Исследование и разработка технологии монтажа трубопроводов из полимерных материалов

Основным направлением технического прогресса в строительстве является дальнейшая индустриализация строительных и монтажных работ на основе применения новых конструкторских и проектных решений, внедрения более эффективных и прогрессивных видов материалов и изделий, совершенствования технологии и организации производства, а также повышения качества строительно-монтажных работ".

Значительное снижение расхода металла, топлива и трудозатрат может быть достигнуто в результате более широкого использования пластмассовых труб, в частности в коммунальном водоснабжении и канализации, газовых распределительных сетях, В настоящее время в общем объеме потребления труб основное место занимают стальные трубы — 85%, в то время как в экономически развитых странах их доля не превышает 40−45%. Анализ эксплуатации трубопроводных систем показывает, что во многих случаях стальные трубы используются нерационально, их применение не обосновывается технологическими требованиями, и они могут быть заменены на неметаллические, из которых наиболее эффективными при диаметре до 200−250 мм являются трубы из полимерных материалов: полиэтилена, полипропилена, поливи-нилхлорида.

Перспективы применения пластмассовых труб в промышленном строительстве определены рядом директивных документов, которыми предусмотрено увеличение производства труб из полимерных материалов до 2000 года в 4−6 раз.

В перспективе следует ожидать, что дальнейшее развитие производства труб из полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида в России в области гражданского и промышленного строительства, будет происходить в направлении возрастания диаметров труб, расширения их диапазона по рабочему давлению и освоения труб новых конструкций, На эту тенденцию указывает мировой опыт производства и использования труб" Так международный стандарт Д50Н 161 и основанные на нем национальные стандарты (например, ФРГ, Норвегии, Финляндии) предусматривают использование труб из ПНД диаметрами до 2000 мм. В последнее время отдельные зарубежные фирмы предлагают программу труб, включающую трубы из полимерных материалов различных конструкций и соединительных деталей к ним диаметрами до 4000 мм.

Изготовление пластмассовых конструкций и труб, как правило. менее трудоемко и энергоемко, чем из других материалов. Они с успехом заменяют трубы и конструкции из легированных сталей, драгоценных металлов, бетона и дерева, позволял экономить промышленно важные материалы и стали, а в ряде случаев исключить проблему защиты от коррозии, что в 10−15 раз продлевает срок их службы по сравнению со стальными, в 8−10 раз уменьшить массу и не менее чем на 15−20% снизить расходы на транспорт.

Благодаря высокой коррозионной стойкости пластмассовых трубопроводов значительно повышается срок их службы в агрессивных средах. Так, например, при транспортировке 10'/. серной кислоты трубопровод из стали марки К18Н1ОТ выходит из строя через 1 год эксплуатации, трубопровод из полиэтилена — через 4 года, из винипластачерез 15 лет [11.

Кроме того, преимуществом трубопроводов из полимерных материалов перед металлическими является их большая пропускная способность, так как внутренняя поверхность большинства пластмассовых трубопроводов имеет меньшую шероховатость по сравнению со стальными. Так, при прочих равных условиях, пропускная способность пластмассового трубопровода диаметром 90 мм такая же, как стального диаметром 125 мм.

Пластмассовые трубы легко поддаются механической обработке, легко свариваются и склеиваются. Трудозатраты на изготовление и монтаж таких трубопроводов значительно ниже, чем стальных. Так, трудоемкость наиболее массовых операций — резки и сварки пластмассовых труб в 2−3 раза ниже, чем стальных. Трудозатраты на изготовление и монтаж полиэтиленовых или пропиленовых трубопроводов в 3−4 раза ниже, чем изготовление и монтаж трубопроводов из нержавеющей стали.

Производство и применение пластмассовых труб во всех странах непрерывно растет, и специалисты считают, что такая тенденция сохранится в будущем, Из множества видов термопластов преимущественное применение для производства труб получили полиолефины и неп-ластифицированный поливинилхлорид.

Напорная труба является типичным примером использования термопластов в качестве конструкционного материала. Срок службы трубопроводов, например систем подачи и распределения воды, составляет десятки лет и должен быть соизмерим с долговечностью зданий и сооружений, Успех такого применения предопределяется спецификой механических свойств полимерных материалов и труб из них. При этом в первую очередь имеется в виду ярко выраженная температурно-вре-менная зависимость механических свойств термопластов и возникающая в связи с этим проблема длительной прочности, ползучести и релаксации напряжений,.

В связи с этим в диссертации с учетом современного представления о длительной прочности и ползучести полимерных материалов и анализа условий работы и основных схем нагружения трубопроводов излагаются вопросы несущей способности пластмассовых труб и разработка технологии их монтажа.

Главным качественным показателем напорных труб и соединений является их несущая способность, поэтому контроль качества элементов трубопровода в конечном счете свидится к оценке их несущей способности. Несущая способность пластмассовой трубы определяется двумя характеристиками: длительной прочностью и деформацией ползучести. В зависимости от конкретных условий нагружения трубопровода и природы полимера определяющим является один из указанных показателей. В работе сформулированы принципы и критерии и описаны методы контроля качества труб и соединений.

Несмотря на возрастающий объем применения пластмассовых труб, с о е д и н е н и я и х м, а л о и с с л е д о в а. н ы: ре ж и м ы п о л у ч е н и я с о е д и н е н и й, конструктивное оформление элементов соединений, технология их выполнения разработаны недостаточно. Этим объясняется подробное изложение в диссертации материала по стыковым соединениям.

Рассматриваются пути расширения пределов применения пластмассовых труб по температуре и давлению. Особый интерес представляет повышение несущей способности пластмассовой трубы за счет ее армирования, Анализируется влияние температурного и временного факторов на взаимодействие полимерной матрицы с армирующим каркасом ме-таллопластовой трубы.

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является разработка технологии сооружения трубопроводов из полимерных материалов в промышленном и гражданском строительстве.

ОСНОВНЫМИ ЗАДАЧАМИ исследований явились:

1. Обоснование областей эффективного применения труб и путей расширения пределов рабочих температур и давлений:

2, Усовершенствование технологии монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб.

— б.

3. Экспериментальное исследование несущей способности трубопроводов из полиэтиленовых и металлопластовых труб,.

4, Разработка технологии монтажа трубопроводов из металлопластовых труб с равнопрочными с телом трубы соединениями.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Исследована несущая способность полиэтиленовых и металлопластовых труб.

2, С целью повышения надежности системы трубопроводов из металлопластовых труб создано равнопрочное с телом трубы неразъемное соединение.

3. Разработана технология монтажа трубопроводов из металлопластовых труб с неразъемными соединениями,.

4, Оптимизирована конструкция металлопластовой трубы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

1. Систематизирован и составлен банк данных по конструкциям и зк с п л у, а т, а ц и о н н ы м с войства м труб и з п о л и м ерны х матер и, а л о в.

2. Усовершенствована и внедрена в производство технология монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб,.

3. Разработана и внедрена в производство технология монтажа трубопроводов из металлопластовых труб с неразъемными соединениями.

4. С учетом требуемого рабочего давления произведен расчет опт и м, а л ь, но й к о нстру к ц и и м е т, а л л о п л, а с т о в о й трубы. К о н с т ру к ц и я с ра с ч и-танными параметрами внедрена в производство.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Результаты разработки легли в основу «Инструкции по применению полиэтиленовых труб при сооружении трубопроводных коммуникаций» и «Инструкции по применению труб термопластовых армированных металлической сеткой при сооружении трубопроводных систем», утвержденных Госстроем РБ, а также ТУ 2248−96 «Трубы метадлопластовые и соединительные детали к ним» и РД по монтажу трубопроводов из МПТ.

По разработанным технологиям монтажа полиэтиленовых и металлопластовых трубопроводов построены и успешно работают газои нефтепроводы во многих НГДУ АНК «Башнефть», а также Объединения «Нижневаптовскнефтегаз». АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные положения работы докладывались на конференциях молодых специалистов и ученых УГНТУ, Всероссийской научно-практической конференции «Новые высокие технологии и проблемы реструктури 7 ривания и приватизации предприятий» (г.Екатепинбург-95), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», первом Международном конгрессе «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности» (г.Тюмень-96). Комплекс разработок, выполненных при непосредственном участии автора, экспонировался на международной выставке «Нефть и газ» (Уфа, апрель 1996 г.).

ПУБЛИКАЦИИ, Основные положения диссертации изложены в 18 печатных работах.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ,.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти основных разделов, выводов и рекомендацийвключает список литературы из 80 наименований и 6 приложений, 20 рисунков и 19 таблиц. Объем работы составляет 141 страниц машинописного текста.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1, Разработана, расчетная модель для оценки напряжений в монтируемом полиэтиленовом трубопроводе при укладке трубы в траншею и при засыпке ее грунтом. Предлагается расчет геометрических параметров дуги укладываемого трубопровода из полиэтилена, изогнутого в виде «змейки» ,.

2, Выполнены экспериментальные работы по оценке остаточных термоупругих напряжений в полиэтиленовых трубах и даны рекомендации по учету этих напряжений пои укладке трубопровода и его эксплуатации ,.

3, Даны рекомендации по совершенствованию технологии монтажа полиэтиленовых трубопроводов,.

4, Разработана конечноэлементная модель металлопластовой трубы СМПТ), при помощи которой было исследовано напряженно-деформированное состояние МПТ при рабочем давлении и проведены численные исследования на ЭВМ * Результаты исследования показали:

— наиболее напряженным элементом конструкции является арматура в окружном направлении:

— шаг армирующей сетки в окружном направлении несущественно влияет на напряженно-деформированное состояние труб и может задаваться из конструкционных соображений. Наиболее существенное влияние оказывает шаг арматуры в продольном направлении.

5, Разработана и внедрена в производство технология монтажа трубопроводов из металлопластовых труб, а также равнопрочное с телом трубы неразъемное соединение МПТ, По результатам разработки соединения получен патент,.

6, Полученные в результате исследований рекомендации по монтажу полиэтиленовых трубопроводов позволят повысить качество стыковки труб, повысить надежность монтируемых трубопроводов с учетом мер по уменьшению остаточных напряжений в трубах, увеличить производительность монтажа трубопроводов,.

7, Результаты исследований металлопластовых трубопроводов позволили получить рекомендации по усовершенствованию конструкции металлопластовых труб, по прогнозированию их работоспособности и способствовали развитю промышленного производства МПТ в Башкирии и более широкому внедрени МПТ в том числе и в отрасли гражданского и про.

— 100 мышленного строительства. По результатам работы даны предложения по расширению применения полиэтиленовых и металлопластовых труб в Министерство строительства и жилищной политики РБ,.

8, Опытное внедрение разработок автора — система очистки северного водозабора из ПЭ труб С г, Нфа) и ПЭ газопровод протяженностью 7 км СдЛарказы Ермекеевского р-на) позволило получить по сравнению со стальными трубами экономию о т.п. на 1 км в ценах 1991 г., а также строительство опытного трубопровода из МПТ протяженностью 6.5 км (НГДУ «Краснохолмскнефть») позволило получить экономический эффект 8856 т.п. на 1 км в ценах 1995 г., что подтверждено справкой о внедрении,.

9. Предполагаемый экономический эффект от внедрения результатов работы в Республике Башкортостан составит 500 т.р. в год.