Оценка напорных трубопроводов из ВЧШГ с использованием математической модели системы «грунт–жесткая труба»

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 P_p 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 р_исп 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 р_испдля всех труб диаметрами 100–600 мм оно должно быть равно 3,0 МПа. Расчетные вертикальные грунтовые нагрузки определяются так: Q₁Т = 1,15γНВК_трΨ(1) при укладке трубопровода в траншее; Q_1н = 1,15γНD_нК_н (2) при укладке трубопровода в насыпи. Расчетные горизонтальные грунтовые нагрузки определяются по формулам: Q_1г = 0,8γНD_нК_трλ_тр (3) при укладке трубопровода в траншее; Q_1г= 0,8γ(Н+ D_н/2)D_нλ_н (4) при укладке трубопровода в насыпи.

Расчетные вертикальные и горизонтальные транспортные нагрузки определяются по формулам: Q₂ = 1,4qD_нμК_н (5) при укладке трубопровода в траншее; Q_2г = 1,0qD_нλ(6) при укладке трубопровода в насыпи. Расчетные вертикальные нагрузки от собственной массы трубопровода и наполнителя определяются по формулам: Q₃ = 1,1pγ_тhD_ср (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) М_г = –0,125(Q_1г + Q_2г)r_ср. (12)

Внешняя приведенная нагрузка, действующая на трубопровод, определяется по формуле: Q_пр = M/(0,318r_ср) (13), где D_н — 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 D_н + 600 мм).

Коэффициент К_тр, 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 + (2P_гр(B – D_н/P_лxD_н)],(14) где Р_л — параметр, характеризующий кольцевую жесткость трубопровода, определяется по формуле: Р_л= 2[E/(1 – ν2)] •[h/(D_н – 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; Р_гр — параметр, характеризующий жесткость грунта засыпки пазух траншеи: Р_гр= 0,125Е_гр, (16) где Е_гр— модуль деформации грунта, кг/см2.

Коэффициент концентрации давления грунта в насыпи К_н при укладке труб на ненарушенный грунт зависит от отношения Н/D_н и прочности грунтов основания. При укладке труб на плоское основание К_н= 1–1,4. Коэффициенты бокового давления грунта λ_тр и λ_н 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 R_p = 300 МПа (30 кг/мм₂). При совместном воздействии на трубопровод внешних приведенных нагрузок от грунта и транспорта и внутреннего гидравлического давления: P_пр = p₀(1 –Q_пр/Q₀), (17) где p_пр — величина внутреннего давления при Q_пр, МПа; Q_пр — 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/r_с, (19) где r₀ — внутренний радиус трубы, см; b — длина трубы, равная 1 м; r_с — 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 K_р на действие внутреннего давления для труб из ВЧШГ составляет 1,2–3,1. K_р = p₀/p_р (p₀ — гарантированное заводом-изготовителем давление 5 МПа, при котором трубы сохраняют водонепроницаемость; p_р — допустимое рабочее давление для труб (например, раструбных — 1,6 МПа, муфтовых и фланцевых — 4,0 МПа).

Коэффициент запаса прочности К_в (значения, заключенные в скобки в табл. 3) на внешнюю нагрузку, К_в= 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.