Сравнение трубопроводов

Профиль труб из ПБ-1

    Отлично  ++++    Хорошо  +++    Удовлетворительно  ++    Неудовлетворительно  +
 

Благодаря уникальной морфологии и способу кристаллизации ПБ-1 приобретает исключительные свойства для успешного использования в системах напорных трубопроводов.

Идеальный выбор для систем напорных трубопроводов

ПБ-1 выделяется среди других материалов своей высокой гибкостью, сочетающейся с превосходными показателями сопротивления ползучести под воздействием внутреннего давления в широком диапазоне температур.

Все полиолефиновые материалы под воздействием постоянной нагрузки в течение длительного периода времени проявляют склонность к ползучести.

Данную пластическую деформацию при низкой температуре можно подавить, создав в полимерной структуре трехмерную сеть. Этого можно добиться, например, путем химического связывания полимерных цепей, используемых в производстве полиэтилена (ПЭ-С). Однако полибутен-1 достигает исключительных показателей внутреннего сопротивления ползучести (см. таблицу ниже) за счет уникальной физической структуры, созданной сочетанием микрокристаллитов и сильного перепутывания в результате изменения кристаллической структуры (старение). Следовательно, выполнять дополнительное сшивание полимера или сополимеризацию или изменять состав смеси не требуется.

В своей простейшей гомополимерной форме свойства полибутена-1 делают его идеальным материалом для систем напорных трубопроводов горячего и холодного водоснабжения.
 

Устойчивость к давлению

Сравнение характеристик ПБ-1 с другими пластмассовыми материалами

Кроме ISO 12230, существуют и другие стандарты, в которых указывается влияние времени и температуры на предполагаемую прочность перечисленных ниже материалов. Данные, приведенные в этих стандартах, представляют собой полезный инструмент для сравнения рабочих характеристик этих пластмассовых материалов, используемых в трубопроводных системах.

На представленной ниже диаграмме линиями отображаются эксплуатационные качества (сопротивление давлению) следующих материалов при температуре 70 °C в эквивалентном масштабе:

Наиболее эффективные материалы

• PB-H | ISO 12230 (2012)
• PB-R | ISO 12230 (2012)

Материалы со средними показателями эффективности без точки перегиба

• PE-X - ISO 15875 (2003)
• PP-RCT - ISO 15874 (2013)
• PE-RT тип II - ISO 12230 (2012)

Наименее эффективные материалы с точкой перегиба

• PE-RT тип I - ISO 22391 (2009)
• PP-R - ISO 15874 (2013)

После 10 лет непрерывного воздействия нагрузок показатели прочности наиболее эффективного полибутена-1 (PB-H и PB-R) оказались более чем на 50% выше показателей прочности среднеэффективных материалов (PE-X, PP-RCT и PE-RT тип II) и на 70-90% выше наименее эффективных материалов (PE-RT тип I и PP-R).

Расчетное напряжение

После 10 лет непрерывного воздействия нагрузок ПБ-1 остается более чем на 50% более прочным, чем PE-X, PP-RCT и PE-RT тип II, а также на 70-90% более прочным, чем PE-RT тип I и PP-R.

Используя стандартизированные критерии, представленные в ISO 10508, можно рассчитать максимально допустимое центробежное растягивающее напряжение для данных полиолефиновых труб и различных стандартизированных классов применимых температур. По результатам подсчета расчетного напряжения было выполнено сравнение материалов (таблица ниже), показавшее, что полимеры ПБ-1 обладают лучшими свойствами сопротивления центробежному растягивающему напряжению среди всех стандартизированных классов применения. По внутреннему сопротивлению напряжению ПБ-1 на 35-90% превосходит другие материалы (в зависимости от материала и применения). Фактически это означает, что при эквивалентной толщине стенок трубы из ПБ-1 являются значительно более прочными в сравнении с трубами, изготовленными из других указанных здесь пластмассовых материалов.
 

Из максимально допустимого касательного напряжения можно рассчитать минимально допустимую толщину стенки трубы. Из расчета видно, что трубы из полибутена-1 могут иметь значительно меньшую толщину стенок в сравнении с другими материалами в зависимости от ограничений применимых стандартов. Благодаря меньшей толщине стенки при одинаковом внешнем диаметре увеличивается внутренний диаметр трубы, за счет чего снижаются потери давления напора и уменьшается скорость потока воды при одинаковом расходе.

*PE-RT расшифровывается как полиэтилен повышенной термостойкости
 

Сопротивление ползучести

Великолепные показатели долговременного сопротивления ползучести

В отличие от других термопластмасс, используемых в трубопроводах, для соответствия систем трубопроводов из ПБ-1 строгим требованиям к эксплуатационным характеристикам в структуру ПБ-1 не требуется вносить каких-либо изменений, например выполнять изменение состава смеси, сшивание полимера или сополимеризацию.

В сравнении с другими полиолефиновыми материалами полибутен-1 обладает более высоким уровнем сопротивления деформации при постоянном воздействии нагрузок в течение длительных периодов времени. Данное явление деформации известно под названием ползучесть материала. Представленный здесь график иллюстрирует превосходные показатели сопротивления ползучести ПБ-1 при эксплуатации свыше 100 часов.

В дополнение к своим великолепным механическим и тепловым свойствам ПБ-1 гарантирует высокий уровень сопротивления химическому воздействию, а также огнестоек, тем самым он отвечает требованиям большинства сфер применения.

ПБ-1 может обрабатываться путем стандартного литья под давлением и формования методом продавливания и использоваться для широкого спектра продуктов. Как для гомополимеров, так и для сополимеров баланс свойств ПБ-1 делает его технически предпочтительным материалом для производства систем напорных трубопроводов горячего и холодного водоснабжения.
 

Масса, гибкость и гидростатика

Масса трубы и гидростатическая эффективность

Рассчитано для класса применения 2, расчетное давление 10 бар, на основе опубликованных данных.

Акустические свойства

Шумоизоляция

Благодаря более тонким стенкам, высокой эластичности и низкой удельной плотности трубы из ПБ-1 способны эффективно поглощать рабочие шумы.

Другим свойством, отличающим полибутен-1 от других материалов, является превосходная шумоизоляция. Сочетание более тонкой стенки трубы, низкого модуля упругости и малой удельной плотности в трубах из полибутена-1 (ρ = 0,92 г/см3) позволяет эффективно поглощать гидравлические удары и другие шумы, возникающие в системах трубопроводов отопления и охлаждения. Как показали испытания, в концертном зале Лондона Альберт-холл после установки труб из ПБ-1 исходящий из труб шум был снижен на 90%.

Гидравлический удар

Чем выше класс SDR, тем ниже значения гидравлических ударов при конкретном расходе. ПБ-1 имеет самый высокий класс SDR по сравнению с PP-H, PP-B, PE-RT и PEX

Столб движущейся воды в трубопроводе содержит запас кинетической энергии, обусловленной массой и скоростью воды. Поскольку вода не поддается сжатию, то при внезапном закрытии клапана поглотить эту энергию невозможно.

В результате создается высокий моментальный скачок давления, который обычно называют гидравлическим ударом.

С учетом высокой плотности проживающих рядом людей, уровень шума и акустические свойства трубопроводных систем являются важным аспектом. Трубопроводные системы, которые сводят к минимуму шум воды и гидравлический удар в местах прохода через стены и потолки, являются ключевым элементом, решающим проблему устранения шума для жителей.

Сила гидравлического удара зависит от пяти факторов

• Скорость
• Модуль упругости материала трубы
• Внутренний диаметр трубы
• Толщина стенки трубы
• Время закрытия клапана

Повторяющиеся гидравлические удары могут привести к разрушению труб. Помимо шума, гидравлический удар может привести к разрыву трубопроводов, если давление достаточно высокое.
 

Максимальное теоретическое значение скачка давления Ps составляет:

v₀ · a · ρ = p_s

v₀ = скорость среды [м/с]
a = скорость распространения волны давления [м/с]
ρ = плотность среды [кг/м³]
p_s = скачок давления – гидравлический удар [Н/м²]

Максимальное пиковое давление, вызываемое гидравлическим ударом, можно рассчитать при помощи следующего уравнения, которое взято из справочника по проектированию трубопроводов из термопластичного материала (Handbook of Thermoplastic Piping System Design, Thomas Sixsmith and Reinhard Hanselka, Marcel Dekker Inc., стр. 65-69).

Ps = V((3960 E t)/(E t + 3 x 105 DI))½
где:
Ps = пиковое давление (фунт/кв. дюйм)
V = скорость воды (фут/с)
DI = внутренний диаметр трубы (мм)
E = модуль упругости материала трубы (фунт/кв. дюйм)
t = толщина стенки трубы (мм)

Низкий модуль упругости полибутена-1 в сочетании с пониженной толщиной стенок обеспечивает низкое пиковое давление для данных значений внешнего диаметра и номинального давления трубы. В таблице ниже приведено сравнение максимального пикового давления для труб с внешним диаметром 38,1 мм (1-1/2 дюйма) из различных пластмасс, рассчитанных на одинаковое рабочее давление.
 

По сравнению с PP-H, PP-B, PE-RT и PEX, ПБ-1 обладает самым высоким классом SDR и обеспечивает лучшие акустические характеристики, включая минимальный уровень гидравлического удара.
 

Сравнение ПБ-1
с PE-RT и PEX для
трубопроводных
систем

Фактическое сравнение затрат для трубопроводных систем должно включать время установки, варианты соединения, срок службы и стандартное размерное соотношение (SDR).

Полибутен-1 предлагает ощутимые преимущества для районных энергетических сетей по сравнению с PE-RT и PEX

Для проектов трубопроводных систем сетей фактическая разница в стоимости разных материалов для трубопроводных систем – это больше, чем разница в цене за единицу длины при одинаковом внешнем диаметре.

При сравнении материалов для труб составители спецификаций обращают внимание на следующие факторы: простота установки, влияющая на стоимость работ на местах; варианты соединения, долгосрочная производительность системы и прогнозируемый срок службы; а также стандартное размерное соотношение (SDR) для сравнения показателей прочности под давлением.

По сравнению с системами PEX и PE-RT материал ПБ-1 предлагает значительные преимущества для широкого спектра категорий производительности, что делает трубопроводные системы из ПБ-1 оптимальным выбором для высокопроизводительных районных энергетических сетей.
 

Стандартное размерное соотношение (SDR)

Что такое SDR?

SDR определяет прочность трубы под давлением и соотношение внешнего диаметра и толщины стенки трубы.

SDR или стандартное размерное соотношение относится к геометрии трубы. SDR – это метод оценки прочности трубы под давлением. Этот параметр описывает соотношение между размером трубы и толщиной ее стенки. Например, SDR 11 означает, что внешний диаметр трубы в одиннадцать раз больше толщины стенки.

• Высокое соотношение SDR
  Толстая стенка в сравнении с диаметром трубы
• Низкое соотношение SDR
  Толстая стенка в сравнении с диаметром трубы

Пример расчета:
SDR для трубы с внешним диаметром 100 мм и толщиной стенки 5 мм можно рассчитать следующим образом:
100 мм / 5 мм = SDR 20
 

Почему SDR имеет значение для трубопроводных систем?

Благодаря более высокому коэффициенту SDR ПБ-1 по сравнению с PE-RT или PEX трубопроводные системы из ПБ-1 обеспечивают следующие преимущества за счет более низких требований к толщине стенки для одинаковых значений номинального давления и внешнего диаметра трубы:

• меньше материала для тех же характеристик работы под давлением;
• меньшая масса на метр трубы;
• меньший внешний диаметр трубы при той же производительности;
• большая внутренняя площадь при одинаковом внешнем диаметре обеспечивает:
  - повышенный расход при том же давлении;
  - снижение потерь давления, сокращение энергопотребления для работы системы или насосов с меньшей производительностью.

Классы SDR и размеры труб

Классы SDR указаны в национальных стандартах для трубопроводных систем районных энергетических сетей

Государственные стандарты (Россия и Нидерланды)
Источник информации по размерам трубопроводов системы районного теплоснабжения со сравнением материалов ПБ-1, PEX и PE-RT

Действующий российский стандарт для систем районного теплоснабжения (ГОСТ 56730 – 2015) и нидерландский стандарт (BRL 5609, а также проект обновленной версии BRL 5609) включают сравнение трех материалов для трубопроводных систем районного теплоснабжения: ПБ-1, PE-RT и PEX

Как российский, так и нидерландский стандарт предъявляют одинаковые требования в отношении размеров труб и классов SDR для 3 материалов подводящих трубопроводов, работающих под давлением 6, 8 и 10 бар.

Согласно обоим стандартам таблица (справа) представляет собой выдержку из соответствующей таблицы, в которой показаны классы SDR для перечисленных материалов и различных номинальных давлений. Как указано, для каждого рабочего давления ПБ-1 имеет самый высокий класс SDR по сравнению с PEX и PE-RT. В разделе ниже объясняется, что это означает, почему в стандартах учитываются размеры труб и классы SDR и каковы преимущества для составителей спецификаций трубопроводных систем.

Размеры труб и классы SDR
Превосходные характеристики ПБ-1 для работы под давлением обеспечивают преимущества по сравнению с PE-RT и PEX

Более высокий класс SDR у ПБ-1 обеспечивает следующие преимущества:
• меньшая толщина стенки;
• меньше материала (меньшая масса)
• Большие внутренний диаметр и площадь

Чтобы проиллюстрировать рабочие характеристики ПБ-1, PE-RT и PEX при заданном рабочем давлении 8 бар и малом диаметре трубы (50 мм), в таблице и на схеме ниже приведено сравнение требуемых внутренних размеров трубы.
 

Пример 1: малая труба – диаметр 50 мм при давлении 8 бар

ПБ-1 прочнее, чем PE-RT и PEX, и при рабочем давлении 8 бар с внешним диаметром трубы 50 мм ø требуемая толщина стенки составляет:

Как указано выше, при одинаковом давлении воды больший внутренний диаметр трубы из ПБ-1, имеющей внешний диаметр 50 мм, обеспечивает значительно более высокий расход, чем два других материала. Другими словами, при заданном расходе трубы из ПБ-1 снижают потери давления, требуя меньше энергии для работы систем и/или насосов с меньшей производительностью

Как показано на графиках выше, а также в целях сравнения, можно считать характеристики PE-RT соответствующими 100%. При сравнении внутренней площади поперечного сечения трубы диаметром 50 мм (левый график) ПБ-1 явно превосходит PE-RT, обеспечивая дополнительно 27% объема. Кроме того, сравнение количества материала на метр для трубы диаметром 50 мм с номинальным давлением 8 бар (правый график) показывает, что труба из ПБ-1 использует на 29% меньше материала, чем PE-RT.

Для сравнения, показатели PE-RT можно считать равными 100%. Согласно приведенному выше графику (слева), при одинаковом рабочем давлении воды труба с внешним диаметром 50 мм (8 бар), изготовленная из ПБ-1, обеспечивает значительно более высокий расход (+35%) по сравнению с трубой из PE-RT такого же внешнего диаметра.

Измерено с использованием другой точки сравнения (справа): при заданном расходе потери давления в трубах из ПБ-1 на 44% ниже по сравнению с трубопроводами из PE-RT. Это означает, что трубы из ПБ-1 потребляют меньше энергии для работы системы, а также что их можно использовать с насосами меньшей мощности, сохраняя ту же производительность.
 

Пример 2: Большая труба – диаметр 160 мм при давлении 10 бар

Благодаря более высокому рейтингу SDR (и, следовательно, меньшей толщине стенок) труба из ПБ-1 диаметром 140 мм обеспечивает те же характеристики, что и труба из PE-RT диаметром 160 мм, но с меньшим внешним диаметром и большим внутренним поперечным сечением трубы.

На трубопроводе с рабочим давлением 10 бар и внешним диаметром 160 мм:

• PE-RT при SDR 6
  Труба диаметром 160 мм имеет внутреннюю площадь поперечного сечения 8958 мм²

• PEX при SDR 7,4
  Труба диаметром 160 мм имеет внутреннюю площадь поперечного сечения 10 605 мм²

• ПБ-1 при SDR 9
  При меньшем внешнем диаметре 140 мм труба из ПБ-1 имеет внутреннюю площадь поперечного сечения 9263 мм²

Кроме того, как показано на графике (справа), масса трубы из ПБ-1 с внешним диаметром 160 мм, рассчитанной на давление 10 бар, практически вдвое меньше массы трубы из PE-RT с тем же внешним диаметром и номинальным давлением.
 

Методы соединения для труб систем районного теплоснабжения
ПБ-1 – это универсальный материал для всех доступных методов соединения

Увеличение прибыли
Использование трубопроводных систем из ПБ-1 для сетей обеспечивает следующие преимущества:

• Возможности для значительной экономии материалов при одновременном повышении производительности системы
  – более тонкие стенки
  – увеличение доступной внутренней площади поперечного сечения
• Более высокая степень свободы проектирования для районных энергетических сетей
  – возможность использовать трубы меньшего внешнего диаметра и фитинги меньшего диаметра
• Очевидная возможность снижения затрат на установку и эксплуатационных расходов
  – опорные рамы труб меньшего размера
  – использование меньшего количества изоляционного материала
  – насосы меньшей мощности и с меньшим энергопотреблением
  – меньшая общая масса для упрощения перемещения и снижения затрат на транспортировку
• Возможность использования всех доступных методов соединения
• Лучшие в своем классе акустические характеристики, включая самый низкий уровень гидравлических ударов
• Возможность полной переработки

Сравнение ПБ-1 с PE-RT и PEX


 

Вебинар по теме

Подписаться на INFORM