Многослойные термопластичные трубы на основе PE-Xa, армированные нитями кевлар, с повышенной теплостойкостью для сетей отопления

• Автор: Шаляпин, Сергей Валерьевич
• Шифр специальности: 05.17.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Полимерные трубы и их применение в тепловых сетях
1.2. Методы оценки прочность полимерных труб
1.3. Выбор полимерных материалов для многослойной конструкции армированных термопластичных труб
1.4. Соединение многослойных армированных термопластичных труб
2. Объекты и методы исследования
2.1. Объекты исследования
2.3. Методы исследования
3. Экспериментальные данные и обсуждение
результатов
3.1. Исследование физико-механических и теплофизических характеристик РЕ-Ха при повышенных температурах
3.2. Изучение процессов релаксации напряжений в РЕ-Ха при разных температурах и деформациях
3.3. Расчет и конструирование многослойных АТТ разных типоразмеров для эксплуатации при повышенных температурах
3.4. Расчет конструкции обжимных фитингов и соединения
АТТ-фитин г
3.5. Исследование работоспособности многослойной АТТ и соединения АТТ-фитинг под давлением
3.6. Определение длительной прочности многослойных армированных термопластичных труб и прогнозирование их эксплуатационных характеристик
3.7. Результаты испытания опытного трубопровода из многослойных армированных термопластичных труб на экспериментальном участке
Выводы
Список л и Герату ры
Приложения
Введение
В России применение полимерных труб началось с большим отставанием от Европы, и хотя сейчас в стране активно наращивается объем их производства [1], он продолжает существенно уступать европейскому. При этом данная продукция наиболее востребована в сетях коммунального хозяйства, таких как отопления в силу их высокой изношенности (до 70 %) [2, 3], Применение в тепловых сетях с переменным температурновременным режимом эксплуатации до 115°С и давлением ~1 МПа труб из крупнотоннажных термопластов (полиэтилен, полипропилен, хлорированный поливинилхлорид и др.) в течение длительного времени ограничено вследствие их низкой прочности при температурах выше 100°С.
Улучшение эксплуатационных характеристик полимеров позволяет расширять область применения пластмассовых труб. Первый подобный шаг был сделан в Европе в середине 70-х годов, когда были освоены методы молекулярного сшивания полиэтилена высокой плотности. Применение сшитого полиэтилена (РЕ-Х) для производства труб позволило повысить температуру эксплуатации их в сетях отопления до 95°С.
На сегодняшний день лидерами производства таких труб являются европейские фирмы Brugg Rohrsysteme, Uponor, Isoplus, Golan, среди отечественных компаний «Группа ПОЛИПЛАСТИК», которая начала освоение данной продукции на предприятии «Завод АНД Газтрубпласт» для применения их в сетях горячего водоснабжения.
Однако при адаптации европейских систем к российским тепловым сетям возник ряд специфических трудностей: номенклатура ограничена трубами диаметром 110 мм; режимы эксплуатации - температурой до 95°С и давлением до 0,6 МПа, либо температурой до 70 °С и давлением до 1,0 МПа. Для тепловых сетей больших и средних российских городов требуются трубопроводные системы больших диаметров рассчитанных на большие температуры (до 115°) и давления (до 1 МПа). Увеличение рабочего давления в полимерной трубе требует увеличения ее толщины стенки, что для труб

большого диаметра приводит к снижению гибкости труб, возрастанию материалоемкости, а также трудоемкости и стоимости монтажных работ, что в итоге делает их нерентабельными по сравнению с металлическими трубами. Кроме того, применение РЕ-Ха в качестве материала напорных труб, способных работать при температурах выше 100°С в течение длительного времени практически невозможно вследствие его низкой прочности.
Вторым шагом модифицирования полимерных труб стало создание армированных термопластичных груб (АТТ) с применением в качестве армирующих элементов высокопрочных материалов. Компания «Группа ПОЛИПЛАСТИК» на предприятии «Завод АНД Газтрубпласт» в Москве в 2006 году освоила выпуск многослойных АТТ для сетей горячего водоснабжения и отопления с температурой до 95 °С и давлением до 1 МПа. С начала выпуска первых армированных труб проложено уже более 3000 км труб, характеризующихся низкой аварийностью при эксплуатации [4, 5]. Однако до сих пор для сетей отопления с температурой выше 100°С не было предложено решений для замены металлических труб, основными недостатками которых являются низкая коррозионная стойкость и малый срок службы. Опыт же применения армированных термопластичных труб открывает перспективы создания специальных многослойных конструкций армированных труб для сетей отопления выше 100°С с повышенной теплостойкость.
При выборе полимерных материалов и расчете многослойной конструкции АТТ следует учитывать изменение свойств полимеров вследствие их ярко выраженной зависимости от температуры и времени. Необходимо иметь данные по основным физико-механическим характеристикам полимеров при повышенных температурах, таких как предел текучести и модуль упругости и, что наиболее важно, данные по длительной прочности и релаксации напряжений.

Анализ научно-технической информации обозначил следующие задачи:
1. Исследовать комплекс физико-механических и теплофизических характеристик РЕ-Ха при температурах от 20°С до 115°С и их значения для расчета многослойных конструкций АТТ;
2. Изучить процессы релаксации напряжений в РЕ-Ха, получить значения начального и квазиравновестного напряжений, а также их зависимости от температуры, для расчета соединения АТТ-фитинг с самоуплотнением по внутреннему слою из РЕ-Ха;
3. Провести расчеты и разработать конструкции многослойных АТТ разного диаметра (от 50 до 150 мм) и определить параметры армирующего каркаса для труб всех типоразмеров, гарантирующих их работоспособность при заданных условиях эксплуатации;
4. Провести исследования и разработать конструкцию обжимных фитингов для АТТ всех диаметров, а также соединения АТТ-фитинг из условия обеспечения герметичности соединения и прочности заделки нитей армирующего каркаса в обжатой фитингом трубе, обеспечивающих работоспособность соединения на протяжении всего срока эксплуатации;
5. Провести гидравлические испытания образов многослойных армированных труб, изучить поведение многослойной конструкции АТТ и соединения АТТ-фитинг под действием внутреннего давления;
6. Определить температурно-временные зависимости прочности АТТ и нитей Кевлар, работающих в армирующем каркасе труб;
7. Разработать методологию прогнозирования и расчета эксплуатационных характеристик трубопровода из многослойных АТТ при переменных условиях эксплуатации.