Начало использования полиэтилена в производстве газопроводов привело к глобальным изменениям в сфере строительства трубопроводов. Большая часть (не менее 90%) новых распределительных сетей в данный момент изготавливается именно из полиэтилена.

Анализу технологий, зависящих от различных факторов, и определению спецификаций при производстве с использованием полиэтиленовых трубопроводов посвящены труды и исследования, проведенные в ОАО «МИПП-НПО «Пластик», ОАО «ГИПРОНИИГАЗ», ОАО «ВНИИСТ», ЗАО «ПОЛИМЕРГАЗ» и других организациях. Изучению специфики использования полиэтиленовых труб были посвящены исследования С. А. Горелова, Г. Г. Васильева, С. И. Сенцова, К. И. Зайцева, В. А. Иванова, Ф. И. Бабенко, Г. К. Кайгородова, В. Ю. Каргин, Д. А. Виноградова, В. Е. Удовенко, В. В. Новоселова, П. М. Огибалова, B. Л. Бажанова, A. C. Стручкова, С. В. Якубовой и других.

На основе анализа материала из источников, приведенных выше, были сделаны следующие выводы, касающиеся характеристики полиэтиленов:

– полиэтилены устойчивы к коррозии. Их физические и химические свойства гарантируют отличную герметичность и высокую стабильность под влиянием агрессивных веществ, которые могут находиться как в почве, так и в транспортируемой среде. Кроме того, трубы из полиэтилена достаточно устойчивы к зарастанию внутренней поверхности трубопровода продуктами коррозии и карбонатными отложениями;

– увеличение скорости и сокращение расходов при выполнении строительно-монтажных работ (СМР). Для того чтобы сварить ПЭ трубы не нужна тяжелая техника и большая бригада рабочих – достаточно всего одного или двух человек. По сравнению со сваркой стальных труб, в случае с полиэтиленом потребуется намного меньше электроэнергии или топлива. Благодаря «длинномерным трубам» (на катушках или в бутах) уменьшается количество сварных соединений в 50-100 раз. Исходя из всех этих факторов, стоимость монтажа при строительстве ПЭ труб существенно снижается, а скорость выполнения, наоборот, повышается. Вдобавок, ПЭ трубы легче стальных труб в 2-4 раза. По этой причине для перемещения при СМР не нужны грузоподъемные механизмы – на одном транспортном средстве можно перевезти в 2-4 раза больше ПЭ труб, чем стальных.

– надежность и долговечность полиэтиленов. Стандартный срок службы труб из этого материала составляет 50 лет, но иногда может доходить и до 150 лет;

– малое гидравлическое сопротивление или повышенная пропускная способность трубопровода. ПЭ трубы на 30% более гладкие, чем стальные, по этой причине происходит снижение потерь давления в трубах. Это дает возможность использовать такой трубопровод с диаметром меньшим на один сортамент, если сравнивать со стальным, что, само собой, отражается на экономии денежных средств.

– высокий уровень эластичности и ударопрочности материала. Гибкость ПЭ трубопровода облегчает процесс монтажа и дает возможность дополнительно не приобретать отвод. Такой трубопровод обладает повышенной стойкостью к гидравлическим ударам при нормальном уплотнении грунта;

– экономия на изоляции. В отличие от ПЭ труб, трубам со стальной прокладкой нужна пассивная защита от коррозии, т.е. обеспечение изоляции. Полиэтилены в этом не нуждаются, так как все их виды плохо проводят тепло. Также при выборе трубопровода стоит обратить внимание на то, что цена ПЭ трубы ниже, чем цена металлической;

– сопротивляемость блуждающим токам. В то время как стальные трубопроводы часто пробиваются блуждающими токами, трубы из полиэтилена не склонны подвергаться их действию. Дело в том, что этот материал обладает хорошими электроизоляционными свойствами;

– низкая газопроницаемость. Трубы из полимерных материалов имеют более низкую газопроницаемость, в отличие от металлических;

– места соединения полиэтиленовых труб более простые, но при этом достаточно надежные;

– технологичность и экономичность в изготовлении как самих труб, так и соединительных деталей;

– соответствие экологическим и санитарно-гигиеническим нормативам;

– трубопроводы из ПЭ поддаются легкой обработке, обладают низким модулем упругости, и также плавятся и поддаются текучести при невысоких температурах;

– полимерные материалы имеют не постоянные качества;

– некоторые типы полимеров обладают анизотропными свойствами, то есть в разных направлениях их количественные характеристики физических свойств отличаются друг от друга. Например, тип, характер и длительность нагрузки влияют на деформацию и напряжение таких материалов. Это объясняется их строением;

– при увеличении температуры рабочие качества полиэтиленов ухудшаются;

– свойства полиэтиленов можно существенно улучшить с помощью применения в их составе специальных включений [1-11].

Считается, что для газоснабжения лучшим вариантом являются полиэтиленовые трубы для напорных подземных газопроводов среднего и высокого давления. Они равномерно обжимаются по поверхности и пребывают в равновесии из-за сочетания внутреннего давления в трубе и внешнего давления земляной массы (если постель хорошо подготовлена, а грунт плотно утрамбован) [8].

Также известен тот факт, что трубы, находящиеся в грунте, оказываются в более напряженной позиции. По этой причине решающим фактором оказываются не свойства полиэтилена, а их износ и прочие изменение во времени [8].

Учитывая то, что полиэтилен зависим от воздействия атмосферного воздуха, его использование в прокладке надземных трубопроводов является нерациональным.

Таким образом, проделанный анализ указывает на то, что практика прокладывания трубопроводов из полиэтилена, а также восстановление и реставрация старых стальных газопроводов с использованием полиэтиленовых труб, наряду с анализом исследований физико-механических свойств доказывают, что этот материал имеет перспективы широкого применения в системе газораспределения.

С учетом давления, при котором создаются трубы из полиэтилена, их можно разделить на следующие категории: ПЭНД (трубы низкого давления), ПЭСД (трубы среднего давления) и ПЭВД (трубы высокого давления) таблица 1 [5].

Таблица 1. Характеристика ПЭ по плотности

Классификация ПЭ	Условное обозначение	Значение плотности исходного сырья,
низкая плотность	ПЭНД	0,910-0,925
средняя плотность	ПЭСД	0,926-0,940
высокая плотность	ПЭВД	0,941-0,965

Предпочтительно использование ПЭСД и ПЭНД для газовых труб.

Таблица 2. Сравнительные свойства трубных марок ПЭ

Классификация трубных марок полимеров осуществляется на основе Классификация разных марок полимеров, предназначенных для строительства труб, происходит в зависимости от минимальной длительной прочности ПЭ труб (MRS) (Minimum Required Strenqth).

Напряжение, которое определяет свойство композиций марок, которые применяются для производства труб

Физический смысл MRS – максимально допустимое статическое напряжение, которое определяет свойства материала определенной марки при постоянной температуре 20 °C, с учетом перманентного растяжения элемента этой марки и с гарантией того, что он выдержит еще 50 лет.

MRS определяется по зависимости стойкости к внутреннему давлению от времени его воздействия и позволяет экстраполировать это на требуемое время существования трубопровода, определенного стандартом [4].

Для определения MRS проводятся испытания, при которых образцы труб доводят до разрушения. Зависимость напряжения от времени и температуры до разрушения, найденная при обработке данных предписанными статистическими методами, позволяет дать оценку прочности полимера и экстраполировать ее на заданный период времени.

При температурах 20, 60 и 80 °C проводят испытания полиэтиленов для получения полной температурно-временной зависимости их прочности. Эти исследования при всех температурах с получением разрушения образцов проводится как минимум 9 тысяч часов. Определенная тем самым зависимость длительной прочности помогает сделать правильные выводы об этой самой прочности. По результатам вышеописанных испытаний можно рассчитать зависимость длительной гидростатической прочности, а на ее основании высчитать еще и нижний доверительный предел предсказанной гидростатической прочности (с помощью методов математической статистики). Полученная величина округляется до ближайшего нижнего значения ряда чисел R10 ГОСТ 8032-84 [12] и считается значением минимальной длительной прочности (MRS) [4].

Если, например, ПЭ 100 имеет характеристику MRS равную 10 МПа, то можно сказать, что при растягивающем статическом напряжении 100 кг/см2 и постоянной температуре 20 °C образец ПЭ 100 будет постепенно растягиваться и порвется не раньше, чем через 50 лет.

Зная MRS можно, определить максимальное рабочее давление МОР (Maximum Allowable Operating Presse), которое при  и  имеет вид:

(1)

где C – коэффициент запаса прочности, определяемый условиями работы трубопровода;

SDR – стандартизованное отношение минимального наружного диаметра к номинальной толщине стенке трубы ().

Необходимо подчеркнуть, что можно усилить трубопровод из полиэтилена и увеличить его несущую способность посредством армирования, сшивания, применения металлического каркаса или стеклопластиковых труб. Это является одним из важных и перспективных направлений в работе с полиэтиленами.

Финальная стоимость проекта зависит от конкретного материала, из которого изготавливается трубопровод. По этой причине нужно учитывать увеличение пропускной способности ПЭ трубы по сравнению со стальной. Большое значение имеет гидравлическое сопротивление, которое отвечает за изменение его пропускной способности в соответствии со значениями абсолютной эквивалентной шероховатости. В гидравлических расчетах во внимание берутся материал, из которого сооружен газопровод, и процесс изнашивания трубопровода, проявляющийся в увеличении шероховатости и зарастании стальных труб. Также во время использования труб, из-за характерной для ПЭ материала ползучести, уровень шероховатости может не меняться или же меняться в меньшую сторон. Эта ползучесть проявляется в виде увеличения внутреннего диаметра до 3-5% под воздействием внутреннего давления во время работы, что приводит к уменьшению толщины стенки трубопровода [4, 5].

Из-за небольшого модуля упругости (E = 700 МПа) диаметр ПЭ трубы теоретически может увеличиваться на величину:

(2)

Принимая во внимание максимальные напряжения в стенке труб SDR 11 σ = 5 Мпа (давление в трубе 1,0 МПа) диаметр труб получает относительное увеличение на 0,3%.

При учете времени эксплуатации (50 лет) увеличение диаметра по сравнению с первоначальным возможно на 1,5%. В тоже время полиэтиленовые трубы имеют, как правило, несколько меньший (относительно расчетной величины) внутренний диаметр за счет допустимых отклонений от номинальной толщины стенки. Таким образом, фактический внутренний диаметр труб может быть меньше расчетного на 1,7 – 2,2 %.

Вследствие коррозии и образования отложений в трубах (инкрустации), шероховатость труб увеличивается. Это можно оценить по формуле:

(3)

где  – абсолютная шероховатость для новых труб, мм;

 – шероховатость через t лет эксплуатации;

 – коэффициент, характеризующий быстроту возрастания шероховатости, мм/год, .

Таблица 3 – Экстраполяция значения шероховатости на эксплуатационный период

	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,10	0,11	0,12
t (год)	4	8	12	16	20	24	28	32	36	40	44

От шероховатости стенки трубы во многом зависит пропускная способность трубопровода.

Зависимость снижения пропускной способности трубопроводов от срока их службы выражается формулой:

(4)

где  – расчетная пропускная способность трубопровода;

t – продолжительность эксплуатации в годах;

n, m – параметры, зависящие от физико-химических свойств транспортируемой среды, n = 4,4 – 2,3; m = 0,5 .

 может быть посчитана по формуле Шпиц Глаза:

(5)

где

(6)

d – диаметр трубопровода;

L – длина трубопровода, м;

P – давление, МПа;

 – плотность газа, .

Для стального газопровода: , , , .

Результаты расчета изменения пропускной способности полиэтиленового газопровода и стального с учетом вышеизложенных положений представлены на рисунке 3.

Насыщение ПЭ труб газом является их особенностью. Внутренний слой стенки трубы заполняется газом, степень концентрации которого зависит от давления газа и плотности стенки. Это влечет за собой изменение шероховатости стенки, благодаря чему снижается уровень гидравлического сопротивления трубы. Ползучесть также воздействует на изменение шероховатости стенки. Сочетание именно этих факторов влияет на пропускную способность ПЭ труб [4, 5].

В работе [13] показаны номограммы для гидравлических расчетов стальных и полиэтиленовых газопроводов низкого, среднего и высокого давления в зависимости от срока эксплуатации. Для установления эффективности использования труб из полиэтилена на основании указанных номограмм произведен анализ газопровода, имеющие следующие параметры (рисунок 3):

– диаметр –  для полиэтилена и м для стали;

– расход газа по трубе – ;

– абсолютная шероховатость внутренней поверхности газопроводов в начальный период времени принята для стальных труб 0,01 см; полиэтиленовых труб – 0,0007 см;

– транспортируемая среда – природный газ плотностью , вязкостью .

По результатам анализа были сделаны следующие выводы:

– в начальный период времени и по прошествии года эксплуатации удельные потери давления обоих газопроводов практически одинаковы и составляют 28 кПа²/100 м (для полиэтиленового газопровода удельные потери несколько ниже), однако в период эксплуатации газопроводов равный 10 лет, удельные потери для стального газопровода составляют уже 36 кПа²/100 м.

Рисунок 4. Номограмма определения гидравлических потерь стальных и полиэтиленовых газопроводов

Благодаря проведенному анализу зависимости пропускной способности стальной трубы от срока ее эксплуатации и степени шероховатости внутренней стенки трубы, а также изучению гидравлических потерь трубопроводов можно прийти к следующему заключению: пропускная способность стальной трубы за период t = нормативному сроку эксплуатации уменьшается почти на 20%.

Более того, установлено, что если сравнивать пропускную способность стальной и полиэтиленовой труб с похожими внутренними диаметрами, то труба из полиэтилена гарантирует больший расход [4].

Даже если пропускная способность у полиэтиленовой трубы меньше, чем у стальной (в случае, когда ПЭ труба имеет меньший диаметр при сопоставлении со стальной), то во время использования эта разница нивелируется благодаря тому, что на внутренней стенке стальной трубы увеличивается степень шероховатости.

Анализ современной нормативной и технической литературы по части эксплуатации полиэтиленовых труб сделал возможным определение и систематизирование особенностей, а также преимуществ и недостатков при использования такого материала, как полиэтилен, для строительства трубопроводов.

Анализ классификации трубных марок из полимеров позволил установить, что на сегодняшний день самыми распространенными являются трубы из следующих двух марок полиэтилена: ПЭ 80 и ПЭ 100.

Но недостатком полимерных материалов является пожарная опасность. При сгорании полимеров выделяется большое количество токсичных газов, пагубно действующих на человека и окружающую среду. Гибель людей при пожаре в половине случаев определяется именно отравлением токсичными продуктами горения.

Основная причина химической опасности кроется в природе полимерных материалов. Дело в том, что:

– процесс полимеризации идет не до конца, а лишь на 97%;

– процесс полимеризации обратим, поэтому полимеры постоянно разлагаются под влиянием света, кислорода, озона, воды, механических и ионизирующих воздействий, и особенно под влиянием теплоты. Совокупность этих факторов приводит к сравнительно малому сроку службы полимеров.

Полимеры представляют собой дисперсные органические соединения, имеющие весьма высокую поверхность контакта с кислородом воздуха с протеканием реакции окисления. А продукты их окисления даже при комнатной температуре негативно воздействуют на окружающую среду. Причем, с ростом температуры скорость окисления возрастает.

В состав полимерных материалов помимо основного компонента входят различные добавки: наполнители, пластификаторы, антипирены и т.д.

Применение антипиренов является самым распространенным методом снижения горючести. Обычно к антипиренам относятся неорганические и органические вещества, которые в своем составе содержат фосфор, галогены, азот, бор, металлы, группировки с разным сочетанием этих элементов.

Большую группу веществ, применяемых в качестве антипиренов, составляют вещества, которые эндотермически разлагаются с образованием негорючих продуктов. Сюда могут быть отнесены гидроокиси алюминия, магния, цинка и многие другие вещества.

Эффект снижения горючести полимерных материалов в присутствии таких антипиренов не меняется при замене кислорода на другой газообразный окислитель.

Поэтому считают, что подобные антипирены не ингибируют радикальные газофазные реакции. Их механизм действия связывают с физическим влиянием на тепловой баланс процесса горения.

Главной задачей для уменьшения пожароопасных свойств полимерных материалов является определение возможных путей снижения горючести полимерного материала. В большинстве случаев невозможно добиться того, чтобы органический полимер стал абсолютно негорючим материалом и не сгорал в интенсивном огне.

Однако большинство пожаров возникает от малокалорийных источников тепла и огня – сигарет, спичек, свечей, короткого замыкания. Поэтому очень важно понизить горючесть полимера, чтобы он медленнее загорался, медленнее распространялось пламя, а для загорания требовались бы более жесткие условия.