На порядку денному – розвиток Системи трубопроводів з пластмас щороку збільшують свою присутність на європейському ринку. Труби з поліолефінів застосовують для прокладання і реновації комунальних мереж водопостачання, водовідведення та дренажу, газопроводів і кабель-каналів силових та комунікаційних мереж. На відміну від європейського ринку, ситуація в Україні суттєво гірша. Незалежні експерти вважають, що 2020 року вітчизняні виробники поліетиленових труб змогли переробити лише 27 тис. тонн сировини.
Ймовірно, що застійні процеси збережуться і цьогоріч, можливе навіть зниження споживання РЕ труб на 5 відсотків. Показово, що в європейських мережах водовідведення та дренажу дедалі частіше застосовують труби великих діаметрів. Вони покликані запобігти руйнівному впливу, які приносять з собою повені та екстремальні дощі.
До причин, які зумовлюють зростання популярності трубопроводів з пластмас, передовсім, належать:
- широкий діапазон діаметрів;
- простий і зручний монтаж;
- відмінні гідравлічні властивості;
- висока хімічна стійкість;
- ідеальна герметичність та продуктивність.
У гнучкості – сила Такий показник як еластичність трубопровідних мереж не завжди оцінюється проектантами та експлуатуючими організаціями належним чином. Варто наголосити, що гнучкі труби з пластмас ідеально підходять для всіх типів застосування, особливо, в нестійких ґрунтах. Ґрунти мають більш-менш прогнозовану динамічну поведінку: повільні зміщення (осідання) спричинюють циклічні зміни температури або рівень підземних вод (цей показник залежить від кількості опадів, або ж посухи). Найскладніше передбачити тектонічні зміни: локальні поштовхи, землетруси, або зсуви ґрунту. В таких умовах життєздатність трубопроводів залежить від гнучкості мережі.
Навіть природа нас навчає – під час буревію виживають дерева, що хиляться перед вітром. Аналіз спричиненої шкоди трубопровідним мережам внаслідок землетрусів засвідчує той факт, що руйнувань зазнають, передовсім, жорсткі труби, а гнучкі мережі з пластмас продовжують безаварійно транспортувати воду, каналізаційні стоки та газ. Аварійність мереж – це плата за помилки. Щоб забезпечити довговічність та безаварійну експлуатацію водопровідних та каналізаційних мереж, потрібно дотримуватись вимог щодо проектування, будівництва та експлуатації трубопроводів. Аварійність мереж (див. Рис. 3) залежить від багатьох чинників, у т.ч. від характеристик матеріалу, з якого виготовлені труби.
Стійкість упродовж 100 років експлуатації
25 червня 2019 року Європейська асоціація пластикових труб і фітингів (TEPPFA) та Асоціація PE 100+ оприлюднили спільний «Позиційний документ», який містить короткий опис напірних трубопровідних систем з поліетиленових труб, огляд стандартів, норм, а також приклади з реального життя. На переконання науковців та експертів трубопровідної галузі, оцінка життєвого циклу – Life-cycle assessment (LCA) – це важливий критерій, що свідчить про стійкість продукції. Тривалий час експлуатації вигідний не лише з економічних причин, а й з огляду на екологічну безпечність. В реальних умовах експлуатації трубопроводів з поліетилену їх життєвий цикл буде більшим за 100 років з огляду на такі причини:
- реальний робочий тиск (як стрес-фактор) впродовж усього терміну експлуатації мережі, як правило, нижчий за проєктний (розрахунковий);
- реальна температура ґрунту нижча за розрахункові показники;
- допуски товщини стінки завжди перебувають в межах від нуля до плюсового значення;
- на етапі проєктування переважно застосовується підвищений коефіцієнт безпеки.
Напірні труби з РЕ мають чимало незаперечних переваг: їх просто й зручно інсталювати (у т.ч. безтраншейними методами), вони стійкі та надійні впродовж усього терміну експлуатації.
Оцінка життєвого циклу поліетиленових труб – це стандартизований метод оцінювання впливу матеріалу (або виробу з нього) на довкілля та порівняння з альтернативними матеріалами (виробами). Цей метод простежує вплив на довкілля впродовж усього життєвого циклу виробу – від видобутку сировини, під час виробництва, транспортування, монтажу тощо – до закінчення терміну експлуатації (аж до переробки).
До слова, на замовлення TEPPFA були проведені незалежні порівняльні дослідження альтернативних матеріалів, з яких продукуються труби. Їх виконав Фламандський інститут технологічних досліджень (VITO) та критично розглянула австрійська консалтингова Компанія Denkstatt. Перегляньте ще статтю Оружие долговца в темной долине в части Тень Чернобыля где найти? Незалежні експерти підтвердили, що пластмаси, як правило, є кращим вибором для трубопровідних мереж у порівнянні з виробами з альтернативних матеріалів. Для забезпечення прозорості результатів, порівняльні дослідження LCA були виконані з дотриманням принципів EN 15804, ISO 14040 та ISO 14044.
До переліку численних переваг пластмасових труб, також варто додати вагомі та надійні наукові докази того, що ці вироби залишають після себе нижчий «екологічний слід», аніж альтернативні матеріали (TEPPFA подає інформацію про екологічні декларації продуктів (EPD) на своєму веб-сайті).
Оцінювання і прогноз тривалої міцності РЕ труб
Мінімальний термін експлуатації поліетиленових труб для водопостачання та подачі горючих газів визначений у 50 років на підставі нормативних документів, які окреслюють вимоги до сировини, труб та методики визначення експлуатаційних характеристик. Взірці труб випробовують на стійкість до внутрішнього гідростатичного тиску. Основним стандартом, який визначає метод випробувань і статистичну обробку отриманих результатів, є ISO 9080:2012 «Plastics piping and ducting systems-Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by Extrapolation».
Випробування (визначення часу руйнування взірця під дією внутрішнього гідростатичного тиску) слід проводити при різних температурах. Наприклад, для труб з поліетилену високої щільності (HDPE) випробування проводять при температурах 20, 60 і 80° C відповідно до вимог ISO 1167-1:2006 «Thermoplastics pipes, fittings for the conveyance of fluids Determination of the resistance to internal pressure-Part 1: General Method» та ISO 1167-2:2006 «Thermoplastics pipes, fittings for the conveyance of fluids Determination of the resistance to internal pressure-Part 2: Preparation of pipe test pieces»
Величини напруження в стінці труби потрібно обрати таким чином, щоб час до руйнування взірця був в межах від 10 до 7000 годин і рівномірно розподілявся за логарифмічною шкалою часу. Обов’язкова вимога – отримання чотирьох результатів руйнування через більше ніж 7000 год. і одного – через мінімум 9000 год. Загальна кількість результатів руйнування взірців для кожної температури повинна бути не менше 30. Обробку отриманих результатів проводять методом регресивного аналізу.
ISO 12162 встановлює систему класифікації та позначення пластмасових труб на основі їхньої мінімальної тривалої міцності (MRS – Minimum Required Strength), а також визначає метод для визначення розрахункового напруження σS за MRS та розрахунковий коефіцієнт запасу міцності C (σS = MRS /C). Якщо інше не зазначено в конкретному стандарті на продукцію, використовується мінімальний коефіцієнт запасу міцності: Cmin=1,25 (труби для водопостачання з PE 80 та PE 100) та Cmin=2 (труби для транспортування газу, виготовлені з сировини PE 80 та PE 100). Стандарти серії ISO 4427, а також EN 12201 визначають вимоги до напірних трубопроводів PE 80 та PE 100 та її компонентів, призначених для подачі води під тиском.
Стандарти серії ISO 4437, а також EN 1555 визначають вимоги до напірних трубопроводів PE 80 та PE 100 та її компонентів, призначених для подачі горючих газів. Труби, які виготовлені з PE 100 RC (RC Raised Crack resistance) переважно застосовують для альтернативних методів прокладання (безтраншейні технології, зворотне засипання місцевим ґрунтом. Нормативні посилання щодо PE 100 RC незабаром будуть включені в наступні редакції ISO та EN, які визначають вимоги до напірних трубопроводів водопостачання та подачі горючих газів.
Строк служби як аспект надійності
Одним з аспектів, який розглядається при оцінці життєвого циклу, є строк служби. Він стосується усього часу, коли виріб придатний до експлуатації. З огляду на те, що поліетиленові труби почали впроваджувати на початку 1950-х років, науковці поки що не можуть дослідити реальні труби, які б експлуатувались 100 і більше років. То на якій підставі зроблено висновок про ймовірний термін експлуатації поліетиленових труб продовж 100 і більше років?
Науковці опираються на:
- дослідження;
- екстраполяційні розрахунки;
- звіти про дослідження трубопровідних мереж в процесі експлуатації.
Труби з поліетилену першого покоління експлуатувались 50-70 років, а деякі з них працюють і нині. Сьогодні для екструзії труб переважно використовують сировину PE 100 і в менших об’ємах – РЕ 80. Напірні труби для мереж водопостачання мають діаметр від DN 16 мм до DN 3500 мм. Труби з поліетилену застосовуються в мережах газопостачання з 60 років минулого століття. Статистика засвідчує дуже низький рівень відмов таких мереж.
Для транспортування газу випускають труби DN 16 мм – 800 мм. Є чимало звітів та публікацій, які підтверджують надійність та довговічність поліетиленових мереж навіть в екстремальних умовах експлуатації. Чимало трубопроводів з поліетилену експлуатуються понад 50 років, без будь-яких відмов. І наукових підтверджень цьому чимало. Зокрема, 2006 р. у Вашингтоні дослідник У. Шульте виголосив на XIII конференції з пластикових труб доповідь «A vision becomes true – 50 years of pipes made from High Density Polyethylene» («Візія стає реальністю – 50 років трубам, які виготовлені з HDPE»). Він повідомив, що труби, вироблені 1956 року і встановлені у жовтні того ж року на стенд з випробування гідростатичним тиском, успішно пройшли 50-річний рубіж випробувань. У цій роботі також наведено розрахунок довговічності РЕ труб і зроблено оцінку характеристик сучасних марок трубного поліетилену.
На підставі досліджень із застосуванням стандартизованого методу екстраполяції (ISO 9080) науковець довів, що термін експлуатації поліетиленових труб з бімодальних типів PEHD може становити понад 100 років.
У 2007 р. Дж. Гессель провів дослідження труб з поліетилену першого покоління та визначив високий залишковий строк служби таких труб. Завдяки суттєвому поліпшенню стійкості поліетилену до утворення тріщин, мінімальний термін служби трубопроводів з PE 100 RC перевищуватиме 100 років. Термічне старіння враховується і тестується при більш високих температурах. За законом Арреніуса було розраховано час відмови внаслідок термічного старіння – понад 460 років
при робочій температурі 20° C. 2009 року Х. Бромструп опублікував дослідження «Трубні системи PE 100», в якому робить висновок, що бімодальний поліетилен марки PE 100 забезпечить безаварійну експлуатацію трубопровідних мереж упродовж 100 років. Британська водна компанія (U.K. Water Industry) у своєму дослідженні схиляється до думки, що очікуваний термін експлуатації труб з PE 80 MDPE сягатиме 100-140 років.
Дослідження поліетиленових труб проводились при різних температурах – 20° C, 60° C та 80° C– впродовж 13 років з подальшою екстраполяцією результатів. Показово, що за роки експлуатації труб з полімерних матеріалів вдосконалювались і сировина, і самі вироби, тож поєднання звітів про експлуатацію з дослідженнями та розрахунками дають підстави вважати – сучасні покоління поліетиленових труб, швидше за все, служитимуть людям більше століття.
Якщо ж врахувати той факт, що поліетиленові труби можна піддавати рециклінгу кілька разів, то це продовжить життя виробам на кілька сотень років ... І цей факт вартий окремішньої розповіді.
