Рис. 1. Схемы ИГТК
Рис. 2. Схема испытания гибкой трубы на гибкость
Рис. 3. Напорная труба «Джи-Пекс-115-АМТ»
Рис. 4. Схемы сборки образцов ИГТК для испытаний при циклическом изменении температуры — основная (вверху) и альтернативная на участке C
Рис. 5. Гипотетические характеристики синусоиды циклического давления — верхняя часть
Табл. 1. Эксплуатационные параметры ИГТК
Табл. 2. Толщины слоев пенополиуретана на ИГТК «Изопрофлекс»*
Табл. 3. Толщины слоев пенополиуретана на ИГТК «Изопрофлекс А»*
Табл. 4. Толщины слоев пенополиуретана на ИГТК «Изопрофлекс 115А»*
Табл. 5. Номинальные размеры ИГТК «Джи-Пекс», SDR11 в ГТ «Изопрофлекс»*
Табл. 6. Номинальные размеры напорных труб в ИГТК «Изопрофлекс А»*
Табл. 7. Номинальные размеры напорных труб «Джи-Пекс-115-АМТ» в ИГТК 115А*
Табл. 8. Размеры полиэтиленовых оболочек в ИГТК «Изопрофлекс»*
Табл. 9. Размеры полиэтиленовых оболочек в ИГТК «Изопрофлекс 115А»*
Табл. 10. Размеры полиэтиленовых оболочек в ИГТК «Изопрофлекс А»*
Табл. 11. Испытания ИГТК циклическим синусоидально изменяющимся давлением*
Табл. 12. Стандартные длины ИГТК*
Неметаллические трубы применительно к указанным трубопроводным системам в появившемся в 2012 году в России впервые ГОСТ Р 54468–2011 «Трубы гибкие с тепловой изоляцией для систем теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения. Общие технические условия» именуются как «гибкие трубы» («гибкие трубы с тепловой изоляцией в защитной оболочке»). Сразу же следует заметить то, что более точно было бы именовать их как изолированные гибкие трубные конструкции и далее обозначать ИГТК (рис. 1).
Но это не главное. В разделе 3 стандарта приведены термины и определения, которые требуют пояснений, уточнений и соответствующей корректировки. Итак. В частности, вполне целесообразно в подразделе 3.1 «…срок службы: Расчетное время работы труб при заданных параметрах эксплуатации трубопровода…» переписать в таком виде: «…прогнозный срок службы: Расчетное время, при проектных параметрах, безаварийной эксплуатации гибких труб в составе трубопровода…».
В подразделе 3.2: «…рабочая температура: Температура теплоносителя, при которой трубопровод работает большую часть времени…». Это в принципе неверно. Ибо значение рабочей температуры используется при определении в процессе проектирования прогнозного срока службы гибких труб в составе трубопроводов. Какую часть времени транспортируемая среда (не один теплоноситель — это еще и холодная вода) будет иметь рабочую температуру при эксплуатации — это при проектировании принимается априори.
Например, для холодного водопровода 20 °C принимается на весь срок службы — 50 лет. В подразделе 3.3: «…максимальная рабочая температура: Высокая температура, возникающая только на короткие промежутки времени…». Это неточно. «Максимальной рабочей температуры» в трубопроводе не может быть, так как рабочая температура по определению такая температура, значение которой используется при определении прогнозного срока службы гибких труб в составе трубопроводов.
Скорее всего, это максимальное значение температуры транспортируемой по трубам среды при эксплуатации трубопроводной системы, возникающее по той или причине на «короткий промежуток времени». Обязательно следовало бы указать в стандарте, какова величина такого промежутка времени. В подразделе 3.4: «…рабочее давление: Давление, на которое рассчитан трубопровод…». Имеется в виду, очевидно, значение внутреннего давления транспортируемой среды, с использованием которого определен прогнозный срок службы гибких труб в составе конкретной трубопроводной системы.
В подразделе 3.5: «…труба гибкая: Многослойная трубная конструкция, состоящая… из напорной трубы (полимерной или гофрированной металлической), изолирующего слоя и защитной оболочки…». Термин неудачный. Это относится и к названию норматива. Во-первых, не указано, какая должна быть напорная труба. Ведь эта формулировка не исключает того, что в многослойной трубной конструкции может находиться жесткая труба, например, из полипропилена (также полимерная), и по этой причине конструкция вряд ли будет гибкой.
Во-вторых, следует ли считать композиционные трубы полимерными, ведь такие трубы используются в гибких конструкциях. Насколько материал таких труб можно отнести к ПКМ (полимерным композиционным материалам)? Здесь было бы точнее использовать термин «синтетические»! В-третьих, защитная оболочка является также изолирующим слоем. Здесь было бы точнее использовать термин, который и следовало бы вынести в название норматива: изолированная гибкая трубная конструкция ИГТК — конструкция, состоящая из гибкой напорной трубы, теплоизоляции и защитной оболочки.
Правда, спорным является то, можно ли считать гофрированные трубы из полиэтилена, используемые в рассматриваемых конструкциях, только лишь защитными оболочками. Бесспорно, такие «защитные оболочки» обладают, пусть незначительными, но все же и теплогидроизоляционными, и прочностными свойствами. В подразделе 3.6: «…напорная труба: Внутренняя труба, по которой осуществляется транспортирование теплоносителя…».
Во-первых, определение указывает на то, что в конструкции должна быть и другая труба — средняя либо внешняя, а их нет (см. пункт 3.5). Во-вторых, холодная вода, транспортируемая по трубопроводам систем холодного водоснабжения, не является теплоносителем. Термин требует уточнения. В подразделе 3.7: «…защитная оболочка: Отдельно нанесенный наружный слой многослойной трубной конструкции, защищающий изолирующий слой от внешних воздействий в процессе монтажа и эксплуатации…» указывается, как получается и для чего служит защитная оболочка.
В подразделе 3.8: «…изолирующий слой: Слой, обеспечивающий необходимые тепловые характеристики многослойной трубной конструкции…» — указывается, для чего служит изолирующий слой. В обоих случаях это излишне. О назначении и введении каждого элемента в изготовляемую конструкцию целесообразно указать в подразделе 4.2. В подразделе 4.1 приводится «табл. 1», в которой представлены «…эксплуатационные параметры гибких труб…».
В стандарте, к сожалению, не указывается, как следует пользоваться приводимыми в этой таблице «параметрами». Как следует из раздела 1, «область применения» стандарта «…гибкие трубы предназначены для прокладки систем теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения…». Совершенно очевидно, что эксплуатационные параметры указанных систем могут вполне не соответствовать значениям, приведенным в этой табл. 1 для «гибких труб».
Например, для трубопроводов систем холодного водоснабжения прогнозный срок определяется обычно при следующих параметрах: транспортируемая среда — питьевая вода, внутреннее рабочее давление — 10 бар, температура воды — 20 °C. В стандарте ничего не сказано и о том, каков вклад в прочностное поведение «гибкой трубы» изолирующего слоя и защитной оболочки (рис. 1). Скорее всего, «параметры», приведенные в таблице, следует относить к напорным трубам.
В этой связи, рассматривая генезис конструкций, на которые распространяются положения стандарта, необходимо отметить следующее. «Напорные трубы» — основные элементы конструкций изготовляется, например, из термопластов, характеризуемых соответствующей долговременной (на 50 лет) прочностью, с толщинами стенок для разных диаметров, определенных в предположении того, что по ним будет транспортироваться питьевая вода при температуре 20 °C при каком-то постоянном внутреннем давлении — …1 МПа; 1,6; 2 МПа…
Затем, используя показатели долговременной (также на 50 лет) прочности σt (по нормированным кривым регрессии для конкретного термопласта), для других температур t питьевой воды, определяют допустимые (рабочие) внутренние давления pр для всего сортамента труб на каком-то одном диаметре с соответствующей ему толщиной стенки. Но совсем другое дело, когда речь идет о композиционных трубах (в стандарте это — полимерные армированные напорные трубы).
Для таких труб сочетание [1–8]: транспортируемая среда — рабочее давление pр — температура транспортируемой среды t — прогнозный срок службы τ, могут быть определены только экспериментально с использованием температурно-временной суперпозиции с построением кривых регрессии в двойных логарифмических координатах (ордината pр и абсцисса t) для искомых: транспортируемых сред, температур, диаметров и толщин стенок труб с последующей их экстраполяцией в перспективу, вплоть до 50 лет.
С вынесенным в шапку термином «Рабочая температура длительного воздействия» нельзя согласиться. При определении для труб в любых трубопроводных системах прогнозного срока службы принимаются значения рабочие температура и давление в предположении того, что они будут иметь место в трубопроводной системе непрерывно в течение всего периода эксплуатации (можно смело предположить, что это 50 лет, и это следует указать в таблице).
При этом допускается, что при эксплуатации в трубопроводах могут кратковременно (следует указать время) измениться проектные значения как давления, так и температуры в сторону повышения, не влияющие, однако, негативно на прочностное поведение напорных труб благодаря использованию при расчетах соответствующих коэффициентов запаса. Если речь идет о теплопроводах, то при определении для них прогнозных сроков службы, действительно, можно использовать различные значения температур, которые можно ранжировать по «воздействию», в том числе и «длительному» и принимать по соответствующим для конкретных тепловых сетей температурным графикам. К этой таблице это не относиться.
Этому должна быть посвящена специальная работа. Специальная работа должна быть посвящена и металлическим гофрированным напорным трубам, которые рекомендуются в стандарте к применению в качестве элемента конструкции, так как устраиваемые из них трубопроводы абсолютно не изучены и используются они, в большинстве своем, с использованием априорных умозаключений. Завершая анализ табл. 1, следует предложить сформулировать подраздел 4.1 следующим образом: «…Конструкции необходимо ранжировать по сочетанию рабочих давлений pр и температур t на прогнозный срок τ с указанием кратковременных (не более пяти минут в течение месяца) значений максимальных температур tmax (табл. 1)…».
Очевидно расхождение в подразделе 4.2, который озаглавлен термином «Конструкция гибких труб», и, сразу же, в пункте 4.2.1 используется другой термин «многослойная трубная конструкция» (рис. 1). В пункте 5.1.1 стандарта указывается на то, что «…Напорная труба должна соответствовать требованиям нормативных документов или технической документации изготовителя…». Ни здесь, ни где либо еще в стандарте не указывается, какие напорные трубы должны использоваться в конструкциях.
В этой связи предлагается начинать пункт 5.1.1 следующим образом: «…В конструкциях должны использоваться напорные трубы, отвечающие требованиям пункта 4.1 (в предлагаемой формулировке)…». В разделе 8.3 стандартизируется порядок проведения испытаний ИГТК на гибкость с использованием изгибающего устройства, снабженного хомутами или зажимами для жесткой фиксации испытуемого образца (рис. 2).
Испытаниям должны подвергаться образцы в виде прямых отрезков с длиной, достаточной для надежной фиксации на опоре изгибающего устройства и изготовленных из ИГТК, отобранных из одной партии. Испытуемый образец в течение не более чем 10 минут после извлечения из кондиционируемой среды фиксируют на опоре изгибающего устройства, с соблюдением рекомендованного изготовителем минимального радиуса изгиба (рис. 2).
Испытание продолжают 30 минут, по истечении указанного времени измеряют овальность образца в поперечных сечениях (пункт 4 рис. 2), а затем в центре изогнутого участка образца на длине πRmin/9 [мм] снимают защитную оболочку и осматривают изоляционный слой. Результат испытания считается положительным, если значение измеренной овальности не превышает более чем на 30 % значение, полученное в соответствии с ГОСТ Р ИСО 3126.
Ширина трещин в изоляционном материале вблизи оболочки гибкой трубы не должна превышать 5 мм. Трудно согласиться с указанной цифрой. Вряд ли она должна быть одинаковой для ИГТК разного диаметра, на которых толщина теплоизоляции различается порой более чем в два раза (табл. 2–4). Так, для ИГТК 25/63 ширина трещины в изоляционном материале вблизи оболочки будет составлять 5/12 × 100 = 41,66 ≈ 42 %, а для ИГТК 140/225 Плюс составит всего 5/28 × 100 = 17,85 ≈ 18 %.
Ясно, что значения ширины трещин в изоляционном материале вблизи оболочки ИГТК должно быть как-то изменено. Относительно линейной водонепроницаемости различных ИГТК (подраздел 8.4) следует отметить следующее. В ГОСТ стандартизируется такой порядок ее установления. Цитируем: «…Образец для испытания представляет собой отрезок гибкой трубы длиной 4 м.
На расстоянии 2 м от торца образца вырезают по окружности трубы кольцо оболочки длиной 0,1 м, устанавливают и уплотняют по наружному диаметру трубы резервуар, обеспечивающий создание водяного давления 0,05 бар над освобожденным от оболочки участком изоляции. Затем резервуар наполняют водой под давлением 0,05 бар при комнатной температуре. С обоих торцов образца устанавливают емкости для сбора воды.
По истечении 168 часов воду, стекшую с торцов образца, взвешивают. Результат испытания считают положительным, если масса собранной воды не превышает 100 г…». Вызывает сомнение значение массы собранной воды 100 г. Ведь получается так, что для ИГТК 25/63 это значение будет приходиться на объем теплоизоляции: 3,14 × (6,3 – 2,5) × 1,2 × 400 = 5727 см3, а для ИГТК 140/225 Плюс на объем теплоизоляции величиной: 3,14 × (22,5 – 14) × 2,8 × 400 = 29 893 см3, то есть в 5,22 раза больше.
Представляется, в связи с этим, что значения масс просачиваемой воды должно быть уточнено с учетом диаметров ИГТК. Нельзя полностью согласиться с установленным в ГОСТ (подраздел 8.6) порядком испытаний ИГТК при циклическом изменении температуры. Что касается параметров (пункт 8.6.1) холодной воды (температура 20 ± 5 °C и давление 1 МПа), то их еще можно как-то принять. Однако со значениями параметров для горячей воды (температура 95 ± 5 °C и давление 1 МПа) согласиться нельзя.
Для этого обратим внимание на табл. 1. Вряд ли можно считать корреспондирующимися в полной мере условия циклических испытаний для ИГТК (строка 1: рабочее давление — 6 бар, рабочая температура длительного воздействия — 80 °C, максимальная рабочая температура — 95 °C), ИГТК (строка 5: 16, 120 и 150) и ИГТК (строка 6: рабочее давление — 25 бар, рабочая температура длительного воздействия — 20 °C, максимальная рабочая температура — 40 °C).
Совершенно очевидно, что здесь требуется соответствующая корректировка. Нельзя согласиться с формулировкой пункта 8.6.1: «…нагружающее устройство, способное создавать заданное растягивающее напряжение с последующей фиксацией достигнутого удлинения…». Необоснованным является использование термина (это касается и формулы 1 в ГОСТ) «растягивающие напряжения» для всех видов напорных труб.
Для армированных труб (рис. 3) это будут «квазинапряжения», вернее сказать, это будет удельная нагрузка, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения стенки трубы. Ведь материалы (сшитый полиэтилен, армирующие нити и сополимер пропилена и этилена) будут посредством нагружающего устройства (под действием внутреннего давления — в формуле (1) одинаково растянуты, но из-за их разномодульности в них будут действовать различной величины растягивающие напряжения.
В этой связи неясно, какой материал испытывается, и это следует уточнить. Вызывает сомнения целесообразность приведения в ГОСТ схемы циклических испытаний ИГТК, устанавливающей, на наш взгляд, неоправданные конструктивные и размерные ограничения (рис. 4). Думается, что совершенно не принципиально, каким образом будет организована подача холодной и горячей воды в испытуемый прямой образец ИГТК (здесь важно указать минимальную его длину) либо в 90° отвод.
Вообще, включать в одну схему прямые и изогнутые образцы не совсем правильно, поскольку при одном и том же внутреннем давлении стенки указанных образцов будут находиться под различными напряжениями. Главным здесь будет то, чтобы выдерживались внутренние давления, температуры холодной и горячей воды, время их оборачиваемости и значения цикличности указанными нагружениями различных ИГТК.
Здесь гораздо важнее учитывать то, что теплопроводность ИГТК, будет зависеть не только от слоев теплоизоляции (табл. 2–4), на ее значения могут существенно влиять толщины и стенок напорных труб (табл. 5–7), и гофрированных защитных оболочек (табл. 8–10). В связи с чем совершенно очевидно, что эффект от таких испытаний будет для ИГТК разного диаметра неодинаковым. Для одних ИГТК он будет недостаточным, а для других ИГТК, может быть существенно завышенным.
Вполне целесообразно привести значения параметров для различных ИГТК. Нельзя полностью согласиться с установленным в ГОСТ (подраздел 8.7 «Стойкость к циклическому изменению давления») испытаниями ИГТК. Вызывают сомнения значения параметров (табл. 11) испытаний ИГТК при циклическом нагружении синусоидально изменяющимся давлением, а также не указаны значения характеристик (амплитуды, частоты/ периода) синусоид (рис. 5) циклического давления.
Из этой таблицы следует, что ИГТК, включающие трубы из пластмасс (строка 1), должны подвергаться испытательному давлению от 0,5 до 150 бар (столбец 3) при продолжительности цикла 2 с (столбец 4). Есть большие сомнения в том, что какая либо полимерная труба в рассматриваемых ИГТК сможет выдержать внутреннее давление 150 бар в течение 10 тыс. циклов (столбец 5). Нет уверенности и в том, что цикл можно завершить в течение 2 с на напорных трубах диаметром и 25, и 225 мм (табл. 4).
В заключение следует заметить следующее. Несмотря на аргументы, приведенные в этой статье, действие в стране ГОСТ Р 54468–2011 «Трубы гибкие с тепловой изоляцией для систем теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения. Общие технические условия» следует считать исключительно положительным фактом. Ведь с использованием ИГТК можно устраивать весьма протяженные трубопроводы без единого соединения, так как ИГТК изготовляются длиной до 2,5 км (табл. 12).
При этом есть полная уверенность в том, что при работе над совершенствованием ГОСТ будут учтены и наши уточнения. Увы, не удалось привести анализ всего ГОСТ Р 54468–2011 целиком, например, такого важного подраздела, как 8.8 «Определение длительной теплостойкости материала изоляции». Этому может быть посвящена следующая статья, ведь работы в этом направлении продолжаются в ГУП «НИИ Мосстрой».
