Расчет полиэтиленовых трубопроводов на прочность

Точный расчет трубопроводов из полимерных материалов, работающих длительное время под нагрузкой, возможен только и на основании механических характеристик, полученных при длительных испытаниях. Кратковременные и другие виды испытаний следует рассматривать как вспомогательные, позволяющие только приближенно оценить несущую способность трубопроводов из полимерных материалов.

При расчете на прочность следует стремиться к тому, чтобы трубопровод в течение всего периода эксплуатации сохранял на заданном уровне прочностные и деформационные характеристики.

К пластмассовым трубопроводам в зависимости от назначения и условий их работы предъявляют требования различных сроков службы. Так например, срок эксплуатации труб из полиэтилена высокой плотности для системы холодного водоснабжения - 50 лет при 20º С.

Наиболее ответственным моментом в этом расчете является выбор величины допускаемого напряжения, за которое следует принять часть опасного напряжения при длительном нагружении. При расчете следует также исходить из необходимости обеспечения стабильности геометрических размеров трубопровода при длительной эксплуатации. Это означает, что их изменения, возникающие под воздействием нагрузки мгновенно или с течением времени, не должны превышать величины допускаемой деформации. Для 50-летнего срока службы полиэтиленовых трубопроводов величина безопасной деформации е рекомендуется равной 2-3%.

Зная величину ес, можно по диаграмме статического сопротивления установить величину безопасного напряжения, которое следует использовать при расчетах на неограниченный срок службы, но с ограниченной величиной деформации.

Выбор допускаемого напряжения необходимо также осуществлять с учетом ожидаемой длительной прочности, отнесенной к предполагаемому (ограниченному) сроку службы пластмассовых трубопроводов.

Точное определение коэффициента запаса весьма затруднительно, так как на его выбор влияет множество факторов - основные из них:

несоответствие расчетной и рабочей величины внутреннего давления;
возможность возникновения при длительной эксплуатации гидравлического удара, а также случайных или периодических изменений температуры как окружающей среды, так и транспортируемого продукта;
неточность определения опытных величин для построения диаграмм статического сопротивления и графиков длительной прочности (сравнительно небольшой срок испытаний и возможный разброс опытных данных);
наличие в трубах начальных напряжений;
неточность изготовления труб (несоответствие размеров толщин и диаметров труб проектным).

В то же время эластичность полиэтиленовых труб при низких температурах, устойчивость их к гидравлическим ударам и способность к ослаблению перенапряжений в результате ползучести при различных температурах позволяют понижать коэффициент запаса. Он может определяться в соответствии с теми же положениями, которые используются для установления запаса прочности жаропрочных сталей, также подверженных ползучести в области эксплуатационных температур. Для труб из полиэтилена принят коэффициент запаса по отношению к длительной прочности, равный 1,3. Эту же величину можно рекомендовать для определения величины допускаемой деформации, когда задана ее предельная величина.

Кроме того, рекомендуется, чтобы небольшие временные повышения темпертуры не оказывали влияния на долговечность труб. Для этого необходимо, чтобы длительная прочность для 50-летнего срока соответствовала температуре на 5º С выше расчетной.

Факторы, которые необходимо учитывать при установлении допускаемых напряжений для полиэтиленовых труб, рассмотрены в работе.

Установление длительной прочности полиэтиленовых труб, например для 50-летнего или даже для 20-летнего срока, прямым экспериментальным решением практически невозможно. Поэтому представляется целесообразным использовать приближенные методы определения длительной прочности.

Одним из наиболее распространенных является метод экстраполяции сравнительно непродолжительных испытаний (несколько сотен или тысяч часов) на значительно продолжительное время (порядка нескольких сотен тысяч часов). Экстраполяцию можно обосновать в том случае, если результаты опытов будут представлены в такой системе координат, в которой они оказываются расположенными на прямых линиях.

Экстраполяцию результатов испытаний можно проводить с использованием параметрических методов. В основе этих методов лежит объединение переменных - абсолютной температуры Т и времени до разрушения t₀ в один характерный параметр Р и предположение, что длительная прочность стд зависит не от Т и tр раздельно, а от параметра Р.

При выборе параметра Р вначале устанавливают качественную зависимость напряжения от выбранного параметра, а затем конкретный вид параметрических кривых. В качестве параметров используются различные апроксимирующие функции.