Трубы корсис. Журнал полимерные трубы - технологии и материалы Значения кольцевой жесткости для полиэтиленовых труб пнд

Классификация безнапорных труб традиционно производится не по величине стандартного размерного отношения (SDR ), а по классу кольцевой жесткости (SN ). Принципиальное отличие SDR и SN в том, что SDR - это геометрическая характеристика трубы (отношение внешнего диаметра трубы к толщине ее стенки), тогда как SN - это механическая характеристика.

Кольцевая жесткость SN позволяет судить о свойствах трубы сопротивляться давлению грунта и определяется как нагрузка на трубу (кН/м2), при которой труба сдавливается на 3% от своего диаметра. Величина SN зависит не только от диаметра трубы и толщины ее стенки, а еще и от модуля упругости E материала при сжатии.

Маркировка трубы для прокладки кабельной линии должна включать в себя диаметр трубы D , толщину стенки e , кольцевую жесткость SN , предельное усилие тяжения F 1MAX , длительно допустимую температуру T , при которой кольцевая жесткость сохраняется не менее всего срока службы кабеля.

Параметры D , e , SN и T должны контролироваться при поставках труб на строящиеся объекты. Значение F 1MAX может потребоваться позже - уже на стадии выполнения работ по затяжке труб в буровой канал, когда оператор ГНБ установки будет контролировать фактическое усилие тяжения F и прерывать процесс затяжки пучка из N труб в случае F > 0,5 · N · F 1MAX с целью не допустить обрыва трубы.

Выбор диаметра и толщины стенки трубы

На рисунке 1 показана труба внешнего диаметра D и толщины стенки e , внутри которой проложен кабель внешним диаметром d . Согласно нормативным документам, при выборе внешнего диаметра труб следует придерживаться следующего правила:

Толщина стенки трубы e определяется в ходе механических расчетов на основе основной информации об условиях прокладки трубы и опирается на понятие кольцевой жесткости SN .

Рисунок 1. Полимерная труба с кабелем: без давления грунта (а ), с давлением грунта (б )

Связь толщины стенки и кольцевой жесткости устанавливается выражением:

где E - модуль упругости материала трубы при сжатии.

Толщина стенки трубы e (мм) в зависимости от диаметра трубы D (мм) и кольцевой жесткости SN (кН/м 2 )

* Производятся в однослойном исполнении

Примечание: Внешний диаметр труб ПРОТЕКТОРФЛЕКС® ПРО указан без учета толщины защитного покрытия.

Существует два основных способа размещения труб в грунте - это укладка в предварительно подготовленную траншею (рисунок 2а ) или затяжка труб в грунт в подготовленный канал, чаще выполняемый горизонтально-направленным бурением (рисунок 2б ). В обоих случаях расчет трубы построен на понятии кольцевой жесткости SN , на основе которой можно определить не только толщину стенки трубы, но и предельное усилие тяжения трубы при ее затаскивании в буровой канал.

Рисунок 2. Основные способы прокладки полимерных труб: траншейный (а ), метод ГНБ (б )

Выбор кольцевой жесткости труб

Вертикальное давление грунта (и транспорта) на трубу является силой, приложенной к трубе и стремящейся вызвать ее овальность, однако возникающий «отпор грунта», расположенного по бокам трубы, стремится вернуть форму поперечного сечения трубы к исходному круглому. Плотный грунт по бокам трубы - это фактор, повышающий ее механическую прочность.

где q и SN измеряются уже в кН/м2, а E" S - фактор жесткости грунта, который называется секущим модулем грунта (МПа).

Секущий модуль грунта E" S зависит от типа грунта, которым засыпается труба, и степени его уплотнения. Как правило, для этих целей используется песок, и тогда рекомендуется использовать данные таблице.

Вертикальная нагрузка на трубу (кН/м2) складывается из трех составляющих:

где q r - нагрузка от веса грунта (кН/м 2 ); q AT - нагрузка от автотранспорта (кН/м 2 );

Нагрузка от грунта в наиболее неблагоприятном случае, когда на трубу давит весь столб грунта высотой Н,

где ρ r - удельный вес грунта (обычно не более 2 т/м 3 ); g = 9,81 м/с 2 - ускорение свободного падения; H - глубина расположения трубы под землей (м).

Нагрузка от транспорта может быть определена как

Результаты расчета предельной глубины заложения труб Н даны в таблице ниже. Видно, что при прокладке труб в траншеях опасно применять трубы с кольцевой жесткостью менее 8 и нет необходимости применять трубы с SN более 64.

Предельная глубина H (м) при прокладке открытым способом под газонами / скверами / автодорогами

Выбор предельных усилий тяжения

При прокладке методом ГНБ трубы подвергаются двум видам воздействий: во-первых, продольным силам тяжения F, которые возникают при протаскивании трубы в буровой канал; во-вторых, вертикальному давлению грунта и транспорта уже в процессе эксплуатации трубы. Выбор кольцевой жесткости и толщины стенки определяется главным образом усилиями тяжения.

Усилие тяжения трубы F создает силы трения, возникающие из-за утяжеления трубы под действием навалившегося на трубу грунта вследствие плохого закрепления стенок бурового канала буровым раствором (бентонит) или даже полной невозможности закрепления (плывуны, тяжелый сценарий).

где q r - вес грунта в кН/м2; D ЭКВ - эквивалентный диаметр протаскиваемой плети труб; µ - коэффициент трения полимерной трубы о грунт (обычно равен 0,2).

Проверка допустимости усилий тяжения F , возникающих при затягивании трубы (пл ети труб) в буровой канал, выполняется следующим образом

где 0,5 - коэффициент запаса; N - число труб в плети (одна или четыре); F 1MAX - предельное усилие тяжения каждой трубы (кН), которое может быть найдено как

где D и e - внешний диаметр и стенка трубы (в мм); σ - предел текучести материала трубы (МПа).

Предельные усилия тяжения F 1MAX приведены в таблице ниже

Предельное усилие тяжения трубы F 1MAX (кН) в зависимости от диаметра трубы D (мм) и кольцевой жесткости SN (кН/м 2 )

Примечание. При затяжке полимерной трубы в грунт усилия тяжения рекомендуется ограничивать безопасным уровнем 0,5F 1MAX .

Предельная длина трубы, которую еще можно затянуть в буровой канал без риска ее недопустимого растяжения или даже обрыва,

В таблице ниже представлены оценки предельной длины бурового канала L ГНБ в зависимости от числа труб и сценария бурения.

Оценки предельной длины бурового канала L ГНБ (м) в зависимости от числа труб N

Современные канализационные системы изготавливаются из полиэтилена, полипропилена и их производных. Благодаря доступным ценам, легкости монтажа, морозостойкости и длительного срока эксплуатации они давно вытеснили «традиционные» системы водоотведения из камня, бетона, дерева и труб из различных материалов.

Основным элементом такой системы является двухслойная труба. Наружный слой выполняется профилированным (гофрированным), что позволяет выдерживать трубам высокие нагрузки от грунта, а внутренний — гладким, для обеспечения наименьшего сопротивления потоку жидкости.

В наше время канализационные трубы изготавливает целый ряд производителей и каждый уверяет в исключительности своих труб и уникальности трубного профиля. Но, по сути, при правильном подборе, трубы разных производителей различаются только материалом изготовления и способом измерения диаметра — то есть нюансами.

Основными параметрами для выбора труб являются:

Кольцевая жесткость

Кольцевая жесткость — это максимальная внешняя нагрузка, которую способна выдержать труба без значительной деформации. Обозначается как SN . В былые времена выпускались трубы с кольцевой жесткостью SN2, SN4 и SN6, но сейчас они уже не производятся и минимальной кольцевой жесткостью считают SN8. Трубы с такой жесткостью используются в абсолютном большинстве проектов. В случае очень глубокого закапывания труб или каких-то особенностей грунта на площадке, которые могут привести к повышенным нагрузкам на трубу, используют трубы жесткостью SN16.

Способ измерения диаметра

Существует два подхода к измерению диаметра трубы: измерять внутренний диаметр (обозначается как DN/ID — internal diameter) и измерять внешний диаметр (обозначается как DN/OD — outer diameter). Каждый производитель подбирает удобный для себя способ. Поэтому нужно внимательно смотреть какой именно подход указан в проектной документации.

Способ соединения

Принципиально трубы изготавливаются в двух вариантах:

1. С раструбом

Трубы с интегрированным или приваренным раструбом полностью готовы к монтажу и не требуют ничего лишнего. На одном конце трубы есть раструб, на другом конце надето уплотнительное кольцо. Достаточно вставить трубу в в раструб другой трубы и соединение готово.

2. Без раструба

Трубы без раструба можно либо сварить встык (если есть соответствующее оборудование и специалисты), либо соединить с помощью специальной соединительной муфты с двумя уплотнительными кольцами. Но в этом случае надо помнить, что соединительные муфты и кольца под них не бесплатны и часто стоят больших денег!

Разделы:

Polytron (Политрон)

Изготовлены из полипропилена-блоксополимера. Измеряются по внутреннему диаметру (DN/ID).

Кольцевая жесткость — SN8 и SN16.

Наружная поверхность — гофрированная, кирпичного цвета. Внутренняя — гладкая, светло-серая.

Соединение — раструбное.

Корсис

Изготовлены из полиэтилена (SN 8 и SN 16) и полипропилена (SN 16). Измеряются по внешнему диаметру (DN/OD) и внутреннему диаметру (DN/ID).

Наружная поверхность — гофрированная, черного цвета. Внутренняя — гладкая, светло-серая или светло-зеленая или светло-синяя.

Magnum (Магнум)

Изготовлены из полиэтилена (SN 8 и SN 10) и полипропилена (SN 16). Измеряются по внешнему диаметру (DN/OD).

Кольцевая жесткость — SN 8, SN 10 и SN 16.

Наружная поверхность — гофрированная, черного цвета. Внутренняя — гладкая, светло-серая или светло-желтая или светло-синяя или черная.

Соединение — раструбное, муфтовое или сваркой встык.

В первую очередь свою статью хотелось бы начать со слов благодарности в адрес посетителей нашего сайта, всё что мы делаем, мы делаем для удобства жизнедеятельности человечества и в частности тебя - читатель.

Рассказывать о превосходстве полиэтилена над железобетонном, и просто железом, можно бесконечно. За последние пять лет интернет просто пестрит объявлениями о дешевых полиэтиленовых колодцах, емкостях, и резервуарах, а так же об их долговечности службы.

Долговечность полиэтиленовых изделий это некий постулат, который не поддается обсуждению. Ответ на вопрос: «Долговечны ли ПЭ изделия и смогут ли они прослужить порядка 50 лет в непрерывной работе?», не заставит себя долго ждать. - Да!

Разобравшись с долговечностью ПЭ изделий, хотелось бы более подробно остановиться на качестве изделий и соответственно качестве материала, из которого некоторые недобросовестные производители умудряются выполнять дешевый продукт. Расскажу недавний инцидент, который произошел при заказе горизонтальной емкости на 100 м 3 . Заказчик, обратившись в нашу компанию, был явно расстроен ценой на изделие компании «ПК НИС», и проговорил о возможности приобрести идентичное по всем характеристикам изделие, но только не по кольцевой жёсткости. Все попытки объяснить необходимость данного вида характеристики для изделий, которые используются в установленном состоянии, т.е. закопанные в землю и испытывают внешнее давление, не увенчались успехом. Тогда нашим специалистам была поставлена задача, прояснить ситуацию с дешевизной изделий конкурентов. В результате была проведена полноценная техническая работа, результатом которой, явился документ под названием - «Расчет на прочность горизонтального резервуара внутренним диаметром 2200 мм, из спиральновитых труб различного профиля». В данном документе представлены расчеты ёмкостей выполненных из спиральновитых труб с профилем 19 и 25, а так же проведен повторный расчет для трубы с кольцевой жесткостью SN2 и SN4.

Расчет на прочность горизонтального резервуара внутренним диаметром 2200 мм из спиральновитых труб различного профиля.

Вводная часть

Данный расчет произведен для пожарных резервуаров объемом 100 м3. Резервуары выполняются из полиэтиленовых спиральновитых труб внутренним (номинальным) диаметром 2200 мм.

В силу того что методы расчета на прочность горизонтальных емкостей недостаточно разработаны, а сами емкости изготавливаются из канализационных труб большого диаметра, за основу принята методика расчета на прочность пластиковых трубопроводов, изложенная в СП 40-102-2000 (приложение Д).

Целью расчета является проверка выполнения условий прочности и устойчивости для труб, используемых для изготовления корпуса резервуара, с различным профилем стенки и формулировка рекомендаций по использованию того или иного типа трубы.

1. Исходные данные

Согласно проекту резервуары имеют наружный диаметр 2390 мм, что соответствует спиральновитой трубе внутренним диаметром 2200 мм с номинальной кольцевой жесткостью SN2.

Кроме данного проектного решения будет проанализирована возможность изготовления резервуаров из труб аналогичного внутреннего диаметра, но с другим типом профиля: будут рассмотрены так называемые 19-й и 25-й профили (Рис. 1), а также спиральновитые трубы с номинальной кольцевой жесткостью SN4.

Рис. 1. Элементы профиля 19 (а) и профиля 25 (б) 1

Для дальнейших расчетов потребуется знать момент инерции профиля на единицу длины и эквивалентную толщину стенки трубы, изготовленной из этого профиля. Момент инерции профиля на единицу длины коробчатого сечения - а именно такой профиль имеют спиральновитые трубы - легко рассчитать по следующей общей формуле:

где a - ширина профиля, соответствующая реальной толщине стенки трубы;

B - высота элемента профиля вдоль оси трубы;

H - толщина стенки профиля (см. Рис. 2).

Рис. 2. Размеры элемента профиля коробчатого сечения

Эквивалентная толщина стенки вычисляется по следующей формуле:

Исходя из этого, получают расчетный диаметр трубы:

где D i - внутренний диаметр трубы; при расчете резервуаров внутренний диаметр принят равным 2200 мм: D i = 2,2 м.

Расчетом будет проверена возможность изготовления проектных резервуаров из спиральновитых труб с четырьмя вариантами профиля. Геометрические характеристики каждого из вариантов приведены ниже.

Профиль 19

Размеры элемента профиля приведены на Рис. 1а. Используя эти размеры по формулам (1), (2) и (3) можно рассчитать момент инерции профиля и соответствующую ему эквивалентную толщину стенки и расчетный диаметр:

Профиль 25

Размеры элемента профиля приведены на Рис. 1б. Рассчитаем соответствующие им момент инерции и эквивалентную толщину стенки:

Профиль, соответствующий кольцевой жесткости SN2 и SN4

Для трубы внутренним диаметром 2200 мм и номинальной кольцевой жесткостью известны такие характеристики как момент инерции, эквивалентная толщина стенки и расчетный диаметр. Значения этих величин приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетные параметры спиральновитых труб диаметром 2200 мм

Материалом труб, из которых изготавливаются проектные резервуары, является полиэтилен низкого давления (ПНД). Далее указаны некоторые механические свойства полиэтилена, которые будут использоваться в расчете. Значения величин приняты на основе СП 40-102-2000: приложение А и пример расчета в приложении Д. Коэффициент Пуассона принят по рекомендациям п. 5.5 «Инструкции по проектированию технологических трубопроводов» СН 550-82.

В качестве грунта засыпки принят песчаный грунт со следующими характеристиками:

Согласно проекту емкости заглублены примерно на 1,6 м по оси. Соответственно, расстояние от верха емкостей до поверхности земли можно принять равным 0,4 м. В расчете не учитывается наличие на поверхности емкостей слоя утеплителя.

В расчете принято отсутствие грунтовых вод на площадке строительства.

Поскольку емкости полностью расположены в зеленой зоне, транспортная нагрузка принята равной нулю.

2. Расчетная методика

Расчетная методика приведена в СП 40-102-2000, приложение Д. Здесь приведены основные данные и формулы, необходимые для расчета. Расчет резервуаров будем вести по формулам для безнапорных трубопроводов. Заключение о пригодности труб для подземной прокладки делается на основании проверки двух условий: прочности (4) и устойчивости оболочки трубы. Труба считается пригодной только при выполнении обоих условий.

Условие прочности сводится к определению деформаций, вызванных давлением грунта и транспортной нагрузки и сравнении их с допустимыми деформациями:

Составляющие деформации определяются следующим образом.

Максимальное значение деформации растяжения материала в стенке трубы из-за овальности поперечного сечения трубы под действием грунтов и транспортных нагрузок:

где K σ - коэффициент постели грунта для изгибающих напряжений, учитывающий качество уплотнения; примем Kσ = 1,0 - при периодическом контроле;
s - толщина стенки;
D - диаметр трубы;
Ψ - относительное укорочение вертикального диаметра трубы в грунте;
K зΨ = 1,0 - коэффициент запаса на овальность поперечного сечения трубы.

Относительное укорочение вертикального диаметра определяется как сумма действия трех факторов: давления грунта, транспортной нагрузки и предварительных операций:

где Ψ гр - относительное укорочение диаметра трубы под действием грунтовой нагрузки;
Ψ т - относительное укорочение диаметра трубы под действием транспортной нагрузки; поскольку в нашем случае транспортная нагрузка отсутствует можно принять Ψт = 0;
Ψ м - относительное укорочение диаметра трубы, образовавшееся в процессе складирования, транспортировки и монтажа; приблизительно его можно принимать в зависимости от жесткости трубы и коэффициента уплотнения грунта по таблице 2.

Таблица 2. Значения Ψ м

Кольцевая жесткость оболочки трубы определяется по формуле:

Все характеристики материала и трубы, необходимые для вычисления кольцевой жесткости приведены в разд. 1.

По аналогичной формуле вычисляется длительная кольцевая жесткость:

Относительное укорочение вертикального диаметра трубы под действием грунта определяется по следующей формуле:

где K ок - коэффициент, учитывающий процесс округления овализованной трубы под действием внутреннего давления; для безнапорных трубопроводов Kок = 1;

K τ - коэффициент, учитывающий запаздывание овальности поперечного сечения трубы во времени и зависящий от типа грунта, степени его уплотнения, гидрогеологических условий и геометрии траншеи, может принимать значения от 1,0 до 1,5; примем для расчета среднее значение 1,25;

K w - коэффициент прогиба, учитывающий качество подготовки ложа и уплотнения; при периодическом контроле принимают Kw = 0,11;

K ж - коэффициент, учитывающий влияние кольцевой жесткости оболочки трубы на овальность поперечного сечения трубопровода: Kж = 0,15;

K гр - коэффициент, учитывающий влияние грунта засыпки на овальность поперечного сечения трубопровода: Kгр = 0,06;

где Н 0 - расстояние от уровня земли до оси трубопровода.

Степень сжатия материала стенки трубы от воздействия внешних нагрузок вычисляется по формуле:

где q c = q гр + q т - общая нагрузка на трубопровод. В нашем случае q c = q гр.

Допустимые значения из формулы (4) вычисляются следующим образом:

где Kз - коэффициент запаса. Примем Kз = 2.

После выполнения проверки на прочность выполняется условие устойчивости оболочки трубы под действием внешних нагрузок:

где K уг - коэффициент, учитывающий влияние засыпки грунта на устойчивость оболочки: K уг = 0,5;

K ов - коэффициент, учитывающий овальность поперечного сечения трубопровода; при Ψ ≤ 0,05 можно принять K ов = 1 - 0,7Ψ;

K зу - коэффициент запаса на устойчивость оболочки на действие внешних нагрузок: K зу = 3;

N = 1 при глубине заложения больше метра.

3. Результаты расчетов

Предварительные расчеты

Проведем некоторые предварительные расчеты, которые будут общими независимо от используемого типа профиля.

Нагрузка на трубопровод не зависит от типа профиля и во всех вариантах будет одинаковой:

Также по формулам (12) и (13) можем вычислить допустимые значения деформаций в стенках трубы:

Профиль 19

В первую очередь по формулам (7) и (8) с учетом геометрических параметров профиля, определенных в разд. 1, вычислим кратковременную и длительную кольцевую жесткость трубы:

С учетом значения G 0 и принятого коэффициента уплотнения грунта (0,95) по табл. 2 принимаем Ψ м = 0,04. Относительное укорочение вертикального диаметра под действием давления грунта вычисляем по формуле (9):

А отсюда по формуле (6) найдем общую величину относительного укорочения диаметра:

Теперь по формуле GOTOBUTTON ZEqnNum351853 \* MERGEFORMAT (5) можем вычислить величину максимальных деформаций растяжения в стенке трубы:

а по формуле (11) - деформации сжатия в стенке трубы:

Проведем теперь проверку устойчивости оболочки трубы по условию (14), предварительно рассчитав коэффициент K ов 2:

Профиль 25

Расчеты по другим типам профилей полностью аналогичны приведенным выше вычислениям, поэтому далее не будем подробно объяснять ход выполнения расчетов, приведем только сами вычисления.

Подставляя полученные значения в условие (4), получим:

то есть данная труба подходит по условиям прочности.

Проверка устойчивости оболочки трубы:

то есть условие устойчивости для данного типа профиля не выполняется и использовать такую трубу для изготовления резервуара нельзя.

Профиль SN2

Кратковременная и длительная жесткость:

С учетом значения G 0 и принятого коэффициента уплотнения грунта по табл. 2 принимаем Ψ м = 0,04.
Относительное укорочение вертикального диаметра под действием грунта:

Полное относительное укорочение вертикального диаметра:

Деформации растяжения в стенке трубы:

Деформация сжатия в стенке трубы:

Подставляя полученные значения в условие (4), получим:

то есть данная труба подходит по условиям прочности.

следовательно, условие устойчивости для данного типа профиля выполняется, и трубу с данным типом профиля можно использовать для изготовления резервуара .

Профиль SN4

Кратковременная и длительная жесткость:

С учетом значения G 0 и принятого коэффициента уплотнения грунта по табл. 2 принимаем Ψ м = 0,04.

Относительное укорочение вертикального диаметра под действием грунта:

Полное относительное укорочение вертикального диаметра:

Деформации растяжения в стенке трубы:

Деформация сжатия в стенке трубы:

Подставляя полученные значения в условие (4), получим:

то есть данная труба подходит по условиям прочности.

Проверка устойчивости оболочки трубы:

следовательно, условие устойчивости для данного типа профиля выполняется, и трубу с данным типом профиля можно использовать для изготовления резервуара.

Заключение

Из проведенных расчетов видно, что для изготовления проектных резервуаров допустимо применять обычные серийные трубы номинальной кольцевой жесткости SN2 и SN4. Применение же профилей типа 19 и 25 невозможно, из-за того что труба проектного диаметра с таким профилем не удовлетворяет условию устойчивости оболочки под действием расчетной нагрузки от грунта обратной засыпки.

Несмотря на то, что, судя по размерам, в проекте для изготовления пожарных резервуаров заложены трубы кольцевой жесткости SN2, и на то, что эти трубы выдерживают проверку на прочность и устойчивость, для повышения прочностной надежности этих весьма ответственных изделий рекомендуется повысить номинальную кольцевую жесткость труб до SN4.

Москва, 2013 год .

_______________________________________________________

Расчет предоставил, главный инженер ООО "ПК НИС": Карпенко Д.Н.

1 На рис. 1 вертикальная ось элемента профиля параллельная главной оси трубы.

2 Необходимо заметить, что здесь и далее суммарное укорочение вертикального диаметра трубы Ψ несколько больше 0,05, для которого справедлива используемая формула для вычисления Kов, тем не менее превышение это небольшое.

Метод навивки используется для производства труб специальной конструкции, в том числе труб переменного диаметра и/или переменной толщины стенки; труб с профилированной стенкой и различным материалом слоев; эластичных шлангов, армированных спиральным несущим каркасом, и других. Преимущества технологии навивки в основном заключаются в той легкости, с какой однотипные технологические приемы и оснастка могут обеспечить производство изделий, многообразных по конструкции и габаритам.

Рис.1. Оснастка для производства труб КОРСИС ПЛЮС

Так, изображенная на рис. 1 оснастка, несмотря на свою сложность, позволяет в считанные минуты перейти от производства трубы диаметром 600 мм к производству трубы диаметром 2000 (3000) мм. При этом одна труба может иметь гладкую стенку практически любой толщины, а следующая за ней – стенку, специальным образом спрофилированную.

Полимерные трубы с профилированной стенкой предназначены для подземного строительства безнапорных систем водоотведения , канализации и дренажа, главным требованием к которым является кольцевая жесткость . Конструкция таких труб позволяет экономить до 2/3 материала по сравнению с гладкостенной трубой той же кольцевой жесткости.