Шероховатость полиэтиленовых труб пэ 100

Параметры полиэтиленовых труб: шероховатость, прочность, пропускная способность, срок службы

Полиэтиленовые трубы обладают целым рядом ценных технических характеристик. В данной статье они все подробно освещены.

Срок службы

Срок службы полиэтиленовых труб достаточно долгий – примерно 50 лет (некоторые трубы способны служить больше). Самое удивительное то, что с течением времени полиэтиленовые трубы становятся только лучше: возрастает гладкость их внутренней поверхности и становится немного больше внутренний диаметр трубы. Диаметр увеличивается благодаря полимерному расширению.

Пропускная способность

Пропускная способность полиэтиленовых труб превышает примерно на 25-30% пропускную способность труб, изготовленных из стали. Разумеется, если сравнивать трубы равного диаметра. Пропускная способность данного вида труб со временем не становится меньше по причине того, что внутри полиэтиленовых труб не появляются наросты.

Из чего сделаны трубы

Полиэтиленовые трубы сделаны из пластика. Этот пластик, а с ним и трубы, обладают целым рядом ценных физических свойств:

— отсутствие реакции на щелочи, кислоты и спирты. Полиэтиленовые трубы «боятся» только фтора и хлора в жидком виде;
— низкая плотность. Плотность полиэтилена составляет 0,94-0,96 г/см3, что делает этот материал в несколько раз легче по весу, чем вода;
— малый вес. Благодаря данному свойству полиэтиленовые трубы может переносить на длительные расстояния даже один человек;
— устойчивость к солнечному свету;
— высокая эластичность. Благодаря большой растяжимости полиэтиленовых труб, замерзшие глыбы льда не способны их сильно повредить.

Технические характеристики полиэтиленовых труб

1. Рабочая температура. Составляет она 40 градусов Цельсия абсолютно для всех видов труб. Нижняя граница рабочей температуры ровно 0 градусов Цельсия. При такой температуре вода, находящаяся в полиэтиленовых трубах, начинает превращаться в лед.

2. Рабочее давление. Определяется оно по таким факторам как марка полиэтилена, толщина стенок трубы, диаметр трубы. Самый малопрочый полиэтилен имеет марку ПЭ32, самый высокопрочный — ПЭ100. Соответственно, чем толще имеет полиэтиленовая труба стенки, тем она более прочная. Трубы большого диаметра обладают большим рабочим давлением. Максимальный его показатель составляет 6-16 16 атмосфер.

3. Диаметры. Для устройства водопроводной системы в квартире или частном доме берутся полиэтиленовые трубы диаметром 20 миллиметров. Большие по диаметру трубы применяются для создания водопроводных магистралей или колодцев. Минимальный диаметр трубы составляет 10 миллиметров, максимальный – 1200 миллиметров. Стенки полиэтиленовых труб имеют толщину от 2 миллиметров и до 6 сантиметров.

4. Коэффициент шероховатости. Он составляет около 0,005 миллиметров или даже меньше. Если необходимо рассчитать необходимый просвет, то коэффициент шероховатости труб из полиэтилена берется в пределах 0,01-0,1 миллиметр.

5. Прочность. Коэффициент запаса прочности у полиэтиленовых труб, по которым передается вода, составляет 1,25. Для газовых магистралей этот коэффициент получается немного больше – 2,0-3,15.

Источник

Шероховатость полиэтиленовых труб. Расчет гидравлических потерь давления в трубопроводе из пластмасс

Гидравлический расчет является важной составляющей процесса выбора типоразмера трубы для строительства трубопровода. В нормативной литературе по проектированию этот ясный с точки зрения физики вопрос основательно запутан. На наш взгляд, это связано с попыткой описать все варианты расчета коэффициента трения, зависящего от режима течения, типа жидкости и ее температуры, а также от шероховатости трубы, одним (на все случаи) уравнением с вариацией его параметров и введением всевозможных поправочных коэффициентов. При этом краткость изложения, присущая нормативному документу, делает выбор величин этих коэффициентов в значительной степени произвольным и чаще всего заканчивается номограммами, кочующими из одного документа в другой.
С целью более подробного анализа предлагаемых в документах методов расчета представляется полезным вернуться к исходным уравнениям классической гидродинамики [1].

Потеря напора, связанная с преодолением сил трения при течении жидкости в трубе, определяется уравнением:

где: L и D длина трубопровода и его внутренний диаметр, м; ? — плотность жидкости, кг/м3; w — средняя объемная скорость, м/сек, определяемая по расходу Q, м3/сек:

λ — коэффициент гидравлического трения, безразмерная величина, характеризующая соотношение сил трения и инерции, и именно ее определение и есть предмет гидравлического расчета трубопровода. Коэффициент трения зависит от режима течения, и для ламинарного и турбулентного потока определяется по-разному.
Для ламинарного (чисто вязкого режима течения) коэффициент трения определяется теоретически в соответствии с уравнением Пуазейля:
λ = 64/Re (2)
где: Re — критерий (число) Рейнольдса.
Опытные данные строго подчиняются этому закону в пределах значений Рейнольдса ниже критического (Re 100000 предложено много расчетных формул, но практически все они дают один и тот же результат [1 — 3].

На рис.1 показано, как «работают» уравнения (2) — (4) в указанном диапазоне чисел Рейнольдса, который достаточен для описания всех реальных случаев течения жидкости в гидравлически гладких трубах.
Рис.1

Шероховатость стенки трубы влияет на гидравлическое сопротивление только при турбулентном потоке, но и в этом случае, из-за наличия ламинарного пограничного слоя существенно сказывается только при числах Рейнольдса, превышающих некоторое значение, зависящее от относительной шероховатости ξ/D, где ξ — расчетная высота бугорков шероховатости, м.
Труба, для которой при течении жидкости выполняется условие:

считается гидравлически гладкой, и коэффициент трения определяется по уравнениям (2) — (4).
Для чисел Re больше определенных неравенством (5) коэффициент трения становится величиной постоянной и определяется только относительной шероховатостью по уравнению:

которое после преобразования дает:

Гидравлическое понятие шероховатости не имеет ничего общего с геометрией внутренней поверхности трубы, которую можно было бы инструментально промерить. Исследователи наносили на внутреннюю поверхность модельных труб четко воспроизводимую и измеряемую зернистость, и сравнивали коэффициент трения для модельных и реальных технических труб в одних и тех же режимах течения. Этим определяли диапазон эквивалентной гидравлической шероховатости, которую следует принимать при гидравлических расчетах технических труб. Поэтому уравнение (6) точнее следует записать:

где: ξ э — нормативная эквивалентная шероховатость (Таблица 1).

Таблица 1 [1, 2]

Данные таблицы 1 получены для традиционных на тот период материалов трубопроводов.
В период 1950-1975 годов западные гидродинамики аналогичным способом определили ξ э труб из полиэтилена и ПВХ разных диаметров, в том числе и после длительной эксплуатации. Получены значения эквивалентной шероховатости в пределах от 0,0015 до 0,0105 мм для труб диаметром от 50 до 300 мм [3]. В США для собранного на клеевых соединениях трубопровода из ПВХ этот показатель принимается 0,005 мм [3]. В Швеции, на основе фактических потерь давления в пятикилометровом трубопроводе из сваренных встык полиэтиленовых труб диаметром 1200 мм, определили, что ξ э = 0,05 мм [3]. В российских строительных нормах в случаях, относящихся к полимерным (пластиковым) трубам, их шероховатость либо совсем не упоминается [5 — 8], либо принимается: для водоснабжения и канализации — «не менее 0,01 мм» [9], для газоснабжения ξ э = 0,007 мм [10]. Натурные измерения потерь давления на действующем газопроводе из полиэтиленовых труб наружным диаметром 225 мм длиной более 48 км показали, что ξ э 100000 следует пользоваться модификацией уравнения (4).
В ISO TR 10501 [4] для пластмассовых труб при 4000 г = J*L, м).

Пример:
Определить внутренний диаметр пластмассового трубопровода длиной 1000 м, при w макс = 2 м/сек и ∆ Н г = 10 м (1 бар), то есть J = 10/1000 = 0,01 м.
Выбрав, например, коэффициенты уравнения (11), получаем:

При этом расход составит Q=460 м3/час. Если полученный расход велик или мал, достаточно скорректировать значение скорости. Взяв, например, w=1,5 м/сек, получим D=0,188 м и Q=200 м3/час.
Расход в трубопроводе определяется потребностями потребителя и устанавливается на этапе проектирования сети. Оставив этот вопрос проектировщикам, сравним удельные потери давления в стальном (новом и старом) и пластмассовом трубопроводах при равных расходах для различных диаметров труб.

Как видно из таблицы 4, учитывая неизбежное старение стальной трубы в процессе эксплуатации, для труб малых и средних диаметров полиэтиленовую трубу можно выбирать на одну ступень наружного диаметра меньше. И только для труб диаметром 800 мм и выше, вследствие относительно меньшего влияния абсолютной эквивалентной шероховатости на потери напора, диаметры труб нужно выбирать из одного ряда.

Литература.
1. Н.З.Френкель, Гидравлика, Госэнеогоиздат, 1947.
2. И.Е.Идельчик, Справочник по гидравлическому сопротивлению фасонных и прямых частей трубопроводов, ЦАГИ, 1950.
3. L.-E. Janson, Plastics pipes for water supply and sewage disposal. Boras, Borealis, 4th edition, 2003.
4. ISO TR 10501 Thermoplastics pipes for the transport of liquids under pressure — Calculation of head losses.
5. СП 40-101-2000 Проектирование и монтаж трубопроводов из полипропилена «рандом сополимер».
6. СНиП 41-01-2003 (2.04.05-91) Отопление, вентиляция и кондиционирование.
7. СНиП 2.04.01-85 Внутренний водопровод и канализация зданий.
8. СНиП 2.04.02-84 водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
9. СП 40-102-2000 Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов.
10. СП 42-101-2003 Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб.
11. Е.Х.Китайцева, Гидравлический расчет стальных и полиэтиленовых газопроводов, Полимергаз, №1, 2000.

Авторы: Владимир Швабауэр, Игорь Гвоздев, Мирон Гориловский
Источник: (Журнал «Полимерные трубы»)

Источник

Выбор характеристик полиэтиленовых труб в зависимости от результатов гидравлического расчета

Selecting Characteristics of Polyethylene Pipes depending on the Hydraulic Calculation Results

Keywords: pressure polyethylene pipes, single-layer pipes, multi-layer pipes, hydraulic calculation of pipelines, flow head losses

Use of pressure polyethylene (PE) pipes for construction of outside networks is becoming more and more popular over the last years. An important stage of outside water supply pipelines’ design is correct selection of pipes. This article describes the main characteristics of pipes, provides an algorithm for hydraulic calculations and recommendations on selection of pipes based on their characteristics.

Использование напорных полиэтиленовых (ПЭ) труб для прокладки наружных сетей получило широкое распространение в последние годы. При проектировании трубопроводов наружного водоснабжения важным этапом является правильный выбор труб. В данной статье описаны основные характеристики труб, дан алгоритм проведения гидравлического расчета и рекомендации по выбору труб в зависимости от их характеристик.

Выбор характеристик полиэтиленовых труб в зависимости от результатов гидравлического расчета

Использование напорных полиэтиленовых (ПЭ) труб для прокладки наружных сетей получило широкое распространение в последние годы. При проектировании трубопроводов наружного водоснабжения важным этапом является правильный выбор труб. В статье описаны основные характеристики труб, дан алгоритм проведения гидравлического расчета, преставлены рекомендации по выбору труб в зависимости от их характеристик.

Использование труб из полиэтилена для устройства трубопроводов наружного водоснабжения, канализации и технологических трубопроводов обусловлено рядом преимуществ, которыми ПЭ-трубы обладают по сравнению с трубами из традиционных материалов, а именно:

• коррозионная стойкость;
• срок службы не менее 50 лет * ;
• санитарно-гигиеническая и экологическая безопасность;
• низкая шероховатость и практическое отсутствие зарастания труб;
• высокая стойкость к гидроабразивному износу;
• высокая химическая стойкость;
• устойчивость к гидравлическим ударам;
• устойчивость к воздействию блуждающих токов (не проводят ток);
• небольшой вес труб;
• легкость транспортирования;
• прочность сварных соединений, превосходящая прочность самих труб;
• высокая ремонтопригодность.

Типы напорных полиэтиленовых труб и выбор способа прокладки

Трубы для водоснабжения и канализации изготавливаются в соответствии с ГОСТ 18599–2001 [1]. Выпускаются следующие типы напорных труб из полиэтилена:

• однослойные трубы с защитной оболочкой и без нее;
• многослойные трубы.

Трубы с защитной оболочкой предназначены для траншейного и бестраншейного способов прокладки напорных сетей водоснабжения и водоотведения.

Однослойные трубы из ПЭ 100 или ПЭ 100 RC с/без защитной оболочки

Пример возможного вида труб приведен на рис. 1, 2.

Многослойные трубы из ПЭ 100 или ПЭ 100 RC

Трубы изготавливаются из ПЭ 100 и ПЭ 100 RC. ПЭ 100 RC – новый тип полиэтилена. Отличительной чертой полиэтилена ПЭ 100 RC является повышенная стойкость к распространению трещин по сравнению с обычным полиэтиленом ПЭ 100. При условии соблюдения правил монтажа и эксплуатации срок службы сетей из труб ПЭ 100 RC составляет 100 лет. В соответствии с классификацией труб из ПЭ100 RC РМД 40–20–2016 трубы с защитной оболочкой относятся к типу 3.

Наружные сети из полиэтиленовых труб рекомендуется прокладывать подземным способом, так как при надземной прокладке требуется защита трубопровода теплоизоляционными материалами для предотвращения замерзания транспортируемого вещества при отрицательных температурах воздуха и нагрева стенок труб при воздействии солнечной радиации и повышенных температур воздуха (табл. 1).

Полиэтиленовые трубопроводы также могут быть проложены:

• в зданиях (внутрицеховые или внутренние трубопроводы) на подвесках, опорах и кронштейнах;
• открыто или внутри борозд, шахт, строительных конструкций, в каналах, образованных, например, из гофрированных пластмассовых труб, скрыто;
• вне зданий (межцеховые или наружные трубопроводы) на эстакадах и опорах (в обогреваемых или необогреваемых коробах и галереях), в каналах (проходных или непроходных) и в грунте (бесканальная прокладка).

Понятия MRS и SDR, применяемые при подборе труб и расчете трубопроводов из полиэтилена

Полиэтилен, как и все термопласты, является вязкоупругим материалом, поведение которого в деформированном состоянии зависит от нагрузки, температуры и времени. Это означает, что закон Гука для него не применим и в соответствии с ГОСТ ИСО 12162 [2] и ISO 9080[3] допустимая нагрузка на трубу при прочих равных условиях зависит от величины минимальной длительной прочности материала, обозначаемой как MRS (Minimum Required Strength). Минимальная длительная прочность – напряжение, полученное путем экстраполяции на срок службы 50 лет в результате испытаний труб на их стойкость к внутреннему гидростатическому давлению воды при ее температуре 20 °C. Напряжение, возникающее в стенке трубы, как известно, прямо пропорционально гидростатическому давлению и приведенному среднему радиусу трубы и обратно пропорционально толщине ее стенки. Поэтому при прочих равных условиях с увеличением толщины стенки трубы увеличивается и допустимое гидростатическое давление, которое в ней может быть создано.

Максимально допустимое рабочее давление в трубопроводе обозначается как MOP (Maximum Allowable Operating Pressure) и определяется по формуле

(1)

С – коэффициент запаса прочности, принимаемый равным 1,25 для водопроводов из полиэтиленовых труб;

SDR – стандартное размерное соотношение, равное отношению номинального наружного диаметра трубы dн к номинальной толщине стенки е, определяется по формуле

(2)

Между SDR и номинальным рабочим давлением PN труб существует зависимость, представленная в табл. 2.

Для маркировки труб вместо SDR иногда используется трубная серия S.

Выражение SDR – 1, входящее в формулу (1), характеризует трубную серию S

(3)

Максимальное рабочее давление в трубопроводе, МПа

(4)

σ – допускаемое напряжение в стенке трубы, равное MRS/C, МПа.

(5)

Зависимости (1) – (5) дают возможность рассчитать соотношение диаметра и толщины стенки трубы применительно к конкретным условиям объекта строительства. Окончательно выбор диаметра трубы производится на основании гидравлического расчета трубопровода.

Гидравлический расчет полиэтиленовых напорных трубопроводов

Гидравлический расчет трубопроводов выполняется с целью определения потерь напора потока, на основании чего в дальнейшем выбираются диаметр труб и марка повысительного (или вакуумного) насоса.

Потери напора Н, мм вод. ст., в общем случае течения жидкости равны

(6)

i – удельная потеря напора на трение, м/м;

hм.с. – потери напора в местных сопротивлениях, м;

l – расчетная длина трубопровода, м;

hв – потери напора в водоизмерительных устройствах, м;

hг.в – геометрическая высота подъема воды (плюс или минус), м;

hг – гарантийный напор перед насосным оборудованием, м;

hсв.н – свободный напор, необходимый для создания комфортной струи в водоразборной арматуре.

Удельная потеря напора i определяется по формуле

(7)

λ – коэффициент сопротивления трения по длине трубопровода;

V – скорость течения жидкости, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

dр – расчетный диаметр труб, м. Допускается определять как d – 2е (наружный диаметр минус две толщины стенки).

Скорость течения жидкости равна

(8)

q – расчетный расход жидкости, м³/c;

w = πdр2/4 – площадь живого сечения трубы, м².

Коэффициент сопротивления трения λ определяется в соответствии с регламентами СП 40-102–2000 [4]

(9)

b – некоторое число подобия режимов течения жидкости. При b > 2 принимается b = 2.

(10)

Re – фактическое число Рейнольдса.

(11)

υ – коэффициент кинематической вязкости жидкости, мг/с. При расчетах холодных водопроводов принимается равным 1,31 · 10 м²/с – вязкость воды при температуре +10 °C;

Reкв – число Рейнольдса, соответствующее началу квадратичной области гидравлических сопротивлений

(12)

Кэ – гидравлическая шероховатость материала труб, м. Для труб из полимерных материалов принимается Кэ = 0,00002 м, если производитель труб не дает других значений шероховатости.

В случае течения, когда Re > Reкв, расчетное значение параметра b становится равным 2 и формула (9) существенно упрощается, обращаясь в известную формулу Прандтля

(13)

При Кэ = 0,00002 м квадратичная область сопротивлений наступает при скорости течения воды (υ = 1,31 · 10–6 м²/с), равной 32,75 м/с, что практически недостижимо в коммунальных водопроводах.

Затраты электроэнергии на перекачку жидкости находятся в прямой пропорциональной зависимости от величины Н (при прочих равных условиях). Подставив выражение (9) в формулу (8), нетрудно увидеть, что величина i (а следовательно, и Н) обратно пропорциональна расчетному диаметру dp в пятой степени

(14)

Выше показано, что величина dp зависит от толщины стенки трубы е: чем тоньше стенка, тем выше dg и тем, соответственно, меньше потери напора на трение и затраты электроэнергии.

Таким образом, результаты расчетов толщины стенки е трубы по формулам (1) – (5) в сочетании с результатами гидравлических расчетов по формулам (6) – (14) позволяют выбрать трубу с конкретным значением SDR и конкретным значением MRS. В зависимости от величины расчетного расхода жидкости на объекте и требуемого напора подбирается марка повысительного (вакуумного) насоса. Если в дальнейшем по каким-либо причинам меняется значение MRS трубы, ее диаметр и толщина стенки (SDR) должны быть пересчитаны.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев применение труб с MRS10,0 взамен труб с MRS8,0 позволяет на один типоразмер уменьшить диаметр трубопровода. Например, применение компанией «ИКАПЛАСТ» полиэтилена ПЭ 100 (MRS10,0) взамен полиэтилена ПЭ 80 (MRS8,0) для изготовления труб позволяет уменьшить толщину стенки труб, их массу и материалоемкость.

Литература

1. ГОСТ 18599–2001 «Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия (с изменением №1)». М., 2001.
2. ГОСТ ИСО 12162–2017 «Материалы термопластичные для напорных труб и соединительных деталей. Классификация и обозначение. Коэффициент запаса прочности». М., 2017.
3. ГОСТ Р 54866–2011 (ИСО 9080:2003) «Трубы из термопластичных материалов. Определение длительной гидростатической прочности на образцах труб методом экстраполяции». М., 2011.
4. СП 40-102–2000 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования». М., 2000.

Статья подготовлена по материалам компании ООО «ИКАПЛАСТ».

* При использовании в сетях холодного водоснабжения и канализации в соответствии с ГОСТ 18599–2001.

Источник