Трубы, ГОСТ, расчеты…

Как специалист предлагаю вам свой взгляд на полимерные трубы. Взгляд проектировщика, не знающего тонкостей производства труб, но хорошо разбирающегося в нормативной документации и умеющего считать. Предположим, я конструирую систему отопления или водопровода здания, «внутрянку». И, выбирая трубу, должен ответить самому себе на главный вопрос: сколько лет она прослужит при интересующих меня конкретных значениях давления и температуры?

Напомню, что действующая нормативная документация определяет минимальный срок службы трубопроводов в 25 лет для горячей воды и в 50 лет для холодной. Надписи на трубе о сроке службы мало что говорят, рекламным проспектам от производителя я не верю, в сертификате соответствия никакой информации на эту тему нет. Что делать? Обратимся к ГОСТ. Позволю себе лирическое отступление. Читать ГОСТ — задача нетривиальная. Создается впечатление, что те, кто пишет нормативную документацию (и законы), учились в какой-то особой школе: каждое слово знакомо, а картина целиком складывается с трудом. И вот что она из себя представляет. Для полимерных труб у нас два основных ГОСТ:

  • ГОСТ Р 52134–2003* — для однослойных труб;
  • ГОСТ Р 53630–2009 — для многослойных труб.

Эти ГОСТ называются «Общие технические условия…». Подразумевается, что все производители, если они собираются продавать трубу на территории Российской Федерации, должны выполнять требования этих ГОСТ. Чем хороша стандартная, «ГОСТовская» труба — нам не нужна документация на нее от производителя. Ведь все, что нужно, мы можем сразу найти в ГОСТ. И сразу нюанс: к ГОСТ 52134 могут относиться и многослойные трубы.

Если прочность трубы обеспечивается только внутренним слоем, а все остальные слои менее прочные, то на трубу распространяется ГОСТ 52134. И во всех расчетах необходимо принимать не толщину стенки, а только толщину внутреннего слоя. А если все слои рассчитаны на нагрузку, то «работает» уже ГОСТ 53630. В этой статье речь пойдет об однослойных трубах. У многослойных все очень непросто, поэтому им будет посвящена отдельная статья. Чтобы определить, с чем мы имеем дело, посмотрим сертификат соответствия. Там указано, по какому нормативному документу сделана труба. Если в сертификате нет указанных ГОСТ — считаем изделие нестандартным и данная статья не про нее. Характеристик у труб (важных для нас, инженеров) совсем немного:

  • материал, из которого сделана труба (сам материал характеризуется минимальной длительной прочностью MRS, измеряемой в [МПа]);
  • геометрия трубы (диаметр, толщина стенки);
  • коэффициент шероховатости трубы (полное название — коэффициент эквивалентной равномерно-зернистой шероховатости), измеряется в [м];
  • коэффициент теплопроводности, измеряется в [Вт/(м?К)];
  • коэффициент линейного расширения, измеряется в [1/К]. Все остальное можно высчитать. Все, что считается, можно встретить в маркировке трубы. Давайте пробежимся по этим характеристикам, дабы понимать, что написано.

SDR или стандартное размерное отношение

SDR представляет собой отношение наружного диаметра к толщине стенки:

Значение SDR после вычисления округляется до ряда [5; 6; 7,4; 9; 11; 13,6; 17; 17,6; 21; 26; 33; 41].

S или серия

Серия трубы S определяется по следующей формуле:

Все требования по испытаниям трубы и все ее характеристики в ГОСТ привязаны к этому значению. «Если серия S = 5, тогда давление при испытании должно быть…» — примерно так. То есть, зная материал, из которого сделана труба, и серию, все остальное можно определить из ГОСТ. Можно еще сказать так: «…если мы видим две трубы, сделанные из одного материала, и имеющие одну серию — это одинаковые трубы…» (здесь тоже есть нюансы, но о них позже).

Расчетное напряжение

Основная характеристика трубы под нагрузкой — это расчетное напряжение в стенке трубы ? [МПа]. Его еще называют «кольцевым напряжением»:

? = Рабочее давление ? S.

Уже упомянутая величина MRS — это кольцевое напряжение, при котором труба прослужит 50 лет, если внутри нее вода с температурой 20 °C. Без запаса мы не можем (мне больше нравится название «коэффициент спокойного сна»). Если поделим MRS на коэффициент запаса, то получим допустимое расчетное напряжение в стенке трубы [МПа]:

Речь опять же идет о «нормальной» температуре в 20 °C. Коэффициент запаса берется не «с потолка». ГОСТ 52134 для разных материалов задает разный минимальный коэффициент запаса. Если хотим перестраховаться — можем увеличить. Мы уже все знаем для того, чтобы определить максимально допустимое рабочее давление Ppms [МПа].

Сами формулу напишете? Нет? Тогда вот она:

Физический смысл этого: если в трубе вода с температурой 20 °C, а давление воды — Ppms, то труба прослужит 50 лет с заданным запасом прочности. Если Ppms перевести в бары — получим номинальное давление, или PN. Это значение очень часто используют в маркировке труб. ГОСТ 52134 нам говорит, что термин «номинальное давление» применяется только для труб из PE и PVC-U (полиэтиленовых и из непластифицированного поливинилхлорида).

А для остальных применяться вроде как и не должен. Но применяется — видимо, «по старой памяти». А если температура воды в трубе не 20 °C, а выше? Тогда появляются еще две характеристики: максимальное рабочее давление при постоянной температуре [МПа] и максимальное рабочее давление при переменном температурном режиме [МПа]. Именно эти давления нас и интересуют больше всего. Давайте научимся их считать. Максимальное рабочее давление при постоянной температуре определяется по следующей формуле, которая легко выводится из вышесказанного:

Параметр ?D здесь — это разница Дн–Ст (Диаметр наружный – Толщина стенки). Значение ? мы определим по диаграмме, представленной на рис. 1 (диаграммы для труб из всех материалов приведены в ГОСТ 52134). Зная требуемый срок службы трубы и рабочую температуру, определяем напряжение в стенке трубы. Допустим, мы хотим, чтобы труба прослужила 25 лет при температуре теплоносителя 60 °C. По диаграмме определяем ? = 5 МПа. В нашем случае это диаграмма для труб из PP-R. Допустим, труба у нас 20 ? 2,3. Для PP-R коэффициент запаса составляет 1,5. Подставляем все это в формулу и получаем Pmax = 0,87 МПа.

 

Рис. 1. Диаграмма прочностных характеристик трубы

 

Просто ведь, правда? А вот посчитать максимальное рабочее давление при переменном тепловом режиме уже не совсем просто. Или, лучше сказать — совсем непросто. Начнем с табл. 26 из ГОСТ 52134 (приведенной в подразделе 5.2 «Требования к надежности») — табл. 1. Суть этой таблицы следующая. Были проведены многолетние наблюдения, в результате которых собрали статистику, показывающую, при каких температурах работали трубопроводы отопления и горячей воды в течение года.

 

Табл. 1. Табл. 26 из ГОСТ 52134–2003 (подраздел 5.2 «Требования к надежности»)

 

Наблюдения эти вели не в России, но ничего лучшего у нас с вами все равно нет. В табл. 26 представлены результаты этих наблюдений. Для удобства все системы отопления свели к двум классам эксплуатации — четвертому и пятому, все системы горячего водоснабжения — к классам 1 и 2. В первом издании ГОСТ был еще класс 3, а во втором его убрали. Видимо, за ненадобностью. Что же мы видим в этой таблице? Предположим, мы проектируем систему отопления, с температурным графиком 90/70 °C. Из таблицы мы видим, что при 90 °C наша система проработает один год из 50-ти, что вполне соотносится со здравым смыслом (максимальная температура будет только во время наиболее холодной пятидневки, а за 50 лет таких дней наберется 250). При 80 °C — 10 лет, при 60 °C — 25 лет. И 14 лет — при комнатной температуре.

Далее ГОСТ отсылает нас к правилу Майнера. При предельном упрощении суть правила оказывается в том, что, если материал вырабатывает весь свой ресурс за 100 лет, то за год он потратит 1/100 своего ресурса. Теперь мы для каждой из температур должны определить максимальное давление для нашего срока службы и температуры, а потом просуммировать все по правилу Майнера. Пример подобного расчета приведен в Приложении А ГОСТ 52134. На калькуляторе это все точно сосчитать невозможно. А в MS Excel — неудобно. Поэтому мы и сделали расчет максимального рабочего давления в нашем справочнике*. Для любой трубы. Для любого режима. Для любых температур. И коэффициент запаса вы вполне можете увеличить.

Маркировка

Теперь несколько слов о маркировке, наносимой на трубы. Маркировка должна включать в себя:

  • материал, из которого сделана труба (с указанием значения MRS, умноженного на 10, если труба полиэтиленовая, либо тип сшивки, если труба из сшитого полиэтилена);
  • величина SDR;
  • номинальные наружный диаметр и толщина стенки;
  • значения максимальных рабочих давлений при переменном тепловом режиме в виде пар «Класс эксплуатации/Давление» (или значения PN для труб из PE и PVC-U труб), при которых труба прослужит 50 лет;
  • номера стандарта.

Пример корректной маркировки трубы по ГОСТ приведен на рис. 2. То есть, уже из маркировки все должно быть понятно. Должно быть, но понятно, увы, не всегда. Очень часто производители пишут на трубе только одну пару «Класс эксплуатации / Давление», и нам остается только гадать, как труба работает при других классах эксплуатации. Есть еще несколько нюансов, о которых полезно знать.

 

Рис. 2. Маркировка трубы по ГОСТ

 

Нюанс первый: для маркировки ГОСТ предусмотрено всего четыре давления: 0,4; 0,6; 0,8; и 1,0 МПа. То есть, если труба выдерживает 0,95 МПа — в маркировке будет указано 0,8 МПа.

Нюанс второй: определяются эти давления на основе серии S трубы. А при определении серии, как мы помним, производится приведение к ряду (округление вниз). Опять труба может быть более прочной, чем указано в маркировке.

Нюанс третий: производители, как правило, приводят данные сразу для целой линейки труб, допустим, от 16 до 32 мм. Вычисляют максимальное рабочее давление для самой слабой трубы из линейки, и приводят его для всех. И снова труба может быть прочнее, чем написано. Достоверно определить максимальное рабочее давление можно только самостоятельно — сделав расчет по правилу Майнера. Или поверить документации производителя, если таковая имеется. Или воспользоваться расчетным сервисом, таким как размещенный на интернет-ресурсе sponline.ru.

Лукавство производителей

Напоследок давайте обсудим, как нам с вами морочат голову. Каждый производитель хочет продать побольше своих труб. И никто из производителей не хочет брать на себя ответственность за чужие ошибки. Поэтому все они очень аккуратны в формулировках. Вот выдержка из технической документации одного из производителей полипропиленовых труб: «Рабочая температура, при которой можно использовать трубы… в течение длительного времени — 110 °C при давлении 1 МПа». И ведь не соврали — именно новая труба выдержит испытание давлением в 1 МПа при температуре 110 °C, но не более 1000 часов (есть протокол испытаний). И при этом не учтен коэффициент запаса в 1,5 (для полипропилена), то есть уже не 1 МПа, а 0,66 МПа. И 1000 часов — это далеко не «длительное время».

И тот же документ говорит нам, что определять максимальное рабочее давление надо по ГОСТ 52134. А результаты этого расчета (автор этой статьи произвел расчет, не поленился) дают значение «Класс 5 / 0,39 МПа». Догадываетесь, что написано на трубе? Правильно: «110 °C, 1 МПа». Почти как в ГОСТе, ну очень похоже. Но не совсем по ГОСТ! А раз не по ГОСТ — то и отвечать не им, а вам. Еще одна уловка — вместо рабочего давления приводят номинальное PN. А ведь PN, как вы помните, это давление, при котором труба служит 50 лет, если температура воды внутри 20 °C. Так и пишут: «Класс 5 / PN 16 бар». Кто из вас на это PN обращает внимание? И к классу 5 это давление не имеет никакого отношения. Опять возникает ситуация, когда вы виновны в том, что вам неправильно подали информацию.

Выводы

Пора делать выводы и они таковы:

  1. Как самая вкусная сгущенка — это «ГОСТовская», так и самая понятная труба — выполненная по ГОСТ.
  2. Если в маркировке видим отклонения от требований ГОСТ — нами манипулируют.
  3. Трубы, как правило, более прочные, чем на них написано. Точные значения максимального рабочего давления можно определить только расчетом.
  4. Если труба не стандартная (не по ГОСТ) — производитель должен предоставить либо методику расчета, либо таблицу в виде пар «Класс эксплуатации/ Давление». Классы эксплуатации должны соответствовать таблице из ГОСТ 52134– 2003 (то есть табл. 26).
  5. PN — это давление именно холодной воды.