Армирование труб высокопрочными материалами - стальной проволокой, лентой, стекловолокном или синтетическими нитями - преследует две основные цели: увеличение прочности, обеспечивающей повышение рабочего давления трубопровода, или, при сохранении его эксплуатационных параметров (рабочее давление, температура эксплуатации, срок службы), снижение материалоемкости и, как следствие, стоимости труб.

Ниже изложен принцип прочностного расчета на примере конструкции трубы, предназначенной для систем горячего водоснабжения и теплоснабжения. Труба состоит из внутренней герметизирующей полимерной оболочки (в нашем случае из сшитого полиэтилена), на внешнюю поверхность которой нанесено два слоя армирующей нити под углом ±ф к оси трубы. Поверх армировки положен еще один полимерный слой, защищающий армирующую систему от механических повреждений и обеспечивающий монолитность конструкции.

В условиях, когда в качестве армирующей системы применяется высокопрочный высокомодульный материал (арамидная нить), армирующая система воспринимает на себя всю возникающую от действия внутреннего давления нагрузку, полимерные слои, в силу малой деформации системы, нагружены незначительными по величине напряжениями. В связи с этим, прочностные (кратковременные и долговременные) свойства таких труб в первую очередь определяются соответствующими характеристиками нити, а выбор параметров армирующей системы (прочность нити и ее количество) может быть проведен без учета прочностных и деформационных характеристик полимерных слоев. Схема расчета представлена на рисунке 1.

Известно, что при условии:

tg²(ф) = 2;   tg(ф)=√2 и ф = 54°44',

два слоя нити, уложенные во взаимно противоположных направлениях, обеспечивают равнопрочность системы армирования к действию внутреннего давления в осевом и радиальном направлении.

Давление, которое выдержит армирующая система, определяется прочностью и числом нитей: 

Возможно применение и неравновесной системы армирования. При этом, в целях повышения прочности армирования, имеет смысл только увеличивать угол укладки нити, то есть выбирать ф> 54°44'. При этом радиальная составляющая (V) прочности армировки увеличивается, а осевая (Н) - уменьшается. Для компенсации уменьшения осевой составляющей прочности армировки необходимо ввести дополнительные нити, уложенные по продольной оси трубы, минимальное число которых (X) определяется следующим образом:

Рассмотренный метод расчета армированных труб позволяет рассчитывать «разрушающее» давление, т. е. величину, определяемую при испытании образца, нагружаемого давлением, возрастающим с постоянной скоростью.

Для трубопроводов из полимерных материалов требуемый уровень длительной прочности, как известно, определяется и рассчитывается с учетом временного фактора воздействия напряжений, возникающих от внутреннего давления. Существует стандартизованный в мировой практике метод определения рабочего давления по прочностным показателям материала трубопровода (MRS), геометрическим размерам труб и температуре эксплуатации [1, 2].

В этом случае временная зависимость прочности описывается уравнением вида

Lg t=A+B/T+C∙lgÓ+D∙lgÓ/T ,        (3)

где T- время эксплуатации (срок службы), ч; Ó - напряжение, МПа; Т- температура, К. A, B,C,D- коэффициенты, определяющие прочность материала.

Для определения допускаемого напряжения материала стенки трубопровода, работающего в переменных условиях эксплуатации (в первую очередь по температуре среды), используют методику расчета, основанную на «правиле Май-нера» [3].

Очевидно, что при освоении производства и определении долговечности армированных труб необходимо идти по этому же пути. Однако для армированной трубы не существует понятия «напряжение в стенке трубы», так как все слои многослойной конструкции нагружены по-разному. Поэтому уравнение (3) было пересчитано как функция давления в виде

Lg t= A+C∙lg K+(B+D∙lgK)/T+C∙lg p/T  (4),

где К - коэффициент, характеризующий размерные соотношения трубы для пересчета напряжения в давление.

Далее, используя «правило Майнера» и переменные во времени температурные режимы эксплуатации, получена зависимость контрольных величин испытательного давления от температуры и времени испытания, гарантирующая работу трубопровода при давлении 1,0 МПа и переменной температуре вплоть до 95°С с введением в расчет общепринятых коэффициентов безопасности.

Графическое изображение полученной зависимости по уравнению 4 представлено на рис. 2, на котором одновременно показаны контрольные режимы испытаний на стойкость к внутреннему давлению при общепринятых для пластмассовых труб контрольных временах (20°С - 1 час, 95°С-1,22,165 и 1000 часов).

Следует отметить, что коэффициенты уравнений 3 и 4, определяющие темп падения прочности во времени, взяты как для труб из сшитого полиэтилена, что, естественно, идет в запас прочности, так как темп «разупрочнения» для высоко-ориентированных полимеров существенно меньше, чем для обычных полимеров.

На рисунке 2 показаны полученные в пределах 1000 часов предварительные данные гидравлических испытаний труб, которые подтверждают правильность выбора параметров армировки. Стрелки у экспериментальных точек показывают, что для ускорения набора первоначальных сведений образцы сняты с испытаний без разрушения. Полноценный набор данных для получения линии регрессии, описывающей долговечность армированных труб и позволяющей с нужной степенью достоверности экстраполировать данные на срок службы трубопровода 50 лет, потребует большего времени. Предварительно полученные данные по длительной прочности позволяют предположить, что фактическая линия регрессии пройдет, как показано на рис. 2 пунктиром. Такая длительная прочность обеспечит большие коэффициенты запаса прочности или позволит снизить уровень армирования трубы.

Помимо прочности трубы, работоспособность трубопровода зависит от надежности соединения труба-фитинг. Для оценки этих соединений принят метод циклического нагружения, в том числе при повышенных температурах. Фирма Brugg Rohrsysteme AG провела испытания армированных труб, изготовленных холдингом  «Евротрубпласт», на стойкость к циклическому нагружению давлением от 5 до 20 бар при температуре 80 - 88°С. Трубы диаметром 63, 75 и 90 мм выдержали требуемое число циклов.

Представление о том, какие напряжения возникают в отдельных слоях многослойной трубы при ее нагружении, например, рабочим давлением (Р), дает условие совместности их деформации.

Решим уравнение (1) относительно нагрузки на нить (Т).
     (5),
По величине нагрузки и площади поперечного сечения нити (F) определим возникающее в нити напряжение, ее деформацию £ и радиальную составляющую деформации sr: а = T/F; s = а /Е ; вг = а /Е/ \${ф)
Или, применив уравнение (4)
D-L-P-cos(0)
ег=   (6),
2 N sin2(0)-F-E
где: Е - модуль нити, величина которого по данным фирм-поставщиков арамидной нити составляет (1,45 - 0,76)*105 МПа. Расчет по уравнению (6) показывает, что, например, для трубы с диаметром армирования 140 мм, равновесно армированной 48-ю арамидными нитями, текс 660, Е = 105 МПа, при рабочем давлении 1,0 МПа г, = 0,007.

Напряжение в полимерных слоях при данном уровне деформации зависит от модуля каждого слоя. Для полиэтилена (в том числе ПЭХ-а) при температуре 80°С в оценочном режиме можно принять величину модуля Епэ = 200 МПа, тогда напряжение, которым нагружен полиэтилен, составит 1,4 МПа. При столь малых напряжениях долговечность полиэтилена в условиях повышенных температур будет ограничена только параметрами термостабильности. Кроме того, если принять, что при нагружении трубы рабочим давлением возникшая деформация £г=0,007 в дальнейшем останется без изменения, в течение часа уровень напряжения в слое сшитого полиэтилена уменьшится в два раза, а за год - в четыре.

Таким образом, выпускаемые Холдингом «Евротруб-пласт» трубы «ДЖИ-ПЕКС-А» и «ДЖИ-ПЕКС-АМ» по ТУ 2248-025-40270293-2005 превосходят по прочностным показателям и по долговечности неармированные трубы из сшитого полиэтилена и полипропилена, применяемые в системах горячего водоснабжения и отопления.

1. ISO 9080 "Plastics piping and ducting systems - Determination of long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation".

2. ISO 15875 и DIN 16892 «Трубопроводы из сшитого полиэтилена для горячего и холодного водоснабжения».

3. EN ISO 13760 "Plastics pipes for conveyance of fluids under pres sure - Miner's rule - Calculation method for cumulative damage".

Подробнее о текущей ситуации и прогнозе российского рынка труб из сшитого полиэтилена смотрите в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок труб из сшитого полиэтилена (PEX) в России».

Мирон Гориловский, Игорь Гвоздев, Владимир Швабауэ, Евротрубпласт