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

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:
M_b1+M_b2+M_r, (9)
M_b1= 0,235 (Q1 + Q2)rср, (10)
M_b2= 0,18(Q3 + Q4)rср, (11)
M_r= 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

*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

* 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

Допустимое внутреннее давление (МПа) для трубопровода из ВЧШГ таб. 5

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.