2,2 •10-4 (1/оС);
Е(te) - модуль ползучести полиэтилена при соответствующем кольцевом напряжении и температуре, МПа, при сроке эксплуатации 50 лет.
r- радиус изгиба рабочей трубы, м.
Dе - наружный диаметр рабочей трубы, м;
оу - дополнительные напряжения в трубопроводе, МПа, обусловленные его прокладкой в особых грунтовых условиях: пучинистых, просадочных, набухающих грунтах и т.п.

При прокладке изолированных трубопроводов на площадках с сейсмичностью свыше 6 баллов должны учитываться дополнительные напряжения от сейсмических нагрузок sс и те же формулы примут вид:
sоNS2 = |sоNS1|+ sс• gс ≤ 0,7•MRS• gп ; (4)

sоS2 = |sоS1|+sс• g с ≤ 1,0•MRS• gп, (5)

При этом коэффициенты надежности  принимаются с учетом требований [2], [4] и [5], при этом нами предложено дополнить перечень коэффициентов надежности значениями g и kg (см. табл.1).


Поскольку кольцевая жесткость трубной системы «АРКТИК» в 3- 5 раз выше по сравнению с жесткостью исходной рабочей трубы], расчет овализации под воздействием поперечных нагрузок по методикам выполнять не требуется. Вместо него, на наш взгляд, следует выполнять расчет локальных нагрузок на пенополиуретановую теплоизоляцию, которые не должны превышать показателя прочности ППУ при 5% линейной деформации, как это принято для теплоизолированных пенополиуретаном стальных труб. При этом жесткостью полиэтиленовой защитной оболочки имеющей очень малую толщину стенки (SDR >50) можно пренебречь. Для большинства заливочных ППУ для трубной теплоизоляции это значение составляет не менее 0,15 МПа.
Кроме того, нельзя не учитывать возможность перемещения рабочей полиэтиленовой трубы по отношению к теплоизоляции при значительных осевых температурных напряжениях. Поэтому на углах поворотов изолированных трубопроводов в необходимых случаях предусматривается устройство неподвижных опор или упорных отводов под бетонирование с передачей нагрузки на грунт от рабочей трубы.
Важной особенностью проектирования систем попутного электрического обогрева изолированных полиэтиленовых трубопроводов является необходимость использования специальных компьютерных программ для расчета температурных полей (по методу конечных разностей), поскольку традиционные аналитические методы расчетов [8] не содержат необходимых методик или являются чрезвычайно трудоемкими.
В отличие от стальных трубопроводов расчет температурных полей изолированного полиэтиленового трубопровода необходимо выполнять обязательно, поскольку применение саморегулирующихся нагревательных лент не исключает возможности перегрева стенки рабочей трубы выше допустимых значений, особенно в период минимального водоразбора, например, ночью.
К примеру, моделирование в программе «Elcut» с учетом конкретных особенностей строительства подземного магистрального водовода АРКТИК-У 225/450 в Якутии позволило установить, что температура в контактной зоне, при мощности нагревательной ленты 25 Вт/м составит tкз = +50 оС. Если температура транспортируемой воды tв = +4 оС, то средняя температура стенки полиэтиленовой рабочей трубы по нормали к нагревателю в этих условиях составит:
tср = (tв + tкз)/2 = (4 + 50)/2=27оС. (6)
Следовательно, в данном случае необходимо применять поправочный коэффициент по рабочему давлению либо уменьшать расчетный ресурс трубопровода. Однако, если в данном случае применить в конструкции трубной системы дополнительные «теплорастекающие» элементы, то экстремальные значения температур в зоне контакта нагревателя с рабочей трубой можно уменьшить на 10 - 15оС. В этом случае средняя температура стенки рабочей трубы по нормали к нагревателю не превысит значения +20оС и никаких понижающих коэффициентов применять не требуется. Таким образом, используемые методики позволяют выполнять проверочные расчеты применительно к конкретным условиям прокладки и разрабатывать конструкции обогревающих элементов так, что бы «пиковая» средняя температура стенки напорной трубы по нормали к нагревателю не превышала значения +20оС.








II. Расчет тепловых режимов работы гофрированных самотечных трубопроводов

В ООО «ЧТЗ» освоено производство обогреваемых теплоизолированных труб и фасонных изделий «ИЗОКОРСИС». Они предназначены для строительства сетей хозяйственно-бытовой канализации, водоотведения (безнапорной и ливневой канализации, водостоков), сброса промышленных стоков в условиях низких температур окружающей среды.
Трубы «ИЗОКОРСИС» представляют собой конструкцию, состоящую из 2-х концентрично расположенных труб «КОРСИС», пространство между которым заполнено теплоизоляционным слоем из пенополиуретана. Трубы «ИЗОКОРСИС-У» дополнительно имеют интегрированный в гофры рабочей трубы кабель-канал. Разработаны также разнообразные фасонные элементы.
Сборка труб и фасонных изделий осуществляется без применения сварки. Трубы соединяется между собой по принципу «муфта – патрубок» с резиновым уплотнительным кольцом. Соединение кабель – каналов в трубах «ИЗОКОРСИС-У» также осуществляется по принципу «ЛЕГО», т.е. «муфта – патрубок».
Экспериментальные данные показывают, что кольцевая жесткость трубной системы увеличивается в 5 - 6 раз по сравнению со значениями для рабочей трубы «КОРСИС» , что позволяет гарантированно обеспечивать значение кольцевой жесткости без отпора грунта SN  20.
На практике для борьбы с закупоркой труб ледяными пробками жители и персонал предприятий в условиях Крайнего Севера преимущественно используют метод постоянного сброса воды в канализацию [11]. Использование обогреваемых теплоизолированных трубопроводов «ИЗОКОРСИС» является значительно более экономичным методом поддержания работоспособности канализации в условиях низких температур. Расчеты показывают, что затраты на обеспечение работоспособности обогреваемых систем водоснабжения и канализации в несколько раз ниже, чем на прокачку, прямой сброс воды в канализацию, а затем биологическую очистку стоков.
Наиболее точно (и наглядно) расчеты стационарных и нестационарных тепловых режимов работы обогреваемого трубопровода могут быть выполнены в специальных компьютерных программах. Допустимо применять программные продукты с использованием трехмерных и двухмерных моделей.
Программы с использованием трехмерных моделей пока недоступны широкому кругу пользователей из- за их высокой стоимости. В программах с двухмерной графикой расчет производится на основе плоскостной модели поперечного сечения трубы или фасонного изделия. Поскольку трубы и фасонные изделия ИЗОКОРСИС-У имеют переменный профиль сечения по длине (по гофрам или по трубе) при посторении расчетной модели в двухмерных программах рекомендуется использовать прием, позволяющий производить вычисления с использованием одного «совмещенного» сечения. Обоснование возможности использования данного приема заключается в следующем.
Представим себе пиджак из вельветовой ткани у которого один рукав из-за ошибки закройщика пошит с раскроем гофр на ткани вдоль рукова, а второй - поперек. Зададимся вопросом - вправе ли заказчик предъявить претензии к закройщику с точки зрения теплового комфорта? У портного есть все основания признать претензии необоснованными, поскольку поверхность теплообмена (площадь ткани пошедшей на раскрой) с окружающей средой у рукавов равны, а значит, при идентичных граничных условиях не будет отличий и в линейной мощности тепловых потерь. Поэтому, если в нашем случае «повернуть» гофры труб ИЗОКОРСИС на 90 градусов (вдоль трубы) появляется возможность производить расчет тепловых полей с использованием двухмерной модели.
Специалистами ООО «ЧТЗ» расчеты тепловых полей труб ИЗОКОРСИС выполняются с использованием отечественной программы Elcut на основе двухмерной графики. Использование данной программы позволяет призводить расчет полей температур, мощности и градиентов тепловых потоков для стационарных и нестацианарных режимов работы трубопровода, в том числе в режиме автоматического регулирования. Это позволяет производить выбор параметров систем обогрева, обеспечивающих максимальную энергоэффективность систем обогрева.
В связи с отсутствием нормативных данных при расчетах тепловых режимов работы труб «ИЗОКОРСИС» мы рекомендуем принимать начальную температуру стоков ночью не более +10оС, днем - не менее +20оС.
В частности расчеты, выполненные в программе Elcut, показали, что при наполнении рабочей трубы ИЗОКОРСИС днем на 25%, с начальной температурой стоков +20оС, критическая длина изолированных трубопроводов составляет сотни метров. Этот режим работы характерен для коллекторов днем.
Совсем иная картина наблюдается в режимах работы труб на выпусках (из зданий) стоками с наполнением около 0,02-0,05h/d (где h- высота стоков, м; d- внутренний диаметр рабочей трубы, м).
При очень малых величинах наполнения труба заполнена преимущественно воздухом. Теплоемкость воздуха в 4200 раз меньше, чем у воды. В соответствующее количество раз быстрее по сравнению с трубой заполненной водой она охлаждается. Ночью, после прекращения сбросов стоков, среднеобъемная температура стенки рабочей трубы менее чем за 3 часа охлаждается практически до температуры окружающего трубу грунта.
Если принять, что ночью начальная температура стоков составляет +10оС (наиболее неблагоприятный случай прямого слива воды в канализацию), то при подтекающем (незакрытом) кране или неисправном сливном бачке в одной из квартир имеет место пленочный характер движения жидкости в рабочей трубе и послойное промерзание трубы к утру.
Расчетное время охлаждения (t) переднего фронта порции стоков от начальной температуры +10 до 0оС при наполнении трубы равном 0,02h/d для теплоизолированной трубы ИЗОКОРСИС 110/200 составляет 10 секунд (при температуре наружного воздуха -50оС, температуре грунта по оси трубы -30оС и глубине заложения трубы по оси 1 метр). Тогда, при скорости стоков V= 1,0 м/с, критическая длина Lкр самотечного трубопровода составит:
Lкр = V×t = 1,0×10 = 10 м. (7)
Очевидно, что при длине трубы ИЗОКОРСИС выше критической на стенках трубы начнет образовываться ледяная корка. Следовательно, трубы на выпусках из зданий, для данных климатических условий, имеющие протяженность выше критической должны быть с электрическим обогревом.
Для обогреваемых трубопроводов рекомендуется использовать автоматический режим поддержания температуры стоков в диапазоне +2..+5оС. В этом режиме обеспечивается минимальное энергопотребление, обеспечивающее устойчивую работу труб ИЗОКОРСИС-У, в том числе при минимальных величинах наполнения стоками.
Тепловые расчеты в программе Elcut позволяют вычислить температуру, градиент и мощность тепловых потоков в любой заданной области сечения трубной системы или окружающего грунта в любой момент времени и для различных граничных условий.
На рисунке 1 приведен пример теплового расчета в программе Elcut трубы ИЗОКОРСИС-У 110/200 с использованием двухмерной модели для случая бесканальной прокладки трубы в грунте на глубине 1,0 м от верха оболочки трубы в климатических условиях Якутии (минимальная температура воздуха tвозд= -50оС, глубина сезонного промерзания грунта 4 м), с включенным обогревающим кабелем мощностью 25Вт/м, в режиме автоматического поддержания температуры стоков в диапазоне +2…5 оС, при наполнении рабочей трубы 0,1 h/d.

С целью сокращения времени вычислений (при работе программы), представленная на рисунке 1 модель включает только правую полуплоскость сечения трубы, при допущении, что между правой и левой симметричными полуплоскостями (по вертикальному диаметру) теплообмен отсутсвует.

Графические данные позволяют установить, что в режиме автоматического регулирования, температура на верхних сводах рабочей трубы может иметь в период минимальных наружных температур зимой отрицательные значения. При этом зона прогрева стенок рабочей трубы до положительных температур примерно в 3 раза превышает величину смоченного периметра.
График распределения мощности теплового потока q (Вт/м2) по внутреннему контуру рабочей трубы приведен на рисунке 3 (против часовой стрелки от 6 до 12 часов). Он позволяет установить, что период синусоиды равен шагу гофров рабочей трубы, при этом тепловые потери через гофры в 2 - 3 раз ниже, чем непосредственно через стенку трубы.

В отличие от стальных у полиэтиленовых трубопроводов, при включеннной системе распределенного электрического обогрева, температура стенки на линии соприкосновения рабочей трубы и линейного нагревателя имеет максимальное (пиковое) значение.
Средняя температура стенки рабочей трубы по нормали к нагревателю tср.нн может быть определена по выражению (6):
Tср.нн = tзк + tст
где tзк - температура в контактной зоне между кабель-каналом и рабочей трубой, оС;
tст – температура стоков, оС.
На рисунке 4 приведен график профиля температур по вертикальному диаметру трубы ИЗОКОРСИС-У 110/200, при вышеприведенных граничных условиях. При этом, автоматический регулятор температуры обеспечивает поддержание температуры стоков в диапазоне +2…5оС.

При повышении наружной температуры и соответсвенно температуры грунта ширина полосы прогрева рабочей трубы до положительных температур постепенно увеличивается. В режиме автоматического регулирования средняя температура стенки рабочей трубы по нормали к нагревателю в диапазоне эксплуатационных температур не превышает значений +25…30оС. Эта температура существенно ниже допустимого длительного рабочего значения и не снижает расчетный ресурс самотечного трубопровода (не менее 50 лет).

Вывод.
Комплекс разработанных методик позволяет выполнять прочностные и тепловые расчеты напорных и безнапорных изолированных полиэтиленовых трубопроводов, а также разрабатывать эффективные технические решения обеспечивающие их надежную и долговечную работу.




Автор статьи:

ООО "Чебоксарский трубный завод"

Производство и реализация полиэтиленовых труб, полимерных труб для горячего, холодного водоснабжения и канализации, фитингов и сварочного оборудования

+7-8352-744004, +7-8352-742929
429950 Россия 429950, г. Новочебоксарск, ул. Промышленная, 19
Контактное лицо
Написать письмо Сохранить контакт Сообщить об ошибке