Руководство по подземной прокладке газопровода из ПНД: передовые методы рытья траншей, сварки, испытаний и проектирования

 

Под почти любой улицей, построенной в последние десятилетия, проложены подземные газопроводы из полиэтилена высокой плотности (HDPE). С тех пор как полиэтиленовые трубы впервые начали применять для транспортировки газа в 1960-х годах, газовые трубы из HDPE стали стандартным выбором для подземных систем распределения природного газа. Сегодня в Северной Америке, Европе и значительной части Азии наиболее производительный сорт полиэтилена — PE100 — используется в подавляющем большинстве новых магистральных и ответвительных газопроводов. Эта репутация была заслужена в реальных подземных условиях, а не только в рекламных брошюрах. Подземный газопровод должен безопасно функционировать в течение 50 лет и более во влажной и химически агрессивной почве, а полиэтилен лучше подходит для таких условий, чем любой традиционный трубный материал. Сталь и ковкий чугун подвержены коррозии в большинстве типов почв и требуют антикоррозионных покрытий, катодной защиты и регулярных проверок для поддержания срока службы. В отличие от них, газовые трубы из HDPE лишены этих недостатков: они полностью невосприимчивы к коррозии, которая постепенно разрушает металлические трубы. Поэтому коммунальные предприятия, соблюдающие стандарты ISO 4437 и ASTM D2513, сегодня определяют полиэтиленовые трубы в качестве предпочтительного материала для подавляющего большинства новых проектов газораспределительных сетей.

 

Уверенность людей в полиэтилене выходит далеко за рамки его стойкости к коррозии. Его соединения выполняются методом сварки плавлением, а не механической сборки. При стыковой сварке плавлением отрезки труб объединяются в непрерывный монолитный материал, тогда как электросварные фитинги обеспечивают тот же эффект при монтаже арматуры. Поэтому правильно изготовленные соединения газовых труб из полиэтилена высокой плотности (HDPE) обладают прочностью, равной прочности стенки самой трубы, и не содержат прокладок, резьбовых соединений или механических уплотнений, которые со временем могут ослабнуть, стареть или начать протекать. Именно поэтому инженеры-газовики утверждают, что правильно смонтированная сеть из PE100 практически обеспечивает нулевую утечку газа. Материал также удобен для монтажников: трубы из HDPE способны изгибаться, повторяя контур траншеи и плавные изгибы большого радиуса, без необходимости применения дополнительных фитингов, а их достаточная гибкость позволяет компенсировать смещения грунта, вызванные осадкой почвы, морозным пучением и землетрясениями — факторами, способными привести к растрескиванию или разрушению жёстких металлических труб. В сочетании с бестраншейными методами прокладки, такими как горизонтально-направленное бурение, полиэтилен стал самым безопасным и экономически выгодным способом подачи газа в населённые пункты. Эти четыре характеристики объясняют его доминирующее положение: стойкость к коррозии, герметичные сварные соединения, гибкость и устойчивость к смещениям грунта. В последующих главах мы подробно рассмотрим каждую из этих характеристик с практической точки зрения: что они означают при прокладке в траншеях, в подземных условиях и в течение следующих 50 лет эксплуатации.

 

Почему трубы из полиэтилена высокой плотности (HDPE) широко применяются в подземных системах передачи и распределения природного газа ?

Перед монтажом газовые инженеры должны принять два решения, напрямую влияющих на срок службы трубопроводной сети: выбор марки материала и толщины стенки. Полиэтиленовые (PE) трубы классифицируются по показателю «минимальной требуемой прочности» (MRS), который отражает способность выдерживать окружное напряжение в течение 50 лет при температуре 20 °C (в соответствии с ISO 9080). У PE80 значение MRS составляет 8,0 МПа, а у PE100 — 10,0 МПа; следовательно, при одинаковой толщине стенки газовые трубы PE100 SDR11 обладают более высокими номинальными характеристиками и повышенной стойкостью к медленному росту трещин — наиболее критичному виду разрушения для подземных газопроводов. По этой причине газовые трубы PE100 SDR11 стали стандартной конфигурацией для вновь строящихся магистральных газопроводов среднего давления, тогда как PE80 по-прежнему применяется в старых сетях низкого давления. Выбор материала и SDR (стандартное отношение размеров) также должны соответствовать действующим газовым нормативам: в Европе используются ISO 4437/EN 1555, а в Северной Америке — ASTM D2513.

 

Для подземных систем транспортировки и распределения газа вторым важным решением является толщина стенки. Показатель SDR (отношение наружного диаметра к толщине стенки) определяется как отношение наружного диаметра к толщине стенки; его номинальное давление рассчитывается по формуле: MOP = 2 × MRS / (C × (SDR − 1)), где MOP — максимальное рабочее давление, а C — общий коэффициент использования. В газовой отрасли обычно принимают C = 2; поэтому номинальное давление газопровода из PE100 с показателем SDR11 составляет приблизительно 10 бар; в то же время газопроводы с показателями SDR17 или SDR17.6 (меньшая толщина стенки, более низкая стоимость) подходят для транспортировки и распределения газа при низком давлении. Кроме того, следует учитывать два поправочных коэффициента, которые зачастую упускаются из виду в общих публикациях. Первый — это коэффициент проектирования, ограничивающий окружное напряжение примерно до половины значения прочности через 50 лет (C = 2; в американском регламенте 49 CFR 192 установлен верхний предел 0,4), чтобы предотвратить медленное распространение трещин в течение десятилетий эксплуатации. Второй — температурный понижающий коэффициент, поскольку все номинальные значения приведены для температуры 20 °C: при температуре выше 20 °C значение MOP необходимо умножить на понижающий коэффициент, определённый в стандарте ISO 4437-5 (до 40 °C); если полученное пониженное значение ниже требуемого рабочего давления, следует выбрать трубу с меньшим значением SDR (то есть увеличить толщину стенки). Для магистральных газопроводов среднего давления окончательной спецификацией должна быть труба из PE100 с показателем SDR11; её показатель SDR, коэффициент проектирования и температурный понижающий коэффициент полностью соответствуют действующим нормативным требованиям.

 

Контроль качества при монтаже газопроводов из ПНД ?

Как обеспечить безопасность монтажа газопроводов из ПНД? Контроль качества сосредоточен на четырёх ключевых аспектах, которые зачастую становятся причиной утечек: сварные стыки методом стыковой сварки, устройство песчаной подушки, испытание давлением и выбор СДР (стандартного коэффициента редукции). Эти проблемы можно полностью предотвратить при соблюдении правильной технологии выполнения работ.

Распространённые ошибки при монтаже встречаются повсеместно. Неправильные параметры сварки: неверная температура или время нагрева могут привести к тому, что соединения будут выглядеть целыми, но со временем разрушатся из-за подвижек грунта; поэтому сварку необходимо выполнять строго в соответствии с сертифицированными таблицами параметров. Недостаточное уплотнение траншеи: при обратной засыпке острые камни и пустоты могут повредить стенку трубы; следовательно, для уплотнения основания и обратной засыпки вокруг трубопровода следует использовать мелкозернистые и уплотнённые материалы. Недостаточное испытание на давление: каждый трубопровод должен быть проверен на соответствие техническим требованиям; процедуры ни в коем случае не должны сокращаться или выполняться частично. Неправильный выбор SDR: перед укладкой трубопровода необходимо выбрать спецификацию SDR11 или SDR17.6 в зависимости от фактического рабочего давления. Контроль этих четырёх ключевых моментов обеспечивает безопасную и надёжную прокладку газовых трубопроводов из ПНД.

 

Монтаж газовых трубопроводов из ПНД: сравнение традиционной прокладки в траншее и бестраншейных методов ?

Следует выбрать соответствующий метод монтажа газопровода из ПНД с учётом условий на строительной площадке. Открытая траншея подходит для традиционных подземных работ; технология горизонтального направленного бурения (ГНБ) позволяет пересекать дороги и реки без повреждения поверхности. Материал ПНД естественным образом соответствует требованиям бесканальной прокладки: после соединения участков труб методом термосварки они сохраняют гибкость, что позволяет изгибать их при протяжке через буровые скважины и в конечном итоге формировать герметичный монолитный трубопровод.

Метод	Применение
Открытый траншейный доступ	Стандартные подземные работы
Горизонтальное направленное бурение	Пересечение дорог, пересечение рек
Разрушение существующей трубы	Замена труб

 

Разрушение трубопровода (bursting) предполагает разрушение старой магистральной трубы и протяжку новой трубы из ПНД по тому же каналу, что ограничивает зону раскопок только рабочей ямой. Новые трубопроводные сети в основном строятся методом траншейной прокладки; технология ГНБ (горизонтально-направленного бурения) применяется при пересечении препятствий, а замена труб зачастую осуществляется методом bursting. Все три метода используют неоспоримые преимущества материала ПНД — а именно гибкость и тяговую способность отрезков трубы, а также прочность соединений, выполненных методом стыковой сварки нагретых торцов, сопоставимую с прочностью стенки трубы, — поэтому газопроводы из ПНД сохраняют свою конструктивную целостность независимо от того, используется ли траншейная или бесканальная прокладка.

 

Часто задаваемые вопросы о газовых трубах из ПНД: самые распространённые вопросы инженеров и покупателей

В1. Какой тип трубы из ПНД применяется для подземных газопроводов?

Подземные магистральные газопроводы и ответвления к потребителям изготавливаются из полиэтиленовых труб ПЭ80 или ПЭ100 (обычно жёлтого или чёрного цвета с жёлтыми полосами) и соответствуют стандартам ISO 4437/EN 1555 (в Северной Америке применяется стандарт ASTM D2513). Трубы ПЭ100 имеют минимальную требуемую прочность (MRS) 10 МПа и являются стандартным выбором для вновь строящихся сетей среднего давления: при одинаковой толщине стенки они обеспечивают более высокое номинальное давление и лучшую стойкость к медленному росту трещин.

В.2. Какой SDR (стандартное отношение диаметра к толщине стенки) рекомендуется для газопроводов из ПНД?

Это зависит от рабочего давления. При коэффициенте проектного давления газа C = 2 номинальное давление газопровода из ПЭ100 с SDR11 составляет приблизительно 10 бар; SDR11 подходит для магистральных газопроводов среднего давления и бестраншейной прокладки. Для низконапорных сетей можно использовать более тонкостенные и менее дорогие газопроводы с SDR17,6; если температура стенки трубы превышает 20 °C, необходимо выполнить снижение давления в соответствии со стандартом ISO 4437-5.

Вопрос 4. Можно ли укладывать газопроводы из ПНД бесканальным способом?

Да. Для укладки газопроводов из ПНД под дорогами, реками и железными дорогами широко применяется технология горизонтального направленного бурения (ГНБ): участки труб соединяются между собой стыковой сваркой методом нагрева, после чего полученная нить протягивается в пробуренное отверстие. Гибкость трубы позволяет ей повторять профиль бурового канала; отсутствие механических соединений исключает утечки при протяжке — чего нельзя добиться при использовании жёстких стальных труб.

Вопрос 5. В чём разница между стыковой сваркой методом нагрева и электросваркой?

Оба метода позволяют создавать неразъёмные сварные соединения с прочностью, сопоставимой с прочностью стенки трубы, без необходимости в прокладках или резьбе. Стыковая сварка с использованием нагревательной плиты подразумевает нагрев концов труб и их последующее сжатие — этот метод подходит для прямых участков труб и магистральных трубопроводов; он быстрый и экономичный, однако требует наличия аппарата для стыковой сварки и квалифицированных операторов. Электросварка использует встроенную в фитинг электронагревательную проволоку для локального плавления трубы — этот метод подходит для ответвительных соединений, технического обслуживания и работ в стеснённых условиях.