Применение труб из НПВХ-100 и НПВХ-125 (ГОСТ Р 51613–2000 «Трубы из непластифицированного поливинилхлорида») в России до сих пор носит ограниченный характер, несмотря на то, что за рубежом использование труб из непластифицированного поливинилхлорида составляет более 65 % от общего количества полимерных труб [1].Одним из серьезных факторов, сдерживающих применение труб из НПВХ диаметром 180–315 мм (табл. 1) для устройства напорных трубопроводов, является то, что соединяться между собой и с соединительными частями [2] они могут только раструбами (табл. 2) с резиновыми кольцами. Особенность таких соединений — их неспособность противодействовать осевым нагрузкам, которые воздействуют на элементы напорных трубопроводов при наличии в них внутреннего давления. За рубежом, чтобы исключить расстыковку труб из-за высоких осевых нагрузок, трубы между собой и соединительными частями стягивают специальными хомутами, которые с целью исключения их быстрой коррозии изготавливаются из нержавеющей стали. В России такие хомуты не производятся. Поставлять их из-за рубежа, кажется, будет дороговато. Кроме того, установка дополнительных креплений требует и дополнительных трудовых затрат. Все это будет снижать эффект от применения НПВХ-100 и НПВХ-125 труб взамен стальных. Вполне приемлемым выходом из такой ситуации может явиться использование клеевых соединений [3], которые рекомендуются в упомянутом ГОСТ Р 51613–2000 для сборки труб из НПВХ диаметром до 160 мм. Склеивать трубы из НПВХ-100 и НПВХ-125 диаметром 180–315 мм для получения качественных соединений в обычном порядке, естественно, не получится. Связано это с тем, что при стыковке гладких концов (см. табл. 1) и раструбов (см. табл. 2) таких труб будут образовываться зазоры (табл. 3), которые в большинстве случаев будут превышать допустимые (для качественного склеивания) значения [4].Тем не менее, как показывает опыт ГУП «НИИ Мосстрой», склеивать качественно и производительно трубы из НПВХ-100 и НПВХ-125 диаметром 180–315 мм, при использовании специальных технологических приемов, вполне возможно [5]. В соответствии с одним из этих способов необходимо производить механопневматическую калибровку гладких концов труб до диаметров, величина которых позволит при имеющихся размерах раструбов получать зазоры в допустимых пределах [6]. При этом форма калиброванных концов в одних случаях может оставаться круглоцилиндрической, как и у труб, а в других случаях — конической. Используя другой прием, следует переформовывать раструбы из кругло-цилиндрической формы в коническую. В результате появляется возможность производить склеивание труб по трем технологическим схемам [7]: «цилиндр в цилиндр» (рис. 1, б), «конус в цилиндр» (рис. 1, в) и «цилиндр в конус» (рис. 1, г и д).При склеивании «цилиндр в цилиндр» калибровку гладких концов труб следует производить так, чтобы их диаметры имели разброс, который позволил бы собирать трубы между собой без селективного подбора, т.е. они должны быть взаимозаменяемыми. Взаимозаменяемость труб из НПВХ-100 и НПВХ-125 по геометрическим параметрам требуется при массовом строительстве трубопроводов, т.к. на строительном объекте при минимальных затратах времени на взаимную подгонку гладкого конца и раструба друг к другу должна быть обеспечена их прочная и водонепроницаемая сборка. Условиям взаимозаменяемости при склеивании труб по схеме «цилиндр в цилиндр» будут удовлетворять элементы соединений, размеры которых будут соответствовать неравенству: D + δ–(р) – Δ+ + δ+ ≤ Dр ≤ (1)≤ D – δ+(р) + Δ– – δ–,где D и Dр — наружный диаметр откалиброванного конца трубы и внутренний диаметр раструба, м; δ+ и δ– — положительный и отрицательный допуски на D, м; δ+(р) и δ–(р) —положительный и отрицательный допуски на Dр, м; Δ+ и Δ– — диаметральные технологические зазор и натяг между гладким концом одной трубы и раструбом другой, м.Допустимые по условиям прочности диаметральные зазоры в клеевых соединениях труб устанавливаются с учетом вида используемых клеев. При склеивании труб, например, раствором перхлорвиниловой смолы в слабых растворителях (метиленхлориде или дихлорэтане) справедливо неравенство D+ ≤ 0,2 мм. Для клеев, приготовленных на сильных растворителях (тетрагидрофуране и циклогексаноне) и содержащих ПВХ смолу, допускаются большие зазоры (до 0,5–0,6 мм). Заметим, что в последнее время за рубежом появились клеи, отвечающие указанным требованиям при зазорах до 1 мм. Рекомендации по допустимым значениям D– в нормативах отсутствуют. Влияние технологического натяга элементов на клеевые соединения труб из НПВХ, как показывает анализ многочисленных литературных источников, практически не исследовано.В этой связи был применен анализ склеенных с натягом труб из НПВХ с использованием прессовых соединений. Для расчета среднего давления на посадочной поверхности использовались известные формулы Ламе. После соответствующего их преобразования было установлено, что: где параметр А имеет вид: где q — среднее давление на сопряженных посредством клеевой прослойки поверхностях гладкого конца одной трубы и раструба другой, Па; n — величина, обратная SDR трубы (см. табл. 1); Eр — модуль упругости, Па; μр — коэффициент Пуассона материала раструба; КЕ и Кμ — коэффициенты, учитывающие расхождение модулей и коэффициентов Пуассона материалов раструба и гладкого конца труб, возникающих при термообработке НПВХ; Кф — коэффициент, учитывающий изменение показателя SDR вследствие термической обработки при формовании раструба (в процессе изготовления на заводе) на одной трубе и калибровке (при подготовке к склеиванию) гладкого конца — на другой. Давление q, действуя на поверхности стенок сопряженных элементов клеевого соединения, обуславливает возникновение в них напряженно-деформированного состояния. Стенки гладкого конца сжимаются, причем: где σ — максимальные напряжение сжатия стенок гладкого конца трубы, Па; а q~ = q. Стенки раструба при этом испытывают растягивающие напряжения: где σр — максимальное напряжение растяжения стенок раструба, Па. Напряжения σ создают сжатие стенок гладкого конца на величину, равную: где δ — диаметральное сжатие стенок гладкого конца трубы, м. Одновременно δр приводит к диаметральному растяжению стенок раструба на величину, равную: где δр — диаметральное растяжение стенок раструба, м. Благодаря этим силовым процессам наружный диаметр гладкого конца уменьшается на величину, определяемую по (5), а внутренний диаметр раструба возрастает на величину, определяемую по уравнению (6).Обработка экспериментальных данных по формулам (2–6) для соединений на клеях со слабыми растворителями, характеризуемых высокой работоспособностью, убедила в справедливости использования закономерностей прессовых соединений (в эксперименте использовались клеевые соединения труб Dн = 20 мм, с длиной поверхности сопряжения элементов λц–ц = 50 мм;Δ–э = 0,4 мм; Ер = 2000 МПа, μр = 0,32; КЕ = Кμ = 1; SDR = 8; Кф = 1,1–1,15. Были получены следующие значения: q~ = 4,33 МПа; σ = 19,96 МПа; σр = 28,8 МПа; δ = 0,015 см и δр = 0,029 см. Сумма δ + δр лишь на 10 % превышает значение технологического натяга в экспериментальных клеевых соединениях D–э, полученного в метрологических исследованиях склеиваемых элементов. Для прессовых соединений должно быть справедливо неравенство δ + δр < Δ–, т.к. при запрессовке происходит смятие микронеровностей на поверхностях сопряжения. Для клеевых же соединений должно быть справедливо неравенство δ + δр > Δ–, поскольку между поверхностями гладкого конца и раструба находится клеевая прослойка. Ее толщина в таких соединениях может составлять около 0,1 мм. Однако рассматриваемые расхождения значений δ + δр и Δ– следует объяснять не только этим, т.к. формулы (2–6) не учитывают специфику клеевых соединений. А она заключается в следующем. Прочностные показатели отдельных клеевых соединений с одинаковыми геометрическими параметрами даже при одной и той же технологии склеивания, как показывают многочисленные испытания клеевых соединений труб диаметром от 20 до 250 мм, могут иметь статистический разброс до 30 %. Поэтому можно считать удовлетворительным описание влияния технологического натяга на клеевые соединения труб из НПВХ с помощью преобразованных формул для прессовых соединений. Результаты экспериментов также убедили и в другом. Прочность клеевых соединений не снижается даже при создании в стенках раструба растягивающих напряжений, достигающих 60 % (около 30 МПа) от предела текучести при растяжении материала труб, т.е. 49 МПа согласно ТУ на трубы из НПВХ-100 и НПВХ-125. Такие высокие растягивающие напряжения, по-видимому, быстро уменьшаются после сопряжения элементов. Впоследствии при испытаниях на сдвиг они практически не отражаются на показателях прочности клеевых соединений. В этой связи согласно (2) и (4) для клеевых соединений труб из НПВХ-100 и НПВХ-125 допустимые величины технологических диаметральных натягов Δ–д можно принять равными 4,3 мм при D = 180 мм; 4,8 при D = 200; 5,4 при D = 225; 6 при D = 250; 6,7 при D = 280 и 7,6 мм при D = 315 мм. Как видно из приведенных цифр, величины Δ–д превосходят допуски, установленные на наружные диаметры труб из НПВХ-100 и НПВХ-125, в 8–6 раз (см. табл. 1). Относительное удлинение (ε = Δ–д/Δ) стенок раструба при этом составляет около 2,4 % для труб всех диаметров и SDR. Взаимозаменяемость элементов клеевых соединений труб из НПВХ-100 и НПВХ-125 в этой связи будет определяться, очевидно, в основном разбросом показателей наружных диаметров калиброванных гладких концов и внутренних диаметров переформованных раструбов. Поэтому для их термомеханической обработки необходимо использовать способы калибрования гладких концов и переформования раструбов, обеспечивающие требуемый разброс указанных показателей. Для труб малых диаметров используется ручной способ калибровки концов труб. Разогретый до температуры формования tф конец трубы из НПВХ наружным диаметром D вводят без заметных усилий в цилиндрическую гильзу с внутренним диаметром Dг и поливинилхлорид, находящийся в высокоэластическом резиноподобном состоянии, меняет свою форму. В частности, наружный диаметр обрабатываемой части трубы Dт + D становится равным Dг (рис. 2, а).Однако в процессе последующего охлаждения наружный диаметр калибруемого участка непрерывно изменяется: при охлаждении поливинилхлорида до температуры стеклования tс он уменьшается на 2δ1, при охлаждении до нормальной температуры tн (обычно до 20 °С) — еще на 2δ2 (рис. 2, б).Этот способ не всегда приемлем для калибровки труб больших диаметров, т.к. они приобретают конусность, направленную к торцу, и их диаметр в этом месте меньше заданного D на 2(δ1 + δ2). Например, у труб диаметром 250 мм — на 2,15 мм. То есть, усадка примерно в 2 раза превышает нормативные диаметральные допуски (см. табл. 1). Поэтому для труб больших диаметров используется другой способ калибровки — механопневматический, сущность которого заключается в следующем.Введенный в гильзу размягченный конец трубы прижимается изнутри к ее стенкам под действием давления (рис. 2, в). Такой способ, в отличие от рассмотренного выше, также позволяет калибровать концы труб, диаметр которых меньше номинального, т.е. когда их диаметр равен Dт – D (рис. 2, д). При этом удается также исключить усадку калибруемой части трубы при охлаждении ее до температуры стеклования поливинилхлорида tс, т.к. при высокоэластическом состоянии внутренние напряжения в стенках из труб ПВХ практически равны нулю, а при подаче даже незначительного давления на стенку трубы она прижимается к стенке гильзы и приобретает цилиндрические очертания, копируя гильзу. При дальнейшем охлаждении трубы уровень внутренних напряжений в термопласте повышается. Даже после снятия давления остаточные внутренние напряжения в материале сохраняются, что впоследствии, после окончания калибровки, приводит к усадке обработанного конца трубы и появлению конусности. Диаметр торца трубы становится на 2δ2 меньше, чем требуется (рис. 2, г). Например, для труб, о которых упоминалось выше, отклонение D от нормативных значений составляет 0,783 мм, что также не всегда приемлемо для клеевых соединений. Исключить усадку калибруемой части трубы на 2δ2 можно было бы путем поддержания давления до полной релаксации остаточных внутренних напряжений в материале трубы. Однако этот процесс весьма продолжителен. С целью сокращения времени, необходимого для поддержания давления и ликвидации указанного влияния усадки, используют калибровочную гильзу, увеличение внутреннего диаметра нижней части которой (рис. 2, д) составляет:2δ2 = α(tс –tп)(1 – n)Dт, (7)где α — коэффициент линейного расширения термопласта. Калибровка в такой гильзе обеспечивает требуемые размеры и цилиндрическую форму трубы (рис. 2, е), причем охлаждение термопласта до tн производится вне гильзы, а в гильзе изделие охлаждается только до tс. Давление на стенки обрабатываемого участка трубы при этом должно поддерживаться на уровне p [МПа], определяемом так: где К — коэффициент, учитывающий отклонение фактических геометрических размеров трубы от стандартных; Кα, КЕ — коэффициенты изменения α и модуля упругости E термопласта при его нагреве; E20 — кратковременный модуль упругости термопласта [МПа] при нормальной температуре. Калибровку концов труб механопневматическим способом следует производить на соответствующем устройстве, например, на аналогичном устройству конструкции НИИ Мосстрой (рис. 3).В корпусе 1 устройства при помощи крышки 18 закреплена калибрующая гильза 2, к крышке прикреплен цилиндр 14. Между крышкой и цилиндром установлена резиновая мембрана 15, которая с одной стороны прижата к цилиндру шайбой 3, а с другой — зажата между крышкой и гильзой. В камеру 20, образовавшуюся между корпусом и гильзой, через трубки 17 и 19 подается охладитель, который сбрасывается по трубкам 6 и 1 в трубку 9. В камеру 13 цилиндра охладитель поступает по трубке 16. Воздух из этой трубки проходит через отверстие 11 в полость 12, расположенную между цилиндром и крышкой. К цилиндру прикреплена съемная диафрагма 6, предохраняющая резиновую мембрану от выдавливания между трубой и шайбой (для каждого типа трубы 4 используется диафрагма определенного размера). Устройство смонтировано на стойках 7, расположенных на основании 8. При калибровке конец трубы, разогретый до высокоэластического состояния НПВХ, вставляют в щель между калибрующей гильзой и мембраной и подают воздух, который равномерно прижимает стенки трубы к гильзе через мембрану. После охлаждения термопласта до tс, фиксируемого по времени, трубу снимают с калибрующего устройства. Механопневматический способ калибровки обеспечивает строгую цилиндрическую форму конца трубы и позволяет получать заданный наружный диаметр гладкого конца. Это позволяет добиваться качественного склеивания труб из НПВХ большого диаметра по схеме «цилиндр в цилиндр». Для калибрования гладких концов труб на конус (см. рис. 1, в) внутренний диаметр Dʹг торцевой части гильзы должен быть меньше внутреннего диаметра Dг ее заходной части (рис. 2, ж) на столько, на сколько необходимо для получения нужной конусности. Переформование цилиндрических раструбов на трубах из НПВХ в конические возможно производить с использованием способа, аналогичного механопневматическому калиброванию. При этом следует использовать разрезные гильзы, которые будут смыкаться на раструбе для выполнения его переформования и сниматься после его завершения. Внутренняя поверхность таких гильз должна быть с очертаниями и размерами, обеспечивающими переход цилиндрических стенок раструба в конические от желобка к телу трубы с требуемой конусностью; угол β должен приниматься равным около 1. Значительно проще это можно достичь, используя термическую память термопласта. Размягченная путем нагрева стенка раструба на длине от желобка до переходной части охлаждается естественным путем, приобретая некоторую конусность. Так как процесс происходит неуправляемо, конусность может превысить норму — угол β3 > 1°. Для нагрева, т.е. для перевода НПВХ из застеклованного состояния в высокоэластическое, целесообразнее всего использовать инфракрасный нагрев. На выполнение этого технологического процесса будет требоваться не более 2–3 минут. Известно несколько конструкций инфракрасных нагревателей. Для заводских условий имеются ленточные и конвейерные нагреватели. В условиях строительного объекта могут использоваться индивидуальные нагреватели. Они созданы на основе ТЭНов (тепловых электрических нагревателей). Режимы нагрева НПВХ труб приводятся в ряде литературных источников, например, в [8].Для сопряжения склеиваемых элементов, имеющих натяг, требуется приложить к ним соответствующие усилия: где Nц–ц — усилие сборки клеевого соединения по схеме «цилиндр в цилиндр», Н; fкл — коэффициент трения поверхностей гладкого конца и раструба по клею; λц–ц — длина клеевого шва при склеивании по схеме «цилиндр в цилиндр», м. В соответствии с рис. 1, б:λц–ц = λʹц–ц + λʺц–ц + λф = (10) = λр – λж + λф.При этом согласно данным табл. 2 длина клеевого шва получается равной для соответствующих диаметров труб: 122 мм для D = 180 мм; 128 — для 200, 136 — для 225, 143 — для 250, 152 — для 280 и 162 мм — для 315 мм. Таких длин клеевых швов вполне достаточно для получения клеевых соединений, равнопрочных основному материалу трубы. Для склеивания труб из НПВХ-100 и НПВХ-125 с натягом элементов Δ–требуется приложение усилий Nц–ц (рис. 4). Усилия такой величины можно обеспечить так же, как и при сборке труб из НПВХ на раструбах с уплотнительными кольцами — с использованием натяжных приспособлений, аналогичных, например, конструкции НИИ Мос-строй — СКБ Мосстрой [9]. Получаемые по графикам усилия можно понизить. При склеивании по схеме «конус в цилиндр» (см. рис. 1, в, β1 = 1°) на 25–30 %, по схеме «цилиндр в конус» на 50–60 % и на 35–40 % (см. рис. 1, д, β3 > 1°).При этом сборка во всех случаях должна вестись таким образом, чтобы фаска одной трубы впрессовывалась бы в переходную полку раструба другой трубы. Это позволит склеивать элементы с радиальными зазорами без учета овальности труб, т.к. овальность при этом выводилась бы практически на ноль. В последнем случае на внутренней стороне гладкого конца следует снимать фаску под углом 15–20° с тем, чтобы не зажимать диаметр трубопровода Dв. Для этого можно использовать механическое с пальчиковой фрезой устройство конструкции НИИ Мосстрой — СКБ Мосстрой.В заключение отметим, что рассмотренные в статье вопросы, касающиеся склеивания, должны позволить более качественно и производительно собирать трубы из НПВХ-100 и НПВХ-125 как между собой, так и с соединительными частями и тем самым способствовать более широкому их применениию.
1. Ковриго В.В., Гвоздев И.В. Применение полимерных материалов в производстве труб различного назначения // Полимерные трубы, №1/2003. 2. ГОСТ Р 51613–2000. Трубы из непластифицированного поливинилхлорида. 3. Отставнов А.А. Склеивание внахлестку труб из ПВХ // Пластмассы, №2/1984. 4. Отставнов А.А. Основные закономерности прочностного поведения соединений с клеями на сла-бых растворителях труб из непластифицированного поливинилхлорида // Пластические массы, №6/2003. 5. Ромейко В.С., Алескер Я.Б., Отставнов А.А., Устюгов В.А. и др. Справочные материалы. Пластмассовые трубы в строительстве. Ч. 1. Трубы и детали трубопроводов. Проектирование трубопроводов // М.: ВАЛАНГ, 1997. 6. Отставнов А.А., Устюгов В.А., Харькин В.А., Примин О.Г., Орлов В.А. К выбору монтажно-технологических параметров для прочного склеивания труб из НПВХ // Журнал «С.О.К.», №1/2007. 7. Отставнов А.А. К проблеме теоретических основ разработки технологии и оборудования для склеивания пластмассовых трубопроводов / Сб. научных трудов института им. Е.О. Патона: Сварка и склеивание изделий из полимерных материалов // Киев, 1987. 8. Ромейко В.С., Алескер Я.Б., Отставнов А.А., Устюгов В.А. и др. Справочные материалы. Пластмассовые трубы в строительстве. Ч. 2. Строительство трубопроводов. Эксплуатация и ремонт трубопроводов // М.: ВАЛАНГ, 1997. 9. Отставнов А.А., Сладков А.В., Беляев В.И. и др. Устройство для сборки трубчатых элементов. А.с. СССР №1523301 от 22.07.1989.
