Полимерные полуфабрикаты для инженерных решений
Листы, прутки, профили, стержни, трубы, фитинги и прочие продукты из термопластов
Главная Каталог Решения Справочник Сервис Цены Компания Контакты Блог Форум

Выход из строя трубопроводов из ПВХ и Х-ПВХ вследствие промерзания

Промышленные трубопроводы из поливинилхлорида (ПВХ) и хлорированного поливинилхлорида широко используются в самых разных отраслях современной промышленности. По сравнению с традиционными материалами (прежде всего сталью) они обладают целым рядом преимуществ, как с точки зрения своих свойств (малого удельного веса, стойкости к воздействию агрессивных сред и т.д.), так и удобства монтажа и технологичности. Вместе с тем, эксплуатация промышленных трубопроводов в РФ зачастую происходит при низких температурах окружающей среды, что может приводить к замерзанию транспортируемых сред, а это в свою очередь может повлечь за собой выход трубопровода из строя. В данном обзоре приводятся основные положения экспериментального исследования причин и последствий промерзания трубопроводов из ПВХ и Х-ПВХ.


[B]Введение[/B]

Основные преимущества ПВХ и Х-ПВХ перед традиционными конструкционными материалами были перечислены выше. Эти особенности оказывают воздействие, в т.ч. и на процесс промерзания изготовленных из них трубопроводов. Трубы из ПВХ/Х-ПВХ по сравнению со стальными и медными трубами аналогичного сечения имеют значительно более толстые стенки, С другой стороны ПВХ и Х-ПВХ обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью, а именно коэффициент теплопроводности ПВХ составляет от 1.3х10-4 до 1.9x10-4 kW/m-K в то время как для меди этот показатель составляет 0.39 kW/m-K, следовательно по сравнению с медью ПВХ может считаться хорошим теплоизоляционным материалом.

По этой причине процесс промерзания трубопроводов из металлов происходит значительно быстрее, и связанные с этим процессом проблемы носят более ярко-выраженный характер. Тем не менее, проблемы при эксплуатации трубопроводов из ПВХ и Х-ПВХ вследствие промерзания также достаточно часто встречаются в отечественной практике. Большая часть из них связана с неправильной установкой и/или игнорированием опасности промерзания в процессе эксплуатации.


[B]Процесс образования льда в трубопроводных системах.[/B]

При переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды и водных растворы различных соединений, перемещающихся в трубопроводных системах, уменьшается, а следовательно увеличивается их объем – до 9%, что, в свою очередь, создает внутреннее давление на стенки трубопроводов. В конце концов это может приводить к разрыву трубы, однако чаще всего подобные негативные последствия возникают от косвенных причин, вызванных промерзанием. В первую очередь это относится к пластиковым трубопроводам, в частности – трубопроводам из ПВХ и Х-ПВХ.

Образцы труб из данных материалов, будучи наполненными водой и запечатанными, при замораживании, как правило, не разрушаются. Причина – эластичность ПВХ и Х-ПВХ, которая абсорбирует увеличение объема водной среды при замораживании. Увеличение объема на 9% вызывает увеличение диаметра приблизительно на 3%. Для тонкостенного цилиндра это приводит к растягиванию длины окружности стенок на 3.5% и растягиванию по оси на 1.75%. Свойства ПВХ и Х-ПВХ позволяют этим материалам расширяться и выдерживать создаваемые при этом напряжения. Однако в случае если промерзание происходит локально, то на данных участках возможно образование ледяных пробок и отрезки трубопровода между ними оказываются запечатанными. Последующее промерзание вызывает рост ледяных пробок, что в свою очередь оказывает всевозрастающее давление на еще не замерзшую водную среду. В конце концов этого давления может превысить порог прочности материала с последующим разрывом трубы.

Замерзание водной среды в трубе проходит несколько стадий. Вначале в трубе, помещенной в среду с низкой температурой происходит теплопередача из среды через стенки трубопровода и (при наличии) слой теплоизоляции. Соответствующим образом температура среды снижается – вплоть до минусовых значений. В таком переохлажденном состоянии водная среда может находится достаточно долгое время, однако в конце концов в ней начинают появляться точки кристаллизации. В дальнейшем происходит образование дендрических кристаллов льда на стенках трубопровода, что представляет собой чрезвычайно быстрый процесс, результатом которого является повышение температуры среды до температуры смены фаз. После этого происходит образование льда от стенок к центру трубы. На протяжении этого процесса температура среды остается постоянной. Особенности процесса замерзания (от стенок к центру трубы) обусловливают образование чрезвычайно прочных ледяных пробок, которые могут выдержать высокое давление, что в закрытых трубопроводных системах может приводить к разрывам труб. Однако в ряде случаев неравномерность образования дендрических кристаллов на стенках уменьшают сцепление ледяной пробки со стенками, что позволяет ей перемещаться внутри трубопровода, сбрасывая возникающее давление.


[B]Описание экспериментальной установки и методики испытаний[/B]

При создании экспериментальной установки и разработки методики испытаний исследователи исходили из постулата, что разрывы пластиковых трубопроводов при промерзании происходят не из-за давления образующегося льда, а вследствие возрастания давления водной среды.

Поэтому экспериментальная установка представляла собой сборку из металлической трубы, к которой под углом 90ºС был присоединен исследуемый образец трубы ПВХ/Х-ПВХ. Концы металлической и пластиковой трубы были герметично запечатаны. В месте соединения двух труб был установлен манометр, с которого снимались показания внутреннего давления в системе.

В ходе эксперимента металлическая труба помещалась в морозильник с температурой -25º С, после чего проводились измерения показателей температуры и давления в системе вплоть до разрушения исследуемого образца.

Эксперимент проводился в двух вариантах: в первом случае исследуемый образец трубы ПВХ/Х-ПВХ находился вне морозильника, а во втором в морозильник помещалась вся сборка целиком.


[B]Основные результаты исследования[/B]

Прежде всего было подтверждено, что рост давления в замкнутой трубопроводной системе начинается в момент образования дендрических кристаллов и повышения температуры среды до температуры перехода фаз.

Однако в случае, если трубопроводная система изначально является открытой, рост давления в ней начинает происходить только после образования ледяной пробки.

Исследование выявило различие в поведении ПВХ и Х-ПВХ при достижении максимальных значений давления в системе, а именно для ПВХ характерно некоторое снижение давления перед тем как происходит разрыв трубы, в то время как труба Х-ПВХ рвется практически сразу после достижения максимального значения. Причиной является большая эластичность ПВХ по сравнению с Х-ПВХ.

Было отмечен более быстрый выход из строя пластиковых труб, помещенных в морозильник, по сравнению с трубами, выведенными наружу. Особенно это было заметно при испытаниях труб из Х-ПВХ, которые в замороженном состоянии выходили из строя в два раза быстрее.

Наконец было выявлено влияние эффекта старения на свойства материала, в частности трубы ПВХ произведенные в 2009 г. нормально выдерживали давление, при котором трубы производства 2006 г. (того же производителя) выходили из строя.

Комментарии

Главная        Каталог        Решения        Справочник        Сервис        Цены        Компания        Контакты        Блог        Форум