Рис. 1. Рабочие давления p для трубопроводов со сроком службы 50 лет в зависимости от температур t
Рис. 2. Гипотетическая кривая регрессии для многослойных труб
Табл. 1. Размеры труб из сшитого полиэтилена
Табл. 2. Характеристики МПТ Valtec
Табл. 3. Рабочие давления для холодных и горячих водопроводов и водяного отопления*
Вывод о том, что внутренние напорные трубопроводы будут неметаллическими, со всей очевидностью вытекает из недавнего высказывания Президента Российский Федерации В. В. Путина перед «соратниками». Владимир Владимирович на весь мир заявил, что у него течет «ржавая вода». Такая же вода, оказывается, течет и у премьера России Д. А. Медведева. Об этом Дмитрий Анатольевич посетовал на встрече с представителями электронных СМИ. Что уж тут говорить о «простых смертных»… Итак, вопрос «…из каких труб [1] устраивать горячий и холодный водопроводы и водяное отопление?». Вряд ли это будут медные трубы. Трубы из меди для российских специалистов до сих пор остаются «экзотикой».
Хотя это не так. Но об этом в следующей статье. Остаются неметаллические трубы — полимерные (из непластифицированного и хлорированного поливинилхлорида НПВХ и ХПВХ, полиэтилена ПНД, ПЭ-С и ПЕ-РТ, полипропилена ПП, а также полибутена ПБ) и композиционные (металлопластиковые МПТ и армированные стекловолокном либо перфорированным алюминием полипропиленовые).
Здесь следует заметить, что выбор тех или иных труб целесообразно производить при вариантном проектировании всех трех напорных систем из труб, изготовленных из одного и того же материала, с определением и последующим сравнением экономических факторов [2], полученных для каждого варианта. Сразу же из перечисленных материалов следует исключить НПВХ и ПНД — они пригодны только для устройства холодных водопроводов.
В рамках данной статьи рассмотрим конкурентные особенности труб из ПЭ-С [3] (табл. 1) и МПТ [4] (табл. 2) по позициям, которым в литературе до сих пор внимание не уделялось. Как видно (табл. 3) из рис. 1, МПТ (16 × 2), которые в реальных внутренних напорных системах в силу их конструктивной специфики (наличие в них магистралей, стояков и подводок к сантехприборам) будут подвергаться наименьшему нагружению, характеризуются наилучшими показателями рабочих давлений, особенно в отоплении.
То есть, прочностной ресурс МПТ будет использован в стояках и подводках только частично: на 68–93 % в холодном водопроводе, на 55–89 % — в горячем водопроводе и всего лишь на 46–88 % — в водяном отоплении. Это будет весьма расточительно. Удручающе здесь то, что изменить это положение никак нельзя — ведь МПТ с другими размерами, в отличие от труб из ПЭ-С (табл. 1), сегодня не предлагаются.
Связано такое с тем, что, если трубы из ПЭ-С, можно подобрать, практически для любого рабочего давления во внутренней напорной системе, используя формулу Надаи и кривые регрессии [5], то с МПТ этого произвести невозможно — ведь метод прочностного расчета [6–8] таких труб до сих пор не нормирован. Здесь, однако, следует отметить то, что сейчас идет накапливание [9] практического материала, который позволит усовершенствовать ГОСТ [10], требования которого распространяются и на МПТ.
Остановимся на некоторых положениях указанного ГОСТ, которые следует использовать при его корректировке. Во-первых, определение (пункт 3.1) трубы напорной многослойной (далее ТНМ): «…Труба, содержащая более одного рассчитанного на нагрузку слоя, в которой не менее 60 % толщины стенки выполнено из полимера (см. рис. 1)…» некорректно: а) более одного слоя содержится только в стенке трубы, б) в стандарте ни один слой не рассчитывается на нагрузку, в) не указано, из чего должны выполняться остальные 40 % слоев, г) наименование разных слоев в стенке многослойной трубы осуществлено по разным признакам и этим существенно отличается от принятого в настоящее время в отечественных нормативах для МПТ.
Во-вторых, проводить дифференциацию ТНМ по признакам: «…содержащая, кроме рассчитанных на нагрузку слоев полимера, один или более слоев металла, рассчитанных на нагрузку, — труба М (пункт 3.2)…», «…содержащая более одного полимерного слоя, рассчитанного на нагрузку, — труба Р (пункт 3.3)…» нецелесообразно. На раннем этапе освоения в стране металлополимерные трубы назывались «ПЭ-Аль» (полиэтилен-алюминиевые). Сейчас есть устоявшееся их название — МПТ. Целесообразно сохранить это обозначение.
Для других труб подобрать другие наименования. Ведь это одна и та же конструкция труб, в которых слои могут быть выполнены из разномодульных материалов. Будут это металлы или полимеры, при априорном указании свойств ТНМ (рабочие давления, срок службы и др.), на потребительских свойствах, при существующих подходах к их (МПТ и армированные стеклопластиком ПП-трубы) использованию во внутренних водопроводах и трубопроводах отопления, это никак не сказывается.
Отметим, что, хотя нигде не приводится методика прочностного расчета ТНМ, все же в стандарте следует указать физико-механические показатели всех материалов слоев. В-третьих, в реальных трубопроводах нагрузки (зависящие от внутреннего давления, температурных деформаций, крепления, монтажа) воздействуют не только на «рассчитанный на нагрузку слой» (правда, в стандарте не указывается, как определяется такой слой) нагружению подвергаются все слои [2–6], составляющие стенку МНТ.
Тем самым нагрузка на «рассчитанный на нагрузку слой» может существенно искажаться. Это будет характерно на протяжении всего срока нахождения ТНМ под действием вышеуказанных нагрузок. По этой причине прогнозные (априорные) сроки службы (в стандарте, к сожалению, не указывается, каким образом следует их устанавливать) водопроводов и трубопроводов водяного отопления из ТНМ будут существенно искажаться.
В-четвертых, определения пункта 3.4 («внутренний слой — это слой, контактирующий с транспортируемой жидкостью») и пункта 3.5 («наружный слой — это слой, на который воздействует окружающая среда») излишни, что и так очевидно. В-пятых, определение (пункт 3.8 — однотипные конструкции), претендующее на ранжирование ТНМ так, как это принято для напорных труб из разных термопластов по наружному диаметру, размерному отношению SDR или серии труб S (показатели SDR и S связаны между собой формулами SDR = 2S + 1), практически нереализуемо.
Для этого необходимо, чтобы, помимо соблюдения физико-механических показателей материалов каждого слоя, полностью совпадали бы показатели SDRij соответствующих i-х слоев в стенках j-х ТНМ всех ранжируемых диаметров, то есть имеет место выражение:
SDRij = Dнij /eij ,
где Dн — наружный диаметр; e — толщина слоя; i — индекс слоя; j — индекс диметра трубы. Обеспечить это можно будет только при наличии алюминиевой ленты соответствующей толщины для каждого диаметра ТНМ, что в современных условиях их производства вряд ли целесообразно. В-шестых, для определения «…95 %-го значения нижнего доверительного предела прогнозируемого гидростатического давления pLPL для полной проверки каждого испытуемого диаметра трубы (пункт 3.9)…» необходимо иметь значения математических ожиданий, средних квадратических отклонений и соответствующих объемов выборки и, кроме того, методики испытаний. К сожалению, в стандарте это никак не отражено. В-седьмых, не указано, какие именно «…требования стандарта (пункт 4.1.3) должна обеспечивать толщина слоя…».
Наверно, алюминиевый слой должен быть прочным, иметь качественное сварное соединение, являться хорошим субстратом для клеящего полимера, быть надежным кислородонепроницаемым барьером в стенке ТНМ и т.д. В-восьмых, упоминать в стандарте класс эксплуатации (пункт 4.2) не совсем корректно. Ведь ранжирование внутренних водопроводов и трубопроводов отопления по классам эксплуатации касается (ГОСТ 52134) только труб из термопластов (хотя и это во многом спорно).
Ведь очевидно то, что распространять это ранжирование, например, на стальные или медные трубы в полимерной оболочке никому и в голову не придет. Что же касается ТНМ, особенно с алюминиевым слоем, то использовать это ранжирование априори нет никакой необходимости, по крайней мере, на данном этапе. Ведь для устройства водопроводов и трубопроводов отопления в стране используются одни и те же МПТ (см. СП 41-102–98 и СП 40-103–98 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем холодного и горячего водоснабжения с использованием металлополимерных труб»). В-девятых, следует уточнить понятия «…ненагруженной (пункт 5.1.5) и нагруженной (пункт 5.1.6)…» труб, например, взять в кавычки. Ведь любая конструкция всегда нагружена хотя бы собственным весом. К тому же, как можно получить 50 Н/см (пункт 5.1.5)?
Если речь идет о других нагрузках, то их следует указать, например, прочность на отрыв. Также следует снять в обеих указанных пунктах «внутреннего и металлического» — ведь разве «стойкость к расслоению» не касается наружного и металлического слоев? В-десятых, скорее всего, металлическая лента, используемая для изготовления ТНМ, «…должна быть стойкой к воздействию переменных температур (пункт 5.1.7)…».
Однако и этой формулировки не требуется. Относительно «проверки в водной среде (пункт 5.1.7)» априори можно принять — металл ленты более стоек, чем этиленвиниловый спирт EVOH, который рекомендуется в стандарте для барьерного слоя, и на который этот пункт не распространяется. Также априори можно принять и то, что стойкость алюминия или его сплавов «к воздействию переменных температур» (водопроводной воды, теплоносителя — воды и окружающего воздуха при монтаже) выше, чем для указанных в стандарте полиолефинов. В-одиннадцатых, пункт 5.2.7 требует уточнения. Неясно, как следует понимать часть фразы: «при действии постоянного внутреннего давления».
Здесь подразумевается давление в многослойной или в однослойной круглоцилиндрической трубе, получаемой экструдированием? Ведь эталонные кривые построены (ГОСТ Р 52134) для трубных образцов в σ–τ-координатах (растягивающее напряжение — время экспозиции). Здесь показатели полимера, полученные с использованием температурновременной суперпозиции, тесно увязаны с конструкцией однослойных круглоцилиндрических труб, изготовляемых экструдированием. Корректно ли переносить это на полимеры, входящие в состав стенок многослойных труб?
Наверное, целесообразнее привести кривые регрессии в декартовых полулогарифмических p–τ-координатах (внутреннее давление — время экспозиции) для конкретных ТНМ. Правда, для этого требуется иметь результаты соответствующих испытаний. К сожалению, их пока что нет ни в нормативах, ни в литературе. Представляется, что такие испытания должны осуществляться производителями конкретных ТНМ, а их результаты приводиться в сопроводительной документации на ТНМ своего производства для каждого диаметра, если они не принадлежат к «однотипной конструкции» (для однотипных конструкций можно испытаниям подвергать образцы-представители группы диаметров ТНМ).
В стандарте же следует назначить параметры испытаний: температуры, величины внутренних давлений как части (0,95; 0,9; 0,85; …) кратковременного внутреннего давления p, вызывающего разрушение ТНМ, и объемы испытаний с указанием требуемой надежности (инженерной 0,95 либо другой). Проектировщик при этом будет иметь возможность получить необходимые значения путем экстраполяции данных производителя в перспективу на время, вплоть до прогнозных сроков службы холодных (рис. 2) и горячих водопроводов, а также и трубопроводов водяного отопления, устраиваемых из искомых ТНМ.
В-двенадцатых, стенка многослойной трубы (пусть даже это будет труба р, включающая только слои из разных полимеров) при воздействии постоянного внутреннего давления не может находиться под начальным напряжением какой-то фиксированной (табл. 10, столб. 4 ГОСТ) величины. В такой трубе, нагруженной постоянным внутренним давлением, все слои в стенке будут находиться под действием растягивающих напряжений различной величины. «…Расчетное внутреннее давление рt, τ [МПа], р трубы при температуре t за время τ определяют по формуле
где n — число несущих нагрузку слоев; dcp и еmin — средний наружный диаметр и минимальное значение толщины стенки несущего нагрузку слоя трубы, мм; a — напряжение в стенке слоя трубы, МПа…». В-тринадцатых, надо понимать, dcp и еmin — средний наружный диаметр и минимальное значение толщины «несущего нагрузку» слоя в стенке трубы, мм; σ — напряжение в слое стенки трубы, МПа. В-четырнадцатых, правая часть формулы (5) суммирует доли pi внутренних давлений, приходящиеся на каждый слой (принцип суперпозиции), от внутреннего давления p в ТНМ (левая часть). Такой подход справедлив лишь частично.
Ведь распространение математической модели прочностного поведения труб с однослойной стенкой при действии в них внутреннего давления, выраженной формулой Надаи, на многослойные трубы, в которых слои в их стенках выполнены из разномодульных материалов, не совсем корректно. Ведь растягивающие напряжения в слоях стенки ТНМ, находящейся под действием внутреннего давления, не являются характеристикой материала слоя — то есть внутреннее давление p в ТНМ не является функцией растягивающих напряжений σi в слоях ее стенки.
Наоборот, растягивающие напряжения σi в каждом i-м слое из n слоев в стенке являются функцией внутреннего давления p в ТНМ, точнее долей pi от этого p внутреннего давления. Они (σi) зависят от относительной деформации слоев стенки трубы (одинаковой для всех слоев, как составляющих стенку, ε1 = ε2 = … = εi = ε) и модулей упругости Ei материалов всех i-х слоев (независимо от того, считается или не считается какой-то слой «расчетным»).
Для определения долей внутренних давлений pi, приходящихся на любой i-й слой необходимо, чтобы каждый слой характеризовался своими собственными значениями наружного диаметра dнi (можно среднего dci) и толщиной εi. Это требование в ГОСТ отсутствует. В этой связи необходимо снять все, что касается (5), либо привести данные по геометрии слоев для каждой ТНМ. Кроме того, формулу (5) необходимо представить в следующем виде
Здесь же следует заметить, что в формуле (5.1) могут использоваться только кратковременные показатели модулей упругости Ei0 полимеров, являющихся материалами слоев. Долговременные показатели модулей упругости Eiτ полимеров использоваться не могут, так как они связаны с растягивающими напряжениями в слоях σiτ, которые пока что непредсказуемо изменяются (уменьшаются вследствие старения по разному для разных полимеров, входящих в стенку ТНМ) во времени из-за перераспределения долей pi от внутреннего давления p, приходящихся на каждый конкретный i-й слой.
В-пятнадцатых, рассмотренные выше положения («в-четырнадцатых») в полной мере распространяются и на пункт 8.14.2: «…Термическую стабильность внутреннего слоя М труб при воздействии постоянного внутреннего давления проверяют в воздушной среде при режимах испытаний, указанных в пункте 8.14.1…». В-шестнадцатых, формулировка (см. табл. В.1 ГОСТ): «…Радиусы изгиба выбраны с целью создания 3 %-го изгибающего напряжения для полиолефиновых труб…» не имеет смысла.
При изгибе ТНМ в каждом слое стенки трубы будут создаваться растягивающие напряжения σi различной величины, так как они будут зависеть от модуля упругости Ei материала конкретного слоя и от относительной деформации (растяжения) εиi, которая действительно будет для всех слоев одинаковой, так как все слои и составляют стенку изгибаемой ТНМ. Поэтому здесь речь может идти об относительном окружном удлинении слоя εиi. Однако составлять 3 % относительное растяжение полимера (да и алюминия тоже) не должно. Ведь при этом:
σi = εиi Ei0 = 0,03 × 1000 = 30 МПа
(при нормальной температуре), например, для ПЭ-РТ. Это превышает кратковременную прочность полиолефина. В-семнадцатых, формулировка: «Изгибающее напряжение e наружного слоя по отношению к ненапряженному слою трубы задано:
не соответствует механизму поведения ТНМ при испытании на приводимой в ГОСТ установке изгиба. Слоев, абсолютно ненапряженных изгибающими напряжениями, в ТНМ нет — дальняя сторона всех слоев, в том числе и наружного, считая от центра гнутья, растянута, а ближняя — сжата. Полностью ненапряженная изгибающими напряжениями часть стенки ТНМ будет представлять собой линию, приблизительно проходящую через ее центр тяжести с учетом модулей упругости материалов всех слоев, входящих в стенку.
По этой причине растягивающие напряжения при изгибе в наружном слое ТНМ не могут составлять 3,0 % от изгибающих напряжений в «ненапряженном слое». В заключение следует отметить: пока строгого ответа на вопрос, из каких труб устраивать внутренние напорные системы (например, горячий и холодный водопроводы и водяное отопление при застройке территории «Новой Москвы») нами не найдено.
Ведь не затронуты и другие трубы, такие как армированные стекловолокном полипропиленовые [11]. Однако работы в ГУП «НИИ Мосстрой» в этом направлении продолжаются. Об их ходе и результатах широкая научнотехническая общественность будет своевременно информироваться.
