Решением Комитета по экологии Государственной Думы РФ №70-1 от 22 февраля 2006 г. рекомендовано: «Министерству регионального развития Российской Федерации, Федеральному агентству по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству и его территориальным подразделениям… рассмотреть вопрос применения труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, учитывая их экологическую и санитарно-эпидемиологическую 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 из ВЧШГ мы имеем дело с значительным «некомплектом»: ❏ номенклатура производимых в России изделий весьма ограничена — сегодня это 100–300 мм; ❏ отсутствуют отечественные трубы экономического сортамента— 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 единственном российском нормативе СП 40-106–2002 [1], который распространяется только на траншейную прокладку трубопроводов; В соответствии с указанным сводом правил, выбирая трубы из ВЧШГ для траншейной прокладки трубопроводов (раздел 3.6), следует руководствоваться показателями 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 также 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 ВЧШГ с учетом мест прокладки следует принимать нагрузки в соответствии с требованиями СНиП 2.04.02 [2]. Величину расчетного внутреннего давления надлежит принимать равной наибольшему возможному давлению в водопроводе на различных участках по длине (при наиболее невыгодном режиме работы) без учета повышения давления при гидравлическом ударе или с повышением давления при гидравлическом ударе с учетом действия противоударной арматуры, если это действие в сочетании с другими нагрузками окажет на трубопровод худшее воздействие. При расчете водопроводов на повышение давления при гидравлическом ударе (определенное с учетом противоударной арматуры или образования вакуума) внешнюю нагрузку следует принимать не более нагрузки от колонны 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, Шпенглера, Уотсона, Яеескелайнена, Молина и др. [6]. Одна из таких методик основана на математической модели системы «грунт– жесткая труба» [4]. Ее основу составляют 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 испытаний внутренним гидравлическим давлением 2,5–5,0 МПа. 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 производится 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 Pp 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 ифланцевыми соединениями — 4,0 МПа. Для труб диаметрами 100–300 мм (ТУ 1461-050-50254094–2002) показатель внутреннего рабочего давления может быть равен 3,0 МПа. При отсутствии в проекте величины гидравлического расчетного 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 риспдля всех труб диаметрами 100–600 мм оно должно быть равно 3,0 МПа. Расчетные вертикальные грунтовые нагрузки определяются так: Q1Т = 1,15γНВКтрΨ(1) при укладке трубопровода в траншее; Q1н = 1,15γНDнКн (2) при укладке трубопровода в насыпи. Расчетные горизонтальные грунтовые нагрузки определяются по формулам: Q1г = 0,8γНDнКтрλтр (3) при укладке трубопровода в траншее; Q1г= 0,8γ(Н+ Dн/2)Dнλн (4) при укладке трубопровода в насыпи. Расчетные вертикальные и горизонтальные транспортные нагрузки определяются по формулам: Q2 = 1,4qDнμКн (5) при укладке трубопровода в траншее; Q2г = 1,0qDнλ(6) при укладке трубопровода в насыпи. Расчетные вертикальные нагрузки от собственной массы трубопровода и наполнителя определяются по формулам: Q3 = 1,1pγтhDср (7) при укладке трубопровода в траншее; (8) при укладке трубопровода в насыпи. При определении расчетных нагрузок на трубопровод коэффициент перегрузки принимаем с учетом давлений грунта (1,2— вертикального, 0,8 — горизонтального) и от транспорта (колонны автомобилей Н— 18)— 1,4 (другие коэффициенты — 1). Максимальные расчетные изгибающие моменты в стенке нижней части (лотка) трубы при укладке трубопровода на плоское основание определяются по формулам: (9) (10) (11) Мг = –0,125(Q1г + Q2г)rср. (12) Внешняя приведенная нагрузка, действующая на трубопровод, определяется по формуле: Qпр = M/(0,318rср) (13), где Dн — наружный диаметр трубы, см;Н— глубина засыпки труб,м; γ— объемный вес грунта засыпки, тс/м3 (значения γ находятся в пределах 1,7– 1,9 тс/м3 и зависят от категории грунта);В — ширина траншеи (мин.ширина должна быть равна Dн + 600 мм). Коэффициент Ктр, учитывающий действие сил трения между засыпкой и стенками трубы, принимается по табл. 1 в зависимости от категории грунтов и отношения Н/D. Коэффициент ψ учитывает разгрузку трубы от бокового давления грунта засыпки и определяется по формуле: ψ= 1/[1 + (2Pгр(B – Dн/PлxDн)],(14) где Рл — параметр, характеризующий кольцевую жесткость трубопровода, определяется по формуле: Рл= 2[E/(1 – ν2)] •[h/(Dн – h)3], (15) где Е — модуль упругости ВЧШГ, (Е = = 1,7105 кг/см2); ν — коэффициент Пуассона ВЧШГ, (ν= 0,3); χ— коэффициент, характеризующий выступание трубы, при укладке ее на плоское основание (χ= 0,98); h — толщина стенки трубы, см; Ргр — параметр, характеризующий жесткость грунта засыпки пазух траншеи: Ргр= 0,125Егр, (16) где Егр— модуль деформации грунта, кг/см2. Коэффициент концентрации давления грунта в насыпи Кн при укладке труб на ненарушенный грунт зависит от отношения Н/Dн и прочности грунтов основания. При укладке труб на плоское основание Кн= 1–1,4. Коэффициенты бокового давления грунта λтр и λн для грунтов Г-III-V принимаются из диапазона значений 0,05–0,2.Величина равномерно распределенного 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. Значения внешней приведенной нагрузки, Q, от воздействия грунта и транспорта для труб диаметрам 100–300 мм представлены в табл. 3. Прочностный расчет трубопроводов производится с учетом поведения ВЧШГ в упругой стадии. Значения расчетного напряжения Rp = 300 МПа (30 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 воздействии нагрузки (приведенной) от грунта и транспорта, кН/м. p0 = Rph/r0; (18) Q0 = 0,524Rph2b/rс, (19) где r0 — внутренний радиус трубы, см; b — длина трубы, равная 1 м; rс — радиус срединной поверхности трубы, см. Внешние нагрузки Q0 и внутреннее 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. Оценку подземных трубопроводов из ВЧШГ производим по полученным значениям коэффициентов запаса. Коэффициент запаса прочности Kр на действие внутреннего давления для труб из ВЧШГ составляет 1,2–3,1. Kр = 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 следует отметить, что значения коэффициентов 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 данной математической модели никак не учитывается фактор возможного снижения прочности труб из ВЧШГ в процессе эксплуатации вследствие коррозионных воздействий. Авторы отдают себе отчет в том, что защита от коррозии металлоконструкций вообще, а сетей водоснабжения и водоотведения в частности, [9] по-прежнему остается одной из нерешенных до конца проблем науки и техники.В этой связи, освещению коррозионного 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 системы «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 центробежноотлитых 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.
1. СП 40-106–2002 «Проектирование и монтаж подземных трубопроводов водоснабжения с использованием труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом». 2. Виноградов C.В. Расчет подземных трубопроводов на внешние нагрузки.—М.: «Стройиздат», 1980. 3. СНиП 2.04.02–85. «Канализация. Наружные сети и сооружения». 4. Клейн Г.К. Расчет подземных трубопроводов. М.: Изд-во литературы по строительству. 1969. 5. Камерштейн А.Г. Условия работы стальных трубопроводов и резервы их несущей способности. М.: Изд-во литературы по строительству. 1966. 6. Прево Р. Расчет на прочность трубопроводов, заложенных в грунт.— Пер. с франц. Под ред. Н.Н. Маслова. М.: «Стройиздат». 1964. 7. ТУ 1461-037-50254094–2004 «Трубы чугунные высоконапорные». 8. СНиП 3.05.04–85 «Наружные сети и сооружения водоснабжения и канализации». 9. Храменков С.В. Стратегия модернизации водопроводной сети. М.: «Стройиздат», 2005. 10.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.
