CC BY
20
© Ю.Н. Куликов, 2014
УДК 622.28:621.643.29 Ю.Н. Куликов
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ОБДЕЛОК МИКРОТОННЕЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ
Старение полимерных труб обделки микротоннелей происходит по всему объемы и приводит к их полному и одновременному разрушению. Рассмотрена методика расчета долговечности этих обделок на основе гипотезы старения материалов, определены ожидаемые сроки выхода из строя некоторых видов полимерных обделок.
Ключевые слова: полимерные трубы, обделка, старение, полиэтилен, начальная прочность, мгновенная прочность.
Полимерные обделки претерпевают химические превращения, снижающие их физико-механические показатели, что приводит к образованию трещин, их распространению и, в конечном итоге, разрушению трубы. Особенность полимерных труб состоит в том, что они стареют по всей массе и разрушаются одновременно и полностью. При определении сроков службы полиэтиленовых обделок микротоннелей за исходные предпосылки были приняты гипотеза старения материалов Р. Хэвиленда в виде основного уравнения
(1)
где 0 - энергия активации; Е - энергия реакции (Е = ЯТ, Т = 293 К, 303 К); в - мгновенная прочность; в - начальная прочность; К" - является функцией концентраций реагирующих веществ и их природы.
По данным работы Веттегрень В.И., Марихина В.А., Мясниковой Л.П. [1] был произведен анализ наиболее вероятных значений энергии активации полиэтилена. В результате получено значение 0 = 97,7 кДж/ моль, которое и применено для дальнейших исследований.
В дальнейших исследованиях за начальную прочность принимается отпускная прочность полиэтилена на сжатие Я отп равна 12 МПа. За мгно-
сж 1
венную прочность принимается прочность полиэтилена Ясжмгн, которая определяется по логарифмическому закону [2]:
старения Аррениуса [3]:
1п в = 1п в - К" ге
д Чщяты
16-
12-
10-
8-
^ О
93
. 'М (1,93;9,01)
/
2.5
3,5 К", >10 15
- Гистограмма распределения функции 1С'
— — — Кривая нормального распределения функции К"
Распределение функции концентраций реагирующих веществ
0
КГ = а 1д т + Ь, % (2)
где т - время службы полиэтилена, сут; а и Ь - константы, а = -36; Ь = 124.
Поскольку полимеры являются относительно новым материалом, то функцию концентраций реагирующих веществ (К") предлагается определить, преобразовав уравнение Аррениуса следующим образом:
к" = 1п Я™ _ 1п(а 1д т + Ь)
_ О
т-еЕ . (3)
По результатам построено распределение для вариационного ряда из 46 дат (рис., табл. 1).
Таблица 1
Расчеты функций концентраций реагирующих веществ (К")
и сут 5 7 10 14 18 22 26 28 32 36 40 44 48 52 56
а ,% сж' 98,8 93,3 88 83,7 78,8 75,7 73,1 71,9 69,8 68 66,3 64,8 63,5 62,2 61,1
в, МПа 11,86 11,21 10,56 9,92 9,46 9,08 8,77 8,63 8,38 8,16 7,96 7,78 7,62 7,46 7,33
К", х1015 0,58 2,42 3,13 3,33 3,24 3,11 2,96 2,89 2,75 2,63 2,51 2,41 2,32 2,24 2,16
1, сут 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 100 104 108 112 116
а , % сж' 60 58,9 58 57,1 56,3 55,5 54,7 54 53,3 52,6 52 51,4 50,8 50,2 49,7
в, МПа 7,2 7,07 6,96 6,85 6,76 6,66 6,56 6,48 6,4 6,31 6,27 6,17 6,1 6,02 5,96
К", х1015 2,09 2,03 1,96 1,94 1,85 1,8 1,76 1,72 1,67 1,64 1,6 1,57 1,54 1,51 1,48
1, сут 120 124 128 132 136 140 144 148 152 156 160 164 168 172 176 180
а , % сж' 49,1 48,6 48,4 47,7 47,2 46,7 46,3 45,9 45,5 45 44,7 44,3 43,9 43,5 43,2 42,5
в, МПа 5,9 5,83 5,81 5,78 5,66 5,6 5,56 5,5 5,46 5,4 5,36 5,32 5,27 5,22 5,18 5,14
К", х1015 1,45 1,43 1,39 1,38 1,35 1,33 1,31 1,29 1,27 1,25 1,23 1,22 1,2 1,19 1,17 1,15
Таблица 2
Долговечность полимерных облелок в различных условиях заложения
и эксплуатации | лет)
Температура сточных ВОД, °С Наружный (внутренний) лиаметр микротоннелей, мм
630 (605) 1200 (1154)
Вид материала обделки
Полиэтилен Стеклопластик Полиэтилен Стеклопластик
Долговечность, лет
20 °С 91 119,6 90,1 93,2
30 °С 72,5 189,9 70,9 92,7
Учитывая характер распределения и небольшую величину среднего квадратичного отклонения, можно утверждать, что для уравнения старения полимеров величина К" равна 1,931015 при температуре сточных вод 20 °С. Таким же методом провели исследование для температуры Т = 303 К, величина математического ожидания в этом случае составила К" = 0,591015. Данные величины для расчета долговечности полимерных обделок получена впервые.
При дальнейшем исследовании долговечности полимерных обделок микротоннелей, сделан акцент на температурный фактор, характерный для сточных вод. Температура сточных вод принята 20 °С, 30 °С. Результаты исследования представлены в табл. 2.
1. Веттегрень В.И., Марихин В.А., Мяс-никова Л.П. и др. Распределение энергий активации ползучести ориентированного полиэтилена. // Письма в ЖГФ - 2003. - Т. 29, Вып. 20. - С. 26-32.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Куликов Ю.Н., Куликова Е.Ю., Ха-жеинов К.В. Долговечность ограждающих конструкций подземных сооружений. - М.: Горная книга, 2009. - 318 с.
3. Мирцхулава Ц.Е. Надежность гидро-мелиоративнык сооружений. - М.: Изд-во «Колос», 1974 - 272 с. ЕЛЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Куликов Юрий Николаевич - профессор,
Московский государственный горный университет, e-mail: ud@msmu.ru.
UDC 622.28:621.643.29 THE DURABILITY OF THE LINING OF MICRO-TUNNELS OF POLYMER PIPES
Kulickov Yu.N., Professor,
Moscow State Mining University, e-mail: ud@msmu.ru.
The aging of polymeric pipes lining of micro-tunnels going on around the volumes and leads to their full and simultaneous destruction. The technique of calculation of durability of these linings on the basis of the hypothesis of aging of materials is defined, expected timing of the failure of some types of polymeric lining is find out.
Key words: polymeric pipes, lining, aging, polyethylene, initial strength, instant strength.
REFERENCES
1. Vettegren' V.I., Marihin V.A., Mjasnikova L.P. Raspredelenie jenergij aktivacii polzuchesti orientiro-vannogo polijetilena. Pis'ma v ZhTF (Распределение энергий активации ползучести ориентированного полиэтилена. Письма в ЖТФ), 2003, vol. 29, issue 20, pp. 26-32.
2. Kulikov Ju.N., Kulikova E.Ju., Hazheinov K.V. Dolgovechnost' ograzhdajushhih konstrukcij podzemnyh sooruzhenij (Долговечность ограждающих конструкций подземных сооружений), Moscow, Gornaja kniga, 2009, 318 p.
3. Mirchulava C.E. Nadezhnost' gidromeliorativnyh sooruzhenij (Надежность гидромелиоративных сооружений), Moscow, Izd-vo «Kolos», 1974, 272 p.
