Срок службы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Срок службы

В статье приведены методика и результаты испытаний по определению срока службы предварительно изолированных труб в системах централизованного теплоснабжения.

Каков предположительный срок службы предварительно-изолированных трубопроводов? Этот вопрос является существенным для всех предприятий централизованного теплоснабжения (ЦТ), но только в некоторых исследованиях делается попытка разобраться с этим вопросом. Естественно, производители предварительно изолированных труб для систем ЦТ проводили ускоренные лабораторные тесты с тем, чтобы установить расчетный срок службы, но только в отдельных случаях оказалось возможным провести полномасштабные исследования и в реальных условиях. изолированный труба теплоснабжение

Данная статья представляет материал по проекту испытаний, частично финансируемых по линии Датской Программы Энергетических Исследований, в соответствии с которым оценка срока службы производилась в полном объеме и на крупном участке магистральной тепловой сети. Исследовательский проект был организован при участии Тагсо Energi A/S, Датского технологического института, Carl Bro Anlaaeg A/S, Birch & Krogboe A/S и VEKS I/S.

Краткий обзор проекта

Результаты испытаний по данному проекту и подобным зарубежным проектам в совокупности с опытом эксплуатации системы ЦТ, обслуживаемой VEKS, и других систем ЦТ показали, что именно прочность пенополиуретана, равно как и условия, при которых производилась укладка труб, являются решающими факторами для определения продолжительности всего срока службы предварительно изолированных труб.

Низкая прочность на сжатие и низкая аксиальная и тангенциальная прочность на сдвиг изоляционного материала обуславливают предел максимального заглубления при прокладке труб в системах ЦТ. Ограниченная прочность на растяжение и на сдвиг, характерная для изоляционного материала, особенно в местах установки отводов, диктуют необходимость принимать дополнительные меры предосторожности.

Измерения, проведенные в процессе испытаний, показывают, что осевые перемещения и растягивающие напряжения в стальной трубе соответствуют тем, какие и предполагались, но давление грунта в месте изгиба трубы, который был непосредственно заглублен в грунт, создает высокие напряжения в самом изоляционном материале. Величина растягивающего напряжения зависит от реальных перемещений труб и слоя грунта, покрывающего трубы, и становится особенно критическим, когда место изгиба подвергается давлению и деформации с двух сторон.

В процессе исследований было установлено, что воздействие на предварительно изолированные трубы в системах ЦТ не ниже, чем ранее предполагалось и что метод, применяемый для укладки предварительно изолированных труб в системах ЦТ и меры предосторожности, принятые на участках тепловых сетей с отводами, давали основание рассчитывать, что предполагаемый срок службы будет равен 75 годам.

Общий срок службы всей системы ЦТ может быть увеличен путем снижения диапазона изменений температуры в трубопроводах тепловой сети.

Существующая база данных

Рассматриваемый проект исследований базируется на сборе эмпирического материала датских и зарубежных проектов по централизованному теплоснабжению. Сюда были присовокуплены данные, полученные в результате более ранних измерений, а также последних измерений, выполненных на предварительно изолированных трубах магистральной тепловой сети VEKS. Сеть магистральных трубопроводов, включающая подающий и обратный трубопроводы длиной 100 км, диаметром от 100 до 800 мм, была выполнена как скрепленная система трубопроводов без неподвижных опор. Трубы при укладке были подвергнуты предварительному монтажному натягу при нагреве их с помощью электроэнергии или горячего воздуха при температуре, равной приблизительно +85 OС.

Предварительное напряжение обеспечило возможность укладки труб очень длинными секциями без каких-либо компенсирующих устройств. При изменении направления трассы трубопровода под прямым углом расширение поглощалось бетонными конструкциями. В местах установки насосов и отводов к зданиям расширение поглощалось осевыми компенсаторами.

Надзор и мониторинг со стороны системы VEKS

Начиная с 1987 года, когда была введена в эксплуатацию первая очередь магистральных трубопроводов, трубопроводная система находилась под постоянным контролем с проведением мониторинга. Точки замеров были установлены на 42 сооружениях магистральной сети. На 45 участках трубопровода диаметром от 100

до 800 мм во время строительства в открытых камерах были произведены замеры перемещений в связи с предварительным напряжением; замеры были проведены после того, как камера трубопровода была обратно засыпана.

Испытание трубопроводов тепловой сети

Реализация вышеупомянутого проекта включала инспектирование (контроль) магистрального трубопровода диаметром 300 мм в трубе-оболочке диаметром 450 мм. Замеры проводили на участках, где имеются повороты (изгибы), помещенные в бетонные конструкции. Изгибы в этом случае подвергаются воздействию с двух сторон.

Первый участок находился на расстоянии 146 м от неподвижной опоры в бетоне по другую сторону 70-метрового трубного моста (перекресток на автомагистрали), а слой грунта, покрывающий трубы, изменялся от 1 до 2 метров. Второй участок длиной в 700 м имел покрытие грунтом от 1 до 3 метров. Во время укладки трубопровода проводилось предварительное напряжение подогревом в открытой камере с обеспечением свободного перемещения на концах. После охлаждения и укорочения концов трубопровода повороты труб (5.D) были закреплены в бетонных конструкциях. Засыпка вокруг изгибов труб в бетоне состоит из подсушенного песка с удельным размером зерен от 0 до 2 мм. Песок не уплотняется и, следовательно, служит в качестве демпфера (гасителя) для поглощения перемещений и одновременно снимает любые напряжения в изгибах труб.

Места проведения замеров

Как показано на рисунке 1 в районе бетонной конструкции были определены места для проведения замеров осевых перемещений труб, температур стальной трубы и места установки тензометров. Замеры проводились на подающем трубопроводе, который находился в открытой части бетонной конструкции. В местах измерения № 1 и № 2 были установлены тензометры на верхнюю и нижнюю части стальной трубы. Осевые датчики были прикреплены к пусковому устройству для того, чтобы измерить осевые перемещения предварительно изолированных труб. Камеры для измерения давления были сооружены в гравии у стыков между поворотом и прямым участком трубы с тем, чтобы замерять давление грунта в районе горизонтальных перемещений трубопровода. Тензометры, температурные сенсоры, осевые датчики и камеры для измерения давления были подсоединены через преобразователи к регистрирующему устройству, с которого данные измерений могли поступать на переносной компьютер для последующей обработки.

Программа измерений

Программа проведения измерений состояла из трех серий тестов с проведением повторяющихся нагрева и охлаждения труб системы ЦТ. На протяжении первой серии тестов измерения проводились на существующем трубопроводе на трубе с поворотом в бетонном канале (рис. 3). Измерялись осевые перемещения обсадной трубы и осевая деформация в стальной трубе. В этой серии тестов температура в подающем трубопроводе изменялась от +105 до +115 OС, а в обратном трубопроводе - от +45 до +55 OС в зависимости от температуры наружного воздуха (рисунок 4).

При проведении второй серии тестов бетонная конструкция и материал засыпки вокруг поворота (изгиба) трубы были удалены. Были повторены процессы нагрева и охлаждения при отсутствии изоляции вокруг трубы, а затем были измерены перемещения и деформации. Температуры подаваемой воды оставались практически постоянными - около +115 OС, а температуры обратной воды - около +45 OС.

Во время третьей серии тестов пространство вокруг поворота трубы было заполнено слоем гравия с зернами величиной от 0 до 14 мм и высотой 0,6 м над трубами и утрамбовано. Камеры для измерения давления грунта были помещены в гравий в 50 мм от наружной части трубы рядом с соединительной муфтой стыка между изогнутой и прямой трубой. Были измерены перемещения, деформация и давление грунта при проведении неоднократно повторяющихся нагревания и охлаждения. На протяжении этой серии тестов температура воды в подающем трубопроводе была в диапазоне между +95 и +105 OС, а в обратном - между +35 и +45 OС.

Три серии тестов проводились в одинаковых условиях, т.е. при неоднократно повторяющихся нагревании и охлаждении с разностью температур (тепло/холод), составляющей 60-70%, и при равномерном постоянном давлении. Требуемые измерения проводились с интервалами в 10 минут во всех трех сериях тестов. Охлаждение обратного трубопровода проводилось путем перекачки охлажденной обратной воды в подающий трубопровод, создавая, таким образом, «холодное давление».

Первое измерение показало, что трубы для систем ЦТ должны были лежать не менее 24 часов после охлаждения и нагревания для того, чтобы достигнуть максимума перемещения. В результате проведение отдельных серий тестов растянулось на 4 недели, т. к. необходимо было получить как минимум 10 полных температурных циклов, т.е. от тепла к холоду и обратно к теплу. Во время проведения отдельных серий тестов брались образцы материала засыпки из колодца, где находился трубопровод, как материала, находящегося у поворота трубы, так и у прямого участка.

Результаты измерений

В связи с тем, что программа измерений была довольно сложной и одновременно выдавалось большое количество данных, почти невозможно в столь короткой статье дать глубокое и детальное объяснение по всем результатам проекта. Но, тем не менее, должны быть упомянуты два интересных фактора.

Период охлаждения от +110 O до +50 OС старались сократить до минимума путем создания «холодного давления» в трубе, т.е путем передачи охлажденной обратной воды в подающий трубопровод. Измерения температуры в верхней и нижней частях показали разность температур до +50 OС - расслоение в водной среде - на протяжении теплой фазы во время рециркуляции горячей воды. Этот фактор нужно принимать во внимание при размещении температурных датчиков для проведения замеров.

В Гамбурге наблюдали следующую ситуацию в связи с предварительным напряжением участка трубопровода (диаметром 700 мм), когда при охлаждении трубы было отмечено укорочение на большую величину, чем ожидалось по расчетам. Теоретическое обоснование такого явления носит название «Эффект большой трубы» (для труб большого диаметра коэффициент трения грунта зависит от температур, т.е. температуры ниже в холодном трубопроводе и выше в горячем трубопроводе).

В соответствии с этой теорией часто случается, что полиэтиленовая оболочка расширяется при нагревании, что приводит к более высокому давлению грунта и увеличению силы трения. Тем не менее, если полиэтиленовая оболочка охлаждается, то сокращение радиуса приводит к появлению пустоты между оболочкой и окружающим грунтом, особенно по обе стороны трубопровода. Наблюдения, сделанные в Гамбурге, отмечались и в ходе данного проекта.

Оценка срока службы предварительно изолированных труб

Срок службы предварительно изолированных труб в системах ЦТ зависит от процесса старения предварительно изолированной трубы, включая возможную коррозию стальной трубы, температурное сопротивление пенополиуретанового изоляционного материала, а также - полиэтиленовой оболочки. Другие критические факторы включают изменения прочностных характеристик вышеуказанных материалов на протяжении длительного периода, влияние температур и давления, а также условия деформации в системе трубопроводов.

Коррозия стальной трубы зависит прежде всего от того, насколько система герметично закрыта от проникновения воды извне, поскольку внутренняя коррозия рабочей стальной трубы едва ли теперь может наблюдаться в системах, эксплуатируемых на подготовленной воде. Следовательно, непременным условием является соблюдение герметичности стыков трубы-оболочки.

Пластические материалы, используемые в предварительно изолированных трубах, диктуют введение ограничений на температурный режим подаваемой воды и таким образом влияют на границы срока службы труб. Технические воздействия на систему на протяжении всего срока ее службы предъявляют повышенные требования к изоляционному материалу (пенополиуретану), его прочности на сжатие и адгезии (сцеплению) между стальной трубой и муфтой.

Напряжения и деформации зависят от условий эксплуатации, температурных режимов и давления, а также от технологии укладки труб и состояния окружающего грунта. В связи с тем, что именно свойства материала (пенополиуретановая изоляция и полиэтиленовая оболочка) оказывают решающее влияние на срок службы предварительно изолированных труб в системах ЦТ, мы решили выборочно дать характеристику двум свойствам пенополиуретана, а именно: температурному сопротивлению и прочности на сжатие.

Температурное сопротивление

В соответствии с требованиями европейского стандарта EN 253 срок службы предварительно изолированных труб должен быть по меньшей мере 30 лет при условии постоянной эксплуатации системы с температурой +120 OС. В системе, где температура менее +95 OС, срок службы практически может быть неограниченным.

На протяжении 6 месяцев выполнения трех серий тестов температура подаваемой воды варьировалась в диапазоне от +100 OС до +115 OС, а температура +115 OС поддерживалась на протяжении трех самых холодных зимних месяцев. Если предположить, что максимальная температура подаваемой воды будет +110 OС на оставшийся срок до конца года, то система будет иметь общий срок службы 75 лет, и это соответствует стандарту EN 253.

Срок службы 75 лет не означает, что предварительно изолированные трубы на определенном участке трубопровода не нуждаются в ремонте вообще. Это только значит, что пенополиуретановый изоляционный материал, как предполагается, сохранит свои прочностные характеристики на протяжении указанного периода. При проектировании системы ЦТ просчитывается определенное количество циклов нагружений -температурные колебания от рабочих температур до температур грунта и обратно до рабочих температур на протяжении 30 лет, и это должно использоваться при расчетах усталостных характеристик.

Указанное число циклов нагружений остается, хотя пенополиуретановый изоляционный материал сохраняет свои свойства на протяжении более длительного периода. Таким образом, очень важно обеспечить условие, при котором трубы для систем ЦТ при постоянной ежедневной эксплуатации подвергались бы меньшему числу циклов нагружений, чем допускается в соответствии с расчетами, чтобы можно было полностью использовать более высокий срок службы пенополиуретанового изоляционного материала.

Предел прочности на сжатие

Предел прочности на сжатие для пенополиуретанового изоляционного материала ограничен и соответственно определяет условия максимального заглубления укладываемых труб и вообще определяет технологию укладки труб для систем ЦТ. Путем проведения тестов было установлено, что при воздействии температуры + 140 OС на протяжении длительного периода, предел прочности на сжатие пенополиуретана с плотностью 75 кг/м3 падает до нуля на протяжении приблизительно 15 месяцев.

При температуре, превышающей +125 OС, величина предела прочности на сжатие останется такой же, как и у нового пенополиуретана приблизительно после двух лет эксплуатации. Ограниченный предел прочности на сжатие изоляционного материала диктует ограничения по максимальному заглублению укладываемых труб в системах ЦТ особенно в случаях, когда требуется изменение направления трассы трубопровода.

Для снижения давления грунта при горизонтальном перемещении труб в качестве альтернативы должны использоваться другие меры предосторожности.

Размещено на Allbest.ru