Оптимальное крепление горизонтальных участков внутренних водопроводов из однослойных полимерных труб

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.

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 N_т, 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:

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

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

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

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

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

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).

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).

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 σ_д:

где λ_s — 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) σ_д = 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 2θ_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:

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

Расчеты, выполненные по формуле (7), показали, что величины углов поворота, получаемые при X = 3,2 м (например, для D = 110 мм ⇒ θ_с = 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:

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:

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 %.

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)

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).

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.