Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

НЕРУХОМІ ОПОРИ ТА ЇХ ВСТАНОВЛЕННЯ НА ПОЛІЕТИЛЕНОВИХ ТРУБОПРОВОДАХ

З кожним роком розширюється сфера застосування полімерних труб. Останні 10-15 років більш інтенсивно використовують напірні поліетиленові труби великих діаметрів. Однак зі збільшенням діаметра поліетиленових труб виявляється їх «ахіллесова п'ята» – вплив лінійного теплового розширення на міцність трубопроводу в зоні поворотів та механічних з’єднань (фланцеві з’єднання, переходи «поліетилен-сталь»).

Поліетиленові труби дійсно схильні до значної зміни лінійних розмірів під впливом температур через велике значення коефіцієнта теплового лінійного розширення у порівнянні з іншими матеріалами. Вільне видовження  незакріпленого трубопроводу розраховують за формулою [1]:

 144 42

де α – коефіцієнт теплового лінійного розширення матеріалу труби, 1/С°, (це означає, що кожний погонний метр труби при нагріванні/охолодженні  на 1 С°  видовжується/скорочується на 0,0002 м або 0,2 мм); Δt – максимальна різниця між температурами стінок трубопроводу в процесі експлуатації та навколишнього середовища, при якій відбувався монтаж кінцевих стиків трубопроводу, С°; l – довжина трубопроводу, м. 

При защемленні трубопроводу ґрунтом видовження/скорочення буде меншим, але слід  пам’ятати, що  поліетиленові труби є еластичними, і при можливих гідравлічних ударах відбувається вібрація труби. Через певний час експлуатації ґрунт навколо труби ущільнюватиметься, а защемлення труби ґрунтом буде зменшуватися. З іншого боку, поліетиленові труби схильні до релаксації: при фіксованій деформації внутрішнє напруження протягом однієї години зменшується в 1,5-2 рази. Це явище прийнято називати «самокомпенсацією». Ця властивість пояснюється тим, що поліетилен має аморфно-кристалічну будову (не має регулярної кристалічної решітки), і макромолекули полімеру можуть переміщуватися стосовно іншої, приймаючи більш енергетично вигідну позицію, що й приводить до зниження напружень.

Зміна температур впливає також на повздовжнє зусилля (N), яке залежить від поперечного перерізу труби та короткотермінового модуля пружності матеріалу. Поздовжні зусилля, що виникають у трубопроводах  при зміні температур, без урахування компенсації температурних деформацій розраховують за формулою 2 [1]:

 144 42b

де    Eo – короткотерміновий модуль пружності матеріалу труби, МПа (для поліетиленових труб середні значення становлять 800 МПа – для ПЕ 80, та 950 МПа – для ПЕ 100); Fпс – площа поперечного перерізу стінки труби, м2. 

Температурні напруження необхідно враховувати при будь-якій довжині поліетиленового трубопроводу.

При відкритому прокладанні  трубопроводів застосовують рухомі та нерухомі опори різних конструкцій: П-, Г-, Z-подібні компенсатори, а при підземному прокладанні для поліетиленових труб компенсацію теплового лінійного видовження/скорочення можна забезпечити повздовжнім вигином при укладанні їх «змійкою», ширина якої повинна допускати  можливість відповідного вигину трубопроводу при перепаді температур [2]. Поліетиленові труби із зовнішнім діаметром до 110 мм включно, як правило, виготовляються у бухтах, тому укладати трубу «змійкою» достатньо просто. Формування поліетиленових труб більших діаметрів «змійкою» ускладнюється через більшу жорсткість труб. Площа поперечного перерізу труб зростає, що зумовлює різке збільшення впливу теплового поздовжнього зусилля на трубопровід.

Ефективним методом зниження впливу температурної деформації поліетиленових трубопроводів є встановлення нерухомих опор. (рис. 1.) 

144 43

Конструкція нерухомої поліетиленової опори представлена на рис. 2 та 3. За основу використовують поліетиленову трубу з привареними виступами. В залежності від зусилля, яке опора повинна витримувати, кількість розрахованих виступів розміщують  в один або два ряди. 

У заводських умовах до відрізку труби по периметру приварюють за допомогою екструдера розраховану кількість виступів (шипів) (рис. 2). Виготовлена поліетиленова нерухома опора потім приварюється до трубопроводу. Однак міцність зварного шва, виконаного за допомогою екструдера, становить лише 280 Н/см2, що є дуже малою величиною. Більш ефективним є метод приварювання виступів до труби з використанням електрозварних пластин (рис. 3), який використовують безпосередньо на будівельному майданчику. 

Стандартний розмір електрозварної пластини становить 330 х 70 мм, розмір сегменту труби та підготовлена поверхня для зварювання на трубі повинні бути на 40-50 мм більшими з кожного боку за розмір електрозварної пластини. Сам процес приварювання виступів до труби подібний до приварювання сідельцевих відводів. Розрахункове зусилля  виступу, звареного за допомогою електрозварної пластини розміром 330 х 70 мм (приймаємо межу текучості поліетилену ПЕ 100 210 кг/см2 [3] та  коефіцієнт міцності зварного шва, який згідно [4] рівний 1), становить 485100 Н. Для розрахунку кількості виступів  визначається зусилля теплового розширення труби, поділеної на цю величину плюс один додатковий виступ (з міркувань надійності). 

У випадку необхідності облаштування нерухомих опор на трубах із малою площею поперечного перерізу (з малими тепловими зусиллями), як правило поліетиленові труби діаметром до 315 мм включно, економічно доцільно застосовувати в якості нерухомої опори терморезисторні муфти відповідного діаметра (рис. 4, Б).  

Рис. 2. Поліетиленова нерухома опора

 144 44

Типові місця  розміщення нерухомих опор – перед входами в колодязі (камери) та після виходу з них (щоб захистити арматуру від можливих зрушень), перед  відводами та трійниками , а також після них – для зменшення додаткових навантажень (осьових, на згин), що виникають під дією внутрішнього тиску у місцях поворотів та відгалужень. Рекомендується встановлювати нерухомі опори при переході звареної поліетиленової труби на сталеву через перехідник «поліетилен – сталь» або при переході на труби із розтрубними з’єднаннями (рис. 4). Щодо поворотів і відгалужень на поліетиленових трубопроводах – їх доцільніше заливати бетоном (рис. 5).

Нерухомі опори повинні бути закріплені в армованому бетоні (арматура АІ – сітка 100 х 100 мм, бетон В22,5), при цьому бетонні конструкції, що їх фіксують,  мають встановлюватися на твердий та ретельно ущільнений ґрунт, не створювати додаткове навантаження на трубопровід, а головне – забезпечувати опір відповідному розрахунковому зусиллю. 

 144 44a144 44d

Розрахункове напруження (σ) повинно бути меншим або рівним  допустимому нормальному напруженню [σ] (σ ≤ [σ]), які розраховуються відповідно за формулами 3 та 4:

                            144 44b

де γn – коефіцієнт надійності конструкції, згідно [4] рівний 1,2; Ro – розрахунковий опір насипних ґрунтів з ущільненням (для крупних, середньої крупності та дрібних пісків) згідно [5] становить 0,2 МПа.

Виходячи з вищесказаного і об’єднавши формули 3 і 4, отримаємо нерівність (5):

                               .             144 44c – площа бокової поверхні бетонної опори, м2.

Площа всього  поперечного перерізу  конструкції (м2) буде становити суму площ бокової поверхні бетонної опори та поперечного зрізу труби:

144 45                        

Товщину бетонної опори b слід вибирати з умови, що відстань від бокової поверхні опори до привареного виступу повинна бути не менше 150 мм. При цьому товщина привареного виступу мусить дорівнювати 150 мм. Рекомендовані товщини b: не менше 450 мм – для опор з одним рядом приварених виступів і не менше  800 мм – для опор із двома  рядами  приварених  виступів. 

За допомогою програми розрахунку нерухомих опор поліетиленових трубопроводів, розробленої фахівцями ТД «Євротрубпласт», були проведені обчислення: поздовжніх зусиль, які виникають у поліетиленовій трубі ПЕ 100 при перепаді температури 20 оС, кількості шипів при  приварюванні їх за допомогою електрозварної пластини (див. рис. 3) та мінімальних геометричних розмірів бетонних опор.

За допомогою даних, наведених таблиці, можна зорієнтуватися  щодо доцільності встановлення нерухомих опор при проектуванні поліетиленових трубопроводів. Рекомендована кількість виступів та розміри бетонних нерухомих опор є орієнтовними і повинні підтверджуватися розрахунками для кожного конкретного проекту.

 144 45a

144 46

Література

1. ДСТУ-Н Б В.2.5-40:2009. Проектування та монтаж мереж водопостачання та каналізації з пластикових труб. 

2. ДБН В.2.5-74:2013. Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди. Основні положення проектування.

3. ДСТУ Б В.2.7-151:2008. Будівельні матеріали. Труби поліетиленові для подачі холодної води. Технічні умови.

4. СН 550-82. Инструкция по проектированию технологических трубопроводов из пластмассовых труб (Інструкція з проектування технологічних трубопроводів із пластмасових труб). 

5. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений (Основи будівель і споруд).

Автор: Ігор Крупак

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА