Феномен быстрого распространения трещины при опрессовке ПЭ труб большого диаметра

Полиэтилен является высокопластическим материалом, трубы из которого могут противостоять достаточно большим деформациям, не теряя при этом своей работоспособности. Ярким примером высокой степени надежности полиэтиленовых газопроводов, в силу их высокой пластичности, может служить анализ разрушений газопроводов при землетрясении, произошедшем в 1995 году в Кобе, Япония. При практически полном разрушении стальных газопроводов, полиэтиленовые трубы выдержали значительные смешения земли без нарушения герметичности газопровода (1).

Однако полиэтилен может становиться хрупким при неблагоприятном сочета-нии таких фактор, как высокие скорости деформации, низкие температуры, возникновение объемных равновесных напряжений, препятствующих развитию одноосной деформации. В трубах в этом случае инициатором хрупкого разрушения может быть внешнее воздействие, например, удар или, что чаще бывает на практике дефекты или плохое качество стыкового сварного шва (2), (3) ,(4).

В том случае, когда трубопровод работает под давлением газообразной среды, частично или полностью заполняющей трубопровод, вероятность возникновения процесса быстрого распространения трещин резко возрастает. Это связано с большой энергией, запасенной газовой средой, находящейся под давлением, и низким коэффициентом поверхностного натяжения газа, вызывающим распространение трещины со скоростью нескольких сотен метров в секунду. Следует отметить, что в первые разрушения такого характера имели место на стальных трубопроводах большого диаметра. Литературные источники приводят данные о разрушениях труб из полиэтиленасредней плотности, как, например, на газопроводе в Венгрии, где длина трещины достигла 700 метров, или разрушение водопровода диаметром 500 мм на нефтеперерабатывающем заводе в Антверпене, Бельгия (5).

Научно-технический центр "Пластик" Холдинга "Евротрубпласт" анализировал два случая хрупкого разрушения с быстрым распространением трещины, имевших место в российской практике и случившихся в 2004 году. Оба случая произошли при строительстве водоводов: трубы из ПЭ 80, диаметром 315 и 800 мм с SDR 21, рабочее давление трубопровода 0,6 МПа. В обоих случаях разрушение трубы произошло при опрессовке трубопровода.

Опрессовка трубы диаметром 800 мм проводилась в следующем режиме: в трубу закачивалась вода, и создавалось давление около 0,35 МПа, дальнейшее увеличение давления вплоть до разрушения при 0,63 МПа. проводилось за счет закачки в трубу воздуха; температура окружающего воздуха около 15О С. Источником разрушения, по экспертной оценке, является стыковой шов, низкого качества (недостаточный прогрев торцов трубы и, как следствие низкий грат и отсутствие следов сплавления торцевых поверхностей), рис. 1.

Хрупкая трещина распространялась вдоль трубы на длину 70 м и имела синусои-дальную форму (рис. 2).

Во втором случае опрессовка проводилась при очень низкой температуре окружающего воздуха - около минус 20О С. В трубопроводбыло подано небольшое количество холодной воды, и дальнейшее увеличение давления вплоть до разрушения проводилось за счет накачки воздуха. Разрушение произошло при давлении 0,68 МПа. Трещина имела кольцевую форму и явилась причиной полного поперечного разрушения трубы (рис. 3).



Обе трубы изготовлены в соответствие с требованиями ГОСТ 18599 на давление 0,6 МПа при коэффициенте запаса прочности для водовода равным С=1,25.
При этом максимальное операционное (рабочее) давление (МОР) рассчитывается следующим образом:

MOP= 2 x MRS/(C x (SDR - 1))= 2x80/(1,25x(21-1)= 6,4 атм= 0,64 МПа,

Опрессовочное давление в соответствии со строительными нормами и правилами (6) должно быть равно Рисп = 1,3 х МОР = 0,78 МПа. При этом давление должно
создаваться гидравлическим способом с удалением воздуха при заполнении трубопровода водой, пневматический способ допускается только для чугунных, стальных и железобетонных труб. Нарушение при опрессовке требований СН и П привело к разрушению трубопровода.
Рассмотрим ситуацию с опрессовкой вышеуказанных труб с SDR 21, изготовленных из ПЭ 80. В связи с тем, что при опрессовке в трубе образовывалась воздушная подушка, условия ее работы становились подобными работе газопровода. Рабочее давление газопровода в случае использования этих трубы составляет

2 x MRS/(C x (SDR - 1))= 2x80/(2,5х(21-1)= 3,2 атм= 0,32 МПа,

поскольку коэффициент запаса (С) для газопроводов равен 2,5, что в два раза больше чем для воды. При этом опрессовочное давление должно было составлять Рисп = 1,3 х МОР = 0,42 МПа., которое в вышеуказанных примерах было пре-вышено в 1,5-1,6 раза (6,3 и 6,8 атм).

Для оценки полиэтиленовых газопроводов на стойкость к быстрому распространению трещин (так называемый полномасштабный тест, практически полностью воспроизводящий реальные условия эксплуатации) используют понятие критического давления при котором труба еще не разрушается, рассчитываемое в нашем случае, следующим образом Ркрит = 1,5 х МОР = 1,5 х 3,2 = 4,8 атм.
Таким образом, критическое давление распространения трещин было превышено при опрессовке трубопроводов в 1,3 - 1,4 раза!

Совокупность стечения неблагоприятных обстоятельств: закачка воздуха при опрессовке, шов плохого качества в первом случае и низкие температуры (-20С) при опрессовке во втором случае, привели к возникновению достаточно редкого явления "быстрого распространения трещины" (2 случая на 3580 км трубопрово-дов диаметром от 160 до 1200 мм в 2004г).

1. Причиной разрушения, имевших место в описываемых случаях, является не плохое качество трубы, а нарушение правил строительства и испытаний трубопровода.
2. С целью устранения возможности повторения таких явлений необходимо: -опрессовку трубопровода проводить водой и обеспечить полное удаление из трубы скоплений воздуха, в том числе вызванных перепадом высот местности;
- осуществлять строгий контроль за качеством сварки и избегать возможных механических повреждений трубы.
3. Применение полиэтиленатипа ПЭ 100 значительно увеличивает стойкость к быстрому распространению трещин, особенно для труб большого диаметра.