Д.С.У.: 1. «Напомню, что однослойным трубам посвящён ГОСТ Р 52134-2003*, который полностью описывает их технические характеристики, а также даёт необходимые нам расчётные методики».
Комментарий: Согласиться с автором здесь «полностью» нельзя. Во-первых, ГОСТ Р 52134-2003 вовсе не описывает «полностью» технические характеристики однослойных труб. К примеру, там отсутствуют сведения о поведении модулей ползучести и релаксации термопластов в зависимости от температуры во времени (см. в качестве примера рис. 1а), которые определяют не только долговечность трубопроводов из таких труб, эксплуатируемых в температурно-переменных режимах, но с их использованием должны назначаться оптимальные расстояния между креплениями на горизонтальных участках трубопроводов, которые, в свою очередь, существенно сказываются на их долговременном поведении.
Д.С.У.: 2. «Для многослойных труб разработан ГОСТ Р 53630-2009. Логично предположить, что данный ГОСТ даст нам ответы на все вопросы по многослойным трубам».
Комментарий: Норматива, отвечающего на все вопросы по многослойным трубам, как и по трубам любой другой конструкции и из любых других материалов, не существует, да и разрабатывать такой многотомный документ нецелесообразно — это будет, как говорится, «библиотека имени Ленина».
Здесь выход видится в другом. Применением многослойных труб, как и труб любой другой конструкции и из любых других материалов, для создания надёжных и эффективных холодных и горячих водопроводов, трубопроводов водяных отопления и холодо снабжения, должны заниматься специалисты — проектировщики, монтажники, эксплуатанты. При этом все они должны опираться, в первую очередь, на собственные знания и умения в комплексе, и только затем на различные нормативы.
Д.С.У.: 3. «Единственное, что нам, проектировщикам, даёт ГОСТ 53630 — это образец маркировки трубы».
Комментарий: И не только. Использование ГОСТ 53630 позволяет установить конструкцию трубы и затем провести испытания с тем, чтобы определить фактические значения отдельных её характеристик. К примеру — правильно проконтролировать сцепление слоев в стенке трубы между собой, недостаточная прочность которого является зачастую причиной их разрушения (рис. 2) при эксплуатации трубопроводов, например, отопления [1].
Д.С.У: 4. «То есть, мы должны верить тому, что написано на трубе».
Комментарий: Как раз верить тому, что написано на трубе — недостаточно. Необходимо провести её испытание самостоятельно либо привлечь для этого надёжную испытательную лабораторию (например, НИИ сантехники [2] либо ГУП «НИИ Мосстрой»).
Д.С.У.: 5. «Зачем написали максимальную температуру (90°С)? Согласно ГОСТ 52134 (пункт 5.2) у 5-го класса эксплуатации максимальная температура 90 °С, и превышать её нельзя. А если бы написали Тмакс = 95 °С? Это ведь уже не 5-й класс. ГОСТ 53630 не даёт определения, что такое PN. Зато такое определение даёт ГОСТ 52134, и не только он. PN — номинальное давление, то есть такое давление воды (с температурой в 20 °С), которое труба может выдержать непрерывно в течение 50 лет. Давление это выражается в барах. Что я вижу на маркировке? А вижу я, что 20-градусную воду при давлении в 1 бар труба выдержит 50 лет. Мне кажется, даже авторы ГОСТ имели в виду совсем не это — они подразумевали 1 МПа. Опять же, при какой температуре? Догадываюсь, что при температурах по 5-му классу эксплуатации. Но для чего же тогда дали маркировку PN? Или все-таки это давление для 20-градусной воды? А зачем тогда мне это давление?
Как видите, однозначности нет никакой. А если я данную трубу хочу эксплуатировать не по 5-му классу, а, допустим, по 4-му? На трубе про 4-й класс ничего не написано. Очевидно, что по 4-му классу максимальное рабочее давление будет выше. Но насколько? И на этот вопрос ГОСТ ответа нам не даёт».
Комментарий: Ранжирование внутренних трубопроводных систем на классы осуществлено условно и касается оно только трубопроводов, смонтированных из однослойных труб из термопластов (НПВХ, ПВХ-Х, ПБ, ПВД, ПНД и др.). Ведь при устройстве внутренних трубопроводных систем, например, из медных труб [3] пользоваться классами, о которых упоминает автор, будет выглядеть, согласитесь, нелепо. Для устройства внутренних трубопроводов необходимо выбирать трубы, в том числе и полимерные многослойные, на основании прочностных расчётов. При этом следует учитывать внутреннее давление, нагрузки, зависящие от характера расстановки креплений, условия монтажа и эксплуатации, а также кратковременные и долговременные физико-механические показателей материалов конкретных труб — коэффициент термического расширения, прочность, модуль упругости и др.
Д.С.У.: 6. «А если я не доверяю тому, что на трубе написано? Как мне это проверить? Будь труба однослойной — открыл бы ГОСТ 52134, заглянул бы в эталонные кривые, посчитал по формулам, и все — ответ у меня в кармане. ГОСТ 53630 не таков, ответа в нём не ищите. А если я эту трубу хочу использовать в технологической установке? Хочу, чтобы по ней 24 часа в сутки текла вода с температурой в 85 °C. Какое максимальное рабочее давление? И на этот вопрос ответа в ГОСТ мы не найдем».
Ранжирование внутренних трубопроводных систем на классы осуществлено условно и касается оно только трубопроводов, смонтированных из однослойных труб из термопластов
Комментарий: К сожалению, это не так. В обоих случаях устранять свои сомнения следует только путем проведения испытаний. Для проверки однослойных труб будет достаточным получение в опытах на трубах-представителях одного какого-либо диаметра нескольких точек — четыре-пять штук на эталонной кривой (в двойных логарифмических координатах «растягивающие напряжения [МПа] - время [часы]»), построенной для искомой температуры. И проверить подходят ли испытуемые трубы для требуемых условий создаваемой трубопроводной системы.
Для многослойных труб необходимо будет получить также в опытах на трубах только искомых диаметра и температуры значительно большее количество точек — 8-10 штук. А затем нужно построить регрессионную кривую (также в двойных логарифмических координатах: «внутреннее давление [МПа] - время [часы]»), экстраполировать её в перспективу до принимаемого прогнозного срока службы и принять рабочее давление, можно с использованием коэффициента запаса для соответствующей внутренней напорной системы — холодный и(или) горячий водопровод, водяные отопление и(или) холодоснабжение.
Д.С.У.: 7. «Многие производители металлопластиковых труб заявляют, что металл внутри трубы делает трубу прочнее. Не могу с этим согласиться».
Комментарий: А согласиться придется. Ведь прочность, например, алюминия составляет 40-100 МПа, а модуль упругости — 70 ГПа [4], причём эти значения практически не изменяются во времени и не зависят в нашем контексте от температуры. Прочность и модули упругости термопластов в разы меньше и, кроме того, значительно понижают свои первоначальные величины во времени и при повышении температуры (см. рис. 1). Существенно и то, что коэффициенты линейного удлинения, используемые при определении расстояний между креплениями горизонтальных участков трубопроводов, испытывающих температурные перепады, у этих материалов различается также в разы.
Д.С.У.: 8. «Будь оно так — тогда и фитинги крепились бы к металлическому слою, а не к полимеру».
Комментарий: Фитинги крепятся на полимерных многослойных трубах с использованием опрессовываемых соединений, прочность которых обеспечивается в том числе и металлическими слоями [5], являющимися составными частями стенок таких труб.
Д.С.У.: 9. «А раз полимер влияет на прочностные свойства трубы — труба многослойная, и каждый слой важен».
Комментарий: Многослойная труба или однослойная — это очевидно из их конструкции. В многослойных конструкциях труб к каждому слою в их стенках могут выставляться свои собственные требования, например, в металлополимерной трубе (МПТ). Наружному полимерному слою отводиться роль защитника алюминиевого слоя от механических и других воздействий. Внутреннему полимерному слою отводится роль защитника алюминиевого слоя от агрессивного действия транспортируемой по трубопроводу среды. Промежуточным клеевым слоям (как правило, из низкомодульных полиэтиленов) отводится роль адгезивов, сцепляющих полимерные слои с алюминиевым слоем.
Очень важно качество клея, который используется для соединения слоев полиэтилена и алюминия. Именно на клеевое соединение приходится основная нагрузка при тепловых удлинениях. Алюминиевому слою отводится роль компенсатора возможных температурных продольных удлинений (укорочений) труб при воздействии на них температурных перепадов. Алюминий удлиняется существенно меньше, нежели чем сшитый полиэтилен, в этом и состоит его основная функция, а клеевой адгезионный слой — главное связующее звено структуры трубы [6]. При этом все пять слоев в той или иной степени определяют [7] прочность стенки труб при действии на них внутреннего давления (рис. 3) и других нагрузок.
Д.С.У.: 10. «ГОСТ 53630 полностью это подтверждает: каждый слой трубы должен быть рассчитан на нагрузку (пункты 3.1—3.3). А что такое “рассчитан на нагрузку”? А это значит, что слой должен выдерживать требуемое расчётное напряжение в стенке трубы, или кольцевое напряжение».
Комментарий: Каждый слой должен выдерживать напряжение не «требуемое расчётное в стенке трубы», а растягивающее напряжение, создаваемое в конкретном слое только определённой частью внутреннего давления, действующего в трубопроводе. Причём внутреннее давление в трубопроводе будет постоянным во времени, а его часть, приходящаяся на конкретный слой, будет изменяться, — для алюминиевого слоя увеличиваться (из-за неизменности модуля упругости), а для остальных слоев — уменьшаться из-за непрерывного снижения [8] значений модулей упругости полимеров (что иллюстрирует рис. 1а).
Д.С.У.: 11. «Чтобы определить испытательное давление, ГОСТ предлагает нам следующую формулу:
Где вы здесь видите влияние прочного металлического слоя на остальные? А нигде. Все слои работают под одним и тем же кольцевым напряжением».
Комментарий: Для того, чтобы увидеть «влияние прочного металлического слоя на остальные» слои, да и на прочность всей стенки полимерной многослойной трубы, формула (например, для МПТ) должна выглядеть следующим образом:
где P и pi — внутренние давления в трубопроводе и его части, приходящиеся на каждый слой (по принципу суперпозиции); σi — растягивающие напряжения в конкретном слое стенки трубы; di и si — наружные диаметры и толщины слоев.
При этом растягивающее напряжение σi в конкретном слое стенки трубы будет определяться относительной деформацией слоя εi, которая для всех слоев будет одинаковой εi = ε (ведь при нагружении внутренним давлением полимерной многослойной трубы расслоения стенки не должно происходить) и модулем упругости материалов слоев Ei, значения которых, как правило, будут существенно различаться, то есть σi = εEi.
Д.С.У.: 12. «Если напряжение в стенке трубы при испытаниях определяют без учёта влияния слоев друг на друга, то и при определении максимального рабочего давления мы можем поступить так же. Если нам известны давление и температура, воздействующие на трубу, то мы можем взять внутренний слой (этот слой работает при более высоких температурах, чем внешние) и определить для него максимальное рабочее давление по методикам ГОСТ 52134. Это давление и будет максимальным рабочим давлением для всей трубы. Кольцевое напряжение вычислим по формуле (2), срок службы — по эталонным кривым ГОСТ 52134, а если температура меняется во времени — применим правило Майнера».
Комментарий: Реальную картину напряжённо-деформированного состояния (НДС) полимерной многослойной трубы в реальных трубопроводных системах такой подход будет существенно искажать (см. комментарий к пункту 11).
Каждый слой должен выдерживать растягивающее напряжение, создаваемое в конкретном слое только определённой частью внутреннего давления, действующего в трубопроводе
Д.С.У.: 13. «Не забываем также про коэффициент запаса, который представлен в ГОСТ52134».
Комментарий: Пользоваться в данном случае положениями ГОСТ 52134 будет некорректно, если не сказать более определённо — нельзя. Ведь эталонные кривые для термопластов получены при неизменном действии в стенках труб, нагруженных внутренним давлением, растягивающих напряжений во времени const величины. В стенах же полимерных многослойных труб растягивающее напряжение в каждом слое — непостоянная во времени величина. Изменения будут происходить в зависимости от соотношения значений свойств материалов всех слоев стенки конкретной полимерной многослойной трубы.
Д.С.У.: 14. «Можно поступить ещё проще. Представим себе “трубу-аналог”: однослойную; изготовленную из того же материала, что и внутренний слой многослойной; имеющую ту же геометрию (диаметр, толщина стенки). Осмелюсь утверждать, что “труба-аналог” имеет такие же характеристики, что и наша многослойная, с достаточной для инженерных расчётов точностью. Проверим?».
Комментарий: Во-первых, по этому вопросу имеются и другие мнения. Так, на сайте truby-truba.ru в статье «Какие металлопластиковые трубы лучше?» утверждается, что «Слой алюминия принимает на себе наиболее сильные нагрузки... В состав трубы может входить полиэтилен., его наличие нежелательно.». Здесь с достаточным основанием можно утверждать, что как первое, так и второе мнения неточны (см. комментарий к пункту 10). Во-вторых, проверить это расчётом без проведения специальных экспериментов, на данном этапе разработанности вопроса, невозможно.
К сожалению, точной методики расчёта полимерных многослойных труб, проверенной практикой, до сих пор ещё никем не предложено. Кроме того, такой упрощённый подход не соответствует требованию минимизации затрат на устройство внутренних напорных трубопроводных систем [9, 10].
Д.С.У.: 15. «Если в сертификате соответствия на многослойную трубу мы видим, что она изготовлена по ГОСТ 53630, то её характеристики будут не хуже характеристик однослойной “трубы-аналога”, изготовленной из того же материала, что и внутренний слой многослойной, и имеющей ту же геометрию (диаметр, толщина стенки)».
Комментарий: Если сертификат соответствия информирует о том, что полимерная многослойная труба изготовлена по ГОСТ 53630, то её характеристики должны соответствовать этому нормативу.
Д.С.У.: 16. «Мы определяем характеристики многослойных труб на нашем портале “Справочник проектировщика онлайн", как для однослойной трубы аналога по ГОСТ 52134».
Комментарий: Этого делать не следует. Такое упрощенчество требует техникоэкономического обоснования для каждого конкретного случая применения полимерных многослойных труб с учётом их диаметров.
Д.С.У.: 17. «Указывать в маркировке трубы (или хотя бы в паспорте на трубу) все пары “Класс эксплуатации / Максимальное рабочее давление», определённые по ГОСТ52134. Классов эксплуатации, напомню, пять: 1, 2, 4, 5 и ХВ (см. ГОСТ 52134, табл. 26)».
Комментарий: Классы эксплуатации распространять на полимерные многослойные трубы абсолютно некорректно (см. комментарий к пункту 5).
Д.С.У.: 18. «Провести испытания по ГОСТ Р 54867-2011. Опубликовать эталонные кривые длительной прочности, полученные в результате испытаний. По этим кривым мы сможем всё рассчитать в соответствии с методиками ГОСТ 52134».
Комментарий: Что касается полимерных многослойных труб, то, к сожалению, в соответствии с «методиками ГОСТ 52134» ничего рассчитать нельзя. Для эффективного устройства надёжных напорных внутренних трубопроводов с использованием полимерных многослойных труб (ПМТ) необходимо разработать стандарты организации (СТО) на все этапы жизненных циклов (ЖЦ: «про- ектирование-монтаж-эксплуатация-ре- монт-утилизация») горячих и холодных водопроводов, водяных отопления и холодоснабжения. Желательно включить в них методики прочностного расчёта ПМТ, основывающихся на современных представлениях о их поведении в указанных внутренних системах.
Следует согласиться в главном: действующий сегодня ГОСТ 53630 «Трубы напорные многослойные для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия», действительно, требует срочного совершенствования
В заключение следует отметить следующее. Несмотря на упрощенческий подход автора к рассматриваемому в статье документу, с автором следует согласиться в главном: действующий сегодня ГОСТ 53630 «Трубы напорные многослойные для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия», действительно, требует срочного совершенствования [11]. При этом следует рассматривать норматив так, как это вынесено в его название: общие технические условия.
Для раскрытия отдельных важных факторов, связанных с полимерными многослойными трубами необходимо разрабатывать дополнительные материалы. Например, такие: 1 января 2013-го года введен в действие ГОСТ 548672011 «Трубы полимерные многослойные. Определение длительной прочности».
Насколько этот норматив адекватен имеющемуся практическому опыту использования полимерных многослойных труб во внутренних напорных трубопроводах, можно будет рассмотреть в последующих статьях. Научно-исследовательская работа в указанном направлении начата в ГУП «НИИ Мосстрой».
