Оценка напорных трубопроводов из ВЧШГ с использованием математической модели системы «грунт-жесткая труба»
Опубликовано в журнале "С.О.К", №6 за 2006
Оценка напорных трубопроводов из ВЧШГ с использованием математической модели системы «грунт-жесткая труба»
От редакции
Согласно постановлению московского правительства, сегодня для питьевого водоснабжения г. Москвы должны использоваться главным образом, трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, известные специалистам под аббревиатурой ВЧШГ. Применяться они должны в соответствии со сводом правил СП 40-106-2002 «Проектирование и монтаж подземных трубопроводов водоснабжения с использованием труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом», который предусматривает использование труб российских производителей. Это заводы «Свободный Сокол» (г. Липецк), производящий трубы до 300 мм, и Синарский (г. Усть-Каменск), производящий трубы до 1000 мм. К сожалению, именно производивший, так как завод закрылся на реконструкцию. Но, как известно, «свято место пусто не бывает» - в Россию хлынули трубы из ВЧШГ со всего мира. В восточные регионы – из Китая диаметром до 2600 мм, в Европейскую часть страны – от зарубежных лидеров, таких как PONT-O-MUSSON, BUDERUS. Никаких нормативов на применение данной продукции в стране нет. Да и вообще, техническая информация о трубах из ВЧШГ практически отсутствует. Предполагаем, что читателям журнала «С.О.К.», да и всей научно-технической общественности будет весьма интересно познакомиться с некоторыми особенностями труб из ВЧШГ, представленными в следующей статье.
Решением Комитета по экологии Государственной Думы РФ №10-1 от 22 февраля 20006 г. рекомендовано: «Министерству регионального развития Российской Федерации, Федеральному агентству по строительству и жилищно-комунальному хозяйству и его территориальным подразделениям… рассмотреть вопрос и применении труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графита, учитывая их экологическую и санитарно-эпидемеологическую безопасность, при проектировании, строительстве и реконструкции сетей водоснабжения» (п 2.1.2.). Заметим, что выполнить эти рекомендации будет весьма непросто, т.к. применение труб из различных материалов основывается, прежде всего, на экономической эффективности, определяемой при проектировании. А в случае с трубами ВЧШГ мы имеем дело со значительным «некомплектом»:
- номенклатура производимых в России изделий весьма ограничена – сегодня это 100-300 мм;
- отсутствуют отечественные трубы экономического сортимента – согласно международной классификации, мы выпускаем трубы только одного класса, что заставляет применять одни и те же трубы в любых трубопроводах, независимо от внутреннего давления и условий прокладки;
- отсутствуют нормативы, регламентирующие применение труб из ВЧШГ при реконструкции трубопроводов как традиционными, так и бестраншейными методами;
- правила использования труб из ВЧШГ при новом строительстве прописаны в едином российском нормативе СП 40-106-2002 [1], который распространияется только на траншейную прокладку трубопроводов;
В соответствии с указанным сводом правил, выбирая трубы из ВЧШГ для траншейной прокладки трубопроводов (раздел 3.6), следует руководствоваться указателями их прочности:
«с учетом воздействия расчетного внутреннего давления, нагрузок грунта, временных нагрузок, собственной массы труб, массы теплоизоляции и транспортируемой воды, давления при образовании вакуума и внешнего гидростатического давления грунтовых вод в тех комбинациях, которые оказываются наиболее опасными для различных конкретных условий проектируемого участка, а так же прочностных и деформационных показателей чугуна, установленных заводами-изготовителями труб.
Трубы, укладываемые в грунте, должны быть во всех случаях рассчитаны на восприятие одновременного воздействия расчетного внутреннего давления и приведенной внешней нагрузки с учетом глубины заложения трубопровода, вида основания, уплотнения грунта засыпки, временных нагрузок, овализации поперечного сечения. В качестве временных нагрузок для трубопроводов с использованием труб из ВЧШГ с учетом мест прокладки следует принимать нагрузки в соответствии с требованиями СНиП 2.04.02 [2]. Величину расчета внутреннего давления надлежит принимать равной наибольшему возможному давлению в водопроводе на различных по длине (при наиболее невыгодном режиме работы) без учета повышения давления при гидравлическом ударе (определенное с учетом противоударной арматуры или образования вакуума) внешнюю нагрузку следует принимать не более нагрузки от колонн автомобилей Н-18».
К сожалению, какие методики следует использовать для таких расчетов, в своде правил не указано. В мировой практике для расчетов подземных трубопроводов из различных материалов используются разнообразные методики как отечественных ученых (например, Виноградова [3], Клейна [4], Камерштейна [5] и других), так и зарубежных (Марстона, Шпегнглера, Уотсона, Яеескелайнера, Молина и др. [6]. Одна из таких методик основана на математической модели системы «грунт-жесткая труба» [4]. Ее основу составляю предельные состояния трубопроводов – прочность (деформативность) и водонепроницаемость.
Предельное состояние связано с технологией изготовления труб, качеством и механическими свойствами материалов, из которых они изготовлены, и зависит, в том числе от условий работы трубопровода при эксплуатации.
Проверка на водонепроницаемость обусловлена технологией изготовления изделий из ВЧШГ. Проверке на водонепроницаемость в заводских условиях должны подвергаться 100% труб независимо от диаметра и класса [7] посредством испытан внутренним гидравлическим давлением 2,5-5,0 МПа.
Значение коэффициента Ктр, таб. 1
Н/Вср | Коэффициент Ктр при категории грунтов засыпки | ||
---|---|---|---|
Г-I; Г-II | Г-III; Г-IV; Г-V | Г-VI | |
0,1 | 0,981 | 0,984 | 0,986 |
0,5 | 0,91 | 0,923 | 0,936 |
1 | 0,839 | 0,862 | 0,882 |
1,5 | 0,787 | 0,816 | 0,842 |
2,0 | 0,725 | 0,75 | 0,78 |
3,0 | 0,63 | 0,66 | 0,69 |
4,0 | 0,555 | 0,585 | 0,62 |
5,0 | 0,49 | 0,52 | 0,56 |
6,0 | 0,435 | 0,47 | 0,505 |
Оценка производится сопоставлением несущей способности труб с приведенными нагрузками при различных условиях применения трубопроводов:
В траншеях с вертикальными стенками и плоским основанием, окружающие трубопровод грунты (пески крупные, мелкие, пылеватые, сухие, суглинки, глины – всего шесть категорий), глубина заложения, считая от верха трубы, грунты засыпки пазух траншеи при нормальной степени уплотнения и транспортная нагрузка. Расчет трубопровода с учетом сочетания нагрузок, воздействующих на подземный трубопровод. Это внутреннее давление, масса транспортируемой среды (воды, стоков), давление грунта, транспорта и собственного веса труб.
Величина расчетного внутреннего давления Рр принимается согласно СНиП 2.04.02-85 п.8.22 с учетом или без учета гидравлического удара. Рекомендуемый показатель – 1,6 МПа. Величина рабочего давления не должна превышать: для раструбных труб – 3,0 МПа; для труб с муфтовыми и фланцевыми соединениями – 4,0 МПа. Для труб диаметром 100-300 мм (ТУ 1461-050-50254094-2002) показатель внутреннего рабочего давления может быть равен 3,0 МПа. При отсутствии в проекте величины гидравлического расчета давления испытательное давление Рисп следует принимать в соответствии с п. 10 табл. 5 (СНиП 3.05.04-85 – п. 7.7) не более 0,6 заводского испытательного давления. При р0 = 5,0 МПа Рисп для всех труб диаметрами 100-600 мм оно должно быть равно 3,0 МПа.
Расчетные вертикальные грунтовые нагрузки определяются так:
Q1T = 1,15gHBKтрy (1)
При укладке трубопровода в траншее;
Q1н = 1,15gHDнКн (2)
при укладке трубопровода в траншее;
Расчетные вертикальные и горизонтальные транспортные нагрузки определяются по формулам:
Q1г = 0,8gHDHКтрlH (3)
при укладке трубопровода в траншее;
Q1г = 0,8g(H+DH/2) DHlH (4)
при укладке трубопровода в насыпи.
Расчетные вертикальные и горизонтальные транспортные нагрузки определяются по формулам:
Q2=1,4qDHmKH (5)
при укладке трубопровода в траншее;
Q2г = 1,0qDHl
при укладке трубопровода в насыпи.
При определении расчетных нагрузок на трубопровод коэффициент перегрузки принимаем с учетом давления грунта (1,2 – вертикального, 0,8 – горизонтального) и от транспорта (колонные автомобилей Н – 18) – 1,4 (другие коэффициенты – 1).
Максимальные расчетные изгибающие моменты в стенке нижней части (лотка) трубы при укладке трубопровода на плоское основание определяется по формулам:
Mb1+Mb2+Mr, (9)
Mb1= 0,235 (Q1 + Q2)rср, (10)
Mb2= 0,18(Q3 + Q4)rср, (11)
Mr= 0,125 (Q1г + Q2г)rср. (12)
Внешняя приведенная нагрузка, действующая на трубопровод, определяется по формуле:
QПР = M/(0,318rср), (13)
Показатель равномерного распределения давления (q) от транспортной нагрузки Н-18 в зависимости от наружного диаметра (Dн) трубопровода из ВЧШГ, где DH – наружный диаметр трубы, см; Н – глубина засыпки труб, м; g - объемный вес грунта засыпки, тс/м3 (значения g находятся в пределах 1,7-1,9 тс/м3 и зависят от категории грунта); В – ширина траншеи (мин. Ширина должна быть равна DH + 600 мм).
Коэффициент Ктр, учитывающий действия сил трения между засыпкой и стенками трубы, принимается по табл. 1 в зависимости от категории грунтов и отношения H/D.
Коэффициент Y учитывает разгрузку трубы от бокового давления грунта засыпи и определяется по формуле:
Y=1/[1+(2Pгр(B-DH)/PлхDH], (14)
где Pлх – параметр, характерезующий кольцевую жесткость трубопровода, определяется по формуле:
P1=2[E/(1-n2)]·[h/(DH-h)3], (15)
где Е – модуль упругости ВЧШГ, (E=1,7105 кг/см2); n - коэффициент Пуассона ВЧШГ, (n = 0,3); X- коэффициент, характеризующий выступание трубы, при укладке ее на плоское основание (X = 0,98); h – толщина стенки трубы, см; Pгр – параметр, характеризующий жесткость грунта засыпки пазух траншеи:
Pгр = 0,125 Егр, (16)
где Егр – модуль деформации грунта, кг/см2.
Коэффициент концентрации давления грунта в насыпи Кн при укладке труб на ненарушенный грунт зависит от отношения H/Dh и прочности грунтов основания. При укладке труб на плоское основание Кн = 1-1,4
Коэффициент бокового давления грунта lтр и lн для грунтов Г-III-V принимаются из диапазона значений 0,05-0,2. Величина равномерно распределяемого давления q(тс/м2) от наземного транспорта Н-18, передаваемого на трубы через грунт, в зависимости от их диаметра и глубины заложения принимается по табл. 2.
Значение внешней приведенной загрузки, Q, от воздействия грунта и транспорта для труб диаметрам 100-300 мм представлены в табл. 3.
Показатель равномерно распределенного давления (q) от транспортной нагрузки таб.2
H-18 в зависимости от наружного диаметра (DH) трубопровода из ВЧШГ
Глубина заложения трубопровода, Н, м | Q(тс/м2) при Dh, мм | ||||
---|---|---|---|---|---|
100 | 150 | 200 | 250 | 300 | |
1,0 | 2,90 | 2,895 | 2,89 | 2,88 | 2,87 |
1,5 | 1,39 | 1,385 | 1,38 | 1,375 | 1,37 |
2,0 | 0,88 | 0,88 | 0,88 | 0,875 | 0,87 |
*при заложении трубопровода на глубине 2,25 м значения q для всех диаметров принимаются равными 0,78 тс/м2
Значения Q, кН/м, для трубопровода из ВЧШГтаб. 3
Глубина заложения Н, м |
При воздействии | ||||
---|---|---|---|---|---|
Транспорта Н-18 и грунта | грунта | ||||
I-IV | V-VI | I-IV | V-VI | ||
100мм | |||||
1,5* | 5,6 (17,2) | 6,2 (15,5) | 3,4 (28,3) | 3,9 (24,7) | |
2,0 | 5,9 (16,4) | 6,6 (14,6) | 4,5 (21,4) | 5,2 (18,5) | |
2,5 | 6,8 (14,2) | 7,7 (12,5) | 5,6 (17,2) | 6,5 (14,8) | |
3,0 | 7,7 (12,5) | 8,? (11,0) | 6,8 (14,1) | 7,8 (12,3) | |
150мм | |||||
1,5 | 7,7 (9,5) | 8,5 (8,9) | 4,7 (15,6) | 5,4 (16,0) | |
2,0 | 8,2 (8,9) | 9,2 (7,8) | 6,3 (11,6) | 7,2 (8,1) | |
2,5 | 9,3 (7,8) | 10,6 (7,7) | 7,8 (9,3) | 9,0 (7,8) | |
3,0 | 10,6 (6,9) | 12,0 (6,0) | 9,4 (7,8) | 10,8 (7,0) | |
200мм | |||||
1,5 | 10,3 (5,4) | 11,3 (4,9) | 6,4 (8,7) | 7,4 (7,5) | |
2,0 | 10,9 (5,1) | 12,2 (4,6) | 8,5 (6,5) | 9,8 (5,7) | |
2,5 | 12,5 (4,5) | 14,1 (3,9) | 10,6 (5,2) | 12,1 (4,6) | |
3,0 | 14,2 (4,3) | 16,1 (3,5) | 12,6 (4,4) | 14,5 (3,8) | |
250мм | |||||
1,5 | 12,6 (4,1) | 13,9 (3,7) | 7,9 (6,5) | 9,1 (5,7) | |
2,0 | 13,4 (3,9) | 15,0 (8,4) | 10,5 (4,9) | 12,0 (4,3) | |
2,5 | 15,3 (3,4) | 17,3 (3,0) | 13,0 (4,0) | 14,9 (3,5) | |
3,0 | 17,3 (3,0) | 19,? (2,6) | 15,5 (3,4) | 17,8 (2,9) | |
300мм | |||||
1,5 | 14,8 (3,3) | 16,4 (3,0) | 9,5 (5,2) | 10,9 (4,5) | |
2,0 | 15,7 (3,1) | 18 (2,7) | 12,5 (4,0) | 14,3 (3,4) | |
2,5 | 18,0 (2,7) | 20,5 (2,4) | 15,5 (3,2) | 17,8 (2,7) | |
3,0 | 10,4 (2,4) | 23 (2,1) | 18,5 (2,6) | 21,2 (2,3) |
* Здесь и в других в качестве минимальной глубины заложения трубопровода из ВЧШГ приняты значения глубины промерзания грунта, характерные для московской климатической зоны, хотя в эту зиму, как отмечали специалисты МГУП «Мосводоканал», были зафиксированы рекордные показатели – до 2,2 м, что, по их мнению, стало причиной возникновения множественных аварийных ситуаций на московских водопроводных сетях из различных труб.
Прочностный расчет трубопроводов производиться с учетом поведения ВЧШГ в упругой стадии. Значения расчетного напряжения Rp = 300 МПа (300 кг/мм2). При совместном воздействии на трубопровод внешних приведенных нагрузок от грунта и транспорта и внутреннего гидравлического давления PПР = P0(1-Qпр/Q0), (17)
Где PПР – величина внутреннего давления при Qпр, МПа, Qпр – величина приведенной внешней нагрузки, кН; P0 – несущая способность трубы под воздействием внутреннего гидростатического давления транспортируемой по трубопроводу среды, МПа; Q0 – несущая способность трубы при возникновении нагрузки (приведенной) от грунта и транспорта, кН/м.
P0 = Rph/r0; (18)
Q0 = 0,524 Rph2b/rc, (19)
где r0 – внутренний радиус трубы, см; b – длина трубы, равная 1м; rc – радиус срединной поверхности трубы, см.
Внешние нагрузки Q0 и внутренне давление P0 для труб из ВЧШГ диаметром 100-300 мм приведены в табл. 4.
Допустимые показатели внутреннего давления (согласно (17) в трубопроводах из ВЧШГ, находящихся под действием давлений грунта и транспорта указаны в табл. 5.
Значения P0 и Q0 для трубопровода из ВЧШГ таб. 4
Dy, мм | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 |
Q0, кН/м | 96,4 | 73,2 | 55,6 | 51,7 | 48,9 |
P0, МПа | 33,4 | 23,9 | 18,0 | 15,7 | 13,8 |
Допустимое внутреннее давление (МПа) для трубопровода из ВЧШГ таб. 5
Глубина заложения, Н,м | При действии | |||
---|---|---|---|---|
Транспорта Н-18 и грунта | Грунта | |||
I-IV | V-VI | I-IV | V-VI | |
100 мм | ||||
1,5 | 31,5 | 31,3 | 32,2 | 32,1 |
2,0 | 31,4 | 31,1 | 31,8 | 31,6 |
2,5 | 31,0 | 30,7 | 31,5 | 31,1 |
3,0 | 30,7 | 30,4 | 31,0 | 30,7 |
150 мм | ||||
1,5 | 21,4 | 21,1 | 22,4 | 22,1 |
2,0 | 21,24 | 20,9 | 21,8 | 21,6 |
2,5 | 20,9 | 20,4 | 21,4 | 21,0 |
3,0 | 20,5 | 20,0 | 20,8 | 20,4 |
200 мм | ||||
1,5 | 14,7 | 14,3 | 15,9 | 15,6 |
2,0 | 14,5 | 14,1 | 15,2 | 14,8 |
2,5 | 14,0 | 13,4 | 14,7 | 14,1 |
3,0 | 13,4 | 12,8 | 14,0 | 13,3 |
250 мм | ||||
1,5 | 11,9 | 11,5 | 13,3 | 12,9 |
2,0 | 11,6 | 11,1 | 12,5 | 12,1 |
2,5 | 1,1 | 10,5 | 11,8 | 11,2 |
3,0 | 10,5 | 9,7 | 11,0 | 10,3 |
300 мм | ||||
1,5 | 9,6 | 9,2 | 11,1 | 10,7 |
2,0 | 9,4 | 8,7 | 10,3 | 9,8 |
2,5 | 8,7 | 8,0 | 9,4 | 8,8 |
3,0 | 8,0 | 7,3 | 8,6 | 7,8 |
Оценку подземных трубопроводов из ВЧШГ производим по полученным значениям коэффициентов запаса.
Коэффициент запаса прочности Кр = на действие внутреннего давления для труб из ВЧШГ составляет 1,2–3,1. Кр = P0/ PР (P0 – гарантированное заводом-изготовителем давление 5 МПа, при котором трубы сохраняют водонепроницаемость; PР – допустимое рабочее давление для труб (например, раструбных – 1,6 МПа, муфтовых и фланцевых – 4,0 МПа).
Коэффициент запаса прочности Кв (значения, заключенные в скобки в табл. 3) на внешнюю нагрузку, Кв = Q0/Q, где Q0 – несущая способность трубы, Q – внешняя приведенная нагрузка), для труб диаметром 100 мм в диапазоне глубин заложения 1-3 м (в грунтах категории I-IV) составляет 14,7 – 12,5, а для труб диаметром 300 мм на глубине заложения 2м – 2,7-4,0.
В заключение стоит отметить, что значения коэффициента запаса, полученные при использовании математической модели системы «грунт-жесткая труба», убеждают в том, что при траншейной прокладке в подавляющем числе случаев будут создаваться существенно завышенные по надежности напорные трубопроводы из ВЧШГ. При вариантном проектировании большинства трубопроводов это может привести проектировщиков к мысли об экономической нецелесообразности, несмотря на все экологические преимущества. Правда, наше заключение несколько ограничено. В данный математической модели никак не учитывается фактор возможного снижения прочности труб из ВЧШГ в процессе эксплуатации вследствие коррозийных воздействий. Авторы отдают себе отчет в том, что защита от коррозии металлоконструкций вообще, а сетей водоснабжения и водоотведения и водоотведения в частности, [9] по-прежнему остается одной из не решенных до конца проблем науки и техники. В этой связи, освещению коррозийного воздействия транспортируемых сред и окружающих грунтов на напорные трубопроводы из ВЧШГ авторы намереваются посвятить специальную работу. Также в планах предпринять оценку напорных трубопроводов из ВЧШГ с использованием математической модели «грунт-гибкая труба». Ведь ВЧШГ – достаточно пластичный материал. Его относительное удлинение при разрыве, в соответствии с требованиями ISO 2531 [10], не должно быть меньше 10% для центробежно-отлитых труб диаметром от 1000 мм и 7% - для труб диаметром 1100 – 2600 мм. Эти показатели несколько уступают трубным маркам стали (для них он составляет 16-25%), но зато во много раз превосходит показатели для серого чугуна, на трубы из которого распространяются многие российские СниП.
· СП 40-106-2002 «Проектирование и монтаж подземных трубопроводов водоснабжения с использованием труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом».
· Виноградов С.В. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки. – М.: «Стройиздат»,1980
· СНиП 2.04.02-85. «Канализация, Наружные сети и сооружения».
· Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. М.: Изд-во литературы по строительству, 1969.
· Камерштейн А.Г. Условия работы стальных и резервы их несущей способности. М.: Изд-во литературы по строительству, 1966.
· Прево Р. Расчет на прочность трубопроводов, заложенных в грунт. – Пер. с франц. Под ред. Н.Н. Маслова. М.: «Стройиздат», 1964.
· ТУ 1461-037-50254094-2004 «Трубы чугунные высоконапорные».
· СНиП 3.05.04-85 «Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации».
· Храменков С.В. Стратегия модернизации водопроводной сети. М.: «Стройиздат», 2005.
· Международный стандарт ISO 2531. Трубы, фитинги, арматура и их соединения из чугуна с шаровидным графитом для водо- и газоснабжения. Ductile iron pipes, fitting, accessories and their joints for water or gas applications. Переводчик: Пигур В.А., редактор: Рудыкин Н.Г., М.: ВНИИКИ, 1999.
Авторы: А.А. ОТСТАВНОВ, ведущий научный сотрудник “НИИ Мосстрой”, к.т.н., А.Д. АЛИФЕРНКОВ, сотрудник ООО “Аквадизайн-А”, к.т.н. О.Г. Примин, зам. Диреткора по науке ГУП «МосводоканалНИИпроект», д.т.н., В.А. ОРЛОВ, проф. МГСУ, к.т.н. В.А. ХАРЬКИН, ген. директор ООО «Прогресс», к.т.н.
Использование материалов ТД "Уральский стандарт" возможно только с письменного разрешения компании.
15 Июня 2006