Теплофизические свойства полиэтиленов
Коркишко А.Н., Иванов В.А., Кочурова В.В. ООО «Лукойл-Западная Сибирь», г. Когалым, ТюмГНГУ, г. Тюмень
При строительстве газовых сетей основным требованием является прочность, обеспечивающая надежность газоснабжения в любых условиях. Однако для трубопроводов из полимерных материалов основной характеристикой является не столько прочность, сколько теплофизические характеристики, так как именно зависимость от температуры приводит к изменению прочностных свойств полиэтиленовых материалов. Основные характеристики полиэтиленов высокого и низкого давления приведены в табл. 1.
Таблица 1
Тип полимера
|
Прочность, МПа
|
Относит. удлинение, έ,%
|
бвр
|
би
|
ПЭ низкой плотности
|
10…17
|
12…17
|
50..600
|
ПЭ высокой плотности
|
18…35
|
20.. 38
|
250…1000
|
Оптимальной для монтажа трубопроводов из полимерных материалов является температура от -50С и до +250С. При достижении рабочей температуры ниже или выше предельной в полимере могут происходить необратимые деформации:
при низких температурах полимер становится хрупким, происходит стеклование материала,
при высоких - воспламенение или, если полимер не воспламеняется, термическая деструкция, без пламени.
Для изготовления труб используются полиэтилены высокого и низкого давления Полимерные материалы имеют, в отличие от сталей, диапазон температур, в пределах которых свойства его сохраняются, и определенные пороговые значения, после которых свойства полимерных материалов изменяются значительно. Поэтому при выборе марки полиэтилена учет его теплофизических характеристик бывает более важным, чем оценка прочностных свойств. Особенно теплофизические свойства влияют на прочность сварного шва. В зависимости от температуры окружающей среды скорость остывания сварного шва изменяется и при этом могут изменяться и прочностные характеристики шва. Кроме того, полимеры имеют большую величину относительного удлинения при нагреве, что приводит к появлению деформаций.
Параметры, относящиеся к теплофизическим свойствам, условно можно разделить на две группы:
Первая – определяет внешнее поведение полимера при изменении температуры. К ней прежде всего относится тепловое расширение или дилатометрические свойства.
Вторая – устанавливает внутреннюю реакцию материала на тепловое воздействие. Интенсивность каждого вида реакции определяется соответствующим теплофизическим коэффициентом (ТФК).
Для описания теплового расширения полимерных материалов используются следующие понятия.
Коэффициент теплового расширения – подразумевает общее изменение размеров физического тела в функции температуры. Он подразделяется на коэффициенты линейного β и объемного ά расширения:
 (1)
 (2)
где  - значение длины или объема образца при начальной температуре измерения;  - значение длины или объема образца при конечной температуре измерения:  - разница температур начала и окончания измерения.
Между собой эти величины (для изотропных тел) связаны следующим соотношением:
 (3)
Таблица 2
Теплофизические свойства полимерных материалов
Полимерный материал
|
Теплопроводность  , Вт/(м*К)
|
Теплоемкость с, Дж/(кг*К)
|
Температуропроводность а , 
|
Коэф. линейного расширения  ,(*10 ), 
|
ПЭНП
|
0,32-0,36
|
1,8-2,5
|
1,-1,5
|
21-55
|
ПЭВП
|
0,42-0,44
|
2,9-2,1
|
1,9
|
17-55
|
Основными теплофизическими коэффициентами являются следующие величины: – коэффициент теплопроводности; с - удельная теплоемкость; а – коэффициент температуропроводности.
Значение температуропроводности необходимо для оценки времени охлаждения изделий, получаемых из расплава полимера или для оценки поведения полимерной трубы в нестандартных тепловых полях.
Список литературы
Крыжановский В.К., Кербер М.Л. Производство изделий из полимерных материалов. – С.-П.: Профессия, 2004. – 460 с.
Проектирование газовых сетей из полиэтиленовых труб
Коркишко А.Н., Кочурова В.В. ООО «Лукойл-Западная Сибирь», г. Когалым, ТюмГНГУ, г. Тюмень
К низконапорным газовым сетям относятся трубопроводы малого диаметра (до 160 мм), которые прокладываются в одну нитку, с номинальным рабочим давлением 0.3 МПа, а для подводящих к дому участков – 0,02 МПа. Условия прокладки газовых сетей достаточно разнообразны, поэтому при проектировании газопроводов следует учитывать материалы для труб и особенности их изготовления.
Строительство газопроводов низкого давления выполняется как из стальных, так и полимерных материалов, причем преимуществ полиэтиленовых трубопроводов значительно больше. Во-первых, газопроводы из полимерных материалов обладают высокой коррозионной стойкостью, что позволяет применять их без изоляции внутренней и внешней поверхности; во-вторых, обладают более высокой производительностью за счет гладкости стенок; в–третьих, можно использовать траншейный (традиционный) и бестраншейный способы прокладки газопроводов; в-четвертых, срок эксплуатации таких газопроводов дольше, чем у металлических (гарантийный срок 50 лет), и ремонт выполняется только при металлических повреждениях трубопровода.
Основные качественные характеристики полиэтиленовых труб обычно указаны заводами изготовителями в документах, сопровождающих партию труб (сертификатах, паспортах и т.д.). Эти сведения о качестве не полностью охватывают многообразие характеристик труб.
Гарантия, которая выдается на газовые трубы, т.е. на срок хранения, составляет 2 года. Однако солнечная радиация может привести к изменению начальных свойств и поэтому срок хранения труб должен быть ограничен или в процессе хранения через год следует определять основные свойства полиэтиленовых труб.
Требования к данным характеристикам в соответствии с действующими стандартами приведены в табл. 1.
Таблица 1
Наименование показателя
для труб марки ПЭ 100
|
Значение показателя
|
Метод испытания
|
Относительное удлинение при разрыве, не менее, %,
|
350
|
По ГОСТ 11262
|
Изменение длины труб после прогрева,
не более, %
|
3
|
По ГОСТ 27078
|
Изменение характеристик полиэтиленов связано с влиянием температуры на их свойства. Практика эксплуатации низконапорных газопроводов показала, что существенное изменение характеристик труб происходит приблизительно через год после их изготовления. Причем эти изменения интенсифицируются за счет воздействия атмосферных явлений и особенно ультрафиолетовых солнечных лучей. В частности, среди всех показателей изменяются такие характеристики материала труб, как предел текучести, относительное удлинение. При длительном хранении труб изменяются обе позиции: это связано с тем, что после длительного хранения происходит упрочнение полиэтиленовых труб.
Результаты лабораторных испытаний показали следующее. Изменение относительного удлинения при разрыве даже при испытаниях из одной партии труб может значительно изменяться в зависимости от времени нагрева, скорости охлаждения и других факторов. Испытания образцов полиэтиленовых труб, проводимые при одинаковой температуре, показали, что характер взаимодействия кристаллов полиэтилена может несколько отличаться. Следствием этого является изменение прочностных характеристик труб, длительно хранившихся перед укладкой в траншею (табл.2).
Таблица 2
Прочность труб в зависимости от температуры под действием нагрузки
Хранение, не более дней
|
Прочность полиэтилена при
температуре, оС (_кг/см2)
|
10
|
20
|
35
|
50
|
65
|
6, под навесом
|
115
|
94
|
70
|
40
|
35
|
10 дней, без навеса
|
111
|
93
|
70
|
37
|
31
|
45 дней, без навеса
|
107
|
88
|
68
|
34
|
25
|
20 месяцев, без навеса
|
102
|
81
|
63
|
22
|
19
|
Максимальная величина длины трубы после нагрева будет не более 1,7 – 1.9 %, в то время как стандартом допускается до 3%. Это также связано с упрочнением материала труб за счет уменьшения относительного удлинения и увеличения «жесткости» материала.
Для снижения свойств солнечной радиации при изготовлении труб применяется сажевая присадка, что отталкивает солнечные лучи, но полностью исключить влияние нагрева, приводящее к деструкции, нельзя, поэтому до начала монтажных работ рекомендуется хранение труб под навесом.
Следовательно, для сохранения свойств полиэтиленовых труб следует сократить время их хранения на строительно-монтажной площадке до минимума и обеспечивать хранение труб под навесом.
Оценка эффективности строительного производства
Кочурова В.В., Ширяев А.П., ТюмГНГУ, г. Тюмень
В настоящее время при строительстве газопроводов низкого давления используются как стальные, так и полимерные трубы. Однако, при строительстве газораспределительных сетей (ГРС) из полимерных материалов применение технологии строительства, применяемой при сооружении металлических трубопроводов, не всегда эффективно, поэтому необходим новый подход к сооружению газопроводов, позволяющий наиболее эффективно использовать технику и рабочие ресурсы.
Известно, что при строительстве стальных трубопроводов скорость прокладки составляет сотни метров в смену: она определяется скоростью сварки и сочетается со сравнительно малым временем, затрачиваемым на укладку трубопровода. При сооружении ГРС все происходит наоборот – длительная прокладка трубопровода практически не зависит от скорости сварки стыков, которые находятся на большем удалении друг от друга (длина труб 100-200 метров). Чтобы определить, как в заданные сроки организовать производство работ, необходимо рассмотреть все технологические операции при сооружении ГРС, определить их последовательность, а затем проанализировать цикл сооружения ГРС в целом.
Строительство газопровода является стохастическим процессом, т.е. таким процессом, течение которого может быть различным в зависимости от условий внешней среды и для которого существует вероятность того или иного состояния. Такие задачи следует отнести к прогнозируемым задачам, методы решения которых сводятся к поиску оптимальных решений. Решение задач оптимизации затруднено тем, что достаточно сложно для строительного процесса выбрать оптимальный вариант из-за большого количества взаимосвязей между технологическими операциями.
В состав строительных работ входит перечень технологических операций, которые условно можно разбить на отдельные группы: подготовительные, земляные и строительно-монтажные работы. Чтобы выявить, какие критерии необходимы для оценки производства работ, необходимо задать степень значимости данных критериев, и рассмотреть частный случай, например, производство одного вида работ.
Для оценки эффективности системы принимается количество техники на каждую технологическую операцию, причем все механизмы (как по маркам, так и по количеству) должны входить в суммарный перечень, а также анализируется состав бригад при производстве этих же работ. В данном случае предлагается оценивать строительство трубопровода двумя критериями – минимальной стоимостью и минимальной продолжительностью работ. Однако оценка занятости техники и персонала не дает точной оценки эффективности производства.
Поэтому необходимо рассмотреть критерии, влияющие на эти показатели, и оценить их взаимодействие между собой. Для этого рассмотрим показатели строительно-монтажного потока, за которые можно принять: обеспеченность техникой; производительность техники; вид работ и их последовательность; трудозатраты и т.д.
Для решения задачи в условиях определенности с численной оценкой исходов конечный результат должен быть оптимальным. При принятии решения в таких условиях каждой альтернативе соответствует только один исход. Таким образом, все равно, выбираются ли варианты или исходы, которые необходимо получить: при увеличении затрат на строительство трубопровода уменьшается срок строительства, и наоборот, при увеличении срока строительства уменьшаются затраты.
При принятии решений в условиях неопределенности каждой альтернативе соответствует определенное подмножество множества исходов и необходимо определить, какой из данных критериев более важен, и в каких пределах должно находиться его численное значение. Поиск и определение весомости критерия относится к качественным целям и характеризуется тем, что любой возможный исход полностью удовлетворяет либо не удовлетворяет этой цели.
Исходы, удовлетворяющие или неудовлетворяющие цели, неразличимы между собой по степени выполнения этой цели. Исходя из этого, надо выбирать значение второго показателя, т.е. надо ограничиться теми решениями, для которых невозможно одновременное улучшение обоих показателей. Эти исходы и называются оптимальными (эффективными).
Анализ продолжительности строительства газораспределительных сетей показал, что скорость выполнения отдельных операций находится в определенных пределах, а используемые показатели зависят от факторов, которые могут быть возмущающими или невозмущающими.
Другими словами, если для этой задачи не имеется дополнительной информации о возможных исходах, кроме той, которая обусловлена их сравнением по каждому критерию, то можно говорить только о множестве оптимальных решений.
Список литературы
1. Оперативный контроль трубопроводных систем. Казак А.С., Седов В.И., Березина И.В. –М.: Недра , 1991.
|
