К определению кольцевой жесткости полимерных труб с двойной стенкой

Качественное устройство и последующая надежная эксплуатация водоотводящих трубопроводов из таких труб может быть обеспечена только при строго определенных их геометрических и прочностных параметрах. Достаточно надежным синтетическим показателем, которым можно охарактеризовать любые гибкие трубы, применительно к подземным самотечным трубопроводам, является их кольцевая жесткость [4]. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в Научно-исследовательском институте московского строительства (ГУП «НИИ Мосстрой»), позволил вначале определить теоретические значения кольцевой жесткости труб [1, 2], а затем проверить их в экспериментах. Полиэтиленовые трубы с двойной стенкой изготавливаются путем коэкструзии с одновременным гофрированием и сваркой внутренней (гладкой) и наружной (гофрированной) стенок (рис. 1) с размерами соответствующими их диаметрам (табл. 1). В нормативах [1, 2] приводятся теоретические размеры элементов (см. рис. 1а) труб. Замечено, что при изготовлении элементы труб по тем или иным причинам изменяют свои очертания (рис. 1б) и размеры. К сожалению, в нормативах этого не учитывается. Анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) материала элементов труб, переходящего из высокоэластического состояния в твердое, позволяет предположить, что одни размеры будут увеличиваться, другие — уменьшаться, третьи — оставаться без изменения. Как все это будет происходить на самом деле, можно установить только в результате проведения метрологических исследований. Точное знание размерных показателей и формы элементов труб весьма важно. Именно они будут определять величины моментов инерции стенок полиэтиленовых труб с двойными стенками всех диаметров, а также теоретических значений кольцевых жесткостей (1) F₁=F₅ + 2F₆ + F₃ + 2F₄ (2) где E — модуль упругости полиэтилена при растяжении; I — момент инерции; δ— внутренний диаметр; S_СП — толщина сплошной стенки. Для установления геометрии расчетного элемента (рис. 2) было произведено определение размерных показателей полиэтиленовых труб с двойными стенками [1, 2]. Это было сделано с целью сравнения характеризующих их чисел подобия Ч_пi. Известно, что число подобия (так называемый показатель SDR) для напорных полимерных труб со сплошными стенками, принятое в качестве размерного отношения наружного диаметра к толщине стенок, позволяет назначать одни и те же величины рабочего давления для всего ряда номинальных диаметров. Вычисленные значения Ч_пi элементов труб приведены в табл. 2. Анализ графической интерпретации размерных чисел показывал, что их значения для труб различных диаметров редко совпадают. На этом основании был сделан вывод о том, что исследуемые полиэтиленовые трубы с двойными стенками различных диаметров (от 100 до 500 мм) не являются подобными аналогично тому, как это имеет место для безнапорных полимерных труб различного диаметра (коэффициентом подобия для таких труб является кольцевая жесткость). Площади сечений единичных гофр рассчитывались по формулам, обозначения в которых соответствуют рис. 3. (3) F₅ = 0,5S₁e (4) (5) F₃ = 0,25S₁e (6) F₄ = 0,5S₂e (7) (8) И рис. 4 F₂ = S₂e + 2hS₁ (9) h = S – S₂ (10) Результаты расчетов площадей F₁ и F₂ представлены в табл. 3 и 4 (стлб. 12 и 8). Расхождение в расчетных значениях площадей получились незначительными. В этой связи по рис. 4 для продольных сечений единичных гофр полиэтиленовых труб с двойными стенками диаметром 100–500 мм были вычислены моменты инерции I: (11) λ = 0,5(e – S1) (12) Результаты расчетов моментов инерции представлены в табл. 5. С их использованием были определены теоретические значения кратковременной кольцевой жесткости труб G_0т (табл. 6). В табл. 6. (стлб. 10) приводятся также экспериментальные значения кратковременной кольцевой жесткости G_0э полиэтиленовых труб с двойными стенками диаметром 100 мм [1] и диаметром 100; 150; 200; 250 и 315 мм [2], которые вычислялись по формуле, предложенной НИИ Мосстроя (13) где N — экспериментальная нагрузка образца трубы при 5 % укорочении внутреннего диаметра; L — длина опытного образца. Как видно из табл. 6 (стлб. 11), экспериментальные значения отличаются от теоретических максимально на 26 % (для труб диаметром 200 мм [2]). Это позволило распространить принятую математическую модель для определения теоретических значений кратковременных кольцевых жесткостей на полиэтиленовые трубы с двойными стенками и других диаметров. В результате получены значения кратковременных кольцевых жесткостей (см. табл. 6, стлб. 9, числитель). Согласно ним исследуемые полиэтиленовые трубы с двойными стенками были ранжированы по классам кольцевой жесткости (табл. 7). Были также вычислены теоретические массы труб M_т, с площадями гофр F₁ и F₂ (табл. 8) и сопоставлены с массой труб, определенной взвешиванием, M_э. Расхождение максимально относительно площадей F₂, принятых при определении теоретических значений кратковременных кольцевых жесткостей, составило 13 % для труб [1] и 58 % для труб [2]. Кроме того, были определены массы труб из полиэтилена со сплошной стенкой с такими же теоретическими кольцевыми жесткостями. Результаты сравнения (табл. 9) показывают, что возможна экономия массы материала при использовании труб с двойными стенками до 74 % [1] и до 77 % [2]. В заключение следует отметить, что правильный [6] учет действительных значений синтетического показателя — кольцевой жесткости полиэтиленовых труб с двойной стенкой (гофрированной снаружи и гладкой изнутри) позволит [7] качественно и производительно устраивать, а в последствие и надежно эксплуатировать водоотводящие трубопроводы из труб отечественного производства.

1. «Трубы гофрированные из полиэтилена для систем канализации и водоотведения». ТУ 2248-0254198-9945–04. 2. «Трубы из полиэтилена гофрированные двухслойные для систем наружной канализации диаметром 75–500 мм». ТУ 2248-008-52384898–2003. 3. Руководство по проектированию и строительству. Наружная самотечная канализация из гофрированных двухслойных труб. Учебный центр НПО «Стройполимер», 2004. 4. Отставнов А.А., Сладков А.В., Устюгов В.А. и др. К определению кольцевойжесткости витых с полыми стенками труб из полиэтилена диаметром до 2 м. «Пластические массы», №9/2005. 5. СП 40-102–2000 Свод правил «Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования». 6. Отставнов А.А., Устюгов В.А., Хренов К.Е. и др. Конструктивные и деформативные особенности систем «грунт–полимерная труба». «Сантехника», №2/2007. 7. Отставнов А.А., Устюгов В.А., Хренов К.Е. и др. О влиянии земляных работ на качество полимерных трубопроводов. Журнал «С.О.К.», №4/2007.