Применение полиэтиленовых труб ПЭ-100 в газораспределительных сетях высокого давления

В настоящее время в Российской Федерации в эксплуатации находится порядка двух с половиной миллионов километров подземных трубопроводов, в том числе газопроводов – около 400 000 км /1-2/. Стальные трубопроводы являются основой наших сетей. Доля полиэтиленовых трубопроводов в газораспределительных сетях составляет всего около 10% /2/. При этом трубы из полиэтилена обладают рядом положительных свойств:

• высокая химическая стойкость,
• эластичность (температура стеклования – не более минус 1000 С),
• гибкость трубопровода – минимальный радиус изгиба равен 25 диаметрам трубы при 200 С,
• высокая стойкость к истиранию за счет гладкой и эластичной внутренней стенки трубы,
• легкость, надежность, высокая скорость монтажа ПЭ трубопровода с применением метода стыковой сварки и использования длинномерных отрезков труб (до нескольких сот метров) в виде бухт,
• сравнительная дешевизна ПЭ труб (причем, не только относительно других полимерных труб, но и стальных),
• долговечность (минимум 50 лет).
  

В России отечественная промышленность практически полностью удовлетворяет потребности внутреннего рынка по полиэтиленовым трубам различного назначения.
Для производства труб используется полиэтилен, полученный различными способами /3/. Меньшая разветвленность макромолекулы (реализуемая при низком и среднем давлении реакции) позволяет получить более плотный, прочный и жесткий полимер с высокой степенью кристалличности. Полиэтилен, полученный при высоком давлении, обладает низкой плотностью, но повышенной эластичностью (используется, в частности, для производства безнапорных труб и оболочек).
К основным характеристикам полиэтиленовых труб можно отнести: минимальную длительную прочность MRS, стойкость к быстрому распространению трещин RCP и стойкость к медленному распространению трещин SCG. Методы их определения приведены в ГОСТ Р 50838-95 /4/.

Выпускаемые промышленностью с 1960 г. трубные марки полиэтилена прошли сложный многоэтапный путь /2,5/. До 1971 г. производился только полиэтилен высокой плотности (гомополимер). Он обладал невысокими показателями длительной прочности (до 6,3 МПа, т.н. ПЭ 63) и стойкости к растрескиванию. Далее промышленностью стали выпускаться сополимеры этилена с бутеном, а с 1974 г. – с гексеном. Боковые ответвления в полимерной цепи позволили повысить MRS до 8,0 МПа (ПЭ 80) и улучшить стойкость к медленному распространению трещин. ПЭ 80 стал быстро вытеснять ПЭ 63 с рынка материалов для производства газовых труб. Однако у ПЭ 80 из полиэтилена средней плотности имелся серьезный недостаток – в результате снижения степени кристалличности понизился показатель стойкости к быстрому распространению трещины. Именно этот фактор ограничил применение ПЭ 80 в европейских странах давлением 0,4 МПа, а в России – 0,6 МПа. Выпускаемый полимерный материал был унимодальным, т.е. молекулярно-массовое распределение описывалось кривой с одним максимумом. К концу восьмидесятых годов прошлого века удалось разработать технологию синтеза бимодальных марок полиэтилена с MRS 10,0 МПа (ПЭ 100). За счет низкомолекулярной части полимерной композиции образуются высоко-кристаллические области, повышающие плотность и прочность материала. Использование ПЭ 100, как минимум в 6 раз превосходящего ПЭ 80 по показателю RCP /6/, особенно важно именно для России.

Фактор стойкости к быстрому растрескиванию тем важнее, чем выше рабочее давление в трубе и чем больше вероятность внешних повреждений, чем ниже качество сварных швов и чем суровее условия эксплуатации (особенно опасны низкие температуры). Расчет максимального рабочего давления газа для трубопровода из ПЭ 100 производится с пониженным значением коэффициента запаса прочности (С). В работе /6/ доказывается, что по совокупности свойств труба из ПЭ 100 на 0,6 МПа с SDR17,6 (отношение диаметра к толщине стенки трубы) и С = 2 не менее безопасна, чем труба из ПЭ 80 с SDR 11 и С = 2,7. В Западной Европе переходят с давления 0,4 МПа к 1,0 МПа (ПЭ 100, SDR 11, С = 2,0) в тех случаях, когда поставка газа в отдаленные малонаселенные пункты под давлением 0,4 МПа не экономична. В России в аналогичных случаях переход от давления 0,6 МПа к 1,2 МПа (ПЭ 100, SDR 9, С = 2,1) тем более оправдан.

При использовании труб из ПЭ100 с SDR 9 возникают два основных вопроса:
1) стоимость строительства, в свете увеличенной цены на трубы из дорогого материала с большой толщиной стенки по сравнению со строительством стального газопровода;
2) пропускная способность газопровода значительно уменьшенного сечения по сравнению со стальным газопроводом того же наружного диаметра.

Сравнение стоимости строительства подземных газопроводов высокого давления из стали и полиэтилена.

Специалисты ЗАО «Полимергаз» /7/ выполнили экономические расчеты по строительству газопроводов с помощью новой сметно-нормативной базы (ГЭСН-2001 и ФЭР-2001). Следует отметить, что все расчеты проводились по ГЭСН, расценкам ФЭР и коэффициентам пересчета в текущие цены, в том числе это относится и к стоимости материалов (в основном труб). На самом деле нормативные цены на материалы зачастую отличаются (и сильно) от реальных рыночных цен. Сравнительные расчеты были выполнены на следующем примере: абстрактный газопровод длиной 1 км, трасса газопровода проходит в грунтах групп 3 и 4, имеет два поворота на 90° в горизонтальной плоскости и не имеет ответвлений. Прокладка стального газопровода производится из труб с изоляцией весьма усиленного типа, а полиэтиленового - из прямых отрезков длиной по 12 м. Сварка стальных труб - электродуговая. Сварка полиэтиленовых труб - встык нагретым инструментом, частично - с помощью деталей с закладными электронагревателями (углы поворота). Кроме того, затраты считались только по строительству линейной части, не принимая в расчёт работы по проведению врезки в существующий газопровод и по подсоединению к потребителю. Для наглядности сравнения выбран диаметр полиэтиленового газопровода из ПЭ100 SDR 9 Дпэ=315мм (наибольший из регламентируемых Изменением №3 к ГОСТ Р 50838), соответственно диаметр стального газопровода Дст=325мм. Были также проведены сметные и гидравлические расчеты (таблица 2) для стального газопровода Дст=219 мм и полиэтиленовых газопроводов двух диаметров: Дпэ=225 мм и Дпэ=250 мм. Результаты расчетов стоимости приведены в таблице 1, где для наглядности произведена разбивка по основным видам затрат, а также выделена стоимость в базовых ценах 2000 г. В связи с отсутствием базовых цен на полиэтиленовые трубы данного класса были применены фактические цены, а «базовые» цены получились с помощью обратного применения коэффициентов пересчета.

Как видно из приведенной сравнительной таблицы, в текущих ценах 2005 г. стоимость строительства полиэтиленового газопровода Д=225 давлением до 1,2 МПа меньше в 1,08 раза, а стоимость строительства полиэтиленового газопровода Д=250 больше в 1,15 раза стоимости строительства аналогичного стального газопровода Д=219.
Шероховатость трубы (таблица 2) влияет на коэффициент гидравлического трения, а, следовательно, и на пропускную способность трубопровода.

Таблица 2. Величина шероховатости стенки трубы (данные компании Wavin)

Трубы	Шероховатость (мм)
Из термопластичных материалов (новые и старые)	0,01
Гладкие асбестоцементные	0,02
Новые стальные; новые цементные	0,05
Асбестоцементные; новые стальные с оцинкованным покрытием	0,10
Слегка проржавевшие стальные; керамические	0,20
Проржавевшие стальные; с цементным покрытием; новые чугунные; гладкие бетонные	0,50
Бетонные; средне проржавевшие стальные; чугунные с налетом ржавчины	1,00
Поврежденные бетонные	2,00
Сильно проржавевшие стальные; сильно проржавевшие чугунные	5,00

Из таблицы 2 следует, что пропускная способность металлических (стальных и чугунных) труб в процессе их эксплуатации (ржавления) уменьшается (в отличие от полиэтиленовых труб). Значит, чтобы получить требуемую пропускную способность стальной трубы через 20-30 лет эксплуатации, нужно проектом предусмотреть завышение диаметра, а это приведет к удорожанию стоимости строительства.

Из проведенных расчетов (с учетом шероховатости стенки) видно (табл. 3), что потери давления в полиэтиленовых и стальных газопроводах с рабочим давлением 1,2 МПа практически одинаковы, не смотря на значительное уменьшение внутреннего диаметра полиэтиленовых труб, а стоимость строительства полиэтиленового газопровода - меньше.

Таблица 3. Сравнение потерь давления в стальных и полиэтиленовых газопроводах давлением 1.2 МПа

Диаметр	Материал	Рн (МПа)	Рк (МПа)
			L=1км	L=10км
219*7.0	Сталь	1,2	1,199803	1,198029
225*25.0	ПЭ_100		1,199631	1,196306
250*27.8	ПЭ-100		1,199785	1,197852
325*8.0	Сталь		1,199975	1,199747
315*35.0	ПЭ-100		1,199972	1,199718

Кроме того, необходимо учесть, что расчеты проводились для новых труб. При длительной эксплуатации пропускная способность стальных труб ухудшается из-за внутренней коррозии, различного рода отложений на внутренних стенках и т. п., а пропускная способность полиэтиленовых труб не изменяется. Также следует иметь в виду и качество транспортируемого газа. Не смотря на требования ГОСТ 5542-87 к горючим природным газам, часто газ транспортируется неосушенный, с различными примесями, в том числе механическими. Всё это не лучшим образом сказывается на состоянии внутренней поверхности металлических труб, а, следовательно, на их пропускной способности.

Первые экспериментальные работы по прокладке полиэтиленовых газопроводов высокого давления до 12 бар были начаты по инициативе ЗАО «Полимергаз» в 2000 г. строительством и вводом в эксплуатацию межпоселкового газопровода протяженностью 7,8 км в Селивановском районе Владимирской области (ПЭ 100, трубы D180 с SDR 9) от п. Красная Горбатка до п. Новлянка).

ЗАО «Гипрониигаз» продолжил экспериментальные работы по проектированию, строительству и вводу в эксплуатацию в 2001 г. межпоселкового полиэтиленового газопровода (типа ПЭ 100, D160, SDR9) в Тоцком районе Оренбургской области на рабочее давление 10 бар протяженностью 47 км, который и сейчас успешно эксплуатируется (от АГРС с. Жидиловка до с. Саиновка).

Накопленный опыт по проектированию, строительству и эксплуатации экспериментальных полиэтиленовых газопроводов был оценен Минпромэнерго России, которое поддержало предложение МвКС о расширении области применения указанных труб в газораспределительных сетях давлением до 12 бар. (письмо Департамента ТЭК Минпромэнерго — «Полимергаз», № 2-2005, С. 15).

К настоящему времени разрешен основной вопрос, препятствовавший широкому применению труб из ПЭ-100 в газовых сетях высокого давления - получено положительное заключение экспертизы промбезопасности и разрешение Ростехнадзора на применение труб полиэтиленовых из ПЭ 100 для подземных газопроводов давлением до 1,2 МПа.

Для оформления разрешения Ростехнадзора ЗАО «Полимергаз» разработал техническую документацию, которая содержит особенности проектирования и строительства 12-барных газопроводов из ПЭ труб.
В 12 апреля 2007 года был утвержден СТО «Проектирование и строительство полиэтиленовых газопроводов высокого давления 1-й категории – 6-12 бар и реконструкция изношенных газопроводов» в развитие СП 42-103 и СП 42-101.

Выводы

• В России разработана и утверждена нормативная документация, позволяющая вести строительство газопроводов высокого давления труб из ПЭ 100 (до 1,2 МПа). 
•  Строительство и эксплуатация газораспределительных сетей из полиэтиленовых труб высокого давления экономически и технически существенно эффективнее, чем из стальных.

Литература

1. Гориловский М.И. Перспективы развития рынка полиэтиленовых труб в России, «Полимерные трубы», № 1, с. 6-10, 2003 г.
2.Шурайц А.Л., Каргин В.Ю., Вольнов Ю.Н. Газопроводы из полимерных материалов: Пособие по проектированию, строительству и эксплуатации. Саратов: Изд-во «Журнал «Волга-ХХ1 век», 2007 г.612 с.
3. Шур А.М. Высокомолекулярные соединения. Высшая школа, 1981 г. 656 с.
4. ГОСТ Р 50838-95 «Трубы из полиэтилена для газопроводов. Технические условия. С Изменениями 1-3.».
5. Бухин В.Е. Четвертое поколение полиэтилена для трубопроводов, «Трубопроводы и экология», № 1, с. 21-24, 2001 г.
6. Альперн В.Д. Полиэтилен 100: новые рубежи, «Трубопроводы и экология», № 3, с.24-25, 2001 г.
7. Удовенко В.Е., Коршунов Ю.В., Жаткина Т.А. Строительство инженерных коммуникаций: технологии, материалы, стоимость, «Полимергаз», № 4, с. 57-65, 2006 г.