Полимерные многослойные трубы и ГОСТ

12.08.2014

Полимерные многослойные трубы и ГОСТ

Ох уж этот ГОСТ…

Напомню, что однослойным трубам посвящен ГОСТ Р 52134–2003*, который полностью описывает все их технические характеристики, а также дает необходимые нам расчетные методики. Для многослойных труб разработан ГОСТ Р 53630–2009. Логично предположить, что данный ГОСТ даст нам ответы на все вопросы по многослойным трубам. Логично… но не дает. Мое личное мнение — ГОСТ 53630 совершенно бестолков. Единственное, что он дает нам, проектировщикам, это образец маркировки трубы. То есть мы должны верить тому, что написано на трубе, и только. Причем даже образец маркировки непонятен. Смотрим пример маркировки трубы по ГОСТ, приведенный на рис. 1. Вам все понятно? Мне — нет:

  1. Зачем написали максимальную температуру (90 °C)? Согласно ГОСТ 52134 (пункт 5.2) у 5-го класса эксплуатации максимальная температура 90 °C, и превышать ее нельзя. А если бы написали Тмакс = 95 °С? Это ведь уже не 5-й класс. Или такого нельзя писать? Нет ответа.
  2. 2. ГОСТ 53630 не дает определения, что такое PN. Зато такое определение дает ГОСТ 52134, и не только он. PN — номинальное давление, то есть такое давление воды (с температурой в 20 °C), которое труба может выдержать непрерывно в течение 50 лет. Давление это выражается в барах. Что я вижу на маркировке? А вижу я, что 20-градусную воду при давлении в 1 бар труба выдержит 50 лет. Мне кажется, даже авторы ГОСТ имели в виду совсем не это — они подразумевали 1 МПа. Опять же, при какой температуре? Догадываюсь, что при температурах по 5-му классу эксплуатации. Но для чего тогда дали маркировку PN? Или все таки это давление для 20-градусной воды? А зачем тогда мне это давление? Как видите, однозначности никакой.
  3. А если я данную трубу хочу эксплуатировать не по 5-му классу, а, допустим, по 4-му? На трубе про 4-й класс ничего не написано. Очевидно, что по 4-му классу максимальное рабочее давление будет выше. Но насколько? И на этот вопрос ГОСТ ответа нам не дает.
  4. А если я не доверяю тому, что на трубе написано? Как мне это проверить? Будь труба однослойной — открыл бы ГОСТ 52134, заглянул бы в эталонные кривые, посчитал по формулам, и все — ответ у меня в кармане. ГОСТ 53630 не таков, ответа в нем не ищите.
  5. А если я эту трубу хочу использовать в технологической установке? Хочу, чтобы по ней 24 часа в сутки текла вода с температурой в 85 °C. Какое максимальное рабочее давление? И на этот вопрос ответа в ГОСТ мы не найдем.

А ведь эти вопросы я не из пальца высосал, они из реальной жизни, просто животрепещущие вопросы. Мы проверяем всю информацию, которую размещаем в нашем «Справочнике проектировщика онлайн», а тут такая «засада». Ну, нам не привыкать, будем собирать ответы по крупицам.

 

Рис. 1. Маркировка трубы по ГОСТ

 

Чуть-чуть теории

Многие производители металлопластиковых труб заявляют, что металл внутри трубы делает трубу прочнее, и что надо ее рассматривать как металлическую трубу с полимерным покрытием. Не могу с этим согласиться. Будь оно так — тогда и фитинги крепились бы к металлическому слою, а не к полимеру. А раз полимер влияет на прочностные свойства трубы — труба многослойная, и каждый слой важен. ГОСТ 53630 полностью это подтверждает: каждый слой трубы должен быть рассчитан на нагрузку (пункты 3.1–3.3). А что такое «рассчитан на нагрузку»? А это значит, что слой должен выдерживать требуемое расчетное напряжение в стенке трубы, или кольцевое напряжение. Напомню, кольцевое напряжение σ [МПа] связано с давлением внутри трубы следующей формулой:

где D — наружный диаметр трубы, мм; P — давление внутри трубы, МПа; s — толщина стенки трубы, мм. Если мы выразим давление P [МПа] через кольцевое напряжение σ, получим следующую формулу:

Зная кольцевое напряжение, мы можем определить срок службы полимерного слоя — данную методику дает нам ГОСТ 52134. А каким образом нам определить кольцевое напряжение в многослойной трубе, где каждый слой влияет на остальные? А вот на этот вопрос ГОСТ 53630 дает нам ответ в подпункте 8.14.2. Этот пункт посвящен испытаниям на термическую стабильность труб. Как раз термическая стабильность и определяет срок службы трубы. Чтобы определить испытательное давление, ГОСТ предлагает нам следующую формулу:

Узнаете? Где вы здесь видите влияние прочного металлического слоя на остальные? А нигде. Все слои работают под одним и тем же кольцевым напряжением. И какой из этого вывод? Выводов целых два. Первый — если напряжение в стенке трубы при испытаниях определяют без учета влияния слоев друг на друга, то и при определении максимального рабочего давления мы можем поступить так же.

Второй — если нам известны давление и температура, воздействующие на трубу, то мы можем взять внутренний слой (этот слой работает при более высоких температурах, чем внешние), и определить для него максимальное рабочее давление по методикам ГОСТ 52134. Это давление и будет максимальным рабочим давлением для всей трубы. Кольцевое напряжение вычислим по формуле (2), срок службы — по эталонным кривым ГОСТ 52134, а если температура меняется во времени — применим правило Майнера.

Вуаля! Пробуем на практике (цифры реальные, но производителя трубы называть не буду). Труба PE-X/Al/PE-X, наружный диаметр 16 мм, толщины: наружный слой 0,5 мм; алюминий 0,3 мм; внутренний слой 1,05 мм. Проверим, сколько лет прослужит труба при температуре 95 °C и давлении в 1 МПа (именно эти цифры написаны на трубе). При давлении в 1 МПа все слои трубы будут находится под кольцевым напряжением около 4 МПа (вывод писать не буду, все формулы выше по тексту).

Не забываем про коэффициент запаса в 1,5, который представлен в ГОСТ 52134, табл. Ж.1. С его учетом расчетное кольцевое напряжение в стенке трубы составит 6 МПа. Смотрим эталонные кривые, представленные на рис. 2 (или в ГОСТ 52134, см. рис. В.4). Видим, что при таком давлении 95 °C не может быть рабочей температурой. И даже максимальной не может (у максимальной коэффициент запаса 1,3). А может быть только аварийной.

 

Рис. 2. Эталонные кривые длительной прочности труб из PE-X

 

Теперь определим, при каком давлении труба прослужит 50 лет, если рабочая температура составит 70 °C. Кольцевое напряжение, согласно кривой, будет порядка 5,2 МПа. С учетом коэффициента запаса — 3,5 МПа. Такое кольцевое напряжение возникнет, если давление внутри трубы будет 0,919 МПа (или 9,2 бар). Вот видите — теперь мы можем ответить на все вопросы, поставленные в начале статьи. А что делать, если мы не знаем толщину внутреннего слоя? Редкий производитель публикует эту цифру.

Можно поступить еще проще. Представим себе «трубу-аналог»: однослойную; изготовленную из того же материала, что и внутренний слой многослойной; имеющую ту же геометрию (диаметр, толщина стенки). Осмелюсь утверждать, что «труба-аналог» имеет такие же характеристики, что и наша многослойная, с достаточной для инженерных расчетов точностью. Проверим? Берем PE-X-трубу 16 × 2, считаем тот же режим (70 °C, 50 лет, кольцевое напряжение то же).

Давление составит 0,915 МПа или 9,15 бар. Как видите — разница в третьем знаке после запятой, то есть для инженерных расчетов несущественна. Можете попробовать посчитать для других диаметров и других труб — результат будет аналогичен. Я это многократно проверял.

Подведем итоги

Первый итог неутешительный — цифры в маркировке многослойной трубы бесполезны, и часто не говорят нам ни о чем. Второй итог вселяет надежду. Если в сертификате соответствия на многослойную трубу мы видим, что она изготовлена по ГОСТ 53630, то ее характеристики будут не хуже характеристик однослойной «трубы-аналога», изготовленной из того же материала, что и внутренний слой многослойной, и имеющей ту же геометрию (диаметр, толщина стенки). Характеристики однослойной трубы аналога считаем по ГОСТ 52134. Именно так мы определяем характеристики многослойных труб на нашем портале «Справочник проектировщика онлайн».

Необходимое послесловие

Согласен, что предложенная методика не идеальна. Предполагаю, что специалисты будут со мной спорить. Часто производители многослойных труб при личном разговоре не соглашаются со мной, и заявляют, что:

  • их трубы прочнее и более термостойкие, чем эквивалентные однослойные;
  • алюминиевый слой несет основную нагрузку, поэтому внутренний слой находится под меньшим кольцевым напряжением;
  • алюминиевый слой у них толще, чем у конкурентов, поэтому и труба оказывается прочнее;
  • полимер, используемый ими, более термостойкий, чем описанный в ГОСТ 52134.

Все это очень разумно. Вот только как ответить на вопросы, поставленные в начале статьи? Я вижу три нормальных варианта:

  1. Вариант «минимум». Указывать в маркировке трубы (или хотя бы в паспорте на трубу) все пары «Класс эксплуатации/ Максимальное рабочее давление», определенные по ГОСТ 52134. Классов эксплуатации, напомню, пять: 1, 2, 4, 5 и ХВ (см. ГОСТ 52134, табл. 26).
  2. Нормальный вариант — опубликовать собственную методику расчета максимального рабочего давления при постоянной температуре и при переменном температурном режиме.
  3. Оптимальный вариант — провести испытания по ГОСТ Р 54867–2011. Опубликовать эталонные кривые длительной прочности, полученные в результате испытаний. По этим кривым мы сможем все рассчитать в соответствии с методиками ГОСТ 52134. Ничего этого нет? Остается пользоваться методикой, описанной выше.
    Источник:http://www.c-o-k.ru/articles/polimernye-mnogosloynye-truby-i-gost

Возврат к списку




Анализ интернет сайта Яндекс.Метрика Счетчик PR-CY.Rank