COMPORTAREA CONDUCTELOR DIN PAFSIN ÎN DIFERITE TIPURI … · Teza este structurată pe 5 capitole,...

Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi Iasi

Facultatea de Hidrotehnică, Geodezie și Ingineria Mediului

COMPORTAREA CONDUCTELOR DIN PAFSIN

ÎN DIFERITE TIPURI DE TERENURI

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Conducător științific: Prof. dr.ing. Florian Stătescu

Doctorand: ing. Gabriel Cojocaru

2017

UNIVERSITATEA TEHNlcA "GHEORGHE ASACHI" DIN IASI

RECTORATUl

catre

Va facem cunoscut ca, In ziua de 28.09.2017Ia ora 10,00, In Sala de Conferinte din

sediul Dacanatului Facultatil de Hidrotehnica, Geodezie ~i Ingineria Mediului, va avea loc

sustinerea publica a tezei de doctorat intltulata:

II COMPORTAREA CONDUCTELOR PAFSIN iN DIFERITE TIPURIDE TERENURI"

elaborata de domnullNG. COJOCARU GABRiEl in vederea conferirii titlului stiintific de doctor.

Comisia de doctorat este aldituita din:

1. Prof.univ.dr.ing. Ion Giurma, Universitatea Tehnica "Gheorghe Asachl" din lasi2. Prof.univ.dr.ing. Florian Statescu, Universitatea Tehnica "Gheorghe Asachi" din la~i

presedinteconducator dedoctoratreferent oficialreferent oficial

3. Prof.univ.dr.ing. Constantin Florescu, Universitatea .Politehnlca" din Tlmisoara4. Prof.univ.dr.ing. Daniel Bucur, Universitatea de Stiinte Agricole ~iSilvice"Ion lonescu de la Brad" din lasi5. Prof.univ.dr.ing. Mihai Profire, Universitatea Tehnica "Gheorghe Asachi" din lasi referent oficial

Cu aceasta ocazie va invitarn sa particlpati la sustinerea publica a tezei de doctorat.

/ RECTOR,

1

COMPORTAREA CONDUCTELOR DIN PAFSIN ÎN DIFERITE TIPURI DE TERENURI

CUPRINS

INTRODUCERE 5

Cap.I. CARACTERISTICILE CONSTRUCTIVE ŞI TEHNOLOGII

DE FABRICAŢIE A CONDUCTELOR

9

I.1. Materialul compozit PAFSIN 9

I.2. Termeni, definiţii şi simboluri 10

I.3. Tehnologii de fabricaţie a conductelor PAFSIN 13

I.4. Standarde privind conductele PAFSIN 16

I.5. Testarea conductelor pe termen lung 17

I.5.1. Testarea la coroziune pentru deformarea sub sarcină 17

I.5.2. Baza de proiectare hidrostatică – HDB (Hydrostatic design basis) 18

I.5.3. Testarea la deformare circumferenţială pe termen lung 19

I.5.4. Rigiditatea pe termen lung 19

I.6.Calculul static pentru conductele PAFSIN îngropate 20

I.6.1. Tipuri de sol 20

I.6.2. Încărcări din trafic 21

I.6.3. Tensiunea în sol la nivelul generatoarei superioare 22

I.6.4. Presiunea internă din conducte 30

I.6.5. Redistribuţia eforturilor în sol 30

I.6.6. Parametri relevanţi 31

I.6.7. Factori de concentrare şi raportul de rigiditate 35

I.6.8. Influenţa lăţimii relative a tranşeei 43

I.6.9. Distribuţia presiunilor pe circumferinţa conductelor 44

I.6.10. Forţe secţionale 47

I.6.11. Eforturi 48

I.6.12. Deformaţii 48

I.6.13. Verificări relevante 49

I.7.Notiuni de hidraulică specifice conductelor PAFSIN 56

Cap. II. COMPORTAREA MATERIALULUI COMPOZIT PAFSIN

ÎN MEDII CU REACŢIE VARIATĂ

59

II.1. Fenomene care apar în masa compozitului 59

II.2. Testarea la încovoiere 63

II.3. Testarea la impact şi testul Barcol 66

Cap. III. EVALUAREA TEORETICĂ ŞI EXPERIMENTALĂ A

COMPORTĂRII CONDUCTELOR PAFSIN

72

III.1. Direcţii de cercetare 72

III.2. Perimetre experimentale 75

III.3. Determinarea caracteristicilor terenurilor 81

III.3.1. Compoziţia granulometrică 81

III.3.2. Conţinutul în humus şi carbon organic 83

III.3.3. Conţinutul în carbonaţi 85

III.3.4. Reacţia solului 86

III.3.5. Compoziţia soluţiei solului 87

III.4. Testarea caracteristicilor conductelor 90

III.4.1. Testarea rigidităţii 91

2


III.4.2. Testarea efortului axial 91

III.4.3. Testarea efortului longitudinal 92

III.4.4. Testarea Barcol 93

III.5. Rezultate obţinute 94

III.5.1. Caracteristicile terenurilor în care au fost pozate conductele PAFS 94

III.5.2. Evaluarea comportării conductelor prin metoda vizual 100

III.5.3. Evaluarea modificării compoziţiei structurale a conductelor 101

III.5.4. Evaluarea modificării rezistenţei la întindere axială 105

III.5.5. Calculul indicelui de afectare a conductei pentru întindere axială 110

III.5.6. Calculul coeficienţilor de corelaţie Pearson pentru întindere axial 111

III.5.7. Evaluarea modificării rezistenţei la întindere circumferenţială 112

III.5.8. Calculul indicelui de afectare a conductei pentru intindere

circumferenţială

117

III.5.9. Calculul coeficienţilor de corelaţie Pearson pentru întindere

circumferenţială

117

III.5.10. Evaluarea modificării rigidităţii conductei 119

III.5.11. Calculul indicelui de afectare a conductei pentru rigiditate 120

III.5.12. Calculul coeficienţilor de corelaţie Pearson pentru rigiditate 121

III.5.13. Evaluarea modificării rezistenţei la penetrare prin testul Barcol 122

Cap.IV. ESTIMAREA DURATEI DE VIAŢĂ A CONDUCTELOR

PAFSIN

123

IV.1. Aprecieri privind durata de viaţă a conductelor PAFSIN 123

IV.2. Estimarea duratei de viaţă a conductelor PAFSIN prin aplicarea

calculului static

125

Cap.V. CONCLUZIILE LUCRĂRII DE DOCTORAT 133

V.1. Concluzii finale 133

V.2. Contribuţii originale în lucrare 135

V.3. Perspective pentru continuarea cercetărilor 138

Bibliografie 139

3


MULȚUMIRI

Adresez cele mai sincere mulțumiri domnului prof.dr.ing. Florian Stătescu,

pentru sprijinul și înțelegerea arătată pe tot parcursul studiilor doctorale.

Aceleași calde mulțumiri și domnului conf.dr.ing Nicolae Marcoie, precum și

domnului ș.l.dr.ing. Lucian Pavel pentru susținerea și prietenia dovedite.

Mulțumiri și recunoștință domnului prof.dr.ing. Corneliu Cismaru, pentru

dedicația dovedită de-a lungul studiilor mele universitare.

Deasemenea, mulțumesc firmei SUBOR și domnilor Kemal Tunḉ și Metin

Ḉelikkan pentru sprijinul logistic și tehnic furnizat.

Un gând pios memoriei domnului prof.dr.ing. Ovidiu Alexandrescu, pentru

rolul decisiv avut în formarea mea profesională.

4


INTRODUCERE

Tema lucrării a fost generată de nevoia de a răspunde unor întrebări generate de

comportamente remarcate în exploatarea conductelor din PAFSIN, pe alocuri neconforme cu cele

descrise de literatura de specialitate. În contextul creșterii semnificative a utilizării acestui tip de

tuburi, clarificarea situațiilor de acest gen poate face diferența dintre succesul și eșecul unei lucări

de alimentare de apă sau canalizare.

Cazurile cele mai evidente remarcate în cei 18 ani de experință profesională se

împart în două mari categorii:

1.avarii produse în terenuri poluate antropic,

2.avarii produse în terenuri cu reacție chimică non-neutră din cauze naturale.

În prima categorie, majoritară, se înscriu în general terenuri din arii urbane și/sau

industriale, precum și terenurile din zonele exploatărilor petroliere, de gaze naturale, exploatări

miniere, proximitatea magistralelor de transport țiței/produse petroliere sau saliductelor.

În a doua categorie se regăsesc terenurile supuse unui proces natural de virare a reacție

soluției solului spre alcalin, respectiv acid. Personal am regăsit comportamente anormale ale

conductelor PAFSIN eminamente în terenurile cu reacție alcalină (în zona Amara, jud. Ialomița),

nu și în terenuri cu reacție acidă. De altfel, acest model s-a confirmat, după cum se va vedea, în

urma determinărilor experimentale realizat.

Superioritate netă a tuburilor PAFSIN față de orice alte materiale folosite în infrastructura

de apă în ceea ce privește rezistența la agresiuni chimice nu înseamnă și infaibilitatea acestui

material. Clarificarea modului în care acest material răspunde unor situații extreme din punct de

vedere al terenului de pozare nu poate fi decât un sprijin pentru proiectanți, constructori, beneficiari

finali și producători de tuburi PAFSIN.

Teza este structurată pe 5 capitole, precedate de o Introducere.

Capitolul 1, intitulat Caracteristicile constructive și tehnologii de fabricație a

conductelor începe printr-o prezentare a materialului compozit PAFSIN, urmată de un succint

îndrumar de termeni, definiții și simboluri specifice standardelor aferente tuburilor PAFSIN.

Descrierea tehnologiilor de fabricație a tuburilor PAFSIN, alături de enumerarea standardelor

internaționale care guvernează producția conductelor PAFSIN precede trecerea în revistă a testelor

5


pe termen lung pe care acestea trebuie să le îndeplinească. Măsura în care conducta PAFSIN poate

sau nu să fie în anumite contexte de teren/încărcări este dată de calculul static, detaliat descris în

acest capitol, care se încheie cu noțiuni de hidraulică specifice.

Capitolul 2, intitulat Comportarea materialului compozit PAFSIN în medii cu reacție

variată descrie pentru început fenomene ce apar în masa compozitului imersat în medii agresive,

remarcate de autorii diverselor studii experimentale. Aceiași autori au efectuat testarea la

încovoiere a compozitului, precum și testarea la impact și testul Barcol, cu rezultate și proceduri

descrise în acest capitol.

Capitolul 3, cu denumirea Evaluarea teoretică și experimentală a comportării

conductelor PAFSIN debutează cu detalierea direcțiilor de cercetare și definirea perimetrelor

experimentale. Condițiile specifice din perimetrele experimentale au fost evaluate prin

determinarea caracteristicilor terenurilor, trecând apoi la testarea caracteristicilor conductelor.

Volumul substanțial de date experimentale obținute a a fost analizat cu ajutorul indicilor de

corelare Pearson, relevându-se astfel legături cauzale între diversele șiruri de variabile.

Capitolul 4, cu titlul Estimarea duratei de viață a conductei PAFSIN, pe lângă aprecieri

asupra duratei de viață normate a acestora (și a modului de determinare a acestei, conform

standardelor), realizează un exemplu concret de demonstrare a legăturii dintre tipul de teren de

pozare și durata de viață efectivă a conductelor PAFSIN, prin aplicarea unui calcul static tabelar,

conform standardului german ATV127.

Capitolul 5, intitulat Concluziile lucrării de doctorat, prezintă concluziile finale, atât prin

prisma mecanismelor intime de degradare, cât și prin cea a modificării caracteristicilor funcționale

ale conductelor PAFSIN, cu focus pe anizotropia materialului și modificarea comportamentului

elastic. Enumerarea contribuțiilor originale ale lucrării, urmate de perspectivele pentru

continuarea cercetărilor încheie acest capitol final, succedat de bibliografia cu 75 de referințe.

6


Capitolul 1. CARACTERISTICILE CONSTRUCTIVE ŞI TEHNOLOGII DE

FABRICAŢIE A CONDUCTELOR

Materialul numit generic PAFSIN (poliester armat cu fibră de sticlă şi inserţie de nisip) sau

GRP (glass reinforced plastic) face parte din categoria materialelor compozite. În compoziţia sa

intră: răşini cu întărire termică, fibră de sticlă, uneori nisip cuarţos (dioxid de siliciu minim 98%).

Răşinile pot fi poliesterice nesaturate (ortoftalice sau izoftalice), vinil-esterice, bisfenolice, sau

epoxy. Dacă conlucrarea dintre matricea de fibră de sticlă şi masa de răşină, eventual cu inserţia

de nisip, este vitală pentru atingerea scopurilor funcţionale ale compozitului, vasta gamă de

combinaţii posibile între aceste componente generează unul din avantajele esenţiale ale

materialului compozit PAFSIN: adaptabilitatea la situaţia concretă din teren prin elaborarea unei

reţete de fabricaţie corespunzătoare necesitaţilor practice.

Folosirea răşinii cu întărire termică presupune apariţia la cald a unor reacţii chimice, prin

care se formează molecule cu formă definitivă, ceea ce duce la o rezistenţă excepţională la foc.

Alte caracteristici specifice compozitului PAFSIN sunt rezistenţa la agresiuni chimice, greutate

specifică mică, rezistenţa la radiaţii UV, necoroziv, izolator electric, permeabil pentru frecvenţele

radio, izolator fonic, preţ de cost relativ scăzut.

Compozitul PAFSIN se foloseşte în multiple domenii, cum ar fi reţelele de apă şi canalizare

(conducte, rezervoare, fittinguri), industria auto şi aeronautică, industria petrochimică, energetică

(conducte hidro/termoenergie, turbine eoliene), produse sportive, produse electrice/electronice,

construcţii.

Mărimile definitorii pentru conductele din PAFSIN sunt:

• Diametrul nominal DN, o reprezentare alfanumerică a mărimii, comună tuturor

componentelor unui sistem de conducte. Pentru convenienţă, se foloseşte un număr rotund,

specific diametrelor interioare exprimate în mm.

• Diametrul specific, declarat de producător ca fiind diametrul interior sau exterior mediu,

produs conform unui anumit diametru nominal (DN).

• Rigiditatea nominală, reprezentare alfanumerică în scopuri de clasificare, având aceeaşi

valoare cu rigiditatea minimă iniţială necesară, exprimată în N/m2.

• Presiunea nominală PN este reprezentarea alfanumerică (PN plus un număr) folosită în

scop de clasificare, numeric egală cu rezistenţa unui component al sistemului de conducte

la presiune internă, exprimată în bar.

7


• Lungimea nominală este reprezentarea numerică în m a lungimii conductei, rotunjită la

cea mai apropiată valoare rotundă.

Comparativ cu celelalte materiale folosite în lucrările edilitare, conductele din PAFSIN au

următoarele caracteristici, respectiv avantaje:

• Rezistenţă la coroziune: nu necesită protecţie catodică, căptuşire, învelire sau alte metode

de protecţie suplimentară împotriva coroziunii, specifice conductelor din oţel sau fontă

ductilă;

• Greutate scazută: de 4 ori mai uşoară ca fonta ductilă; de 10 ori mai uşor decât betonul sau

gresia ceramică, ceea ce reduce costurile de transport şi manipulare;

• Lungimi standard mari (practic orice lungime între 6m şi 18m, în cazul conductelor

PAFSIN produse prin înfăşurare): mai puţine imbinări, ceea ce măreşte ritmul de pozare şi

scade riscul de avarii;

• Caracteristici hidraulice superioare: suprafaţă internă foarte netedă, deci debit de

autocurăţire mic, panta minimă impusă la canalizare gravitaţională mică, coeficient Hazen-

Williams C=150, coeficient Manning n=0,009, rezistenţă ridicată la abraziune, viteza undei

de presiune redusă, aşadar costuri mici de protecţie a sistemului împotriva loviturii de

berbec şi a undei de şoc;

• Durată de viaţă normată mare;

• Coeficient de dilatare mic, rezistenţă la radiaţii ultraviolete, ceea ce permite pozarea

supraterană;

• Flexibilitate mare, permiţând deformări elastice de până la 25% din diametru fără afectarea

structurii de rezistenţă.

Conductelor PAFSIN sunt folosite în Romania în următoarele aplicaţii:

• Transport şi distribuţie de apă potabilă şi apă brută;

• Sisteme de canalizare pluvială şi menajeră;

• Ape pluviale;

• Conducte de aducţiune în hidroenergie;

• Captări de ape marine şi deversări marine;

• Sisteme de circulare a apei de răcire în termoenergie;

• Aplicaţii industriale;

8


• Relining;

• Irigaţii, agricultură;

• Instalaţii de desalinizare;

• Minerit.

Începând cu sfârşitul anilor 1950 a început fabricarea conductelor din PAFSIN folosite

pentru alimentări cu apă, canalizări şi aplicaţii industriale prin diferite procedee tehnologice

(centrifugare, înfăşurare, etc).

Cel mai uzual procedeu (peste 80% din producţia mondiala) este cel prin înfăşurare, care

permite folosirea firelor continue de sticla pe direcţie circumferenţiala. Pentru conducte sub

presiune sau pentru cele pozate în tranşee efortul principal este cel circumferenţial, aşa încât

folosirea firelor continue pe direcţia aceasta prezintă avantaje deosebite in exploatare.

Tehnologia centrifugării foloseşte doar fire de sticlă tocate, dispuse aleator în masa

materialului, având avantajul unei densităţi mai mari a materialului. Tehnologia modernă de

înfăşurare, însă, a reuşit laminarea extrem de compactă a celor trei materiale componente,

optimizând compozitia conductei funcţie de necesităţile concrete din teren. Se foloseşte atât firul

continuu dispus circumferenţial, cât şi tocătura de fibră de sticlă pentru rezistenţă axială crescută.

Fig.1. Secţiune transversală prin perete conductă PAFSIN

Elementul de bază al tehnologiei de producţie a conductelor din PAFSIN înfăşurate este o

mandrină de înfăşurare formată dintr-o banda continuă de oţel susţinută de grinzi radiale. Pe

măsură ce mandrina se răsuceşte în jurul axului, fricţiunea împinge banda de oţel în spirală spre

capatul maşinii. Pe măsură ce mandrina se roteşte, toate materialele componente sunt aplicate în

cantităţile prestabilite din reţetă, sub control computerizat. Senzorii electronici monitorizează în

timp real cantităţile de materie prima furnizate. Se asigură astfel cantitatea de material necesara

9


pentru fiecare strat de material exact în succesiunea potrivită, în următoarea ordine: film pentru

demulare, răşină, diferite straturi de fibre de sticlă amestecate cu răşină, eventual şi cu nisip

cuarţos.

Foto 1. Linie tehnologică producere conducte PAFSIN – înfăşurare –

Producerea conductele PAFSIN centrifugare are ca element principal o matriţă rotativă, cu

lungime de 6m (de aici şi limitarea lungimii conductei). Prin intermediul unui braţ de alimentare

care se deplaseză în lungul matriţei, aceasta primeşte diferite cantităţi predeterminate (funcţie de

caracteristicile conductei de produs) de tocătură de fibră de sticlă, răşină şi nisip cuarţos în timp

ce se roteşte cu o viteză relativ mică. Cantităţile din cele trei ingrediente, precum şi succesiunea

livrării lor în matriţă sunt controlate computerizat. După ce cantităţile finale sunt livrate în matriţă,

viteza de rotaţie creşte semnificativ pentru a se ajunge la forţa centrifugă necesară asigurării

atingerii gradului de compactare dorit, cât şi pentru asigurarea dispersiei materialelor conform

reţetei. După răcire şi oprirea mişcării de rotaţie, conductăul este eliberat din matriţă, capetele

prelucrate şi adăugată mufa.

Foto 2. Linie tehnologică producere conducte PAFSIN – centrifugare

10


Conductele din PAFSIN trebuie să respecte o serie de standarde, dintre care cele mai

relevante sunt următoarele:

• ASTM D3262 canalizare gravitaţională;

• ASTM D3517 conducte sub presiune;

• ASTM D3754 canalizare sub presiune;

• ASTM 2996: specificaţii pentru conductele PAFSIN produse prin înfăşurare;

• ASTM 2997:specificaţii pentru conductele PAFSIN produse prin centrifugare;

• AWWA C950 este cel mai cuprinzător standard pentru conductele din PAFSIN;

Acest standard pentru conductele sub presiune conţine cerinţe de calitate atât pentru

conducte cât şi pentru mufe. AWWA M45 este manualul de proiectare al conductelor şi

fittingurilor din PAFSIN pentru aplicare îngropată sau supraterana.

• BS 5480, emis de British Standard Institute;

• DIN 16868 emis de Deutsches Institut fur Normung;

• AENOR (UNE 53323-EX), emis de Asociación Española de Normalización y

Certificación;

• ISO 10467 pentru canalizare şi drenaje;

• ISO 10639 pentru alimentări cu apă;

• EN14362 pentru apa reziduală;

• EN1796 pentru apa potabilă;

Comportamentul pe termen lung al conductelor PAFSIN trebuie certificat prin realizarea

unor testări pe termen lung, din care cele mai relevante sunt:

Testarea la coroziune pentru deformarea sub sarcină:

Fig.3. Testare la coroziune pentru deformarea sub sarcină

11


O testare extrem de importantă pentru conductele PAFSIN gravitaţionale, folosite la aplicaţii

de canalizare o constituie testarea chimica a conductei în condiţii de deformare sub sarcină,

conform standardelor ASTM D3262 şi D3681. Această probă se efectuează pe minimum 18

eşantioane de inele de conductă care să fie deformate în diferite proporţii şi deformaţia menţinută

constant. Aceste inele deformate sunt expuse ulterior pe suprafaţa interioară unei soluţii de 5%

acid sulfuric. Aceste condiţii simulează condiţia septică a unei conducte de canalizare îngropate.

Timpul de rupere/curgere se măsoara pentru fiecare eşantion de proba.

Baza de proiectare hidrostatică – HDB (Hydrostatic design basis)O testare de calificare,

asimilată unei testări pe termen lung, este stabilirea bazei de calcul hidrostatică. Această probă este

condusă conform ASTM2992 şi constă în supunerea unui număr minim de 18 specimene de

conductă la presiune hidrostatică constantă, pe diferite nivele depresiune, cu monitorizarea

timpilor pînă la colaps (curgere). Important este ca modul de conducere a testării să permită doar

deformări din întinderea circumferenţială, iar testul se consideră încheiat la apariţia primelor

semne de exfiltraţie, care de obicei precede deformări vizibile. Rezultatele sunt evaluate pe scara

logaritmică, valorile presiunii (sau a deformaţiei specifice la întindere pe directie circumferenţială)

versus timpul pâna la colaps (curgere) şi apoi extrapolate la 50 de ani. Presiunea de cedare la 50

de ani (în termeni de deformaţie specifică) – numită baza de proiectare hidrostatică (HDB) –

trebuie sa depăşească clasa de presiune (deformaţia specifică la clasa de presiune scontată)

conform factorului de siguranţă. Datorită combinaţiilor de încărcare – datorată forţelor date de

presiunea internă, dar şi forţelor externe din sarcinilor geologice - factorul real de siguranţă pe

termen lung contra cedării la presiune este mai ridicat decât acest factor de siguranţă.

Testarea la deformare circumferenţială pe termen lung

Acest test se desfăşoară conform ASTM D5365, şi constă în monitorizarea timpului de

cedare sub sarcină constantă a unei serii de probe (minim 18). Rezultatele obţinute (deformare

versus timp de cedare) sunt extrapolate liniar la 50 de ani.

Testarea se face în condiţii de imersare totală în fluid, la coeficient de 23 grade Celsius, cu

indicarea pH-ului acestuia. Din cauza imposibilităţii masurării continue a deformării, se va lua în

calcul ca deformarea la rupere ultima valoare măsurată înainte de colaps (ceea ce presupune o

subestimare a timpului de cedare, un coeficient de siguranţă suplimentar).

12


Rigiditatea pe termen lung

Această testare se desfăşoară conform EN1225, şi constă în supunerea unei probe de

conductă (imersată în fluid) la o sarcină care să provoace o deformare verticală iniţială de 3%. Cu

sarcina păstrată constantă, proba este monitorizată 10000 ore. Rezultatele sunt supuse unei

extrapolări polinomiale de ordinul doi, se determină rigiditatea la 50 de ani, care, conform ATV127

şi AWWA M45 nu trebuie să fie mai mică de 60% din valoarea iniţială asumată. Interesant este că

rezultatele raportate de producătorii de conducte PAFSIN induc concluzia unei deprecieri mai

abrupte la conductele produse prin centrifugare faţă de cele produse prin înfăşurare.

Măsura în care o anumită conductă poate rezista sau nu încărcărilor complexe din

exploatare este data de rezultatul calculului static, conform standardului german ATV 127E din

anul 2000, ediţia a-III-a. În acesta se calculează rigidităţi ale conductelor, acoperirile necesare şi

tipul de pat de pozare. Se permite selectarea de către utilizator a diferite date de intrare, astfel se

poate adapta calculul funcţie de disponibilitatea datelor concrete existente. În practică se întâmpla

des ca datele despre condiţiile de instalare şi/sau tipul de sol sa fie nu foarte precise, astfel încât

selecţia datelor de intrare este la latitudinea inginerului, standardul emiţând însă recomandări în

acest sens.

Etapele calcului static propus de acest standard sunt:

Identificarea tipului de sol: Grupa 1 soluri non-coezive (GE, GW, GI, SW, SE, SI), Grupa 2

soluri slab coezive (GU, GT, SU, ST), Grupa 3 soluri coezive în amestec (GU, GT, SU, ST, UM,

UT) și Grupa 4 soluri coezive (TL, TM, TA, OU, OT, OH, UA).

Stabilirea încărcărilor din trafic: Pentru determinarea încărcărilor din trafic se folosesc

vehicole standard, definite în DIN 1072.

Stabilirea unor încărcări punctuale, precum și prezența sau nu a apei freatice.

Determinarea tensiunii în sol la nivelul generatoarei superioare: Se foloseşte teoria conform

căreia frecarea dintre pereţii tranşeei şi umplutură poate duce la o reducere a efortului, sub

prezumţia că aceşti pereţi vor continua să existe pentru o perioada lungă. Pentru materialul de

umplutură din tranşee se diferenţiază patru condiţii de acoperire: A1 umplutură compactată în

straturi, asupra terenului natural, fără sprijiniri, fără verificarea gradului de compactare, A2

sprijiniri verticale laterale ale tranşeei, cu îndepărtare secventială dupa umplere, A3 sprijiniri

verticale cu palplanşe, panouri, etc., îndepărtate dupa compactare și A4 umplutură compactată în

13


straturi, asupra terenului natural, cu verificarea gradului de compactare. Un factor important îl

constituie și forma tranșeei (cu pereți paraleli, cu pereți înclinați sau în trepte).

Determinarea presiunii interne din conducte: Eforturile datorate presiunii interne din

conducte se suprapun liniar peste cele datorate eforturilor externe. Luarea în calcul a presiunii

interne va duce nu numai la eforturi suplimentare, dar, în cazul conductelor semirigide precum

cele PAFSIN, şi la modificarea deformărilor.

Redistribuția eforturilor în sol: Ca rezultat al diferitelor capabilităţi de deformare a

diferitelor tipuri de conducte şi a terenului din jur, efortul mediu din sol se rearanjează/modifică.

Modul şi proporţia în care are loc redistribuirea sunt date de factorii de concentrare 𝜆𝑃pentru

conductă şi deasupra sa, respectiv 𝜆𝑆 pentru eforturile din lateralul conductei.

Determinarea parametrilor relevanți: tipuri de pozare (B1 umplutură compactată în

straturi, direct pe terenul natural/nederanjat sau în rambleu, fără verificarea gradului de

compactare, B2 sprijiniri verticale cu panouri, până la fundul tranşeei, compactarea are loc după

îndepărtarea sprijinirilor, B3 sprijiniri verticale cu palplanşe, panouri, montate până sub fundul

tranşeei, îndepărtate dupa compactare, B4 umplutură compactată în straturi, direct pe terenul

natural/nederanjat sau în rambleu, cu verificarea gradului de compactare), determinarea modulilor

de elasticitate ai terenului (funcție de amplasarea acestuia), determinarea factorului de presiune al

pământului, a proiecției relative a conductei.

Factorii de concentrare și raportul de rigiditate: Calculul factorilor de concentrare

porneşte de la premiza că o rigiditate infinită a conductei duce la factorul de concentrare maxim

max 𝜆. Raportul de rigiditate este dependent de rigiditatea conductei 𝑆𝑃, de coeficienţii de

deformare vertical 𝑐𝑣 ş𝑖 𝑐𝑣,𝑞𝑣 , rigiditatea materialului de umplutură din lateralul conductei 𝑆𝐵𝑣

rigiditatea materialului din patul de pozare 𝑆𝑜. Raportul de rigiditate se calculeaza luând în

considerare împingerea laterală a terenului, fără a lua în considerare împingerea laterală a terenului

sau luând în calcul un strat de deformare deasupra conductei rigide (dispar coeficienţii de

deformare);

Influența lățimii relative a tranșeei: se pornește de la premiza că efortul se transmite pe o

distanţă de 4*𝑑𝑒 (4 diametre exterioare). Pentru tranşee cu lăţime mai mică de această valoare, se

aplică un factor de concentrare.

Distribuţia presiunilor pe circumferinţa conductelor: Distribuţia presiunilor pe

circumferinţa conductelor depinde de comportamentul la deformare al conductei, de modul în care

14


este executată umplutura. Se porneşte de la premiza că sarcina impusă este verticală şi distribuită

rectangular, pentru toate tipurile de conducte.

Determinarea forțelor secționale: relevante sunt, pentru calculul static, momentul de

încovoiere şi forţa normală, rezultate din sarcini externe, sarcina din acoperirea de pamânt,

greutatea proprie a conductei si eventuala greutate a apei freatice.

Determinarea eforturilor și deformațiilor în conductă.

Verificări relevante: Conductele se clasifică în flexibile sau rigide funcţie de efectul

combinat al rigidităţii conductei şi al deformării solului. Conductele sunt rigide când sarcinile nu

produc deformări semnificative, deci nu apar modificări ale distribuţiei presiunilor/sarcinilor.

Verificarea eforturilor va fi suficientă in acest caz. Conductele sunt flexibile când sarcinile produc

deformări semnificative, care produc modificări ale distribuţiei presiunilor/sarcinilor, astfel încât

solul devine componentă a sistemului portant de dimensionat/verificat, în acest caz verificarea

deformării şi a stabilităţii sistemului este necesară. Când comportamentul conductei nu e clar, se

impun ambele timpuri de verificări.

Coeficienți de siguranță: Se definesc doua clase de siguranţă: clasa A condiţii normale,

posibilitate apa freatica, consecinţe importante ale eventualei avarii și clasa B condiţii speciale, nu

exista apa freatica, consecinţe minore ale avariei.

Tabel 1. Coeficienţii de siguranţă

Material Χ necesar

Clasa A Clasa B

Coeficienţi siguranţă la rupere

Ceramică vitrificată 2.2 1.8

Beton armat 1.75 1.4

Otel, fontă ductilă 1.5 1.3

Pafsin 2 1.75

PVC 2.5 2

Coeficienţi siguranţă la pierderea stabilităţii

Toate 2.5 2

Din punct de vedere ai parametrilor hidraulici, la conductele PAFSIN, coeficientul

Colebrook-White se consideră 0,029mm, corespunzând unui coeficient de curgere Hazen Williams

aproximativ C=150, iar Coeficientul Manning este n=0,009.

Pierderile de sarcină la curgere gravitațională se calculează folosind formula Manning,

aplicabilă pentru conductele cu curgere gravitationala (la majoritatea canalizarilor):

15


𝑸𝒎 = (𝟏𝟎𝟎

𝒏) ∗ 𝑺𝟎,𝟓 ∗ 𝑨 ∗ 𝑹𝟎,𝟔𝟔𝟕

(1)

unde, “Qm” este debitul în l/s, “S” este panta hidraulică, “A” este aria secţiunii transversale în mp,

“R” este raza hidraulică în metri.

𝑹 = 𝑨/𝑾𝒑 (2)

unde, “Wp” este perimetrul udat al conductei exprimat în metri, iar “n” este numarul Manning

(0,009 pentru PAFSIN).

Ecuaţia Darcy-Weissbach, aplicabilă tuturor conductelor sub presiune:

𝑯𝒇 = 𝒇 ∗ 𝑳 ∗ 𝒗𝟐 ∗ 𝑫 ∗ 𝒈 ∗𝟏

𝟐

(3)

Unde, “Hf” este căderea de presiune în Pa, “f” este coeficientul de frecare, “L” este lungimea

conductei în m, “v” este viteza fluidului în m/s şi “D” este diametrul interior în m.

Ca fenomen nepermanent, reprezentativă pentru comportarea unei conducte este rezistența

la lovitura de berbec. Unda de presiune a loviturii de berbec este cauzată de modificările bruşte ale

vitezei fluidului în conductă. Cele mai întâlnite cauze sunt închiderea/deschiderea bruscă a

vanelor, pornirea/oprirea bruscă a pompelor. Cei mai importanţi factori care influenţează acest

fenomen sunt modificările de viteză, compresibilitatea fluidului, rigiditatea conductei pe direcţie

circumferenţială, configuraţia sistemului de conducte. La conductele de PAFSIN, lovitura de

berbec este cu 50% mai mică decât la conductele din fontă ductilă sau oţel şi suportă o

suprapresiune cu 40% mai mare decât presiunea de lucru.

16


Capitolul 2. COMPORTAREA MATERIALULUI COMPOZIT PAFSIN ÎN MEDII CU

REACŢIE VARIATĂ

Conductele din materiale compozite, precum cele din PAFSIN, se pot regăsi în exploatare

într-o gamă extrem de largă de medii corozive, ceea ce va determina modificarea proprietăţilor

materialului.

Efectul soluţiilor alcaline sau acide asupra proprietăţilor mecanice ale conductelor PAFSIN

nu este foarte clar definit de studiile/standardele în vigoare. Totuşi, atât în urma observaţiilor de

pe teren, cât şi în urma studiilor şi testelor de laborator, se trage concluzia că proprietăţile mecanice

ale compozitului se degradează, proporţional cu durata contactului cu mediul coroziv, cât şi cu

concentraţia soluţiei corozive.

Fenomenele care apar în masa compozitului sunt accelerarea abraziunii, modificarea

durităţii, delaminarea, separarea matricii de fibră de sticlă de masa răşinii, etc.

Efectul soluţiilor cu pH diferit de neutru asupra materialului compozit se datorează, în

principal, următoarelor 4 fenomene:

• Degradarea masei de răşină: răşina este implicată în schimburi ionice cu substanţe

acide, ceea ce conduce la pierdere de masă, reflectată prin creşterea rugozităţii, scăderea

densităţii şi permeabilităţii. În cazul expunerii la soluţii acide, efectul de pierdere de

masă nu există. De asemenea, agresiunea chimică se poate manifesta prin ruperea

legăturilor covalente din polimer, ducând la degradarea rezistenţei mecanice, fără

pierdere de masă evidentă.

• Degradarea reţelei de fibră de sticlă: în funcţie de tipul de fibră de sticlă, aceasta este

mai mult sau mai puţin afectată de substanţele acide/bazice. Astfel, în timp fibra de tip

T sau C rezistă foarte bine atacurilor chimice, la polul opus se prezintă fibra tip A,

extrem de sensibilă la agresiunea chimică, fie ea acidă sau bazică. Cea mai folosită fibră

de sticlă, cea de tip E (alumino-boro-silicat), cu conţinut mare de bor, prezintă

caracteristici mecanice deosebite, rezistenţă bună la majoritatea acizilor, dar este

afectată de compuşii clorului (şi ai halogenilor în general).

• Afectarea conlucrării răşinii/matrice fibră de sticlă: comportamentul compozitului, ca

material neizotrop, depinde în bună măsură de compatibilitatea acestora. Mediile

agresive pot afecta la nivel intim interacţiunea fibră-răşină, rezultatul fiind

17


compromiterea totală a materialului. Acest lucru poate fi preîntâmpinat prin tratarea

suprafeţei exterioare a fibrei de sticlă cu aditivi adaptaţi aplicaţiei finale.

• Efecte combinate ale fenomenelor anterioare: chiar dacă, separate, cele 3 situaţii pot

avea o anvergură subcritică, efectul lor sinergic poate compromite capacitatea

materialului de a corespunde sarcinilor pentru care a fost produs. Toate cele patru

mecanisme descrise mai sus arată importanţa adaptării materialului la condiţiile de

lucru. Practic nu există aplicaţie, indiferent cât de vitregă din punct de vedere chimic,

la care compozitul să nu poată fi adaptat prin alegerea corectă a tipului de fibră de sticlă,

respectiv a răşinii.

Ca manifestare a degradării prin mecanismele descrise se remarcă: fisuri (cu diferite grade

de penetrare în masa), delaminări (caracterizate prin separarea straturilor structurale, ducând până

la clivaj). instabilitate locală la compresiune s(e manifestă prin prăbuşirea totală a rezistenţei

mecanice pe o arie limitată), instabilitate locală la întindere (se manifestă prin cedarea totală a

rezistenţei la întindere, pe arii mai mult sau mai puţin extinse). Pentru a evidenţia efectul cumulat

al multiplelor agresiuni asupra materialului compozit (chimice, mecanice, termice, de mediu) se

poate face referire la o rată a acumulării stress-ului în exploatare, similar îmbătrânirii materialului.

Această rată a stress-ului este dependentă de: tipul de materiale folosit (răşină şi fibră de sticlă),

geometria şi densitatea matricei de fibră, ciclicitatea încărcărilor mecanice, factorii de mediu, cum

ar fi temperatura, umiditatea, carateristici fizico-chimice. Simpla prezenţă a umidităţii duce la

amplificarea efectelor tuturor celorlalţi factori agresivi.

Unul din efectele cele mai des întâlnite în practică este cel al plasticizării, adică o aparentă

ameliorare a caracteristicilor mecanice, dar cu o rată crescută a acumulării stress-ului în exploatare

şi slăbire a rezistenţei la încărcări mecanice ciclice (cum ar fi, în practică, intrarea repetată sub

presiune a conductelor PAFSIN, sau încărcări din trafic).

Cuantificarea efectului mediului agresiv asupra compozitului se poate face măsurând

răspunsul acestuia la diverse tipuri de încercări. Unul din cele mai complete studii a fost realizat

la Universitatea din Coimbra de către Amaro ş.a. (2013). Aceştia au testat răspunsul la teste de

impact şi de încovoiere asupra compozitului din fibră de sticlă şi răşină epoxi imersat în soluţii de

HCl, respectiv NaOH. Testul de impact a folosit o bilă de diametru 10cm si masa de 3,4 kg, cu

probe (epruvete) rectangulare (100x100mm). Energia primului impact a fost de 8 j (adică o viteză

de impact de 2,16 m/s), iar restul impacturilor a avut energia de 4j (1,53 m/s).

18


Testarea la încovoiere s-a realizat conform ASTM D790-2, cu o încărcare de 5kN şi o viteză

de încărcare de 5mm/min. Efortul de încovoiere s-a calculat folosind formula:

𝝈 =𝟑 ∗ 𝑷 ∗ 𝑳

𝟐 ∗ 𝒃 ∗ 𝒉𝟐

(4)

Unde, “P” este încărcarea, “L” lungimea probei, “b” lăţimea şi “h” grosimea probei.

Modulul de elasticitate s-a calculat cu formula:

𝑬 =∆𝑷 ∗ 𝑳𝟑

𝟒𝟖 ∗ ∆𝒖 ∗ 𝑰

(5)

Unde, “I” este momentul de inerţie, “∆𝑃”, respectiv “∆𝑢”, sunt variaţia încărcării, respectiv

deformarea.

Fig. 4 Variaţia deformării cu sarcina

Analiza datelor rezultate din testarea la încovoiere arată clar că soluţia alcalină generează

scăderi mai abrupte ale modulului de elasticitate comparativ cu cele acide. În schimb, spre

deosebire de studiile citate anterior, nu se observă îmbunătăţiri/ameliorari ale acestor caracteristici

în mediul acid. În schimb, măsurătorile privind duritatea arată o creştere în primele 12 zile a

acesteia în ambele solutii, mai accentuată la mediul acid. Dupa 36 de zile, în schimb, valorile devin

mai mici decât la proba martor. Datele experimentale conduc către ideea că degradarea

materialului are loc în două faze: în prima degradarea se datoreaza difuziei lichidului şi prezenţei

ionilor H+. În a doua, fibra de sticlă este afectată, ceea ce duce la apariţia fisurilor/crăpăturilor.

19


Cumulat, apare o segregare la nivel fibră-matrice răşină, generând delaminarea şi prăbuşirea

capacităţilor mecanice.

Testele de impact sunt relevante întrucât în exploatare sau în timpul operaţiunilor de

întreţinere pot apare situaţii similare acestora. Pericolul, în acest caz se datorează mai ales faptului

că acestea nu sunt detectabile vizual, dar afectează semnificativ proprietăţile materialului.

Probele supuse impactului au fost împărţite în 3 grupe, două imersate în HCl şi NaOH, şi

una păstrată ca probă martor. Toate specimenele au fost apoi supuse impactelor repetate cu energia

de 4J. Curbele au fost similare cu cele obţinute la primul impact (neimersat), dar cu valori diferite.

Cum era de aşteptat, proba martor a obţinut deformări mai mici decât la impactul cu 8J. La probele

imersate, degradarea rezultatelor este semnificativă. Astfel, la cele imersate în NaOH timp de 12

zile, deformarea a crescut cu 39%, iar încărcarea maxima cu 21%, în timp ce la proba imersată în

HCl aceasta din urma a scăzut cu 8,2%. Tendinţa de degradare mai rapidă în proba imersata în

NaOH se păstrează şi la proba imersată 36 de zile.

Efectul impacturilor multiple se manifestă prin tendinţa de perforare, proba fiind

compromisă cand acest lucru se întâmplă. Numărul de lovituri până la perforare scade dramatic în

mediile corozive. Astfel, la 36 de zile de la imersie rezistenţa scade cu 64,3% la proba imersată în

NaOH, şi cu 35,7% la proba imersată în NaOH, comparativ cu proba martor. Din nou, tendinţa de

afectare mai intensă a probei se observă la proba imersată în mediu alcalin.

Energia elastica are tendinţa de scădere pe masură ce numărul impacturilor creşte, ajungând

la 0 în momentul perforării, iar o energie elastica scăzută înseamnă automat o zonă afectată mai

mare. Efectul mai important al soluţiei bazice se manifestă şi în acest caz.

În literatura de specialitate apare un numitor comun, și anume scăderi valorice ale

caracteristicilor mecanice odată cu creşterea pH-ului, efectele soluţiilor acide sunt oarecum

controversate, unii autori menționând o ușoară ameliorare a caracteristicilor mecanice, cel puțin

pe termen scurt.

20


Capitolul 3. EVALUAREA TEORETICĂ ŞI EXPERIMENTALĂ A COMPORTĂRII

CONDUCTELOR PAFSIN

Majoritatea studiilor referitoare la conductele din PAFSIN au fost orientate spre

monitorizarea comportamentului acestora în condiţii de laborator, cu focus pe influenţa fluidului

vehiculat şi mai puţin pe cea a mediului de pozare asupra proprietăţilor mecanice pe termen scurt,

extrapolate apoi matematic pe termen lung. Mai mult decât atât, o bună parte dintre aceste studii

se referă strict la efectul asupra mostrelor de compozit PAFSIN, fără a lua în calcul particularităţile

induse de geometria specifică conductelor. În acest fel, efectul anizotropismului conductelor din

PAFSIN poate fi trecut cu vederea, ceea ce în practică poate duce la erori semnificative de

proiectare şi/sau execuţie.

Imersarea mostrelor (fie ele circulare sau nu) în diferite soluţii de acizi sau baze poate oferi

o idee generală despre influenţa pH-ului asupra caracteristicilor conductelor, despre mecanismele

modificării comportamentului acestora în mediile respective dar nu iau în considerare mecanismul

extrem de complicat al influenţei soluţiei solului asupra conductelor, mecanism generat de

complexitatea chimică a acesteia. Nu doar eventuala degradare a rezistenţei conductelor (pe

direcţii axiale sau longitudinale) trebuie investigată (evidenţiată de scăderea valorilor eforturilor

la rupere), ci şi potenţiala schimbare a comportamentului elastic al conductelor (evidenţiată de

modulul lui Young, efortul la curgere, eventual deformarea la rupere) către unul rigid.

Plecând de la modelul de calcul static acceptat pentru PAFSIN, în care conlucrarea terenului

cu conductele este esenţială (în sensul preluării unei părţi din încărcări de către materialul de

umplutură, adus la parametrii de compactare comparabili cu ai terenului nederanjat), trecerea la

un comportament rigid ar duce la pierderea acestui avantaj. Concret, există posibilitatea ca un

anumit conductă PAFSIN (cu o rigiditate nominală prestabilită), în anumite condiţii de încărcare

(din trafic, greutatea/împingerea pământului) să îndeplinească verificările din calculul static

specific conductei elastic (care impun o deformare maximă admisibilă), dar să nu treacă

verificările statice specifice unui conducte rigide (conlucrarea cu terenul nu este luată în

considerare şi este impus un efort maxim admisibil).

Având în vedere multitudinea de variabile care intervin în analiza influenţei solului asupra

conductei PAFSIN (pH, ioni alcalino-pământoşi, săruri, etc.), simpla investigare empirică a

corelaţiilor dintre datele experimentale pentru a genera concluzii de tipul cauză-efect nu este

21


suficientă. De aceea, apelarea la un aparat matematic capabil să scoată în evidenţă eventualele

corelaţii dintre datele experimentale este absolut necesară. În acest scop, am apelat la coeficienţii

de corelare Pearson, ca măsură a dependenţei liniare dintre două şiruri de variabile. Aceştia au

fost dezvoltaţi de maatematicianul englez Karl Pearson, la începutul secolului XX.

Dacă avem cele două şiruri de date:

{𝑥1 … … . 𝑥𝑛}

respectiv:

{𝑦1 … … . 𝑦𝑛}

Atunci, coeficientul de corelaţie Pearson este:

𝑟 =∑ (𝑥𝑖 − �̅�)(𝑦𝑖 − �̅�)𝑛

𝑖=1

√∑ (𝑥𝑖 − �̅�)2𝑛𝑖=1 √∑ (𝑦𝑖 − �̅�)2𝑛

𝑖=1

(6)

unde:

�̅� =1

𝑛∑ 𝑥𝑖

𝑛

𝑖=1

(7)

respectiv:

�̅� =1

𝑛∑ 𝑦𝑖

𝑛

𝑖=1

(8)

sunt valorile medii ale lui x, relativ y.

Valorile absolute ale lui “r” pot fi mai mici sau egale cu 1. Un coeficient de corelare egal

cu 1 arată o legătură liniară directă perfectă între cele două şiruri de date, în timp ce o valoarea a

lui r egală cu -1 va arăta o legătură liniară inversă perfectă între acestea. Valoarea 0 arată lipsa

oricărei corelaţii între şirurile de date. În practică, o valoare mai mare de 0,8 este considerată a

desemna o corelaţie suficient de clară pentru a fi consemnată.

În scopul clarificării aspectelor legate de influenţa terenului asupra conductelor PAFSIN, am

achiziţionat la data de 24 aprilie 2014 o conductă PAFSIN DN150, PN10, SN10000, lungime de

6m, produs prin tehnologia de înfăşurare (filament winding) de firma Amitech la fabrica sa din

Dresda, Germania.

22


Din acest conductă au fost debitate trei tronsoane de lungime de aproximativ 150cm, care au

fost pozate în cele trei perimetre experimentale, la o adâncime de aproximativ 90cm (generatoarea

superioară), deci sub limita de îngheţ specifică zonei.

Alegerea perimetrelor experimentale a fost făcută ţinând cont de experienţa celor peste 15

ani de activitate în domeniul pozării acestui tip de conducte.

Primul tronson a fost îngropat în zona expoatării petroliere Petrom Zemeş, în judeţul Bacău,

la o altitudine de 550m deasupra nivelului mării, în proximitatea unei conducte PAFSIN DN1000

PN10 SN10000 aflate în exploatare de către CRAB Bacău , la care rata avariilor este mai mare

decât media.

Al doilea tronson a fost îngropat în zona comunei Solonţ, judeţul Bacau, la o altitudine de

440m deasupra nivelului mării, într-o arie numită de localnici La Sărătură, în valea pârâului Sărata,

cu prezenţă freatică variabilă între 0 şi 0.50m.

Al treilea tronson, considerat referință, a fost îngropat într-un teren în care au fost pozate

anterior conducte PAFSIN ce nu au generat probleme în exploatare, pe raza comunei Mărgineni,

judeţul Bacău, la o altitudine de 210m deasupra nivelului mării, într-un şes aluvial, cu o pantă mai

mică de 5%, neinundabil şi cu pânza freatică la o adâncime mai mare de 2m.

După 24 de luni, probele au fost dezgropate/recuperate, apoi supuse determinărilor în

laboratorul fabricii de conducte PAFSIN Subor din Turcia (analiza compoziţiei structurale, test

Barcol, eforturi întindere axială, respectiv longitudinală) şi în laboratorul fabricii Amitech Dresda

(rigiditate, test Barcol).

Din terenurile în care au fost pozate conductele au fost recoltate probe din proximitatea

acestora, în structură deranjată. Aceste probe au fost supuse unui set de analize la laboratorul

OSPA Iaşi.

Terenul poluat antropic cu petrol are caracteristicile fizico-chimice prezentate în tabelele 2

și 3.

Tabel 2. Rezultate teren petrolier

Nr Proba pH P Pcorect. K CaCO3 Humus Nt Na+tot

ppm ppm ppm % % % me/100g

1 Petrolier 5,94 38 21 183 7,84 4,06 0,211 1,09

23


Nr Proba Na+sol Na+comp Ca2+ Mg2+

1 Petrolier me/100g me/100g me/100g me/100g

0,217 0,873 18 6,08

Tabel 3. Analiza granulometrică teren petrolier

Nr Proba pH Nisip

grosier Nisip fin Praf Argilă

Argilă

fizică

1 Petrolier % % % % %

5,94 14,0 44,0 17,1 24,9 35,2

Grafic 1. Diagrama ternară teren poluat cu produse petroliere

Terenul cu reacţie alcalină are caracteristicile fizico-chimice prezentate în tabelele 4 și 5.

Fractiunea

Nisip 58.00

Fractiunea

Argila 24.90

Fractiunea

Praf 17.10

Fractiunea

Nisip 58.00

Argila Grasa

ArgilaIp = 25…50

Argila nisipoasa

Ip = 15…35 Argila prafoasaIp = 15…35

Nisip argilos

Nisip prafos

PrafIp = 5…25

Praf argilosIp = 10…25

Prafnisipos

Ip = 0…10

Prafnisiposargilos

Ip = 5…20

24


Tabel 4. Rezultate teren petrolier


1 Alcalin 8,18


44 31 177 1,67 7,56 0,371 7,82


1 Alcalin me/100g me/100g me/100g me/100g

2,80 5,02 46 20,67

Tabel 5. Analiza granulometrică teren petrolier

Nr Proba pH Nisip

grosier Nisip fin Praf Argilă

Argilă

fizică

1 Alcalin 8,18

% % % % %

4,2 27,0 35,9 32,9 51,5

Grafic 2. Diagrama ternară teren bazic

Terenul martor are caracteristicile chimico-fizice prezentate în tabelele 6 și 7

Argila

Argila

Argila nisipoas

Argila

Nisip

Nisip Praf

Praf

Prafnisipos

Prafnisiposargilos

25


Tabel 6. Rezultate teren martor


1 Martor 7,03


21 10 157 3.50 1,20 0,068 0,87


1 Martor me/100g me/100g me/100g me/100g

0,87 0,217 20 6,08

Tabel 7. Analiza granulometrică teren martor

Nr Proba pH Nisip

grosier

Nisip fin Praf Argilă Argilă

fizică

% % % % %

1 Martor 7,03 2,5 44,2 24,2 29,1 41,3

Grafic 3. Diagrama ternară teren martor

Argila

Argila

Argila nisipoasa

Ip = 15…35 Argila prafoasaIp = 15…35

Nisip

Nisip prafos Praf

Praf argilos

Prafnisipos

Ip = 0…10

Prafnisiposargilos

26


Primele diferențe de comportament între cele trei mostre se remarcă la analiza vizuală.

Astfel, conducta martor (foto 3) nu prezintă modificări de culoare, de rugozitate, fisuri sau

delaminări.

Foto 3. Suprafaţa conductei PAFSIN pozate în teren martor

Conducta PAFSIN pozată în terenul alcalin (foto 4.) prezintă numeroase depigmentări,

modificări de culoare, precum şi o uşoară creştere a rugozităţii suprafeţei externe. Nu se sesizează

fisuri sau delaminări.

Foto 4. Suprafaţa conductei PAFSIN pozate în teren cu reacţie alcalină

Conductă pozată în teren poluat cu țiței (foto 5.) prezintă numeroase depigmentări locale,

dublate modificări radicale de culoare pe suprafeţe extinse (peste 75% din suprafeţe), precum şi o

creştere importantă a rugozităţii suprafeţei externe, care a căpătat un aspect poros. Rare fisuri

superficiale, care nu penetrează stratul de răşină exterioară. Nu există delaminări.

27


Foto 5. Suprafaţa conductei PAFSIN pozate în teren poluat cu ţiţei

Modificarea compoziției structurale a celor trei conducte a fost determinată prin extragerea

a câte 5 epruvete, care au fost supuse calcinării, apoi s-a determinat proporţia fiecărei componente

structurale, respectiv a cantităţii de răşină izoftalică, de fibră de sticlă tocată, fibră de sticlă netocată

şi a celei de nisip. Temperatura de calcinare fiind mai mare decât cea de ardere a răşinii, dar mai

mică decât cea de topire/ardere a fibrei de sticlă sau a nisipului, prin diferenţa de masă s-a

deteminat cantitatea de răşină. Mai departe, prin eliberarea celorlalte componente din matricea de

răşină a devenit posibilă separarea completă a acestora, deci şi determinarea cantităţilor acestora

prin cântărire direct. Rezultatele centralizate sunt prezentate în tabelul 8.

Tabel 8. Centralizatorul valorilor procentuale ale componentelor conductelor

Răşină Fibră sticlă

lungă

Fibră sticlă

scurtă Nisip

Proba neutră 36.41% 17.06% 11.22% 35.31%

Probă teren

alcalin 36.33% 16.73% 11.46% 35.48%

Probă teren acid 36.07% 16.40% 11.60% 35.94%

Se remarcă o scădere a proporţiei de răşină la probele aferente terenurilor cu pH acid şi

bazic (mai accentuată la terenul acid), justificând astfel modificarea rugozităţii peretelui exterior

al conductei. Proporţia de fibră de sticlă (cumulat cea tocată şi cea lungă) rămâne relativ constantă,

de asemenea cea de nisip, datorită prezenţei liner-ului de răşină pură aflat la exteriorul conductei,

cu care materialul de pozare vine în contact. Aceasta dovedeşte că micile fisuri vizualizate în proba

din terenul acid nu au penetrat integral acest strat de răşină pură.

28


Grafic 4. Variaţia elementelor constitutive funcţie de teren

Evaluarea modificării rezistenţei la întindere axială se face prin decuparea pe direcţie

longitudinală câte 5 epruvete cu lăţimea de aproximativ 25mm, lungimea de 200mm, având

grosimea egală cu cea a conductei (aproximativ 4.4 mm. Standardul care a condus testarea a fost

ASTM D 2015 (Metoda standard de testare a proprietăţilor mecanice axiale ale conductelor

PAFSIN). O mostră decupată din conductă este supusă unui efort de întindere crescător, până la

rupere. Deformarea, respectiv forţa sunt măsurate, iar luând în considerare şi secţiunea mostrei, se

pot determina modulul lui Young pe direcţie axială precum şi efortul la rupere, respectiv la curgere

(deci trecerea de la o deformare reversibilă la una ireversibilă, implicit modificarea

comportamentului de la elastic la plastic).

Foto.6. Testare efort axial

29


Centralizarea valorilor medii ale eforturilor (tensiunilor), deformării maxime, modulului

Young şi încărcării la curgere se găsesc în tabelul 8., iar modul de variație a deformării sub sarcină

în graficul 4.

Tabel 8. Centralizare valori medii la întindere axială

Mărime Proba neutră Probă teren bazic Probă teren acid

Deformare max. (%) 6.60 4.70 4.7

Sarcină curgere (kN) 4.95 3.99 4.31

Modul Young (MPa) 672 852 844

Efort la rupere (MPa) 46.38 40.50 39.45

Efort maxim (MPa) 46.4 40.50 39.45

Grafic 5. Deformarea probei sub sarcină, teren acid

Grafic 6. Variaţia caracteristicilor axiale măsurate funcţie de teren

30


Valorile coeficienților de corelație Pearson între mărimile aferente efortului axial funcție

de pH se regăsesc în tabelul 9.

Tabel 9. Coeficienţii de corelaţie pH - efort axial

Variabile pH Deform.

Max

Sarcina

curgere

Modul

Young

Efort

rupere

Efort

maxim

pH 1 -0.015 -0.342 0.055 0.125 0.125

Deform. Max -0.015 1 0.945 -0.999 0.990 0.990

Sarcina curgere -0.342 0.945 1 -0.957 0.890 0.890

Modul Young 0.055 -0.999 -0.957 1 -0.984 -0.984

Efort rupere 0.125 0.990 0.890 -0.984 1 1.000

Efort maxim 0.125 0.990 0.890 -0.984 1.000 1

Valorile mici ale indicilor de corelaţie a pH-ului (toate celelalte mărimi) arată o influenţă

moderată a variaţiei pH-ului asupra caracteristicilor mecanice. Singura valoare notabilă (-0.342)

arată tendinţa de scădere uşoară a valorii sarcinii la care apare deformarea plastic.

Evaluarea modificării rezistenţei la întindere circumferențială se face prin decuparea pe

direcţie transversală câte 5 epruvete circulare cu lăţimea de aproximativ 7 mm, având grosimea

egală cu cea a conductei (aproximativ 4.4 mm). Epruvetele sunt fixate în mandrină în canelura

aferentă diametrului nominal al conductei, apoi supusă întinderii până la rupere.

Foto.7. Testare efort circumferential

31


Centralizarea valorilor medii ale eforturilor (tensiunilor), deformării maxime, modulului

Young şi încărcării la curgere se găsesc în tabelul 10. Importanţa testării întinderii circumferenţiale

este relevată de faptul că acest efort de întindere se regăseşte în orice conductă aflată sub presiune,

fiind practic o măsură a capacităţii unei conducte de a rezista presiunii interne. La conductele

PAFSIN produse prin înfăşurare (cum e cazul celor testate aici) acest efort este preluat, pe de o

parte, de masa de răşină şi fibră de sticlă tocată, dar mai ales de fibra de sticlă continuă, înfăşurată

circumferenţial. La conductele PAFSIN centrifugate acest fir continuu lipseşte, rolul de preluare a

efortului de întindere fiind preluat de masa de răşină mixată cu tocătură de fibră de sticlă dispusă

aleator.

Tabel 10. Centralizare valori medii la întindere circumferenţială

Mărime Proba neutră Probă teren bazic Probă teren acid

Deformare max. (%) 21.0 22.0 15.0

Sarcină curgere (kN) 2.91 2.91 2.95

Modul Young (MPa) 902.0 993.0 865.0

Efort la rupere (MPa) 93.11 81.38 73.17

Efort maxim (MPa) 109.0 109.0 93.7

Grafic 7. Deformarea probei, la întindere circumferenţială, teren acid

32


Grafic 8. Variaţia caracteristicilor circumferenţiale măsurate funcţie de teren

Valorile coeficienților de corelație Pearson între mărimile aferente efortului axial funcție de

pH se regăsesc în tabelul 11.

Tabel 11. Coeficienţii de corelaţie pH-efort circumferenţial

Variabile pH Deform.

max

Sarcina

curgere

Coef.

Young

Efort

rupere

Efort

maxim

pH 1 0.918 -0.858 0.975 0.395 0.858

Deform.

max 0.918 1 -0.991 0.808 0.726 0.991

Sarcina

curgere -0.858 -0.991 1 -0.723 -0.811 -1.000

Coef.

Young 0.975 0.808 -0.723 1 0.182 0.723

Efort

rupere 0.395 0.726 -0.811 0.182 1 0.811

Efort

maxim 0.858 0.991 -1.000 0.723 0.811 1

Valorile relativ mari ale coeficienţilor de corelaţie pH-mărimi specifice efortului

circumferenţial de întindere arată influenţa deosebită a pH-ului terenului asupra comportamentului

33


conductelor sub presiune. Plasticizarea conductelor este confirmată şi aici (0.975 corelaţie pH-

modul Young!).

Evaluarea modificării rigidităţii conductei s-a realizat pe câte o epruvetă din fiecare

conductă, constând într-un tronson de conductă cu lungimea de aproximativ 297mm, conform

procedurii descrise de ISO7685. Aceste tronsoane au fost supuse unei încărcări axiale, măsurându-

se continuu deformarea şi forţa aplicată. Viteza de deformare a fost de 50mm/min. Procedura

constă în măsurarea deformării unui tronson scurt de ţeavăsupusă compresiunii între două plăci

rigide, cu viteză de deformare constantă. Monitorizând valorile forţei de deformare şi ale

deformării specifice, se face referire şi la valorile la care apar fisuri, delaminări sau rupturi.

Foto 8. Testare rigiditate

Suplimentar, standardul impune verificarea vizuală a conductei la atingerea a două trepte de

deformare (9, respectiv 15% din DN). La pragul de 9% nu trebuie sa fie prezente nici un fel de

fisuri sau delaminări, iar la cel de 15% fisurile pot fi superficiale, să nu penetreze în profunzimea

peretelui şi să nu apară delaminări. Rezultatele testării rigidității sunt prezentate în tabelul 12.

Tabel 12. Rezultatele testării rigidităţii

Proba De

(mm)

t

(mm)

L

(mm)

dm

(mm)

Δdv

(mm)

F

(N)

SN

(N/m2)

SR

(N/mm2)

E

(N/mm2)

Neutră 169.2 4.7 297.6 164.5 4.9 1713.6 22577.5 0.18 11616.1

Bazic 169.2 4.8 297.9 164.4 4.9 1650.2 21733.9 0.17 10478.5

Acid 169.2 4.7 297.2 164.5 4.9 1708.8 22545.3 0.18 11599.5

34


Grafic 9. Variaţia forţei de deformare axială

Grafic 10. Variaţia rigidităţii şi mărimilor conexe măsurate, funcţie de teren

Valorile coeficienților de corelație Pearson între mărimile aferente testării la rigiditate

funcție de pH se regăsesc în tabelul 13. Creşterea pH-ului se reflectă în scăderea valorii măsurate

a rigidităţii (valoare -0.857 a coeficientului de corelaţie respectiv.

35


Tabel 13. Coeficienţii de corelaţie pH-rigiditate

Variables pH F SN SR E

pH 1 -0.839 -0.857 -0.874 -0.867

F -0.839 1 0.999 0.998 0.998

SN -0.857 0.999 1 0.999 1.000

SR -0.874 0.998 0.999 1 1.000

E -0.867 0.998 1.000 1.000 1

Evaluarea modificării rezistenţei la penetrare se face prin testul Barcol (Barber-Coleman),

care este o modalitate ieftină şi rapidă de a evalua duritatea unui material prin rezistenţa opusă la

penetrarea cu un perforator ascuţit şi compararea adâncimii de penetrare măsurate cu cea de

referinţă. Scala de mărime este între 0 şi 100, cu valorile uzuale cuprinse între 40 şi 90. Valorile

obţinute la testarea au fost identice (48) la toate cele trei probe. Aceasta arată că pe termen scurt

structura peretelui conductei nu este degradată în suficientă măsură încât integritatea conductei să

fie pusă în pericol. De remarcat ca, spre deosebire de restul determinărilor descrise anterior,

testarea Barcol nu ţine seama de geometria produsului testat, iar anizotropia specifică conductelor

PAFSIN nu poate fi evidenţiată.

36


Capitolul 4. ESTIMAREA DURATEI DE VIAŢĂ A CONDUCTEI PAFSIN

Durata proiectată de viaţă a conductelor PAFSIN este de 50 de ani. Există date experimentale

şi studii preliminare care arată că unele tipuri de conducte PAFSIN (cum ar fi Flowtite Grey Pipe)

pot avea o bună siguranţă în exploatare pe o perioadă de peste 100 de ani. Practic, această estimare

se bazează pe panta curbei de regresie a rigidităţii, care trebuie să asigure la sfârşitul perioadei

proiectate de viaţă o valoare a acesteia de 60% din cea iniţială asumată (de exemplu, o conductă

SN10000 va trebui să aibă peste 50 de ani o rigiditate de cel puţin 6000N/m2).

Toate aceste consideraţii pornesc de la premiza montării conductelor conform prescripţiilor

producătorului şi unei exploatări în condiţiile specificate de standard, adică pozare într-un teren cu

pH-ul soluţiei solului cât mai aproape de neutru. În cazul terenurilor acide sau bazice, durata de

viaţă a conductei poate suferi o scădere ce se presupune a fi proporţională cu abaterea de la pH-ul

neutru.

Pornind de la datele prezentate în subcapitolul 3.5.10, precum şi de la valoarea

măsurată a rigidităţii conductei pozat în teren neutru (proba martor) ca valoare de referinţă,

asumându-ne o regresie liniară a acestor caracteristici pe termen lung se poate simula valoarea

rigidităţii după 50 de ani, comparând-o cu cea impusa de standard (60% din cea iniţială, conform

AWWA C950).

Grafic 11. Estimarea liniară a variaţiei rigidităţii pe termen lung

Prezumăm evoluţia rigidităţii pe termen lung (50 ani) a probei neutre ca respectând la limită

prevederile standardelor (60% din valoare). Probele din teren acid, respectiv bazic vor evolua

păstrând ritmul de degradare faţă de valoarea probei neutre asumată ca nivel de bază. Se remarcă

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60

Rig

idit

ate

(kN

/mp

)

Timp (ani)

Proba teren acid Proba teren bazic

37


evoluţia probei din teren acid, cu o valoare la 50 de ani de 12.04kN/m2, mai mare decât cea impusă

de standard. În schimb, proba din teren bazic se degradează cu o celeritate mai mare decât cea

admisă de standard, până la o valoare de 1.54 kN/m2la 50 de ani.

Pentru proba pozată în teren acid (similar practic cu cea neutră), funcţia de depreciere liniară:

𝑓(𝑥) = 𝑎 ∗ 𝑥 + 𝑏 (9)

va avea forma:

𝑓(𝑥) = −331.54 ∗ 𝑥 + 22577 (10)

Pentru proba pozată în teren bazic (similar practic cu cea neutră) funcţia de depreciere liniară

(4.1) va avea forma:

𝑓(𝑥) = −421.5 ∗ 𝑥 + 22577 (11)

de unde rezultă că atingerea valorii limită de SN6000 se va atinge la 39.33 ani.

Concluzia care se desprinde este ca o modificare a pH-ului de la 7 la 8,18 generează o scădere a

duratei de viaţă de la 50 la 40 de ani. Proba pozată în teren acid nu suferă alterări ale duratei de

viaţă, din punct de vedere al rigidităţii.

Estimarea duratei de viaţă reale a conductelor PAFSIN prin aplicarea calculului static am

realizat-o prin simularea comparativă a comportării a două conducte similare mostrelor îngropate

în terenul bazic, respectiv în cel acid (care, din punct de vedere al rigidităţii măsurate, s-a

comportat cvasiidentic cu cel pozat în teren neutru), urmând calculul tabelar conform standardului

ATV127. Am considerat conducta DN150 îngropată la o adâncime de 3m, într-un teren din grupa

G3 (teren coeziv mixt), cu apa freatică variabilă între 1,5m şi -0.5m faţă de generatoarea superioară

a conductei, cu un grad de compactare de 90grade Proctor. Materialul de umplutură din zona

E1este din grupa G1 (terenuri necoezive), iar cel din zona E2 din grupa G3, ca şi cel din structura

nederanjată. Tranşeea este cu pereţi verticali (β=90), condiţii de pozare A2 (protecţie pereţi tranşee

cu palplanşe sau panouri, retrase progresiv pe măsura compactării), condiţii de umplutură B2

(compactare realizată după retragerea palplanşelor de protecţie), lăţimea tranşeei de 1,0m. Ca

model de încărcare din trafic am ales încărcarea rutieră HGV60 (încărcare totală de 600kN, pe

roată de 100kN), cu un factor de impact (datorită încărcărilor dinamice) de 1.2.

Rezultatele calculului tabelar arată că conductăul pozat în terenul acid va trece toate

verificările de stabilitate, respectiv deformare, impuse de calculul static conform ATV127, atât pe

termen scurt, cât şi pe termen lung. În acelaşi timp, conducta pozată în terenul bazic nu va reuşi să

îndeplinească cerinţele aceluiaşi standard pe termen lung, confirmând astfel scăderea duratei de

38


viaţă demostrată de curba de regresie obţinută prin extrapolarea liniară a datelor experimentale.

Valoarea coeficientului de siguranţă aferent efortului admisibil la generatoarea inferioară este de

doar 1.8, faţă de valoarea minimă impusă de 2.

Se poate afirma că abaterea unitară a pH-ului în spectru bazic generează o scădere a duratei

de viaţă cu 10 ani. Astfel, dacă durata normată de viaţă este de 50 de ani pentru conductele

pozate în teren cu pH neutru (pH=7), la valori ale pH=8 durata de viaţă va scădea la 40 de ani,

iar în continuare pH=9 ar impune reducerea la limitativ al duratei de viaţă a conductelor PAFSIN,

din perspectiva deprecierii rigidităţii. Nu există încă un mecanism acceptat de emitenţii

standardelor referitoare la conductele PAFSIN care sa stabilească limitări ale duratei de viaţă luând

ca reper alte caracteristici tehnice în afara rigidităţii inelare, astfel încât deprecierea în teren acid a

caracteristicilor la întindere circumferenţială poate doar duce la recomandări privind alegerea

adecvată a clasei de presiune, nu şi la ajustări ale valorii duratei de viaţă.

39


Capitolul 5. CONCLUZIILE LUCRĂRII DE DOCTORAT

În urma analizării datelor experimentale se desprind următoarele concluzii:

➢ Influenţa pH-ului asupra caracteristicilor mecanice ale conductelor din PAFSIN este

evidentă. Degradarea acestora este direct proporţională cu timpul de expunere la solul cu

reacţie non-neutră, cât mai ales proporţională cu diferenţa dintre valoarea concretă a pH-ului

soluţiei solului şi valoarea pH-ului neutru (7).

➢ Mecanismul de degradare a conductelor diferă de la solurile acide la cele bazice, astfel:

• în terenurile acide se produce o degradare a linerului exterior de răşină, concretizată prin

rugozitate crescută, microfisuri superficiale, schimbări de culoare (inchiderea tonurilor

de culoare, specifice unui proces de îmbătrânire). Matricea fibră de sticlă-răşină este

afectată, rezultând valori sensibil scăzute ale unor mărimi esenţiale cum ar fi deformarea

maximă şi efortul la rupere, mai accentuată scăderea pe direcţie circumferenţială, ceea ce

sugerează degradări locale/punctuale ale fibrei de sticlă continue, efectul practic fiind

scăderea capacităţii de preluare a presiunii interne a fluidului vehiculat, în cazul

conductelor sub presiune. Pe direcţie axială remarcă o creştere a modulului Young, deci

o virare a comportamentului conductei de la semielastic la rigid, creştere care nu apare şi

pe direcţie circumferenţială. Rigiditatea măsurată pe direcţie transversală suferă o

scădere nesemnificativă, sensibil mai mică decât în teren bazic. De aici şi neafectarea

duratei de viaţă normate a conductelor pozate în acest tip de teren.

• în terenurile bazice, cel mai important fenomen ce iese în evidenţă îl reprezintă cresterea

modulului lui Young pe ambele direcţii, axial şi circumferenţial. Acest fapt este de o

însemnătate practică excepţională, întrucât se modifică comportamentul semielastic al

conductei în unul rigid, capacitatea de conlucrare cu terenul din proximitatea conductei

dispare, în acest fel conductăul lucrând independent. Totuşi, datorită modului de

îmbinare cu mufe, care pot fi asimilate unor articulaţii elastice, pierderea elasticităţii pe

direcţie axială este compensată. În schimb, creşterea valorii modulului Young la

întinderea circumferenţială va afecta sensibil conductele aflate sub presiune. Chiar dacă

valorile presiunii la rupere nu vor fi afectate, comportamentul rigid al compozitului va

face conductăul vulnerabil la variaţii bruşte de presiune internă. Coeficienţii de corelaţie

Pearson pentru pH confirmă creşterea proporţională a modulului Young cu acesta.

40


Rigiditatea pe direcţie transversală măsurată a conductelor scade semnificativ (mai mult

decât la terenul acid).

➢ Caracterul anizotrop al conductelor PAFSIN, datorat prezenţei atât a fibrei de sticlă tocate,

cât şi a fibrei de sticlă continuu înfăşurate, este confirmat încă odată de diferenţele între

efectul diferit al terenului asupra conductelor pe direcţiile longitudinală, respectiv axială.

➢ Conţinutul crescut de Na+ influenţează în special rigiditatea conductelor. Coeficienţii de

corelaţie Pearson unitari negativi demonstrează accelerarea degradării conductelor direct

proporţional cu cantitatea de ioni de Na.

➢ Modificarea diferită a modulului lui Young pe direcţii axiale, respectiv circumferenţiale (în

sensul creşterii valorii la terenurile bazice) faţă de modulul de elasticitate din determinările

asupra rigidităţii (care scade uşor la terenuri bazice) se explică prin faptul ca modulul Young

se referă aici strict la materialul compozit în sine (cu anizotropia remarcată mai sus), pe când

modulul de elasticitate este strîns legat de geometria conductei, permiţând păstrarea

comportamentului elastic. Acest fapt este de o importanţă deosebită, pentru ca baza calcului

static la conducte din PAFSIN o constituie comportamentul elastic al acestora, luând în calcul

conlucrarea conductei cu terenul. Dimensionarea se face pe baza deformării maxime

admisibile, şi nu pe baza efortului maxim admisibil, ca în cazul conductelor rigide (beton,

ceramică, şi altele).

➢ Durata de viaţă proiectată a conductelor PAFSIN (50 de ani) este afectată în cazul

conductelor pozate în terenuri cu pH bazic.

➢ În practică, evitarea efectelor negative ale unor tipuri de terenuri asupra conductelor din

PAFSIN remarcate în prezenta lucrare se poate face prin mai multe metode:

➢ În cazul proiectelor noi, un studiu pedochimic elementar, care să determine pH-ul soluţiei

solului la adâncimea de pozare, precum şi prezenţa ionilor de Na+, a reziduurilor petroliere

sau a altor forme de poluare (antropică sau nu) este absolut necesar.

➢ În cazul unui pH care nu este cuprins între 6.5 şi 7.5 folosirea de material de umplutură

importat din zone cu pH neutru este necesară. Această soluţie poate fi şi suficientă dacă este

vorba de o zonă în care contaminarea cu agentul care modifică pH-ul a încetat, cum e cazul

zonei poluate antropic cu ţiţei din această lucrare. În cazul terenului cu prezenţă masivă de

Na+ din sursă naturala (valea unui curs de apă sărată) nu ar putea fi eficientă, pentru ca

inclusiv materialul de împrumut ar fi contaminat în timp.

41


➢ În cazul unei contaminări cvasipermanente active, propun trei variante:

1. Alegerea unei clase superioare de presiune şi de rigiditate decât cele reieşite din calculul

de dimensionare hidraulică sau cel static (de exemplu folosirea unui conductă PN10

SN10000 în loc de unul PN6 SN5000 generat de calculele de dimensionare/verificare). În

situţia conductelor cu curgere gravitaţională, alegerea unei clase de rigiditate superioară

este suficientă. Acest lucru va permite obţinerea unor valori pe termen lung (50 de ani) ale

caracteristicilor mecanice suficiente pentru siguranţa în exploatare, în ciuda curbei abrupte

de regresie a acestor caracteristici în timp.

2. Modificarea standardelor de proiectare/dimensionare ale reţelelor prin adăugarea unui

coeficient de siguranţă suplimentar pentru tronsoanele aflate pe terenuri susceptibile de

abateri de la pH neutru sau contaminate chimic.

Colaborarea cu fabricanţii conducteor din PAFSIN, care pot alege, pe baza determinărilor din

teren, tipul de răşină şi fibră de sticlă, precum şi reţeta de fabricaţie adecvată situaţiei concrete

din teren.

Studiile necesare elaborării prezentei teze de doctorat au necesitat sinteza unui important

număr de articole de specialitate, publicate în prestigioase reviste ştiinţifice. Acestea au fost

corelate cu standardele aflate în vigoare referitoare la conductele PAFSIN, precum şi cu

documentaţia tehnică furnizată de cei mai importanţi producători de conducte de acest tip din lume.

Situaţiile deosebite privind comportarea conductelor PAFSIN în unele condiţii

excepţionale de pozare, întâlnite în cei 18 ani de experienţă profesională, au fost analizate prin

prisma folosirii unor perimetre experimentale adecvate, precum şi a unor tehnici de investigare

conforme cu normativele, care să poată elucida apariţia unor fenomene care au excedat literatura

tehnică de specialitate.

Comparativ cu studiile existente, care iau în calcul doar efectul unei substanţe izolate (în

general soluţii standardizate acide sau bazice) asupra conductelor PAFSIN, prin testele asupra

conductelor PAFSIN îngropate în diferite tipuri de terenuri s-a încercat surprinderea complexităţii

interacţiunilor soluţiei solului cu conducta. Prezenţa concomitentă în sol a diferitelor substanţe

chimice (acizi, baze, săruri, ioni liberi) generează un efect conjugat care nu poate fi modelat în

condiţii de laborator.

42


Pentru analiza volumului mare de date experimentale, am folosit în premieră coeficienţii de

corelaţie Pearson, care grupaţi în matrice de corelare au scos în evidenţă dependenţele dintre

diferitele şiruri de variabile.

Aceste dependenţe au fost cuantificate prin propunerea indicelui de afectare a conductei, la

diferite încercări (rigiditate, efort la rupere/curgere longitudinal, respectiv circumferenţial). De

asemenea, am propus o corelaţie empirică între durata de viaţă a conductei PAFSIN şi creşterea

pH-ului peste valoarea medie (pH=7).

Principalele contribuții aduse prin teza de doctorat sunt sintetizate prin ceea ce urmează:

➢ Culegerea și prelucrarea informațiilor privind caracteristicilor conductelor din PAFSIN.

➢ Detalierea standardelor privind fabricarea și utilizarea conductelor din PAFSIN.

➢ Analiza și aprofundarea testelor la care trebuie supuse conductele din PAFSIN în scopul

asigurării condițiilor de calitate.

➢ Aprofundarea și aplicarea metodologiei de calcul static pentru conductele de PAFSIN

pozate îngropat.

➢ Detalierea noțiunilor hidraulice specifice conductelor din PAFSIN.

➢ Studiul comportării materialului compozit PAFSIN în medii cu reacție variată.

➢ Analiza fenomenelor care apar în masa compozitului, cu testare la încovoiere, impact și

Barcol.

➢ Evaluarea teoretică și experimentală a comportării în exploatare a conductelor din

PAFSIN.

➢ Elaborarea planului de cercetare teoretică și experimentală.

➢ Testarea caracteristicilor conductelor: rigiditate, întindere axială, întindere longitudinală,

duritate Barcol.

➢ Fundamentarea observațiilor privind durata de viață a conductelor PAFSIN.

➢ Verificarea duratei de viață estimate prin aplicarea calculului static.

Rezultatele cercetărilor şi studiilor efectuate au fost folosite şi pentru prezentări susţinute în

cadrul:

➢ Conferinţa internaţională Water Loss Management Bucharest, iunie 2015,

➢ Conferinţa internaţională Danube Eastern Europe Regional Water Forum Bucharest, mai

2016,

43


➢ Conferinţa tehnico-ştiinţifică internaţională 'Instalaţii pentru construcţii şi economia de

energie', Iaşi, iulie 2016,

➢ Consiliul tehnico-ştiinţific al Asociaţiei Romane a Apei, Suceviţa, martie 2015,

➢ Seminarul Aquademica 'Principii privind proiectarea şi exploatarea sistemelor de apă

potabilă', Timişoara, septembrie 2016.

➢ Urban water infrastructure workshop, Bucureşti, martie 2017

➢ Experimental investigations on the effect of soil pH on GRP buried pipes, Elsevier

Procedia Engineering, iunie 2017 (acceptat la publicare).

Pentru continuarea cercetărilor, în plan experimental s-ar dovedi utilă conducerea unor

determinări conform standardelor ASTM D3262 şi D3681, privind deformarea în condiţii de stress

chimic, dar care în locul substanţei chimice agresive predefinite (soluţie de acid sulfuric) să

folosescă amestecuri de substanţe care să simuleze soluţii ale solului, în diverse cazuri speciale

(terenuri petrolifere în exploatare, terenuri din zona depozitelor de deşeuri menajere).În planul

analizei datelor experimentale, ar fi utilă dezvoltarea conceptului de stress chimic rezidual, care să

introducă un factor de cuantificare a degradărilor structurale produse de agresiunile chimice asupra

conductelor.

44


BIBLIOGRAFIE

1. Abosede, Ewetola E. (2013): Effect of crude oil pollution on some soil physical

properties. Journal of agricultural and veterinary science, 2319-2380.

2. Adams, R.D.; Cawley, P.D. (1998): A review of defect types and non-destructives

testing techniques for composites and bonded joints. Non Destructive Techniques Int., 21:208-22.

3. Akimwumi, I.I.; Diwa, D. (2014): Effects of crude oil contamination on the index

properties, strenght and permeability of lateritic clay. Int.Journal of applied sciences and

engineering research, vol.3 no.4.

4. Alexandrescu, Ovidiu (2003): Conducte din mase plastice pentru sisteme de utilități și

stații de pompare. Ed. Gh.Asachi, Iași.

5. Amaro, A.M.; Reis, P.N.B.; Neto, M.A.; Louro, C.(2013): Effects of alkaline and acid

solutions on epoxy/glass composites. Polymer degradation and stability,B24:B33 98:853-862.

6. Arykan, H.(2010): Failure analysis of composites pipes under static internal presure.

Composites Structures, 92:182-187.

7. Aveston, J.; Sillwood, J.M. (1982): Long-term strenght of glass-reinforced plastics in

dilute sulphuric acid. Journal of Material Science, 3491-3498.

8. Banna, M.H.; Shirokoff, V.; Molgaard, J. (2011): Effects of two aqueous acid solutions

on polyester and bysphenol A epoxy vinyl ester resins. Mater Sci Engineering, 528:2137-2142

9. Bartha, Iosif; Javgureanu, V.; Marcoie, N. (2004): Hidraulica, vol. 2. Ed. Performantica,

Iasi.

Cioc, Dumitru (1975): Hidraulica. Ed. Didactică și Pedagogică, București.

10. Caprino, G. (1984): Residual strength prediction of impacted CFRP laminates. Journal

of composites materials, 18:508-18.

11. Cojocaru, Gabriel (2017): Experimental investigations on the effect of soil pH on GRP

buried pipes. Sub-urban – A European network to improve understanding and use of the ground

beneath our cities, Bucharest.

12. Cojocaru, Gabriel (2016): Considerații asupra comportării conductelor din PAFSIN în

diferite tipuri de terenuri. Conferința tehnico-științifică internațională Instalații pentru construcții

și economia de energie, Iași.

13.Cojocaru, Gabriel (2016): Siguranța în exploatare a conductelor PAFSIN. Aquademica,

Principii privind proiectarea și exploatarea sistemelor de alimentare cu apă, Timișoara.

45


14. Cojocaru, Gabriel (2015): Influența pH-ului terenului de pozare asupra comportării

conductelor PAFSIN. Consiliul tehnico-științific al Asociației Româna a Apei, Sucevița.

15. David-West, O.S.; Nash, D.H.; Banks, W.M. (2008): An experimental study of damage

accumulation in balanced CFRP laminates due to repeated impact. Composites Structures, 83:247-

58.

16. Davies, G.A.O.; Hitchings, D.; Zhou, G. (1996): Impact damage and residual strengths

of woven fabric glass/polyester laminates. Composites, part A, 27:1147-56.

17. de Moura, M.F.S.F.; Marques A.T. (2002): Prediction of low velocity impact damage

in carbon-epoxy laminates. Composites, part A, 33:361-68.

18. Faria, H.; Guedes, R.M.(2010): Long term behaviour of GRP pipes.Reducing the

prediction test duration. Polymer Testing, 29:337-345.

19. Friedrich, Karl (1981): Stress corrosion crack propagation in glass fibre

reinforced/thermoplastic PET. Journal of Materials Science, 16:3292-302.

20. Gale, G.M.; Pacitti, J.(1970): The durability of plastics. Fundamentals, Southampton.

21. Griffith, Richard; Ball, Andrew (2000): An assessment of the properties and

degradation behavior of glass fiber reinforced polyester polymer concrete. Composites Science

Technology, 60:2747-53.

22. Guedes, R.M.(2009): Stress-strain analysis of a cilindrical pipe subjected to a

transverse load and large deflections. Composites Structures, 88:188-194.

23. Harris, Thomas M.; Tapp, J. Brian; Sublette, K.L. (2005): Remediation of Oilfield

Brine-impacted soil using a subsurface drainage system. Geoscience World, Tulsa.

24. Hart, Lauren Louise (2012): How plastic pipes flow economically, socially and

environmentally into a modern infrastructure.University of Florida, Tampa.

25. Hogg, P.J. (1983): Factors affecting the stress corrosion of GRP in acid environments.

Composites, 14:254-61.

26. Hornung, Karl; Kittel, Dietmar (2010): Statik erduberdeckter Rohre. Bauverlag,

Wiesbaden.

27. Isama, Lawrence (2013): Effects of crude oil spillage on soil physico-chemical

properties in Ugborodo community. International journal of modern engineering research, 3336-

3342.

46


28. Jones, F.R.; Rock, J.W.; Wheatley, A.R.(1982): The long term durability of stressed

GRP in acidic environments. Journal of Material Science, 2:519-521.

29. Kawada, H.; Srivastava V.K. (2001): The effect of an acidic stress environment on the

stress-intensity factor for GRP laminates. Composites Science Technology, 61:1109-14.

30. Mahmoud, M.K.; Tantawi, M.K. (2003): Effects of strong acids on mechanical

properties of GRP pipes at normal and high temperatures.Polym Plast Technol Eng, 42:677-88.

31. Mateescu, Theodor; Profire, Mihai; Pop, A.; Ciascai I.(2000): Conducte din mase

plastice pentru sisteme de utilități urbane.Ed. Revox, Bistrița.

32. Mertiny, P.; Ursinus, K.(2007): A methodology for assesing fatigue degradation of

glass reinforced composites conductăes. Polymere Testing, 26:751-760.

33. Moser, Alma P. (2001): Buried Pipe Design. McGraw-Hill, New York

34. Mosley, Randy (1998): The effects of humates on remediation of hydrocarbon and salt

contaminated soils. International PetroleumEnvironmental Conference, Albuquerque.

35. Newaz, G.M., Walsh, D.J. (1989): Interrelationship of damage and strain in particulate

composites. Journal of Composite Materials, 23:326-36.

36. Norwood, L.S.; Hogg, P.J. (1984): GRP in contact with acid environments: a case

study. Composites Science Technology, 2:1-22

37. Pai, R.; Kamath, M.S.; Rao R.M.V.G.K. (1997): Acid resistance of glass fibre

composites with different layup sequencing. J Reinf Plast Compos, 16:1002-12.

38. Tanaka, H; Kuraoka, K; Yamanaka, H; Yazawa, T. (1997): Development and

disappearance of microporous structure in acid treated E-glass fiber. Journal of Non Crystalline

Solids, 215:262-70.

39. Tarakcioglu, N.; Gemi, N.L.; A.Yapici, A.(2005): Fatigue failure behaviour of GRP

pipes under internal presure. Comp Sc and Technology, 65:703-708.

40. Rafiee, R.(2013): Experimental and theoretical investigations on the failure of GRP

pipes. Composites PartB, 45:257-267.

41. Renoud, Winston; Moubarac, Rafic (2009): In search of the optimum pipe material for

seawater services. Fiberglass Structural Engineering, Washington.

42. Samanci, A.; Avci, A.; Tarakcioglu, N.; Sahin, O.S.(2008): Fatigue crack growth of

GRP pipes under cyclic internal pressure. J Mater Sci, 2008, 43:5569-5573.

47


43. Schmit, Kevin (2001): Developing a design envelope for glass reinforced plastic piping

systems according to ISO14692. Energy sources technology conference, Houston.

44. Shukry, W.M.; Al-Hawas, G.H.S.; Al-Moaikal, R.M.S.; El-Bendary, M.A. (2013):

Effect of petroleum crude oil on mineral nutrient elements, soil properties and bacterial biomass.

British journal of environment and climate change, 103-118.

45. Sindhu, K.; Joseph, K.; Joseph, J.M.; Mathew, T.V. (2007): Degradation studies of coir

fiber/polyester and glass fiber/polyester composites under different conditions. Journal of reinf.

plastic composites, 26:1571-85

46. Stamenovic, M.; Putic, S.; Rakin, M. (2011): Effect of alkaline and acid solutions on

the tensile properties of GRP pipes. Mater Design, 32:2456-61.

47. Stătescu, Florian; Pavel, Vasile Lucian (2011): Știința solului. Ed. Politehnium, Iași.

48. Stătescu, Florian; Pavel, Vasile Lucian (2015): Tehnici moderne de cercetare a solului.

Ed. Politehnium, Iași.

49. van Reeuwijk, L.P.(2002): Procedures for soil analysis. International Soil Reference

and Information Center, Wageningen

50. Wang, Y.; Feng, J.; Lin, Q.; Lyu, X.; Wang, X.; Wang, G.(2013): Effects of crude oil

contamination on soil physical and chemical properties in Momoge wetland of China. China

Geografical Sciences, 23:708-715.

51. Willoughby, David A.; Woodson, R. Dodge; Sutherland, R. (2013): Plastic Piping

Handbook. McGraw-Hill, New York

52. Yao, J.; Ziegman, G.(2006): Equivalence of moisture and temperature in accelerated

test methods and its applications in prediction of long term properties of GRP pipes. Polymere

Testing, 25:149-157.

53. American Petroleum Institute (1997): API recommended practice 652-Lining of

aboveground petroleum pipelines and storage.

54. American Petroleum Institute (2009): API recommended practice 51R-Environmental

protection for onshore oil and gas production.

55. American water works association-AWWA (2013): M23-External corrosion,

introduction to chemistry and control.

56. American water works association-AWWA (2013): M45-Fiberglass pipe design.

48


57. ASTM International (2012): D2992-Standard practice for obtaining hydrostatic

pressure design basis for fiberglass pipes and fittings.

58. ASTM International (2012): D3681-Standard test method for chemical resistance of

fiberglass pipe in a deflected condition.

59. ASTM International (2012): D5365-Standard test method for lond term ring bending

of fiberglass pipe.

60. ASTM International (2014): D3262-Standard specifications for fiberglass sewer pipe.

61. Dienstleister fur normung und standardisierung-DIN (1985): DIN1072-Road and foot

bridges design loads.

62. European Committee for standardization-EN (1997): SN EN1225-Glass reinforced

pipes determination of the creep factor under wet conditions and calculation of the long term

specific ring stiffnes.

63. German association for water, wastewater and waste-DWA (2008): ATV A127-

Statische berechnung von abwasserkanalen.

64. Alberta Environmental Sciences Division (2001): Salt contamination assessment &

remediation guidelines.

65. Amiantit Pipe Systems: Caracteristici tehnice conducte Flowtite.

66. Amiantit Pipe Systems: Catalog Flowtite pentru alimentări cu apă.

67. Amiantit Pipe Systems: Catalog Flowtite pentru canalizare.

68. Amiantit Pipe Systems: Ghid de montare al conductelor Flowtite.

69. Amiantite Pipe Systems: Maintenence manual.

70. Amitech Industrial: Glass fiber reinforced products.

71. California Department of Transportation (2012): Corrosion Guidelines.

72. Fibrelogic Pipe Systems: Engineering design and installation guidelines.

73. Hobas Pipes International: Potable water systems.

74. Hobas Pipes International: Sewer pipe systems.

75. Hobas Pipes International: Top performance pipe systems.

COMPORTAREA CONDUCTELOR DIN PAFSIN ÎN DIFERITE TIPURI … · Teza este structurată pe 5 capitole,...

Documents

Transcript of COMPORTAREA CONDUCTELOR DIN PAFSIN ÎN DIFERITE TIPURI … · Teza este structurată pe 5 capitole,...