Заказать обратный звонок

Заказать обратный звонок

8 (800) 707-27-97 8 (351) 7-97-11-97
Челябинск
8 (7172) 78-80-95
Астана / Казахстане
8 (495) 229-39-14
Москва
8 (863) 303-37-54
Ростов-на-Дону
Контакты
8 (812) 4-486-486
Санкт-Петербург
8 (3532) 37-68-05
Оренбург
mail@ustandart.ru

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
Заполните, пожалуйста, форму
Ваше имя
Номер телефона