В настоящее время сборка стальных, медных, полимерных и металлополимерных труб как между собой, так и с соединительными частями производится с использованием самых разнообразных соединений [1]. Некоторые из таких соединений (сварные, резьбовые и клеевые) используются сравнительно давно. Их особенности в основном изучены. В последнее же время для сборки полимерных труб с металлическими и полимерными фитингами стали широко использоваться опрессовываемые соединения различных модификаций [2, 3]. Такие соединения получаются путем обжимки внешнего элемента вокруг внутреннего элемента. Причем в некоторых таких соединениях между внутренним и внешним элементами при опрессовке обжимается часть трубы определенной длины (рис. 1). В других же таких соединениях еще используются и специальные резиновые кольца (рис. 2). Ранее нами частично рассматривались гидравлические особенности опрессовываемых соединений [4]. Что касается расчета и контроля качества сборки опрессовываемых соединений, то, к большому сожалению, и в материалах фирм-изготовителей их элементов, и в нормативах, на основании которых используются такие соединения в напорных трубопроводах, и в литературе какие-либо данные отсутствуют. В этой связи, специалистами ГУП «НИИ Мосстрой» исследованы некоторые особенности опрессовываемых соединений. Рассмотрена инженерная задача. Она связывалась с анализом НДС (напряжено-деформированого состояния) элементов, входящих в опрессовываемые соединения. В качестве рабочей гипотезы для расчета принимали условия равновероятного разрушения опрессованного соединения (рис. 3) по любому из указанных сечений (А–А или Б–Б), а также сдвигу по поверхности П–П. Математические выражения, описывающие НДС опрессованного соединения, в свете принятой рабочей гипотезы, относительно разрушающей нагрузки N, для указанных сечений были представлены в следующем виде ❏ для сечения Б–Б: N = π(Dт – δт)δтσт, (1) где σт— прочность материала трубы на растяжение; Dт и σт — наружный диаметр и толщина стенки трубы. ❏ для сечения А–А: N = π(Dш – δш)δш σш, (2) где σш— прочность материала штуцера на растяжение; Dш и dш — наружный диаметр и толщина стенки штуцера. ❏ для плоскости П–П: N = πDшfт-сσкКобLобКзКр, (3) где fт-с — коэффициент трения-сцепления материалов штуцера и МПТ; σк — контактное давление, передаваемое от трубы к гладкому штуцеру в пределах обжатой области металлической обоймы; Коб — коэффициент, учитывающий длину участка обжатия обоймы L; Кз — коэффициент запаса; Кр — коэффициент, учитывающий равномерность давления по всей поверхности обжатия. Контактное давление σк возникает вследствие сжатия стенки трубы между гладким штуцером и обоймой и может определяться по формуле σк = Етε, (4) где Ет — модуль сжатия материала трубы; ε— относительное сжатие стенки трубы. В качестве примера рассматривалась металлополимерная труба (МПТ). Здесь для МПТ был принят интегрированный модуль сжатия, ЕМПТ, на основании следующих рассуждений: ❏ стенка МПТ представляет собой композитный материал из пяти слоев; ❏ внутренний и наружный слои — это сшитый полиэтилен, толщина внутреннего слоя δв, наружного слоя δн; ❏ средний слой — это алюминиевая фольга, его толщина δа; ❏ промежуточные слои — это клеевые прослойки, их толщина δк; ❏ при обжатии деформируются полиэтилен и клеевая прослойка, а не вся толщина стенки МПТ δт, из нее следует вычесть толщину фольги δа при нормальной температуре ЕСПЭ: ЕAl = 1:8 – ЕСПЭ ≈ 550 МПа, a ЕAl ≈ 4500 МПа, а в условиях эксплуатации при температурах горячей воды это соотношение будет ≈ 1:20. Контактные давления σк будут обеспечиваться практически только за счет сжатия полиэтилена и клеевых прослоек. С учетом срока эксплуатации горячего водопровода для условий равнопрочности материалов МПТ и штуцера (в данном случае рассматривался штуцера из ПСФ), а также опрессованного соединения, приравняв правые части (1) и (2), получаем уравнения в следующем виде: π(Dш – δш) δшδшθг = π(∆t – δт)δтσтθг, (5) где δшθг и σтθг— прочность штуцера и МПТ в конце расчетного срока службы при температуре горячей воды. Введя показатели SDR для штуцера и МПТ в (5) (6) Устанавливаем, что (7) (8) Отсюда следует, что (9) Параметры опрессовываемого соединения принимаем на основании анализа выражений, получаемых с учетом срока службы и температуры эксплуатации путем приравнивания правых частей (3)–(1): πDшfт-сσkθг КобLобКзКр = π(Dт – δт)δтσтθг (10), и (3)–(2): πDшfт-сσkθг КобLобКзКр= π(Dш – δш)δшσшθг. (11) (12) Введя в (12) SDRш и разделив числитель и знаменатель на (формула) устанавливаем, что (13) Заменив (формула) и приняв Кш = 0,7, а также fт-с = 0,2 [4], Коб = 0,6 (аналогично другим соединениям), Кз = 2 (как это принято для пластмасс) и Кр = 0,8, получаем (14) Обозначим (15) (16) МПТ, как композитная труба, на растяжение по слоям характеризуется различной прочностью ΣМПТ = σв + σкв + σа + σкн + σн, (17) где σв и σн — прочности полиэтилена на внутреннего и на наружного слоев; σа — прочность алюминия (средний слой в стенке трубы); σкв и σкн — прочность клеевых прослоек (внутреннего и наружного слоев по отношению к алюминиевой прослойке). Было принято, что σв= σкв= σкн=σн=σПЭ, (18) причем следует иметь в виду, что прочность полиэтилена будет характеризоваться показателями кратковременной σПЭ0 и долговременной σПЭu прочностями, зависящими от температуры. Что касается прочности алюминия σа, то с полным основанием ее можно принять не изменяющейся в зависимости от температуры и времени. Так как вклад в прочностное поведение поперечного сечения МПТ при растяжении каждого слоя будет зависеть не только от прочности материала слоя σi, но от его толщины δi, тогда (19) (20) Эти выражения для средневзвешенных показателей прочности получены только с учетом толщины слоев. Более точные выражения должны учитывать площадь каждого слоя в сечении. Поверочные расчеты для трубы D = 20 мм показали, что отклонения для σМПТ, получаемые по (19) и (20), дают незначительное завышение, которое при определении размеров штуцера и опрессовываемого соединения пойдет в запас. Аналогичные выражения могут быть составлены для любых температурных условий. В нашем случае важными являются нормальные условия (20 °С), когда производится сборка соединения, ЕМПТ имеет максимальное расчетное значение как по температуре, так и по времени. В этих случаях следует использовать: ЕМПТ 20 °С, ≈ 0 лет, σМПТ 20 °С, ≈ 0 лет и σш 20 °С, ≈ 0 лет. Следует иметь в виду, что в действительности сборка соединений может производиться и при –20 °С. В этом случае ЕМПТ (–20 °С) = 1,5σМПТ (20 °С), причем θможет исчисляться несколькими минутами. Однако максимальные значения Е и σш все же будут при θ →0. При этом контактные давления на штуцер также увеличатся в 1,5 раза. Для таких нагрузок следует определять устойчивость оболочки штуцера против повышенного внешнего давления в условиях жесткой фиксации. Фиксацию обеспечивает металлическая обойма. Другим важным температурным параметром являются 95 °С, когда возможен температурный удар в системе горячего водоснабжения. Здесь ЕМПТ будет иметь минимальное расчетное значение, т.е. для температуры 95 °С и времени 25 лет (требования СНиП). В этих случаях следует использовать: ЕМПТ для 95 °С, 25 лет, σМПТ для 95 °С, 25 лет и σш для 95 °С, 25 лет. Нами произведен поверочный расчет с использованием следующих размеров элементов соединений: ❏ наружный диаметр и толщина стенки МПТ 32 и 3,5 мм (SDR = 9,14); ❏ наружный диаметр и толщина стенки штуцера 25 и 2,5 мм (SDR = 10); ❏ прочностные показатели (табл. 1). Расчеты показали, что равнопрочность соединения трубы и штуцера с приблизительно равными значениями SDR, обеспечивается при длине нахлестки (обоймы) равной (1–1,2)D и степени сжатия стенки трубы 10–15 %. Были также определены размеры профилированных штуцеров (см. рис. 2). При этом в качестве допущения было принято, что разрушение соединения фитинга МПТ с опрессованным профилированным штуцером при действии осевой нагрузки возможно по: 1. поперечному сечению 1а — трубы, 1б — штуцера либо 2. сдвигу выступов 2а — трубы во впадинах, 2б — штуцера на выступах. Разрушение вида 1а описывается математическим выражением (21) где: SМПТ — толщина стенки МПТ; N — усилие разрушения; σМПТ — прочность материала МПТ на растяжение. Разрушение вида 16 описывается математически выражением: (22) где Sшвп — толщина стенки штуцера по впадине; σш — прочность материала штуцера на растяжение. Разрушение вида 2а описывается математическим выражением: (23) где: nвп — число впадин; КВПШ — коэффициент, учитывающий степень вдавливания стенки трубы по ширине впадины; λвп — длина впадины; Dш — наружный диаметр штуцера; θсм — прочность материала МПТ на смятие (для СПЭ на сдвиг). Разрушение вида 2б описывается математически выражением: (24) где: n — количество выступов; λвы — длина выступа; Квпг — коэффициент, учитывающий степень вдавливания трубы по глубине впадины; δвп — диаметр штуцера по впадине; θсдв — прочность материала штуцера на сдвиг. Длина штуцера Lш определяется из выражения: Lш > λт + nвпλвп + nвыλвы+nжλж + λф (25), где λт — длина части тела фитинга; nж, λж — количество и длина желобка; λф — длина фаски. Размеры кольца 5 из резины с твердостью 45–55 ед. тв определяются из выражений: ❏ диаметр сечения: δк = Ксhж, (26) где hж — глубина желобка; Кс — коэффициент, учитывающий сжатие кольца. ❏ внутренний диаметр кольца: δкв = cδж, (27) где с — коэффициент, учитывающий необходимое растяжение кольца для посадки в желобок, с = 0,85–0,9; δж — диаметр штуцера по желобку. С использованием вышеприведенных формул получены ориентировочные размеры профилированного штуцера с резиновыми уплотнителями для МПТ диаметром 16; 20; 25; 32 и 40 мм приводятся (табл. 2). Анализ литературных данных и имеющегося опыта показал, что опрессовка соединений может производиться с помощью ручных, гидравлических либо механических устройств и приспособлений. Для опрессовки соединений полимерных труб и деталей из ПСФ с гладкими штуцерами должны использоваться губки с гладкими поверхностями в количестве от 6 до 8 шт., чтобы при их смыкании образовывалась замкнутая цилиндрическая поверхность. Геометрия губок должна определяться размерами элементов, входящих в соединение. Усилия обжатия должны определяться экспериментально с учетом степеней сжатия стенок МПТ (труб из ПЭС). Качество опрессовки должно контролироваться по равномерности обжатия обоймы как по окружности, так и по длине с образованием выходящих наружу юбок. Для опрессовки соединений полимерных труб с деталями из ПСФ с профилированными штуцерами должны использоваться губки с выступами на внутренней поверхности. Эти выступы должны полностью соответствовать впадинам на штуцере. Исключением должны быть впадины для размещения резиновых уплотнителей. Здесь губки должны быть гладкими. Количество губок — от 4 до 6 шт. Геометрия губок должна определяться профилем штуцеров по диаметру. Усилия обжатия должны определяться экспериментально с учетом степени вдавливания обоймы и стенки МПТ (трубы из ПЭС) в пазы на штуцере. Качество опрессовки должно контролироваться по равномерности впадин на обойме как по окружности, так и по глубине. В заключение следует отметить, что рассмотрены и достаточно подробно особенности опрессовываемых соединений. Это позволяет надеяться на то, что с учетом рассмотренного подхода можно будет более обоснованно оценивать соединения, которые получаются путем обжимки внешнего элемента вокруг внутреннего элемента и тем самым повысить надежность напорных трубопроводов. К сожалению, рассмотрение ограничилось элементами (труба и штуцер) опрессовываемых соединений пока что только из полимеров. Что касается особенностей стальных и медных элементов в опрессовываемых соединениях, а также особенностей аналогичных соединений, например, «вставных» [2], а также выполняемых с использованием «аксиального метода» [5], то это требует специального анализа и последующего обобщения, сообразуясь с отечественной практикой. Специального рассмотрения требуют и соединения, опрессовка которых осуществляется путем надвижки гильзы на штуцер. Кроме того, затронутые в статье вопросы должны привлечь внимание более широкой научно-технической общественности к надежности функционированиявнутренних напорных трубопроводов с точки зрения обеспечения достаточного качества соединений используемых для сборки труб независимо от того, из какого материала они изготовлены.
1. Отставнов А.А., Ионов В.С. Особенности соединений труб, допущенных строительными нормами и правилами к применению в системах водяного отопления. Журнал «С.О.К.», №10/2003. 2. Новейшее вставное соединение — это гарантия во всех деталях. Журнал «С.О.К.», №12/2006. 3. Комплексная система трубопроводов Barbi — впервые на рынке отопления. Журнал «С.О.К.», №1/2007. 4. Отставнов А.А., Ионов В.С. Особенности гидравлического сопротивления соединений внутренних напорных трубопроводов. «Сантехника», №6/2003. 5. Систем трубопроводов Barbi — преимущества очевидны. Журнал «С.О.К.», №4/2007.
