Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб

(0) (3826)
Опубликовано в журнале СОК №9 | 2014
Rubric:
Sanitary Engneering, Plumbing
Автор:

Передовые решения при устройстве внутренних водопроводов в зданиях и сооружениях любого назначения связаны с использованием однослойных полимерных труб и сопутствующих им соответствующих комплектующих. Особое место здесь занимает вопрос крепления горизонтальных участков холодных и горячих водопроводов.

Повышение энергоэффективности, ставшее в последние годы одним из важнейших условий конкурентоспособности российской экономики, все настойчивее требует от застройщиков применять передовые решения. Последние не только позволяют добиться ощутимой экономии при эксплуатации здания, но и существенно повышают такие его характеристики, как безопасность, долговечность и комфорт. Передовые решения при устройстве, например, внутренних водопроводов в зданиях и сооружениях любого назначения [1] сегодня во многом связаны с использованием для этого однослойных полимерных труб и сопутствующих им соответствующих комплектующих, а также технологий [2-4].

Особое место здесь занимают вопросы, связанные с креплением горизонтальных участков холодных и горячих водопроводов, так как именно оптимальная расстановка крепежа обеспечивает с минимумом затрат денежных средств и трудовых ресурсов требуемое качество и надежность их функционирования на весь расчетный прогнозный период последующей эксплуатации.

Количество креплений задается, как правило, в монтажном проекте. Всегда перед разработчиком монтажного проекта возникает дилемма. Чем чаще будут располагаться крепления, тем прочнее будет водопровод и тем долговечнее будет внутренняя система водоснабжения. Это с одной стороны. С другой стороны, чем меньше крепежа будет использовано, тем меньше будет стоимость обустройства креплений и тем экономичнее будет строительство такой системы.

При проходе горизонтальных трубопроводов через различного рода перегородки последние могут служить препятствием к осевым и угловым перемещениям сечений труб. В подобных условиях будут находиться сечения трубопровода, расположенные в зоне так называемых «мертвых точек»

Крепление внутренних водопроводов, изготовленных из любых труб, должно производиться с учетом всех воздействующих на них нагрузок: внутреннего давления транспортируемого вещества, собственного веса трубопровода, веса транспортируемой воды, продольных усилий, вызванных температурными изменениями окружающей среды или транспортируемой воды, нагрузок при монтаже трубопровода и др. [5, 6].

Усилия (напряжения) в трубопроводе от воздействия нагрузок определяют согласно общим правилам строительной механики. При этом трубопровод принимают за упругий стержень (прямолинейный или криволинейный), поперечное сечение которого остается плоским и сохраняет свою круговую форму, а модуль упругости (ползучести) зависит от растягивающих напряжений, продолжительности действия нагрузок и температур (рис. 1). При горизонтальной прокладке полимерных водопроводов необходимо выбрать наиболее рациональные расстояния между креплениями, обеспечивающие оптимальную прочность и прямолинейность трубопровода.

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 1

При проходе горизонтальных трубопроводов через различного рода перегородки последние могут служить препятствием к осевым и угловым перемещениям сечений труб. В подобных же условиях будут находиться сечения трубопровода, расположенные в зоне так называемых «мертвых точек» (защемленные сечения).

В случае двустороннего защемления трубопровод будет находиться под действием продольного усилия Nт, вызванного изменением температуры, и равномерной поперечной нагрузки интенсивностью q, учитывающей как собственный вес трубы, так и вес транспортируемой по ней воды. Таким образом, водопровод можно рассматривать как неразрезную балку, испытывающую продольно-поперечный изгиб. При продольно-поперечном изгибе нелинейная зависимость между величинами перемещений и продольных нагрузок затрудняет возможность использования принципа независимости действия сил, поэтому для сжато-изогнутых водопроводов точные энергетические методы определения перемещений редко приемлемы.

Существует ряд приближенных способов нахождения перемещений: аналитический (энергетический способ Ти- мошенко-Ритца), графоаналитический (способ Никитина) и графический (круги Ченцова, способ Саусвелла-Гафа и др.).

Единственным точным методом определения линейных и угловых перемещений в сжато-изогнутых водопроводах является интегрирование дифференциального уравнения изогнутой оси.

Решение такого дифференциального уравнения выполнено [7] методом Коши- Крылова, использующим фундаментальные системы частных интегралов.

Анализ литературы и других данных также показал, что значения стрелы прогиба f могут быть установлены в качестве абсолютной величины Z, относительных значений от наружного диаметра M1D или расстояния М2Х между кронштейнами [8, 9]. Важным моментом, влияющим на прогиб трубопровода, является также способ крепления трубы на опоре.

В одном случае (первый вариант) между опорами нет раструбного соединения, причем если на одной из опор лежит раструб, то он должен быть обязательно закреплен неподвижно (к этому же варианту относятся водопроводы с клеевыми и сварными соединениями).

Второй вариант распространяется на крепления водопроводов в том случае, когда между опорами находится раструбное соединение с резиновым уплотнительным кольцом (оно не удерживает осевого нагружения), а также когда к одной из опор труба примыкает гладким концом, входящим в закрепленный раструб соседней трубы.

Пролет, являющийся функцией абсолютного прогиба:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 2

где λz — коэффициент, учитывающий вариант опирания водопровода на кронштейны (λz = 384 и 128 для первого и второго вариантов, соответственно); χ — коэффициент, учитывающий геометрию трубы и объемные массы полимера и воды:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 3

где K1, К2, К3 — коэффициенты, зависящие от геометрических размеров трубы:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 4

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 5

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 6

в данном случае SDR = D/e, где D и e — наружный диаметр и толщина стенки трубы; γм и γс — удельные массы полимера и воды, транспортируемой по водопроводу, кг/см3; ω — показатель степени, равный 0,25 (рис. 2).

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 7

Величина пролета, при которой прогиб трубопровода не превысит определенной части М1 наружного диаметра D:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 8

Допустимые расстояния между кронштейнами при условии, что прогиб не превышает определенной его части М2:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 9

где v — показатель степени, равный 0,33. Значения части М2 обычно принимаются в интервале 0,001 < М2 < 0,005, иногда М2 = 0,03.

Расчеты показывают, что водопровод, например, из НПВХ-100 диаметром 110 мм при креплении по первому варианту может быть уложен на опоры, расстояние между которыми можно принять примерно на 30 % большим, чем при втором варианте крепления (табл. 1).

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 10

Приближенные значения расстояний X между креплениями (при Z < 0,005X) горизонтальных участков водопроводов из однослойных полимерных труб можно принимать по построенной для этого случая номограмме (рис. 3).

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 11

Одним из существенных факторов, ограничивающих применимость однослойных полимерных труб для устройства горячих водопроводов (особенно на магистральных участках), являются растягивающие напряжения σ, возникающие в стенках при долговременном их нагружении внутренним давлением и продольным изгибом.

Длина пролета, при которой не будут превышены допустимые значения σд:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 12

где λs — коэффициент, учитывающий вид опирания труб (12 — для первого варианта крепления, 8 — для второго).

Расчеты, выполненные по формуле (6), свидетельствуют о том, что, например, холодный водопровод из НПВХ-100 труб с SDR = 13,6 при укладке на опоры с расстоянием 30D (D — наружный диаметр труб) σд = 100 кгс/см2 не будет превышено при τ = 50 лет и p = 10 кгс/см2.

При прогибе трубопровода из раструбных НПВХ-труб между опорами может происходить поворот гладкого конца одной трубы в раструбе другой. При одновременном повороте раструба и гладкого конца угол поворота составит с. При определенных значениях β может наступить разгерметизация напорного трубопровода в соединении, так как при этом происходит ослабление контактного давления кольца, находящегося в желобке, на гладкий конец.

Зависимость, связывающая расстояние между креплениями с углом поворота одного из концов трубы, имеет вид:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 13

где λθс — коэффициент, учитывающий вид опирания труб (поворот происходит только при втором варианте λθс = 48).

Расчеты, выполненные по формуле (7), показали, что величины углов поворота, получаемые при X = 3,2 м (например, для D = 110 мм ⇒ θс = 40°), допустимы для сохранения герметичности соединений.

Для сборки водопроводов из НПВХ- труб как между собой, так и с такими же фасонными частями используется склеивание [10], а из ПЭ- и ПП-труб — сварка, при этом получаются неразъемные соединения [11]. На горизонтальных участках таких водопроводов расстояние между креплениями может быть увеличено, так как под действием имеющегося в цельном (склеенном/сваренном) водопроводе внутреннего давления р будет происходить продольное его выпрямление. С учетом этого допустимое расстояние между креплениями между опорами выражается формулой:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 14

Аналогичный эффект для цельного водопровода можно ожидать при его монтаже в жаркий период года с последующим охлаждением при эксплуатации, то есть когда будет иметь место растяжение труб под действием термических напряжений от соответствующего перепада температур Δt

Допустимое расстояние между креплениями в этом случае:

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 15

где α — коэффициент термического расширения термопласта, 1/ °С.

Расчеты показывают [12], что увеличение X может составить 10-15 % в зависимости от конкретных условий прокладки холодного водопровода, например, из НПВХ-100 труб. При монтаже водопровода в холодный период года, когда может наступить его нагревание, а затем при последующей эксплуатации охлаждение, то расстояние между креплениями следует уменьшать, с использованием разности второго и первого слагаемых правой части формулы (9).

С целью анализа приводимых в некоторых нормативах данных по расстояниям между креплениями на горизонтальных участках было проведено их сравнение относительно холодных и горячих водопроводов. Результаты аппроксимации данных из СП 40-101-96 (рис. 5) показывают, что расстояния между креплениями на горизонтальных участках холодных и горячих водопроводов могут различаться порой до 25 %.

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 16

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 17

МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

В. И. КОПЕЙКИН, главный инженер «Северо-Западной Ресурсосберегающей Компании» (город Санкт-Петербург):

— Вопрос установки опор на горизонтальных участках различных водопроводов из пластиковых труб в настоящее время, безусловно, актуален. Расчеты, связанные с ними, действительно важны для проектировщиков. Вместе с тем, для производителей работ представляют больший интерес легко читаемые справочные таблицы, в которых отражались бы характеристики труб, параметры жидкостей, переносимых по ним, и соответствующее расстояние между опорами. Таблицы должны быть легко читаемыми и понятными, так как прорабам часто приходится принимать решение по факту монтажа на месте, и длительный процесс согласования иногда тормозит работу.

Кроме того, не для всех диаметров труб, по каким-то неизвестным причинам, не выдерживаются (табл. 2) закономерности, выражаемые формулами для водопроводов:

• холодного — X = 15,1D + 367; (10)
• горячего — X = 11,1D. (11)

Аналогичная ситуация имеет место и при креплении внутренних водопроводов из труб из «сшитого» полиэтилена [см. СП 41-109-2005 «Проектирование и монтаж внутренних систем водоснабжения и отопления зданий с использованием труб из “сшитого” полиэтилена», рис. 5, табл. 3, формулы (12) и (13)]:

• холодных — X = 10,2D + 202; (12)
• горячих — X = 9,7 + 182D. (13)

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 18

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 19

В заключение следует отметить, что рассмотренные положения в случае их использования могут положительно сказаться на повышении эффективности устройства внутренних водопроводов благодаря оптимальной расстановки креплений. Также следует отметить и то, что некоторые вопросы, связанные с темой, вынесенной в заголовок статьи, не удалось раскрыть. К примеру, в указанных СП, да и в других нормах, в том числе зарубежных, не указано для труб, на какие номинальные рабочие давления распространяются регламентируемые значения расстояний между креплениями горизонтальных участков водопроводов. А это является существенным, не менее температуры, фактором. Ведь моменты сопротивления поперечного сечения труб, которые могут существенно влиять на растягивающие напряжения в их стенках при продольном изгибе (при провисании участков водопроводов между креплениями), например, у труб из ПП-РС на рабочие давления PN10 и PN20 соотносятся как 1:1,53 (табл. 4).

Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб. 9/2014. Фото 20

Известно, что растягивающие напряжения в стенках однослойных полимерных труб определяются внутренними давлениями, действующими в водопроводах. А они могут существенно расходиться по своим значениям в одном и том же водопроводе.

Например, при давлении 9 бар в водопроводе на первом этаже давление на 15-м этаже будет составлять только 50 % от указанной величины (3 х 15 = 45 м вод. ст. ≈ 4,5 бар, где 3 — высота этажа, м; 15 — количество этажей в одной зоне). Этот фактор также не учитывается ни в одном соответствующем нормативе.

Читайте по теме:
Comments
  • В этой теме еще нет комментариев
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message