Кольцевая жесткость и вес труб КОРСИС ПЛЮС: выбор экономичного профиля

Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Кольцевая жесткость и вес труб КОРСИС ПЛЮС: выбор экономичного профиля

Метод навивки используется для производства труб специальной конструкции, в том числе труб переменного диаметра и/или переменной толщины стенки; труб с профилированной стенкой и различным материалом слоев; эластичных шлангов, армированных спиральным несущим каркасом, и других. Преимущества технологии навивки в основном заключаются в той легкости, с какой однотипные технологические приемы и оснастка могут обеспечить производство изделий, многообразных по конструкции и габаритам.

Оснастка для производства труб КОРСИС ПЛЮС

Рис.1. Оснастка для производства труб КОРСИС ПЛЮС

Так, изображенная на рис. 1 оснастка, несмотря на свою сложность, позволяет в считанные минуты перейти от производства трубы диаметром 600 мм к производству трубы диаметром 2000 (3000) мм. При этом одна труба может иметь гладкую стенку практически любой толщины, а следующая за ней – стенку, специальным образом спрофилированную.

Полимерные трубы с профилированной стенкой предназначены для подземного строительства безнапорных систем водоотведения, канализации и дренажа, главным требованием к которым является кольцевая жесткость. Конструкция таких труб позволяет экономить до 2/3 материала по сравнению с гладкостенной трубой той же кольцевой жесткости.

Кольцевая жесткость Sn (кН/м2) связана с геометрическими параметрами трубы и свойствами материала соотношением:

                                         Sn = Е0I / d3,                                            (1)

где: I – момент инерции профиля стенки трубы на единицу длины (м4/м);

Е0 – кратковременный модуль упругости материала трубы, кН/м2;

d – серединный (по центру толщины стенки) диаметр трубы, м.

Для гладкостенной трубы момент инерции профиля стенки на единицу длины определяется соотношением:

                                                  I = s3/12,                                              (2)

где s толщина стенки трубы, м.

Кольцевая жесткость гладкостенной трубы хорошо корреспондируется с SDR – «стандартным размерным отношением» трубы.

В табл. 1 приведены нормированные значения кольцевой жесткости и показано, какие значения SDR труб из ПЭ им соответствуют.

Таблица 1. Соответствие кольцевой жесткости полиэтиленовых труб значениям SDR

 

 Соответствие кольцевой жесткости полиэтиленовых труб значениям SDR

 

Для трубы с профильной стенкой момент инерции сечения можно рассчитать, разбивая сечение на необходимое число элементарных геометрических фигур.

Профиль стенки трубы КОРСИС ПЛЮС типа PR
Рис. 2. Профиль стенки трубы КОРСИС ПЛЮС типа PR

При производстве трубы КОРСИС ПЛЮС используется, в первую очередь, профиль, изображенный на рис. 2. Технология производства позволяет в достаточно широких пределах менять каждую из обозначенных на рис. 2 величин и получать требуемый уровень кольцевой жесткости. Но те же величины определяют и вес трубы. Таким образом, выбор оптимального с точки зрения материальных затрат профиля далеко не однозначен.

Рассмотрим влияние каждой из этих величин на кольцевую жесткость и вес трубы.

Для начала рассмотрим влияние шага навивки. Зафиксируем e1 = 12 мм; e4 = 10 мм; h = 87 мм; dвш = 65 мм и будем менять шаг навивки a для трубы внутренним диаметром 2000 мм (табл. 2).

Таблица 2. Зависимость кольцевой жесткости Sn  и веса 1 м трубы m от шага навивки а для трубы КОРСИС ПЛЮС внутренним диаметром 2000 мм

Зависимость кольцевой жесткости Sn  и веса 1 м трубы m от шага навивки а

 

Вывод кажется очевидным: при прочих равных условиях с уменьшением шага навивки кольцевая жесткость возрастает. Одновременно возрастает и вес трубы.

Интересен другой результат.

Введем понятие удельного коэффициента кольцевой жесткости трубы, равного отношению кольцевой жесткости к весу погонного метра трубы Sn/m. Эта величина приведена в последнем столбце таблиц 2–5.

Можно утверждать, что с точки зрения оптимизации профиля данной конструкции шаг навивки не имеет решающего значения. В рассмотренном интервале изменения шага удельный коэффициент кольцевой жесткости возрос только на 2%.

Зафиксируем a = 120 мм, e4 = 10 мм, dвш = 65 мм и будем менять толщину подложки e1 (табл. 3). Как следствие, меняется высота h = 81…99, но в данном случае не за счет изменения размеров ребра.

      Таблица 3. Зависимость кольцевой жесткости Sn  и веса 1 м трубы от толщины подложки e1  для трубы КОРСИС ПЛЮС внутренним диаметром 2000 мм

 

Зависимость кольцевой жесткости Sn  и веса 1 м трубы от толщины подложки e1

 

К толщине подложки удельный коэффициент жесткости оказывается более чувствительным, но его рост еще не значителен (возрос на 6 %). Так, толщина подложки возросла в 4 раза, кольцевая жесткость – в 1,83 раза, а вес – в 1,7 раза.

Зафиксируем a = 120 мм; e1 = 12 мм; dвш =  65 мм и будем менять толщину покрытия опорного шланга e4.  Как следствие, меняется высота h = 83…92 (табл. 4).

Таблица 4. Зависимость кольцевой жесткости Sn и веса 1 м трубы m от толщины покрытия опорного шланга e4 для трубы КОРСИС ПЛЮС внутренним диаметром 2000 мм

Зависимость кольцевой жесткости Sn и веса 1 м трубы m от толщины покрытия опорного шланга e4 для трубы КОРСИС ПЛЮС внутренним диаметром 2000 мм

 

Толщина покрытия опорного шланга – более мощный фактор увеличения кольцевой жесткости, чем два предыдущие. Удельный коэффициент жесткости возрос на 27 %. При увеличении толщины покрытия в 2,5 раза, кольцевая жесткость возросла в 2,4 раза, а вес – только в 1,9 раза.

Предыдущие расчеты проводили для опорного шланга 75/65 (внутренний диаметр шланга dвш = 65). При этом h вычислялась (рис.2) по внутреннему диаметру опорного шланга dвш и уравнению:

                                                  h = dвш + e1 + e4,                                                                 (3)

т.е., для «идеального» профиля небольшая овальность не учитывается, а кольцевое ребро «внедряется» в подложку на толщину своего покрытия.

Рассмотрим теперь применение опорных шлангов различного диаметра.

Зафиксируем a = 140 мм; e1 = 20 мм; e4 = 10 мм и проследим (табл. 5) влияние диаметра опорного шланга dвш на кольцевую жесткость трубы.

Таблица 5. Влияние диаметра опорного шланга на кольцевую жесткость и вес трубы (для трубы КОРСИС ПЛЮС внутренним диаметром 2000 мм)
 
Влияние диаметра опорного шланга на кольцевую жесткость и вес трубы

 

Как видим, с увеличением диаметра опорного шланга удельный коэффициент жесткости возрос более чем в два раза. Кольцевая жесткость возросла в 2,6 раза, тогда как вес – только в 1,2 раза.

Очевидно, что диаметр и толщина покрытия опорного шланга  – очень сильные факторы, определяющие оптимальное использование материала в формировании кольцевой жесткости трубы. Это позволяет конструировать более экономичные профили.

Рассмотрим чисто технологические и/или конструктивные ограничения вариации геометрических параметров профиля в порядке возрастания их «полезности».

Шаг навивки. Как показано выше, шаг навивки слабо отражается на экономичности профиля. С другой стороны, чем больше шаг навивки, тем легче повысить производительность процесса. В дальнейших расчетах целесообразно выбирать максимально доступный нам по наличию оснастки шаг a = 140 мм.

Толщина подложки. Из предыдущих расчетов ясно, что с увеличением толщины подложки эффективность использования материала увеличивается незначительно. Но чисто конструктивно толщина не может быть слишком малой величиной. С другой стороны, увеличение толщины потребует существенного увеличения времени охлаждения трубы. Выбираем 6 ≤ e1 ≤ 12 мм. И только в последнюю очередь, если два следующих параметра при своей максимальной величине не позволяют достичь требуемого уровня Sn, наращиваем толщину подложки.

Толщина покрытия опорного шланга. Увеличение толщины покрытия за пределы определенной величины приводит к большой овальности опорного шланга. Так же как в случае с толщиной подложки, возрастает время охлаждения трубы. Кроме того, при их совместном возрастании возможно появление показанного на рис. 3 дефекта. Выбираем e4 ≤ 13 мм.

Излом опорного шланга

 


Рис. 3. Излом опорного шланга

Диаметр опорного шланга. Ясно, что, выбор наибольшего диаметра опорного шланга обеспечивает наибольшую экономию материала. Но в этом случае следует исходить и из дизайна конкретной трубы, и технологических возможностей ее производства. Так, например, при производстве трубы диаметром 600 мм с опорным шлангом 65/57,4 могут возникнуть трудности, связанные с высокой продольной жесткостью шланга, тогда как для трубы диаметром 2000 мм опорный шланг может иметь и существенно большие габариты.

Рис. 4 иллюстрирует снижение материалоемкости профиля с увеличением габаритов ребра жесткости трубы внутренним диаметром 2000 мм.

 

Уменьшение материалоемкости профиля с увеличением габаритов ребра жесткости трубы внутренним диаметром 2000 мм

 

Рис. 4. Уменьшение материалоемкости профиля с увеличением габаритов ребра жесткости трубы внутренним диаметром 2000 мм

Приведенный выше анализ показывает, что принятые профили далеко не оптимальны и их использование при производстве труб КОРСИС ПЛЮС ведет к перерасходу материала. В табл. 6 рассмотрены возможные конструкции профилей для трубы DI = 1400 мм, а в табл. 7 – для трубы DI = 2000 мм, позволяющие экономить 100–150 кг полиэтилена на каждом 6-метровом отрезке трубы.

 

Возможные конструкции профилей для трубы КОРСИС ПЛЮС внутренним диаметром 1400 мм

 


 Авторы: Владимир Швабауэр, Илья Ермолаев – НТЦ «Пластик»,

             Наталья Готовко – Климовский Трубный Завод

 

 

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА