8.1.2. Газопроводы из пластмассовых материалов

В последнее время для подземных газопроводов широко используют полиэтиленовые и винипластовые трубы, изготовленные из новых высокоэффективных материалов – пластических масс.

Например, полиэтиленовые трубы применяют для подземных межпоселковых газопроводов с давлением до 0,6 МПа и подземных газопроводов с давлением до 0,3 МПа, прокладываемых на территории сельских населенных пунктов.

Название «пластические массы (пластмассы)» дано этим материалам потому, что в процессе их образования, на определенной стадии, они обладают высокой пластичностью. Это свойство пластмасс позволяет изготавливать из них изделия самой разнообразной, нередко очень сложной формы путем использования методом литья, экструзии (выдувания), штамповки и т. д. Пластмассы хорошо обрабатываются режущим инструментом. Многие сорта пластических масс допускают сварку и склеивание.

Общие положительные свойства пластмасс: малая по сравнению с металлами и керамикой плотность (900–1500 кг/м³), довольно значительная, а подчас и высокая механическая прочность, исключительная химическая стойкость.

К отрицательным свойствам пластических масс относятся: повышенная по сравнению с металлами хрупкость, малая теплостойкость, значительный коэффициент линейного термического расширения и способность некоторых из них к текучести под влиянием длительных нагрузок (особенно при повышенной температуре). Многие такие материалы обладают высокими диэлектрическими свойствами, что при движении жидкостей по пластмассовым трубопроводам может привести к накоплению зарядов статического электричества и явиться причиной загорания и взрывов. Снять заряды с трубопроводов из пластмасс довольно сложно.

Основной частью любой пластмассы является органическое вещество – синтетическая или, очень редко, природная смола, придающая материалу определенные свойства. В состав пластмасс вводят пластификаторы (для эластичности), стабилизаторы (для предохранения от разложения) и наполнители (для придания материалу твердости, прочности и теплостойкости).

Пластические массы разделяются на термопластичные и термореактивные. Первые из них под влиянием тепла и давления переходят в пластическое состояние, не претерпевая при этом химических изменений. Форма, приданная такому материалу при нагреве, сохраняется после остывания, но при повторном нагреве она может быть изменена. Это свойство обусловливает практически очень длительное использование трубопровода из термопластичных материалов, так как он не разрушается от химического воздействия, а в случае изменения схемы производства может быть разобран, форма фасонных его частей изменена в соответствии с новыми условиями и трубопроводу придана новая необходимая конфигурация.

Из выпускаемых промышленностью термопластичных материалов для изготовления трубопроводов наиболее широко используют винипласт, полиэтилен и фторопласт.

Термореактивные пластмассы под действием тепла и давления подвергаются коренным необратимым изменениям, следовательно, после термообработки изделия из них навсегда сохраняют приданную им форму.

Винипласт – термопластичный материал, получаемый из поливинилхлоридных смол. Он наиболее широко распространен из всех пластических масс, применяемых для изготовления труб, фасонных частей и арматуры.

Винипласт негорюч, хорошо поддается механической обработке, сварке и склеиванию, в нагретом состоянии хорошо формуется. При температурах от –10 до +50 °С предел его прочности при растяжении составляет ~50 МПа (5 кгс/мм²), удлинение при разрыве равно 10–15 %. Плотность винипласта 1300–1400 кг/м³.

Недостатками этого материала являются хрупкость и склонность к текучести под влиянием даже незначительных по величине, но постоянно действующих нагрузок.

Полиэтилен представляет собой термопластичный материал из высокомолекулярного углеводородного соединения. В зависимости от метода производства полиэтилена предел его прочности при растяжении составляет 12–35 МПа (1,2–3,5 кгс/мм²), а относительное удлинение 150–900 %.

Изделия из полиэтилена уступают по прочности винипластовым, но выше их по эластичности и стойкости к агрессивным средам при температурах до 80 °С. Полиэтилен обладает высокой стойкостью к действию кислот (за исключением концентрированной азотной) и растворов всех щелочей. Морозостойкость его очень высокая (не утрачивает гибкости при температурах до –65 °С). Полиэтилен легок (плотность 920–960 кг/м3), хорошо поддается механической обработке, сваривается и склеивается.

Полиэтиленовые трубы имеют ряд преимуществ по сравнению со стальными:

– высокую коррозионную стойкость почти во всех кислотах (кроме органических) и щелочах, что исключает необходимость изоляции их и использования электрохимической защиты;

– незначительную массу, что обеспечивает снижение транспортных расходов, а также трудозатрат при их монтаже;

– повышенную пропускную способность (приблизительно на 20 %) благодаря гладкости их поверхности (эквивалентная шероховатость стенки стальной трубы равна 0,01 см, а полиэтиленовой – 0,002);

– достаточно высокую прочность при достаточных эластичности и гибкости.

К недостаткам полиэтиленовых труб следует отнести: горючесть, повышенную окисляемость при нагревании, деструкцию материала при температурах выше 30 °С, изменение свойств под воздействием прямых солнечных лучей, высокий коэффициент линейного расширения (при 20...З0 °С k = 0,000221 °С), усталостные процессы (релаксационное разуплотнение), возможность накопления статического электричества в теле трубопровода.

Отечественная промышленность для газопроводов изготавливает трубы из полиэтилена с минимальной длительной прочностью MRS 8,0 (ПЭ80) и 10,0 (ПЭ100) МПа.

Трубы из ПЭ80 – полиэтилена средней плотности (0,935, 0,940 г/см³) – обладают повышенной длительной прочностью и стойкостью к растрескиванию, а также достаточной эластичностью. Эти трубы применяют для строительства газопроводов низкого, среднего и высокого II категории (< 0,6 МПа) давлений.

Полиэтиленовая труба (в том числе профилированная) харак­теризуется стандартным размерным отношением ее номинального наружного диаметра к номинальной толщине стенки (SDR), которое определяется в зависимости от давления в газопроводе, марки полиэтилена и коэффициента запаса прочности по формуле:

, (5.1)

где MRS – показатель минимальной длительной прочности поли­этилена, использованного для изготовления труб и соединительных деталей, МПа; МОР – максимальное рабочее давление газа для данной категории газопроводов, МПа; с – коэффициент запаса прочности, выбираемый в зависимости от условий работы газопровода по нормативным документам.

Применение длинномерных полиэтиленовых труб, заметно снижает по сравнению с использованием мерных труб число сварных соединений, т. е. позволяет сокращать время монтажа. В настоящее время получили распространение два способа соединения полиэтиленовых труб: сварка встык с помощью электронагревательного инструмента и посредством использования муфт с закладными электронагревательными спиралями. Второй способ сварки надежнее первого, однако, высокая стоимость муфт с термоэлементами делает его экономически невыгодным для соединения полиэтиленовых труб мерной длины, в частности для труб диаметром свыше 200 мм, которые выпускаются только отрезками.

При строительстве газопроводов из полиэтиленовых труб зна­чительно сокращаются объем земляных работ и продолжительность строительства, так как трубопровод разматывается с барабана и укладывается непосредственно в траншею.

Гибкость и эластичность полиэтилена позволяют применять трубы из него при прокладке газопроводов методом направленного бурения, т. е. когда возможны изменения направления трассы и ее изгибы большого радиуса. Способность полиэтиленовых труб удлиняться под нагрузкой (относительное удлинение при разрыве составляет не менее 350 %) обеспечивает возможность их использования в неустойчивых грунтах, т. е. в районах, подверженных сейсмической опасности, и в проседающих горных породах, а также в пучинистых грунтах.

При эксплуатации установок, использующих газовое топливо, применяют гибкие газопроводы, например на газонаполнительных станциях (ГНС), при сливе газа из железнодорожных цистерн, наполнении газом автоцистерн, сливе газа в групповые резервуарные установки, применяют иногда для подключения газовых плит. В отличие от стальных газопроводов, резиновые и резинотканевые рукава обеспечивают безаварийную работу на более короткий срок, так как с течением времени физические и механические свойства резины и ткани изменяются, причем такое свойство резины, как эластичность, может быть полностью утрачено.

Резиновые и резинотканевые рукава должны иметь на обоих концах специальные приспособления для присоединения к трубопроводам и штуцерам сосудов и аппаратов.