Systemy rurowe z tworzyw sztucznych do bezwykopowego układania sieci gazowych oraz ich renowacji(1)
inspekcje i renowacje sieci Systemy rurowe z tworzyw sztucznych do bezwykopowego układania sieci gazowych oraz ich renowacji Fot.1. Przykład wielofunkcyjnego przyłącza do budynku (woda, gaz, en. elektryczna) Wprowadzenie Komitet techniczny CEN/TC 234 opracował pakiet norm funk- Historia rurociągowego transportu gazu sięga początków XIX cjonalnych, który obejmuje wszystkie części systemu dostaw wieku, kiedy zaczęto wprowadzać w Londynie gazowe oświe- gazu od wprowadzenia tego paliwa do systemu przesyłowego, tlenie ulic. Do rozprowadzania gazu stosowano wtedy ocyno- aż do armatury odcinającej przed urządzeniami gazowymi. wane rury żeliwne. Żeliwo było podstawowym materiałem do Ogólne wymagania funkcjonalne dotyczące sieci gazowych produkcji rur, przeznaczonych do sieci gazowych aż do począt- z polietylenu są zawarte w normie: PN-EN 12007-2 Systemy do- ku XX wieku. Kolejny etap rozwoju materiałów związany był stawy gazu Gazociągi o maksymalnym ciśnieniu roboczym do z wprowazeniem rur stalowych. Wymiana lub naprawa sko- 16 bar włącznie Część 2: Szczególne zalecenia funkcjonalne rodowanych rur jak również usuwanie często występujących dotyczące polietylenu (MOP do 10 bar włącznie) . Norma okre- nieszczelności na połączeniach, wiązały się ze znacznymi śla podstawowe wymagania dotyczące budowy sieci gazowych kosztami. Z tego względu w latach 60-tych zaczęto analizo- z polietylenu oraz zawiera kryteria oceny jakości połączeń zgrze- wać możliwości zastosowania tworzyw sztucznych jako ma- wanych czołowo lub elektrooporowo. teriałów na rury do rozprowadzania gazu. Stwierdzono, że Rury z tworzyw sztucznych znajdują szerokie zastosowanie najlepszym rozwiązaniem będzie polietylen z uwagi na jego przy renowacji gazociągów. właściwości. Wymagania funkcjonalne w tym zakresie sawarte są w normie: Rury wykonane z tego tworzywa charakteryzują się między PN-EN 12007-4 Systemy dostawy gazu Rurociągi o maksymal- innymi : nym ciśnieniu roboczym do 16 bar Część 4: Szczegółowe za- " niskim ciężarem, lecenia funkcjonalne dla renowacji. Wymieniona norma przed- " elastycznością (niska wartość modułu Younga), stawia zalecenia funkcjonalne w zakresie renowacji istniejących " odpornością na korozję, gazociągów. Zawiera również pewne wymagania dotyczące " niskimi oporami przepływu, innych niż tworzywa sztuczne materiałów. Należy ją stosować " odpornością na obciążenia dynamiczne, łącznie z normą PN-EN 12007- 1 Systemy dostawy gazu Ga- " zdolnością do łączenia metodą zgrzewania, zociągi o maksymalnym ciśnieniu roboczym do 16 bar włącznie " wysokimi wartościami wydłużenia przy zerwaniu. Część 1: Ogólne zalecenia funkcjonalne . Znaczący postęp w stosowaniu polietylenu do produkcji rur Zagadnienia renowacji gazociągów były również przedmio- nastąpił wkrótce po tym jak K. Ziegler i G. Natta uzyskali nagrodę tem prac Komitetu Technicznego CEN-TC 155 Systemy rur Nobla za opracowanie procesu niskociśnieniowej polimeryzacji i przewodów z tworzyw sztucznych . Opracowano z tego za- etylenu. Przeprowadzone ostatnio badania rynkowe szacują ilość kresu następującyce normy: tworzyw sztucznych produkowanych w Europie na 2,5 mln ton, EN 14408-1 Plastics piping systems for renovation of under- z czego ok. 1,5 mln ton stanowi polietylen (HDPE). Około 50% pro- ground gas supply networks dukcji HDPE przeznaczane jest do wytłaczania rur ciśnieniowych. Part 1: General (Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do renowacji podziemnych sieci gazowych Część 1: Systemy rurowe stosowane przy budowie i reno- Postanowienia ogólne), wacji sieci gazowych EN 14408-3 Plastics piping systems for renovation of under- Wprowadzane w ostatnim okresie w Polsce normy do- ground gas supply networks tyczące sieci gazowych oparte o normalizację europejską Part 3: Lining with close-fit pipes (Systemy rurociągowe z two- oprócz aspektu polegającego na ułatwieniu przepływu wyro- rzyw sztucznych do renowacji podziemnych sieci gazowych bów i usług pomiędzy Polską a UE dają jeszcze jeden efekt, Część 3: Wykładzina z rur ciasno pasowanych. a mianowicie powodują znaczące zwiększenie wymagań Wymienione normy zostaną wkrótce ustanowione jako Pol- zarówno w odniesieniu do funkcjonowania sieci w całości, skie Normy. jak również odnośnie poszczególnych elementów (normy Wymagania i metody badań w odniesieniu do poszcze- wyrobów). gólnych elementów systemów rurowych z polietylenu prze- Aleksander Klupa Instytut Nafty i Gazu Kraków 47 Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005 inspekcje i renowacje sieci znaczonych do przesyłania paliw gazowych zawierają normy Można tu wyróżnić trzy podstawowe kierunki działania: europejskie serii 1555 opracowane przez Komitet Techniczny " przedłużanie żywotności i zwiększanie efektywności wyko- CEN/TC 155. rzystania istniejącej infrastruktury, Norma EN 1555 pod wspólnym tytułem Systemy rurociągowe " budowa nowych sieci z zastosowaniem materiałów o wyż- z tworzyw sztucznych do przesyłania paliw gazowych Poliety- szych parametrach użytkowych, len (PE) zawiera następujące części, które obecnie zostały już " tworzenie technicznej i organizacyjnej bazy zarządzania bez- wdrożone jako Polskie Normy: pieczeństwem sieci. PN-EN 1555-1 W ramach wymienionych kierunków są wdrażane lub znajdu- Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do prze- ją się w fazie badań nowe technologie umożliwiające osiąganie syłania paliw gazowych. Polietylen (PE). Część 1: Wymagania wyższego poziomu we wszystkich kluczowych obszarach zwią- ogólne, zanych z dystrybucją gazu. Prace badawcze dotyczące materia- PN-EN 1555-2 łów stosowanych do budowy sieci gazowych są prowadzone Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do prze- aktualnie w trzech kierunkach: syłania paliw gazowych. Polietylen (PE). Część 2: Rury, " wdrożenia rur polietylenowych z zewnętrzną warstwą ochronną, PN-EN 1555-3 " wdrożenia rur z polietylenu sieciowanego (PE-X), Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do prze- " wdrożenia rur z materiałów kompozytowych. syłania paliw gazowych. Polietylen (PE). Część 3: Kształtki, Poprawę stanu technicznego sieci gazowych można osiągnąć PN-EN 1555-4 drogą ich wymiany w otwartym wykopie lub stosując techniki Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do prze- renowacji oparte na metodach bezwykopowych. Te ostatnie sta- syłania paliw gazowych. Polietylen (PE). Część 4: Zawory, ły się bardzo popularne z uwagi na wysokie koszty i ogranicze- PN-EN 1555-5 nia czasowe związane z wykonywaniem wykopów i naprawą Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do prze- nawierzchni w aglomeracjach miejskich. syłania paliw gazowych. Polietylen (PE). Część 5: Przydatność W porównaniu z metodami tradycyjnymi, metody bezwykopo- do systemu. we pozwalają na ograniczenie do minimum powierzchni wyko- Sieci gazowe wybudowane z polietylenu charakteryzują się pu, obniżenie kosztów oraz w mniejszym stopniu oddziaływują trwałością i wysokim poziomem szczelności, nawet w ekstremal- na środowisko. Nie bez znaczenia jest tu również efekt ekono- nych warunkach użytkowania. Dowodem na to mogą być dane miczny. W tab. 2 przedstawiono porównanie kosztów układania zawarte w tab. 1 dotyczące awaryjnosci gazociągów z polietyle- gazociagów z polietylenu różnymi metodami [1]. Jako podstawę nu podczas trzęsień ziemi [1]. do porównań przyjęto koszt budowy gazociągu o średnicy 50 Rozwój technologii dystrybucji gazu ziemnego jest związany mm w otwartym wykopie (100%). z realizacją przez firmy dystrybucyjne kluczowych celów, do Technologie bezwykopowego układania gazociągów spowo- których można zaliczyć: dowały zapotrzebowanie na rury z odmian polietylenu spełniaja- " efektywność ekonomiczną, cych podwyższone wymagania dotyczące pewnych krytycznych " zapewnienie bezpieczeństwa dostaw gazu, parametrów. Naprzeciw tym oczekiwaniom wychodzi Stowarzy- " spełnienie wymagań w zakresie ochrony środowiska, szenie PE 100+ założone w roku 1999. Celem stowarzyszenia " spełnienie oczekiwań klienta. jest zagwarantowanie najwyższego poziomu jakości w produkcji Odporność sejsmiczna sieci gazowych Rok Kraj Miasto Magnituda Długość sieci Liczba uszkodzeń (skala Richtera) z PE [km] sieci z PE 1993 Japonia Kushiro 7,8 155 0 1994 USA Northridge (CA) 6,8 58000 27 1995 Japonia Kobe 7,2 > 20000 0 (inne 26500) 1999 Kolumbia 5,9 115 0 Tablica 1 Koszt instalowania rur polietylenowych ( rura o średnicy 50 mm w otwartym wykopie : wskaznik = 100) Średnica rur [mm] 50 100 200 300 Technologia: - w otwartym wykopie 100 125 150 210 - wiercenie kierunkowe 40 50 75 90 - wprowadzanie rur o mniejszej 25 35 50 75 średnicy (sliplining) - rozkruszanie starej rury 40 55 70 80 (pipebursting) Tab. 2 Porównanie kosztów instalowania rur polietylenowych 48 Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005 inspekcje i renowacje sieci i przetwórstwie materiału klasy PE 100 przeznaczonego do wy- tłaczania rur ciśnieniowych. Podstawą zaakceptowania danego materiału i umieszczenia go na liście Materiałów pozytywnych jest, oprócz spełnienia wymagań podstawowych określonych w normach, spełnienie wymagań dodatkowych sformułowanych przez Stowarzyszenie [2], dotyczących trzech podstawowych pa- gdzie: rametrów rur: pT;t ciśnienie obliczeniowe dla rury wielowarstwowej " odporności na pełzanie (Creep Rupture Strength), [bar]; " odporności na wolną propagację pęknięć (Stress Crack Re- e grubość ścianki warstwy przenoszacej naprężenia n sistance), obwodowe [mm]; " odporności na szybką propagację pęknięć (Resistance to Ra- n liczba warstw przenoszacych naprężenia obwodo- pid Crack Propagation). we; Odporność rur polietylenowych na pełzanie jest oznacza- d średnica zewnętrzna warstwy materiału przeno- n na w oparciu o testy wytrzymałości hydrostatycznej w róż- szącej naprężenia [mm]; nych temperaturach, przy różnych poziomach naprężeń. c współczynnik projektowy dla materiałów przeno- n W przypadku rur z PE 100 podczas badań w temperaturze szacych naprężenia, określony w odpowiedniej 200C i naprężeniu obwodowym 12,4 MPa norma przedmio- normie wyrobu dla danej temperatury badania; à towa wymaga, aby czas do uszkodzenia wynosił minimum naprężenie obwodowe wyrażone w MPa określone n dla materiału zgodnie z odpowiednią normą wyro- 100 godzin. Stowarzyszenie PE 100+ podwyższyło ten czas bu, dla temperatury badania T [0C] i czasu badania do 200 godzin. Odporność na wolną propagację pęknięć stanowi dru- t,[MPa]. gi parametr, który został podwyższony przez stowarzy- szenie PE 100+. Norma wymaga, aby podczas badania Rury wielowarstwowe oraz rury z polietylenu sieciowane- odporności na powolny wzrost pęknięć próbka rurowa go (PEX) znajdują szerokie zastosowanie przy wykonywaniu PE 100 SDR 11, na powierzchni której zostały wykonane przyłączy gazowych do budynków. Konkurencja wśród firm co 900 cztery nacięcia frezem w kształcie litery V , rów- dostarczających różnego rodzaju media wymuszona przez nolegle do osi podłużnej o głębokości 0,2 grubości ścian- deregulację i prywaryzację spowodowała wprowadzenie no- ki,wytrzymała do uszkodzenia minimum 165 h podczas wych rozwiązań technicznych umożliwiajacych obniżenie oznaczania wytrzymałości hydrostatycznej w temperaturze kosztów budowy i użytkowania sieci. Jako przykład można tu 800C, pod ciśnieniem 9,2 bar. Stowarzyszenie podwyższyło przytoczyć stosowane w Niemczech wielofunkcyjne przyłącza w tym przypadku czas do uszkodzenia na 500 godzin. do budynków (multi utility connections) [4], przedstawione Wysokie wymagania w zakresie odporności na powolną na fot. 1. propagację pęknięć mają istotne znaczenie praktyczne. Rury Jak wynika z dokonanego przeglądu rozwiązań technicz- polietylenowe w trakcie składowania, transportu, rozładunku nych systemów rurowych stosowanych przy budowie i re- i instalowania, często ulegają uszkodzeniom, najczęściej polega- nowacji sieci gazowych, w większości spełniają one specy- jącym na zarysowaniu ich powierzchni. Rury spełniające wyma- ficzne wymagania związane z instalowaniem rurociagów gania PE 100+, charakteryzują się szczególnie wysoką odporno- w aglomeracjach miejskich metodami bezwykopowymi lub ścią na oddziaływania tego typu. w wykopach wąskoprzestrzennych. Daje się tu zauważyć sta- Ta cecha jest bardzo istotna w przypadku układania rurociągów ły postęp. Nowe rozwiązania zapewniają wyższy poziom bez- metodami bezwykopowymi lub w wykopach wąskoprzestrzen- pieczeństwa użytkowania sieci oraz pozwalają na obniżenie nych. Szybka propagacja pęknięć jest zjawiskiem, które może się kosztów w firmach dystrybucyjnych. Jako przykład jednego rozwijać w rurach PE na znacznej długości z dużą prędkością. z kierunków prac badawczych w tym obszarze można przy- Może być na przykład zainicjowane uszkodzeniem gazociągu toczyć wprowadzony do planu prac Gas Technology Institute łyżką koparki w niskiej temperaturze otoczenia. Kryteria przyjęte (USA) temat dotyczacy opracowania nowego systemu ruro- przez stowarzyszenie PE 100+ dają gwarancję, że rury, które je wego z tworzyw sztucznych, który będzie formowany na bu- spełniają , nie będą praktycznie ulegały tego typu uszkodzeniom dowie. Materiał na rury będzie dostarczany na budowę w po- w krajowych warunkach klimatycznych. staci taśmy nawiniętej na bęben, co znacznie ułatwi transport Zgodnie z ustaleniami norm miedzynarodowych rury poliety- i przenoszenie w porównaniu do technologii bazującej na lenowe klasy PE 100 mogą być stosowane do rozprowadzania gotowych rurach. W dalszej kolejności tworzywo w postaci gazu pod ciśnieniem do 10 bar, a wody do 25 bar. W przypadku taśmy zostanie uformowane w rurociągi i połączone metodą gazu limit ciśnienia może być podwyższony do 16 bar przy za- spawania laserowego [5]. stosowaniu rur z polietylenu sieciowanego PEX. Podczas renowacji gazociągów lub przy ich układaniu w wy- kopach wąskoprzestrzennych istotnego znaczenia nabiera od- LITERATURA [1] Belforte A. Reliable and environmental friendly polyethylene pipes for gas porność rur polietylenowych na zarysowania lub uszkodzenia transportation to end consumers. International Gas Union 22nd WGC, To- powodowane obciążeniem punktowym. Wysoką odporność kyo 2003. na oddziaływania tego typu wykazują rury wielowarstwowe [2] www.tworzywa.com.pl. (multilayer), które są produkowane w dwóch odmianach: [3] ISO/DIS 17456.2 Plastics piping systems Multilayer pipes Determina- M i P . Odmiana M zawiera jedną lub więcej warstw metalu, tion of long-term strength. [4] International Gas Union - 22nd WGC Tokyo 2003. Report of Study Gropup a odmiana P składa się z dwóch lub więcej warstw polimeru. 5.1 Improved procedures for customer connection. Ciśnienie, jakie może być bezpiecznie utrzymywane w rurze [5] Gas Technology Institute. 2005-2009 Gas Industry Collaborative RD&D wielowarstwowej w długim przedziale czasowym [3] można wy- Plan. liczyć ze wzoru: 49 Inżynieria Bezwykopowa styczeń marzec 2005