Воздействие высоких температур на прочностные характеристики асбестоцементной трубы

Благодаря положительным характеристикам и свойствам асбестоцемента, асбестоцементные трубопроводы имеют достаточно преимуществ перед другими материалами труб, а особенно перед металлическими при использовании их для транспортирования перегретого водяного теплоносителя. Требования СНиП [1] и СП [2] строго регламентируют условия эксплуатации неметаллических труб для теплоснабжения - это температура теплоносителя до 1150С и рабочее давление до 1,6МПа. Наименьшая глубина заложения труб является наиболее выгодной, но поскольку одним из недостатков асбестоцементных материалов является значительная механическая хрупкость, то имеется необходимость экспериментальным путем установить величины предельных нагрузок, которым могут быть подвержены асбестоцементные трубы.

В условиях бесканальной прокладки тепловой сети на трубопровод воздействуют изгибающие силы вследствие собственного веса трубы, веса находящейся в ней теплоносителя и веса слоя земли, покрывающего трубу. Также они подвергаются нагрузкам на сжатие от веса слоя земли, прикрывающей трубу, динамических нагрузок, создаваемых транспортом при движении на поверхности земли, и чистому растяжению в процессе эксплуатации, при работе под гидравлическим давлением. Помимо указанных выше нагрузок, действующих на уложенные в земле трубы, в условиях практического применения асбестоцементные трубы могут получить удары во время погрузки, транспортировки и укладки.

В основу методик исследований были приняты стандартные положения [3,4] с некоторыми дополнениями, в частности, все исследуемые образцы выдерживались в водных растворах при постоянных температурах среды до полного водонасыщения (например, образцы партии, выдерживаемой при температуре теплоносителя 40⁰С далее обозначаются как образцы «Г40»; выдерживаемые при температуре теплоносителя 60⁰С - «Г60»; при температуре теплоносителя 80⁰С - «Г80»; при температуре теплоносителя 100 0 С -«Г100»; в качестве эталона приняты образцы той же марки асбестоцементного трубопровода со склада, обозначим их под индексом «Э»; под индексом «С» представлены образцы той же партии, но высушенные при температуре 100-110⁰С).

Исследование водопоглощения образцов асбестоцементной трубы в зависимости от температуры воды

Исследование на водопоглощение производилось на образцах кубической формы 20*20*20 мм, вырезанных из асбестоцементных труб марки ВТ-9 номинальным диаметром 150 мм. Характер водопоглощения образцов с течением времени представлен на рисунке 1.

15 % ♦

15 46% 15 53% 15.82% 15,82% 15,82%

14,34%№^____________

.Т^4«**У7% |у8% ,У°* 1У°* 1У0%

l^,5Z/0    ’          ____________________________________

13 82% 14.73% 14,74% 14,62% 14,62% 14,62% 12.96%           ’

1323% 13,60% 14,08% 14,14% 14,62% 14,62% 14,62% ф      ф Ф Ф Ф Ф Ф

-^Т40"

-*-Т60"

-Я-Т80"

-Ф-Т100’

10%

2       3       4      35      52      83

Время выдерживания образцов, сут

Рис. 1. Характер водопоглощения образцов различных партий

Замечено, что после выдерживания в воде у всех образцов наблюдается изменение цвета на наружной поверхности - буро-коричневый «ободок» (показано стрелкой на рисунке 2), который говорит о карбонизации внешнего слоя трубы. Это явление положительное, так как при этом повышается устойчивость стенки трубы к коррозии.

Рис. 2. Образец после воздействия теплоносителя

Предел прочности асбестоцементных труб на сжатие

Для хрупких материалов, в число которых входит асбестоцемент, основной прочностной характеристикой является предел прочности на сжатие. Результаты испытаний образцов на сжатие представлены на рисунке 3.

■ «Э»   ■ «С»  О«Г40» ■ «Г60» ■ «Г80» И«Г100»

Рис. 3. Усредненные значения предела прочности при сжатии образцов асбестоцементного трубопровода

Прочность образца трубы при изгибающих усилиях

Чистому растяжению в процессе эксплуатации асбестоцемент подвергается при работе под гидравлическим давлением. В отличие от чистого растяжения это напряжение называется растяжением при изгибе. Результаты испытаний представлены на графике – рисунок 4.

'       л                 иэ1 ииагиицил уиилиял

С

2 40.     37,96

■ «Э»   ■ «С»  ■«Г40»  ■«Г60» ■«Г80» И«Г100»

Рис. 4. Усредненные значения предела прочности при изгибе образцов асбестоцементного трубопровода

Ударная вязкость

Основным свойством труб, предназначаемых для трубопроводов, должно быть отсутствие хрупкости, а также способность сопротивляться ударам, так как в условиях практического применения они могут получить удары во время погрузки, транспортировки и укладки. Результаты испытаний представлены на рисунке 5.

я «э»   е«Г40» я«гбо» я«г80» я «гюо»

Рис. 5. Усредненные значения предела прочности на ударную вязкость образцов асбестоцементного трубопровода

Исследование предела прочности на водопроницаемость асбестоцементного трубопровода производилось на экспериментальной установке, изготовленной из обрезка асбестоцементной трубы. Принципиальная схема и общий вид установки представлены на рисунке 6.

Рис. 6. Принципиальная схема и общий вид экспериментальной установки

Параметры работы экспериментальной установки в течение всего времени испытаний представлены на рисунке 7.

Рис. 7. Рабочие условия экспериментальной установки

Анализируя данные экспериментов, можно сделать следующие выводы:

• 1.    Вследствие продолжающейся гидратации зерен цемента в асбестоцементе с течением времени водопоглощение материала повышается и составляет 14-16% по массе при плотности материала 2г/см³. Все выдерживаемые образцы максимально насыщаются влагой в первые двое – трое суток, после чего средняя плотность материала увеличивается и дальнейшее водонасыщение происходит в очень небольших соотношениях (0,05 – 0,25 %).

• 2.    Степень водопоглощения зависит от качества сырья (марки асбеста и цемента), процентного соотношения асбеста и цемента, технологии изготовления трубы (плотности намотки), а также от толщины стенки. Используемые для исследования трубопроводы были изготовлены на комбинате «Волна» г. Красноярск, в состав входит 15% асбеста и 85% портландцемента. Эти трубопроводы изготовлены машинным способом – навивкой под давлением. Стенки труб состоят из отдельных тонких слоев-пленок, накладываемых на форматную скалку и спрессовываемых в процессе формования в монолит. Для произведенных таким способом трубопроводов величина водонасыщения (14-16%) является в пределах допустимых значений относительно эталонных образцов.

• 3.    На рисунках 3-5 отображены среднеарифметические результаты пределов прочности исследуемых образцов по различным видам деформаций, наглядно видно как снижение предела прочности относительно эталонного образца, так и его повышение в зависимости от характера изменения температурных режимов. Так, снижение происходит при температурах водной среды от 40 до 60⁰С, повышение при температуре свыше 80⁰С. Все прочностные показатели для образцов при испытании на изгиб, ударную вязкость, сжатие отличаются на величину примерно 15%. При таком колебании показателей асбестоцемент можно признать практически довольно однородным материалом.

• 4.    На прочность асбестоцемента оказывают влияние качественные показатели цемента и асбеста, а также различные значения температуры и увлажнения при эксплуатации. У насыщенных водой образцов прочность при изгибе и ударе оказывается меньше, чем у воздушно-сухих, в среднем на 15-16%. Воздушно-сухой асбестоцемент, т.е. асбестоцемент, который выдерживался в обычных температурно-влажностных условиях, содержит 8-11% гигроскопической влаги. Эта влага оказывает капиллярное давление на стенки пор и создает дополнительное напряжение в материале. Асбестоцемент, высушенный при температуре 100-110°C, имеет прочность при изгибе на 12-18% больше, чем в воздушно-сухом состоянии.

• 5.    Прочность волокон асбеста при растяжении вдоль волокон ниже, чем в поперечном направлении.

• 6.    Упругие свойства волокон армирующего асбеста в значительной степени определяют сопротивляемость асбестоцемента ударным нагрузкам. Хотя ударная вязкость асбестоцемента относительно невелика (1-5кГсм/см²), однако она существенно превосходит ударную вязкость цементного камня. Армирование цементного камня асбестовым волокном существенно повышает прочностные характеристики.

• 7.    Испытания на сосредоточенный удар позволили установить, что разрушающая работа прямо пропорциональна толщине стенок трубы и обратно пропорциональна квадрату её диаметра. Это явление можно объяснить недостаточной силой сцепления между цементом и асбестом, составляющей примерно 1/3 величины временного сопротивления цемента на разрыв и 1/200 той же характеристики асбеста. Шелковистая поверхность асбестового волокна толщиной всего около 27 мкм при диаметре зерна цемента около 80 мкм не обеспечивает достаточно надежного сцепления.

• 8.    Исследования водонепроницаемости, производимые на экспериментальной установке, показали, что тестируемая асбестоцементная труба марки ВТ-9 хорошо переносит высокую температуру до 150 ⁰С и двойное превышение рабочего давления, создаваемого теплоносителем на стенки трубы.