Рис. 1. Диаграмма прочностных характеристик трубы
Авторы обратили внимание на мнение одного из ведущих ученых в области полимерных труб — к.т.н. В. Е. Бухина (размещено в комментариях к электронной версии статьи на сайте www.c-o-k.ru) — о рассматриваемой статье Д. С. Усталова: «…Автор статьи смешал положения российского ГОСТ с рекламными приемами неграмотных рекламщиков. Основным критерием достоверности является соответствие информации о продукции техническим требованиям ГОСТ…», что вызвало негативную реакцию одного из читателей — Сергея Погорелова.
Последний написал следующее: «А, по-моему, очень здравая статья. Сейчас даже скопирую ее себе и сохраню. Когда-нибудь вернусь к этому вопросу. Полностью согласен с тезисом: “Создается впечатление, что те, кто пишет нормативную документацию (и законы), учились в какой-то особой школе: каждое слово знакомо, а картина целиком складывается с трудом”. А вы, Владимир Бухин, можете опубликовать свое мнение? Будет интересно! Критиковать-то можно коротко, а вот оппонировать — РАБОТА».
Как постоянные авторы журнала С.О.К. публикуем «свое мнение» с учетом того, что рассматриваемая проблема весьма актуальна на сегодняшний день [1–12], и надеемся на дальнейшую полемику, причем не только между авторами, но и с привлечением широкой научнотехнической общественности. Итак, приступим.
Д.С.У.: «В любой профессиональной среде существуют устойчивые мифы. И в среде проектировщиков, к которой относит себя автор, таких мифов предостаточно. Если начать разговор о полимерных трубах — обязательно услышишь “…труба прослужит 100 лет минимум…”, “… металлопластик прочнее пластика…”, “…PE-Xb круче других PE-X’ов…” и т.д. Самое устойчивое мнение: “…металлопластик прослужит 50 лет при 95 °C и 10 бар…”. А ведь это серьезная, глубинная ошибка».
Комментарий: Когда речь заходит о сопоставлении технических характеристик полимерных труб, то истину надо искать не в «разговорах». Здесь видятся три возможных подхода:
- строго подчиниться действующей документации на конкретные полимерные трубы (ГОСТ, ТУ и др.);
- используя показатели конкретных полимерных труб (из собственных опытов или из достоверных источников), произвести соответствующие прочностные расчеты (с учетом современных представлений о поведении таких труб в эксплуатационных режимах);
- опереться на собственные экспериментальные данные для всех сопоставляемых полимерных труб.
Д.С.У.: «Предположим, я конструирую систему отопления или водопровода здания, “внутрянку”. И, выбирая трубу, должен ответить самому себе на главный вопрос: сколько лет она прослужит при интересующих меня конкретных значениях давления и температуры?».
Комментарий: Это не главный вопрос. Главный вопрос необходимо связывать с минимизацией затрат на создание системы, например, отопления здания с учетом всего ее жизненного цикла (ЖЦ: «проектирование → монтаж → эксплуатация → ремонт → утилизация») [13] и в вариантном проектировании подбирать наиболее подходящие полимерные, а, может быть, даже и металлические (медные, стальные и др.) трубы [14–24].
Д.С.У.: «…действующая нормативная документация определяет минимальный срок службы трубопроводов в 25 лет для горячей воды и в 50 лет для холодной».
Комментарий: Сегодня все показатели создаваемой внутренней, да и другой системы, выбирает проектировщик-«специалист». Их значения могут вполне превосходить указанные.
Д.С.У.: «Надписи на трубе о сроке службы мало что говорят, рекламным проспектам от производителя я не верю, в сертификате соответствия никакой информации на эту тему нет».
Комментарий: Надписи на трубах должны показывать, по какой документации изготовлена полимерная труба (например, ТУ). Именно в ней следует искать характеристики и прочие показатели конкретных полимерных труб. Следует доверять сертификатам соответствия, только выданным известными организациями, например, НИИ Сантехники, ГУП «НИИ Мосстрой» и некоторым другим.
Д.С.У.: «Создается впечатление, что те, кто пишет нормативную документацию (и законы), учились в какой-то особой школе: каждое слово знакомо, а картина целиком складывается с трудом».
Комментарий: Это действительно так. В каждой отрасли знаний используются свои термины, определения и правила. И дело здесь не в словесах, а в том, чем они наполнены. У «специалиста», не знающего этого, будут всегда «создаваться впечатления». Однако для решения технических вопросов этого не только недостаточно, это и вредно.
Д.С.У.: «И вот что она из себя представляет. Для полимерных труб у нас два основных ГОСТ: ГОСТ Р 52134–2003* — для однослойных труб; ГОСТ Р 53630–2009 — для многослойных труб».
Комментарий: Это не совсем так. Для полимерных труб имеются и другие ГОСТы. Кроме того, есть еще EN, ISO, ASTM и др., с которыми ГОСТы должны корреспондироваться — ведь Российская Федерация является членом ВТО.
Д.С.У.: «Эти ГОСТ называются “Общие технические условия…”. Подразумевается, что все производители, если они собираются продавать трубу на территории Российской Федерации, должны выполнять требования этих ГОСТ».
Комментарий: Сегодня это не обязательно. Потребитель определяет, подходит ему какое-то изделие или не подходит.
Д.С.У.: «Чем хороша стандартная, “ГОСТовская” труба — нам не нужна документация на нее от производителя».
Комментарий: Это не совсем так. Если на трубах указано, что они произведены по ТУ, то такие технические условия как раз и нужны потребителю. Дальнейшие ссылки на ГОСТ — от лукавого.
Д.С.У.: «Ведь все, что нужно, мы можем сразу найти в ГОСТ».
Комментарий: Только при условии, что на трубе указано изготовление ее по этому ГОСТу.
Д.С.У.: «И сразу нюанс: к ГОСТ 52134 могут относиться и многослойные трубы».
Комментарий: Это не так. Эталонные кривые (см. рис. 1, приведенный в статье Д. С. Усталова) в двойных логарифмических координатах (растягивающее напряжение — время экспозиции) получены на получаемых экструдированием полимерных трубах со сплошной однородной стенкой, находящихся под действием постоянного внутреннего давления, с использованием температурно-временной суперпозиции и экстраполяции в перспективу. Для установления расчетного прогнозного срока службы, например, системы отопления из многослойных труб, включающих полимер, на который распространяются эталонные кривые использовать нельзя [25–27].
Д.С.У.: «Если прочность трубы обеспечивается только внутренним слоем, а все остальные слои менее прочные, то на трубу распространяется ГОСТ 52134».
Комментарий: Здесь дело не в том, что «все остальные слои» в многослойных трубах менее прочные. В стенках таких труб отдельные слои изготовлены из разномодульных материалов (к примеру, алюминий и полимер) и в силу этого каждый материал во времени находится под действием растягивающих напряжений различной величины [28–29]. Вследствие этого эталонные кривые для многослойных труб будут совершенно другими также в двойных логарифмических, но в других координатах (внутреннее давление — время экспозиции).
Д.С.У.: «И во всех расчетах необходимо принимать не толщину стенки, а только толщину внутреннего слоя».
Комментарий: В каких расчетах? Определять прогнозный срок службы трубопроводной системы, расстояния между креплениями, выбирать температурные компенсаторы?
Д.С.У.: «А если все слои рассчитаны на нагрузку, то “работает” уже ГОСТ 53630».
Комментарий: ГОСТ 53630 «работать» не может. Да, пользоваться им можно, но только по причине отсутствия лучшего норматива.
Д.С.У.: «Чтобы определить, с чем мы имеем дело, посмотрим сертификат соответствия. Там указано, по какому нормативному документу сделана труба. Если в сертификате нет указанных ГОСТ — считаем изделие нестандартным и данная статья не про нее».
Комментарий: Это не совсем так. Труба может быть изготовлена по ТУ, в котором указаны какие-то дополнительные показатели либо более строгие, чем указано в ГОСТ.
Д.С.У.: «Характеристик у труб (важных для нас, инженеров) совсем немного: материал, из которого сделана труба (сам материал характеризуется минимальной длительной прочностью MRS, измеряемой в [МПа]); геометрия трубы (диаметр, толщина стенки); коэффициент шероховатости трубы (полное название — коэффициент эквивалентной равномерно-зернистой шероховатости), измеряется в [м]; коэффициент теплопроводности, измеряется в [Вт/(м⋅К)]; коэффициент линейного расширения, измеряется в [1/К]».
Комментарий: Важность характеристик труб следует определять с учетом специфики внутренней напорной сети. В контексте статьи последние три характеристики излишни. Следовало бы добавить модуль упругости при изгибе материала, с учетом величины которого устанавливается крепеж как на горизонтальных, так и на вертикальных трубопроводах. Крепления не в последнюю очередь влияют на долговечность напорного полимерного трубопровода.
Д.С.У.: «Значение SDR после вычисления округляется до ряда [5; 6; 7,4; 9; 11; 13,6; 17; 17,6; 21; 26; 33; 41]».
Комментарий: В конкретных расчетах необходимо применять фактические значения отношений наружных диаметров к толщинам стенок, которые могут отличаться от указанных в сортаментах на трубы [30].
Д.С.У.: «S (серия труб) определяется по следующей формуле: S = (SDR – 1)/2».
Комментарий: Эта формула второстепенная. Серия трубы отражает соотношение прочности материала трубы и допустимого рабочего давления в трубопроводе.
Д.С.У.: «То есть, зная материал, из которого сделана труба, и серию, все остальное можно определить из ГОСТ».
Комментарий: Что касается материала, то его можно знать заранее, например, требует заказчик. А знание S откуда должно появиться?
Д.С.У.: «Основная характеристика трубы под нагрузкой — это расчетное напряжение в стенке трубы σ [МПа]. Его еще называют “кольцевым напряжением”: σ = Рабочее давление × S».
Комментарий: Это не совсем так. Одной из характеристик трубы, находящейся под нагрузкой внутренним давлением, является растягивающее тангенциальное напряжение материала трубы σт (есть еще осевое σос и радиальное σr напряжения), измеряющееся в [кгс/см2], [Па], [МПа], [ГПа] и т.д. Для полимерных труб оно может быть кратковременным σ0 (в момент испытаний, например, лопаточных образцов) или долговременным στ (при стендовых испытаниях либо в реальных трубопроводах, в конце расчетного прогнозного срока), которое используется при разработке сортамента с учетом разных коэффициентов запаса для различных полимеров.
Д.С.У.: «Уже упомянутая величина MRS — это кольцевое напряжение, при котором труба прослужит 50 лет, если внутри нее вода с температурой 20 °C».
Комментарий: Это не совсем точно. С учетом коэффициентов запаса (различных для разных полимеров) и такой расчетной прочности материала трубы, находящейся в воздушной среде при непрерывном во времени (50 лет) действии в ней внутреннего допустимого рабочего давления воды питьевого качества с температурой 20 °C, разрабатывается сортамент и определяется расчетный прогнозный срок службы трубопровода.
Д.С.У.: «Если поделим MRS на коэффициент запаса, то получим допустимое расчетное напряжение в стенке трубы [МПа]: σs = MRS/(Коэфф. запаса)».
Комментарий: Все наоборот. По эталонным кривым определяют σs и только после этого принимают MRS.
Д.С.У.: «Речь опять же идет о “нормальной” температуре в 20 °C. Коэффициент запаса берется не “с потолка”. ГОСТ 52134 для разных материалов задает разный минимальный коэффициент запаса. Если хотим перестраховаться — можем увеличить. Мы уже все знаем для того, чтобы определить максимально допустимое рабочее давление Ppms [МПа]. Сами формулу напишете? Нет? Тогда вот она: Ppms = σs /S. Это все указано в ГОСТе. Физический смысл этого: если в трубе вода с температурой 20 °C, а давление воды — Ppms, то труба прослужит 50 лет с заданным запасом прочности. Если Ppms перевести в бары — получим номинальное давление, или PN. Это значение очень часто используют в маркировке труб. ГОСТ 52134 нам говорит, что термин “номинальное давление” применяется только для труб из PE и PVC-U (полиэтиленовых и из непластифицированного поливинилхлорида)».
Комментарий: Переиначивание ГОСТа излишне. Коэффициенты запаса установлены априори. Апостериори для конкретных трубопроводов использование коэффициентов запаса может оказаться излишним. Тогда прочность материала в конце расчетного прогнозного срока будет выше ее расчетного значения. Для этого следует пользоваться доверительными интервалами с учетом требуемой надежности для создаваемой внутренней напорной системы.
Д.С.У.: «А если температура воды в трубе не 20 °C, а выше? Тогда появляются еще две характеристики: максимальное рабочее давление при постоянной температуре и максимальное рабочее давление при переменном температурном режиме».
Комментарий: При использовании максимального рабочего давления при постоянной температуре [МПа] 20 °C разработаны сортаменты полимерных труб. В Российской Федерации (и по ISO) — по формуле Надаи, в которой используется средний диаметр трубы. По ASTM — по формуле Барлоу, в которой используется наружный диаметр трубы. Также применяется формула котла, в которой используется внутренний диаметр трубы. Использование труб таких сортаментов при других температурах производится с учетом соответствующих поправочных коэффициентов, учитывающих как уменьшение (с повышением температуры), так и увеличение (с понижением температуры) прочности материала.
Д.С.У.: «А вот посчитать максимальное рабочее давление при переменном тепловом режиме уже не совсем просто. Или, лучше сказать — совсем непросто».
Комментарий: Для кого как. При эксплуатации полимерных труб в трубопроводах с переменным тепловым режимом в материале развиваются два конкурирующих между собой процесса — ползучесть и релаксация. Математически их интенсивность можно учесть с дискретным (начиная от момента нагружения и далее через определенные временные интервалы) использованием растягивающих напряжений, относительных удлинений и модулей упругости (ползучести) конкретного материала. Одна из методик такого учета, которая приведена в ГОСТе, предложена Майнером. Ее надо опровергнуть, уточнить, либо использовать неукоснительно.
Д.С.У.: «Как самая вкусная сгущенка — это “ГОСТовская”, так и самая понятная труба — выполненная по ГОСТ».
Комментарий: Насчет сгущенки судить не беремся. Что касается труб, то это не совсем так. Нельзя исключать, что труба, изготовленная по какому-то ТУ, может быть лучше трубы, позиционируемой как «ГОСТовская». Во всех случаях следует производить контрольные испытания — на данном этапе сертификационные.
Д.С.У.: «Трубы, как правило, более прочные, чем на них написано. Точные значения максимального рабочего давления можно определить только расчетом».
Комментарий: Точные значения максимального рабочего давления можно определить только путем испытаний.
Д.С.У.: «Если труба нестандартная (не по ГОСТ) — производитель должен предоставить либо методику расчета, либо таблицу в виде пар “Класс эксплуатации / Давление”. Классы эксплуатации должны соответствовать таблице из ГОСТ 52134–2003 (то есть табл. 26)».
Комментарий: От производителя необходимо требовать акты и протоколы испытаний полимерных труб, в которых должны быть отражены параметры, с использованием которых можно будет получить необходимое количество точек на эталонных кривых с целью расчета прогнозных сроков эксплуатации для искомых внутренних напорных систем. Классы эксплуатации установлены со слишком широкими диапазонами эксплуатационных параметров таких систем. Ориентироваться на них можно только в первом приближении. Оптимальные решения должны приниматься с учетом конкретных данных, связанных с проектируемой системой, с используемыми трубами и, естественно, качеством монтажа (соединением, креплением) и эксплуатации.
Раздел «Выводы»
Д.С.У.: «Если труба нестандартная (не по ГОСТ) — производитель должен предоставить либо методику расчета, либо таблицу в виде пар “Класс эксплуатации / Давление”. Классы эксплуатации должны соответствовать таблице из ГОСТ 52134–2003 (то есть табл. 26)».
Комментарий: Как показывает практика, ни один производитель трубной продукции не предоставлял до сих пор ни методик расчета, ни таблиц в виде пар «Класс эксплуатации / Давление» для ее использования при устройстве какой-либо внутренней напорной системы. Здесь следует отметить, однако, то, что в последнее время сделаны первые шаги по разработке, в том числе с участием производителей, стандартов организаций (СО), в которых отражаются практически все этапы жизненного цикла конкретных внутренних напорных систем (холодное и горячее водоснабжение, трубопроводы водяных отопления и холодоснабжения). При этом желательно, чтобы производитель предоставлял акты и протоколы испытаний труб, независимо от того, по какому документу они изготовлены. Остальные решения за создателем системы за проектировщиком.
Д.С.У.: «PN — это давление именно холодной воды».
Комментарий: Что обозначает PN — должно указываться в конкретном документе, в разделе «Термины, определения и символы».
В заключение следует отметить то, что оппонируемая статья с учетом мнения авторов (данной статьи) может быть признана полезной для широкой научно-технической общественности.
