Долговечность самотёчных водоотводящих трубопроводов из полиэтилена полых профилей

Бесспорным является то, что минимизация затрат на весь ЖЦ (жизненный цикл: изготовление трубных изделий → проектирование → монтаж → эксплуатация → ремонт → утилизация) любого трубопровода должна связываться в первую очередь с обеспечением их долговечности. Она во всех случаях должна соответствовать расчётному прогнозному (с учётом проектных параметров выбранных труб, монтажных показателей и эксплуатационных факторов) сроку их службы с обязательным соответствием функциональному своему назначению. Это в полной мере касается и подземных самотёчных водоотводящих трубопроводов (подземных сетей канализации и водостоков), в том числе устраиваемых из полых полиэтиленовых профилей различного поперечного сечения (рис. 1).

Типовая технологическая схема устройства подземных самотёчных водоотводящих трубопроводов включает несколько основных этапов: экструдирова- ние профилей из полиэтиленовых гранул, намотка их на оправку с одновременной сваркой соседних витков с целью получения круглоцилиндрических труб, резка труб на отрезки мерной длины, отправка их на склад, подготовка концов труб под соединение, вывозка труб на строительный объект, сборка трубопровода из доставленных труб, укладка трубопровода в грунт, испытание и последующая его безаварийная эксплуатация в течение всего прогнозного расчётного срока.

Технологическая схема устройства подземных самотёчных водоотводящих трубопроводов включает: экструдирование профилей из полиэтиленовых гранул, намотка их на оправку с одновременной сваркой соседних витков, резка труб, отправка их на склад, подготовка концов труб под соединение и др.

В этой связи на передний план выдвигаются задачи установления прогнозных сроков службы того или иного подземного самотёчного трубопровода водоотведения из спиральновитых из полых полиэтиленовых профилей труб. Решение таких задач должно связываться, в первую очередь, с выбором факторов и их значений, определяющих долговременное поведение самотёчных водоотводящих трубопроводов из полых полиэтиленовых профилей и, главное, адекватных конкретным условиям их ЖЦ.

В работе [7] приводится одно из решений такой задачи по установлению прогнозных сроков службы подземных самотёчных трубопроводов водоотведения, смонтированных из спиральновитых из полых полиэтиленовых профилей труб «Спиролайн». Согласиться с выбором факторов и их значений, а также c результатами этого решения (табл. 1), к сожалению, не представляется возможным по целому ряду причин.

A Суть метода [8] определения долговечности по энергии активации термоокислительной деструкции полимерных материалов (строка 1 в табл. 1), применительно к рассматриваемой проблеме, можно представить в следующем виде. A1 Метод определения долговечности изделий основан на взаимосвязи между долговечностью полимерного материала изделий и значением энергии активации, определяющей качество материала и уменьшающейся под воздействием эксплуатационных факторов.

A2 Значение энергии активации определяют по методу Бройдо (Реплика: Составить представление об этом методе на основании имеющихся источников не удалось.) расчётным путём по потере массы навески материала изделия от воздействия температуры при нагревании с заданной скоростью в определённом интервале температур.

A3 Для испытания используют навески материалов, подготовленные в соответствии с требованиями стандартов на методики определения долговечности конкретных изделий. Навески испытуемого и эталонного материалов массой по 200 ± 1 мг помещают в тигли (керамические тигли — предварительно прокаливают при температуре 600 °C в течение 1 ч, а затем выдерживают при комнатной температуре в течение 2 ч) и затем взвешивают. Тигли платиновые (для контроля точности прибора) и керамические (для проведения испытаний), объёмом от 0,5 до 1,0 см³. Размеры и форма тиглей должны соответствовать указанным в эксплуатационной документации к дериватографу. Дериватограф обеспечивает как нагревание навески материала (в диапазоне температур от 20 до 500 °C со скоростью подъёма температуры от 5 до 10 °C в минуту), так и взвешивание навески материала (массой до 500 мг с погрешностью ± 1 мг). Весы аналитические по ГОСТ 24104, обеспечивающие точность взвешивания не более 0,2 мг. Эталонный материал (для записи ДТА) — порошок химически чистого оксида алюминия (А1₂О₃). Устанавливают тигли с испытуемым и эталонным материалами в дериватограф и проводят настройку дериватографа в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Устанавливают следующие режимы работы дериватографа: чувствительность по определению массы — 200 мг на 100 делений; чувствительность сигнала ДТА — 1/5, ДТГ — 1/10; чувствительность по определению температуры — 500 °C на 100 делений; время записи диаграммы — 100 минут; скорость нагревания — 5 °C в минуту. Включают дериватограф и нагревают навеску до температуры 500 °C. Одновременно, в соответствии с инструкцией по эксплуатации к дериватографу, производят запись дериватограммы (рис. 2).

A4 На полученной дериватограмме отмечаются значения потерей массы навесок (Δт) в процентах с точностью до 0,1 % с шагом 10 °С для полиэтилена низкого давления в интервале температур от 350 до 410 °C.

A5 Вычисляются значения двойных логарифмов ln[ln(100)/(100 - Δт)] для каждой температуры и строится график прямолинейной зависимости ln[ln(100)/ (100 - Δт)] от обратной температуры Т_д с использованием метода наименьших квадратов. При этом на оси абсцисс откладывают величины (10³/Т_д), где Т_д — значения температуры [К] при испытании, а на оси ординат — величины ln[ln(100)/(100 - Δт)].

Вычисляется с точностью до 0,1 тангенс угла наклона <р построенной прямой линии к оси ординат. В качестве примера для участка a-b (рис. 3):

Значение энергии активации Е [кДж/ моль] вычисляют по формуле:

E = Rtg(φ), (1)

где R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 × 10^-3 кДж/(моль·К). Для этого же участка a-b (рис. 2):

Е = 8,31 × 17,5 = 145 кДж/моль.

Реплика: Здесь следует обратить внимание на то, что куда-то исчез множитель 10^-3.

A6 Расчётная долговечность изделия в годах τ_Тэ при конкретном значении температуры эксплуатации определяют по следующей формуле:

где Е_д — энергия активации, определяющая уровень долговечности изделий [кДж/моль] (для каждого класса полимера приводится в стандартах на методы определения долговечности конкретных изделий); Т_э — температура эксплуатации изделия, К; С — коэффициент, характеризующий скорость процесса деструкции [ч] (для каждого класса полимера приводится в стандартах на методы определения долговечности конкретных изделий); m — коэффициент перевода долговечности в годы.

Реплика: Здесь следует сразу же заметить, что ни в одном отечественном или зарубежном стандарте, да и в других нормативах (ГОСТ, ТУ, DIN, EN и т.п.) на полимерные трубные изделия, обнаружить даже упоминания об энергии активации материала Е_д и коэффициенте С, характеризующего скорость процесса его деструкции, не удалось.

Расчётная долговечность изделия в годах τ_общ при переменных значениях температуры эксплуатации изделия определяется по формуле:

где m_i — число часов воздействия конкретных значений температуры эксплуатации; Σm_i — общее число часов воздействия переменных значений температуры эксплуатации; τ_Тэ — долговечность [год] изделия при конкретном значении температуры эксплуатации.

B Нельзя признать правомерность произвольного выбора в Заключении (строки 5, 6 и 10, табл. 1) не только значений, но и самих факторов, которые, по мнению авторов, действуют на спиральновитую трубу из полиэтилена с полой стенкой «Спиролайн» производства ООО «ТТЗ» (РФ) в условиях эксплуатации подземной самотёчной системы водоотведения.

Абсолютно непонятно, откуда взялись значение давления на стенки трубы < 0,025 МПа (строка 5, табл. 1) и далее (строка 6, табл. 1) величина полной вертикальной нагрузки, действующей на трубу на глубине залегания до 4 м и возникающей от напора грунта и грунтовой воды, а также от нагрузки транспортного движения < 2 МПа. Если учитывать только бытовое давление грунта, например, тяжёлой глины (плотность 2000 кг/м³), то в первом случае высота грунта над трубой составит 1,25 м, во втором — 100 м.

Почему принята постоянная температура стоков < 45 °С (строка 10, табл. 1)? Практика показывает, что температура в подземных трубопроводах систем водоотведения близка к нормальной ~ 20 °С, что больше указанного значения (45 °С). А расчётная [3, табл. А.6] долговечность полиэтиленовых труб составит величину 825 лет (для 20 °С) и 54 года (для 45 °С).

C Нельзя признать правомерность произвольного назначения в Заключении величин энергетических барьеров разрыва химических связей. Невозможно представить, каким образом удалось связать «такое давление (0,025 МПа) (строка 5, табл. 1) и напряжение в стенке трубы с понижением энергетического барьера разрыва химических связей гидравлическим давлением (Реплика: скорее всего, гидростатическим.) на 1 кДж/моль», «понижение энергетического барьера разрыва химических связей в макромолекулах полиэтилена на 3 кДж/моль с полной вертикальной нагрузкой 2 МПа (строка 6, табл. 1)», а также «уменьшение энергии активации деструкции химических связей на 1 кДж/моль с постоянным физическим воздействием сточной воды (строка 10, табл. 1)»?

D Нет никакого обоснования для использования суперпозиции вышеуказанных факторов, влияющих на понижение энергетических барьеров разрыва химических связей (строка 8, табл. 1): «расчётное значение Е_р, определяющее долговечность, равно:

116 - 1 - 3 - 1 = 111 кДж/моль».

E Нигде не обоснована формула, по которой вычисляется долговечность полиэтиленовых спиральновитых с полой стенкой трубу «Спиролайн» производства ООО «ТТЗ» (Россия) в составе подземного самотёчного трубопровода водоотведения (строка 9, табл. 1):

F Нет никаких оснований считать, что представленная на экспертизу труба удовлетворяет (строки 10 и 11, табл. 1) требованиям [9], предъявляемым к трубной продукции, то есть её долговечность превышает 50 лет, да и таких требований в [9] нами не обнаружено.

Реплика: В [9] приводятся «внеземные» значения долговечности τ = 825, 202, 54, 16 и 4,9 лет полиэтиленовых труб, эксплуатируемых в сетях канализации при температурах стоков t = 20, 30, 40, 50 и 60 °C, соответственно.

G Суть метода [9] определения долговечности по энергии активации термоокислительной деструкции полимерных материалов, применительно к рассматриваемой проблеме (см. строку 6 в табл. 1), можно представить так.

G1 Расчётную долговечность τ_Тэ труб [годы] определяют по формуле:

где α и β — эмпирические коэффициенты, для полиэтилена ПЭНД α = -0,1167, β = -0,936; Е — значение энергии активации [кДж/моль], определяется по [2]; Е_м.в — уменьшение энергии активации испытываемого материала при постоянном воздействии жидкой среды (уменьшение энергии межмолекулярных взаимодействий на поверхности труб вследствие эффекта Ребиндера), для систем канализации из полиэтиленовых труб Е_м.в = 3 кДж/моль; у — структурно-чувствительный коэффициент материала трубы, для труб из полиэтилена (ПЭНД) γ = 1,6 кДж/(моль-МПа); σ_р — расчётное напряжение в стенке трубы [МПа], определяется по формуле Надаи:

где Р_р — рабочее давление среды (теплоносителя, воды, газа) в трубе, МПа; d — наружный диаметр трубы, мм; s — толщина стенки трубы, мм; SF — коэффициент запаса прочности, принимаемый для систем канализации — 1,0; R — универсальная газовая постоянная, R = 8,314 × 10^-3 кДж/(моль·К); Т_э — температура эксплуатации (транспортируемой среды), К; m — коэффициент перевода долговечности в годы, для полиэтиленов ПЭНД, ПЭВП и ПЭСП m = 365.

Установить, откуда взята формула (4), не удалось. Однако в [10] приводится идентичная формула, которая позиционируется как полученная авторами, значения коэффициентов в которой определены математической обработкой массива экспериментальных данных, полученных при длительном старении плёнок из порошковых полиэфирных красок различных производителей

Реплика: Установить, откуда взята формула (4), не удалось. Однако в [10] приводится идентичная формула, которая позиционируется как полученная авторами, значения коэффициентов в которой определены математической обработкой массива экспериментальных данных, полученных при длительном (в течение шести месяцев) старении плёнок из порошковых полиэфирных красок различных производителей.

Реплика: Здесь следует заметить, что в трубопроводах подземной канализации, да и во внутренней тоже, нет рабочего давления — там вообще давления нет. Давление, могущее возникнуть в трубопроводе при засорах, носит эпизодический характер и на прочностное поведение труб, как показывает более чем полувековая практика, не оказывает ни какого влияния. В этой связи можно с полным на то основанием считать, что растягивающих напряжений, определяемых по формуле (5), в стенках труб нет. Относительно наружного диаметра и толщины стенки трубы со структурированной стенкой на случай действия в ней внутреннего давления достаточно адекватного подхода до сих пор ещё не сложилось.

Реплика: Здесь вызывают недоумение цифры, указанные для полиэтилена ПЭВД (m = 1) и для поливинилхлорида (m = 8760). Этого быть не должно, ведь в одной и той же формуле (1) коэффициент m имеет разные размерности — сутки, года и часы для ПЭНД, ПЭВД и ПВХ, соответственно.

G2 Номинальное значение энергии активации Е для систем канализации из труб из полиэтилена (ПЭНД) не должно быть менее 109 кДж/моль.

Реплика: Это требование не увязывается с тем, что значение энергии активации Е должно определяться по [8] — см. обозначения к формуле (1) выше.

G3 При значении энергии активации термоокислительной деструкции 107 кДж/ моль расчётные значения долговечности труб, применяемых в системах канализации, будут составлять τ = 825, 202, 54, 16 и 4,9 лет при температурах сточной жидкости t = 20, 30, 40, 50 и 60 °C, соответственно.

Реплики:

а) Здесь Е = 107 кДж/моль, что не соответствует требованию (см. выше G2, где Е = 109 кДж/моль).

б) Такие значения долговечности труб τ = 825, 202, 54, 16 и 4,9 лет в системах канализации при температурах сточной жидкости t = 20, 30, 40, 50 и 60 °C, соответственно, противоречат существующим представлениям по данному вопросу, а также имеющейся практике эксплуатации канализационных трубопроводов. Если бы это было так, то для устройства подземных безнапорных канализационных трубопроводов, температура стоков в которых ~ 20 °С в течение всего срока эксплуатации, использовались полиэтиленовые трубы с кольцевыми жёсткостями 0,675 кПа, толщина стенок которых принимается из конструктивных соображений. На практике используются полиэтиленовые трубы с кольцевыми жёсткостями 2-16 кПа, для которых расчётный прогнозный срок службы в составе подземного канализационного трубопровода составляет 50 лет, естественно, при соблюдении расчётных параметров производства земляных работ.

H Нет никаких на то оснований, чтобы считать долговечность для всех типоразмеров (рис. 4, табл. 2) труб «Спиролайн» более 50 лет (строки 12, табл. 1), также как и то, что они могут при этом укладываться [5] на «рабочей» (Реплика: Новый термин!) глубине до 18 м.

На каких глубинах могут укладываться безнапорные трубопроводы водоотведения из спиральновитых труб из полиэтилена, в том числе с характеристиками, приведёнными в Заключении [7], следует определять расчётом по второму предельному состоянию. При проведении

расчётов в качестве критерия для выбора оптимальных труб принимают допустимую степень овализации (р = AD/D_H (рис. 5) их поперечного сечения под действием грунтовых, транспортных и других нагрузок с учётом технологии выполнения земляных работ [12].

Вопрос, как следует выбирать в общих случаях факторы и их значения, адекватные конкретным условиям жизненного цикла подземных самотёчных водоотводящих трубопроводов из полых полиэтиленовых профилей и определяющие их долговременное поведение [13, 14], можно будет раскрыть в следующих номерах журнала.