К оптимизации крепления элементов внутренних напорных систем

Крепеж монтируется в процессе сборки систем. Количество используемого крепежа, как правило, определяется монтажным проектом. Следует отметить, что для разработчиков монтажного проекта это вопрос, который практически всегда стоит очень остро. Потому что не в последнюю очередь от количества крепежных узлов зависит обеспечение качественного монтажа и надежности напорной трубопроводной системы при дальнейшей эксплуатации.

Очевидно, что чем чаще будут располагаться крепления, тем прочнее и долговечнее будет напорная система. Это с одной стороны. С другой — чем меньше крепежных элементов использовано, тем меньше стоимость обустройства креплений и тем экономичнее будет строительство трубопроводной сети. Для устройства внутренних напорных систем сегодня можно использовать трубы из различных материалов широкой номенклатуры как отечественного, так и зарубежного производства.

Причем в сочетаниях, при которых системы могут быть выполнены из одного либо из разных материалов (табл. 1). Для крепления труб из разных материалов требуется, естественно, и разный крепеж. В каждом случае проектировщику необходимо обосновывать параметры крепления элементов трубопроводных систем из различных материалов, которые существенным образом отличаются как по физико-механическим показателям материала [2], так и по толщинам стенки труб, даже при одном и том же их наружном диаметре [3].

К сожалению, методик проведения таких обоснований на сегодня нет. Исключение составляют, пожалуй, только медные трубы. В своде правил СП 40-108–2004 «Проектирование и монтаж внутренних систем водоснабжения и отопления зданий из медных труб» помимо графика для выбора расстояний между креплениями горизонтальных трубопроводов из твердых медных труб (рис. 1, стр. 5) приводится «Методика расчета расстояний между опорами горизонтальных трубопроводов» (справочное приложение).

В другой нормативной и справочной литературе приводятся, к сожалению, только отдельные данные по расстановке креплений на трубопроводах конкретных систем и труб из конкретного материала. При этом они существенно расходятся для труб одного и тогоже размера и из одних и тех же по названию материалов [4]. Ждать от проектировщиков, что они будут разбираться в особенностях крепления аналогичных трубопроводов разных фирм-изготовителей, разброс показателей которых иногда довольно существенный, было бы наивно.

Есть основания считать, что проектировщики будут использовать в расчетах имеющийся опыт по трубопроводным системам из стальных труб, возможно, даже с некоторой корректировкой. Если количество креплений будет превышено, это выльется в перерасход средств на приобретение и установку крепежа. Надежность напорной системы от этого, естественно, не пострадает. Но если расчет будет выполнен на основании имеющегося опыта без изменений, велика вероятность занижения необходимого количества крепежа.

Это может отрицательно повлиять на надежность эксплуатации напорных систем. Например, в водяном отоплении может быть нарушена гидравлическая устойчивость. Трубопроводы систем отопления на горизонтальных участках должны иметь определенный уклон. Так, например, в разводках, подающих теплоноситель, необходимо соблюдать уклон к нагревательным приборам, а в разводках, отводящих теплоноситель, — уклон от нагревательных приборов. С учетом этого обстоятельства на таких участках и должен расставляться крепеж.

Совершенно очевидно, что ни завышение, ни тем более занижение количества крепежа не отвечает оптимизации экономических и прочностных факторов строящейся в каком-либо здании напорной системы. Оптимальный вариант для проектировщиков систем отопления — ориентироваться на пособие, в котором бы учитывались вопросы оптимизации крепления трубопроводов из различных трубных материалов. К сожалению, к настоящему времени таких пособий нет.

В своде правил «Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб. СП 41-102–98» (Госстрой Росии, М., 1999, 33 с.) приводятся данные по расстановке креплений на горизонтальных участках трубопроводов из металлополимерных труб нескольких диаметров. Для металлопластиковых с наружными диаметрами 16; 20 и 25 мм рекомендуемое расстояние между опорами L — 500; 500 и 750 мм, соответственно, без указания производителей.

А для металлопластиковых труб производства «МЕТАПОЛ» рекомендуется L = 1000 мм для всех диаметров (16; 20; 25; 32; 40 и 50 мм). Для металлопластиковых труб производства фирмы «КИСАН» [4] L = 500 мм для диаметров 14; 16 и 20 мм; 750 мм для D = 25 мм и 2000 мм для труб диаметром 32; 40 и 50 мм. В то же время для металлопластиковых труб производства фирмы «КОЭС» для труб диаметром 12; 16; 20 и 25 мм установленные значения L в два раза больше.

Согласиться полностью ни с теми, ни с другими рекомендациями нельзя. И вот почему. В качестве критерия оптимизации расстояний между опорами горизонтальных трубопроводов могут быть приняты [5] допустимые значения стрелы прогиба относительно наружного диаметра труб m1 (2–25 % от D), в виде абсолютной величины f (2,4–10 мм) или расстояния между опорами m2 (1–5 промилле от L). Для применения указанных критериев нами разработаны соответствующие формулы.

Lϕ(D) = 0,472 × (λf ×χ× E × m1)ω × D3ω, (1)

где λf — коэффициент, учитывающий вариант опирания трубопровода на кронштейны (λf = 384); χ— параметр, учитывающий плотность материала трубы и транспортируемой по трубопроводу воды (теплоносителя), а также геометрические характеристики трубы [4]; ω— показатель степени (ω = 0,25); E — модуль упругости материала трубы при растяжении. Расчет по формуле показывает, что при соблюдении прочих равных условий пролеты для металлопластиковых труб диаметрами 32 и 50 мм могут отличаться в 1,4 раза.

То есть, если для диаметра 32 мм установлен пролет 2000 мм, то для диаметра 50 мм он должен быть 2800 мм. Или наоборот, для диаметра 50 мм установлен пролет в 2000 мм, тогда для диаметра 32 мм он будет равен 1430 мм. Установлено, что на величину пролета существенное влияние оказывает модуль упругости материала при растяжении. К сожалению, обобщенных данных по величинам модуля упругости металлопластиковых труб в рассмотренных нами многочисленных как отечественных, так и зарубежных источниках нет.

Нами определены [4] величины модуля упругости в целом, как средневзвешенное значение, для металлополимерных труб, указанных в СП 41-102–98. Разница [5] по SDR (отношения наружного диаметра D к толщине стенки e)— плотности армирования и модулей упругости — у металлопластиковых труб разных производителей весьма существенна (табл. 2). Приведенные в таблице показатели модуля упругости определены при одном значении модуля упругости для полиэтилена (300 МПа).

Это справедливо только для тех трубопроводов, в которых внутреннее давление во всех точках одинаково (одинаковыми будут и растягивающие напряжения в стенках металлополимерных труб). В напорных системах из-за различия в геометрической высоте внутреннее давление в трубопроводе на различных этажах может быть разным.

Для металлопластиковых труб этот фактор несущественен, т.к. вклад модуля упругости полиэтилена (кратковременное значение в три раза выше долговременного, т.е. 900 МПа) в значение модуля упругости трубы в целом невелик (около 5%). Расчеты также показали, что для труб ТОО НПП «Влад ВЭД» (укоторых отмечено наибольшее расхождение в значениях модуля упругости (2563 и 1917 МПа или 49%) отличие в величинах пролетов для труб одного диаметра могло бы составить всего 7,5%.

Другое дело, когда речь идет о напорных системах, выполненных из полимеров. Для таких материалов уровень растягивающих напряжений в стенках труб во многом определяет величину их долговременного модуля упругости. Для таких трубопроводов при различии в значениях модуля упругости в три раза расхождения в пролетах составит 30%. Влияние наружного диаметра трубы на пролет другое, чем было отмечено для m1, вычисляем его с учетом абсолютного значения стрелы прогиба f по формуле: 

Lϕ( f ) = 0,472 × (λf ×χ× E × f)ω × D2ω, (2)

Для тех же металлопластиковых труб диаметром 32 и 50 мм характерны следующие соотношения [5]. Если для D = 32 мм установлен пролет в 2000 мм, то для D = 50 мм он должен составить при прочих равных условиях 2500 мм. Или если для D =50 мм установлен пролет в 2000 мм, тогда для D = 32 мм он будет равен 1600 мм. Влияние наружного диаметра трубы на пролет другое, и когда в качестве критерия принимается m2, расчеты ведутся по формуле:

Lϕ( f ) = 0,366 × (λf ×χ× E × m2)ν × D3ν, (3)

где ν— показатель степени (ν = 0,33). Для тех же металлопластиковых труб диаметром 32 и 50 мм характерны следующие соотношения. Если для D =32мм установлен пролет 2000 мм, то для D = 50 мм при прочих равных условиях он должен составить 2700 мм. И наоборот, если для D = 50 мм установлен пролет в 2000 мм, тогда для D =32мм он должен быть равен 1480 мм. При проведении оптимизации расстановки крепежа нельзя упускать из виду возможность превышения допустимых напряжений σд в стенках трубопроводов напорных систем в период длительной эксплуатации, что может привести к их разрушению. Поэтому пролет между опорами L должен проверяться по допустимым напряжениям в стенках труб по формуле:

Lϕ(σ) = 0,314 × [λσ ×χ×(σд – K3/(K2 × P)) × D]2ω, (4)

где λσ — коэффициент, учитывающий вариант опирания трубопровода на кронштейны (λσ = 12); K2 и K3 — коэффициенты, зависящие от величины SDR трубы и плотностей материала трубы и транспортируемой по трубопроводу воды (теплоносителя). Влияние диаметра на величину пролета в этом случае аналогично отмеченному для вышеописанного случая, в котором в качестве основного критерия был использован показатель абсолютной стрелы прогиба. 

Все рассмотренные варианты объективны для трубопроводов, которые могут свободно компенсировать температурные деформации (удлинения или укорочения участков труб между опорами при изменениях температуры). Иначе обстоит дело при проходе горизонтальных трубопроводов через различные перегородки, которые могут препятствовать осевым и угловым перемещениям труб. Аналогично будут вести себя трубопроводы в зоне так называемых мертвых точек — в защемленных сечениях.

В таких случаях пролет между опорами следует определять с учетом термических деформаций трубопровода. Для этого следует использовать формулу, включающую под знаком гиперболического тангенса th [4, 5] наружный диаметр D труб, перепад температур t (°C) и коэффициент линейного термического расширения материала α (1/°С):

Lϕ(α,∆t) = 0,9 × D × (K1/K2 ×α×∆t) 2ω × _ th[(1,1 × L/D)×(K2 ×α×∆t/K1) 2ω)] ± 8 × m2 × K2 ×χ×α×∆t × E/K1, (5) 

где K1 — коэффициент, зависящий от величины SDR трубы и плотностей материала трубы и транспортируемой по трубопроводу воды (теплоносителя). Второе слагаемое в правой части имеет знак «+» при охлаждении трубопровода в ходе длительной эксплуатации (по отношению к периоду монтажа), и знак «–» — при его нагревании. Эффект, аналогичный охлаждению трубопровода, обусловлен внутренним давлением P, под действием которого он будет находиться. Допустимое расстояние между опорами с учетом внутреннего давления в трубах вычисляется по следующей формуле [4, 5]:

Lϕ(P) = 0,9 × D × (K1 × E/K3 × P) 2ω × th[(1,1 × L/D)×(K3 × P/K1 × E) 2ω)] + 8 × m2 × K3 ×χ× P/K1. (6)

Под знаком гиперболического тангенса находится наружный диаметр D труб, а также модуль упругости E материала и P. Значения α и E для трубных материалов (см. табл. 1) отличаются существенно. Например, соотношение модулей упругости меди [6] и полипропилена [3] примерно 1:40, а с учетом старения полимера и еще существенней, приблизительно 1:100. Как показывают расчеты по этим формулам, значения пролетов между опорами могут отличаться от упоминаемых ранее, при прочих равных условиях для напорных систем, на 15–25%.

Если же принять во внимание различие в значениях P, а такое возможно при учете геометрической высоты расположения на трубопроводе рассчитываемых креплений, то расхождения могут быть еще значительнее. В этих случаях влияние наружного диаметра трубы на величины пролетов между креплениями приблизительно следующее.

Для тех же металлопластиковых труб диаметром 32 и 50 мм: если пролет для D = 32 мм установлен в 2000 мм, то для D = 50 мм он должен составить при прочих равных условиях 3125 мм; если для D = 50 мм установлен пролет в 2000 мм, тогда для D =32мм он должен быть равен 1280 мм. Какому из отмеченных значений L отдавать предпочтение, должен решать проектировщик с учетом многих факторов, как рассмотренных в этой статье, так и описанных ранее в специализированной литературе.

В дополнение следует отметить, что при проведении оптимизации расстановки крепежа на напорных системах нельзя упускать из вида бытовой фактор. Имеется в виду неконтролируемое нагружение элементов систем водоснабжения и/или отопления жильцами. Например, развешивание на трубопроводах и нагревательных приборах белья для сушки, опирание на них оконных карнизов, использование в качестве опоры при навешивании и снятии штор и т.п.

Для трубопроводов из стали этот фактор никогда не учитывался. За время длительной эксплуатации огромного количества систем внутреннего водоснабжения и отопления из стальных труб серьезные случаи повреждения по указанным причинам не отмечены. Это вполне объяснимо: модуль упругости стали значительно превосходит модули упругости всех других трубных материалов.

В большинстве случаев, чтобы выдержать нерасчетные бытовые нагрузки стальным горизонтальным трубопроводам, достаточно опоры на мощные чугунные радиаторы с одного конца, с другого они, как правило, заделывались в строительную конструкцию (при проходе сквозь стену или перегородку). К сожалению, на данном этапе дать конкретные рекомендации по учету бытового фактора для напорных систем из металлопластиковых и полимерных труб не представляется возможным.

На открытых участках горизонтальных трубопроводов можно рекомендовать установку дополнительного крепежа между парами опор, предусмотренных проектом. В заключение следует заметить, что при соответствующей корректировке, зависящей от конкретных свойств материалов труб и характеристик внутренних напорных систем, изложенные в статье подходы и формулы, а также номограммы на выровненных точках, приводимые в работах [7, 8] (либо аналогичные), могут успешно применяться для оптимизации их крепления.

Оптимально выбранное количество крепежа при качественном закреплении всех элементов позволит создавать экономичные и надежные внутренние напорные системы не зависимо от материала используемых труб.