В стране широкое применение нашли металлополимерные трубы (далее МПТ) как отечественных, так и зарубежных производителей [1-4]. В Своде Правил СП 41-102-98 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб» даётся определение МПТ: «....Металлополимерная труба представляет собой пятислойную конструкцию, состоящую из тонкостенной алюминиевой трубы, на которую изнутри и снаружи наносится клеевая основа, а затем — “сшитый” полиэтилен.».
МПТ с наружными диаметрами от 14 до 76 мм (табл. 1) характеризуются следующими достоинствами (металлических и пластмассовых труб): 100 %-я кислородонепроницаемость; коррозионная стойкость; отсутствие минеральных отложений на стенках труб; долговечность — 25 лет; морозоустойчивость; надёжность работы в условиях повышенной сейсмичности; повышенная шумопоглощающая способность; удобство транспортирования; технологичность монтажа (трубы легко гнутся, позволяют огибать элементы помещений, не требуется точная подгонка линейных размеров) и монтаж с оборудованием и приборами из стали, латуни, пластмасс при помощи соединительных деталей без сварки и нарезки резьбы при применении в системах отопления, расчётная температура которых не превышает 90 °С при давлении в трубах не более 1,0 МПа.
Эти же МПТ (табл. 1) Свод Правил 40-103-98 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем холодного и горячего водоснабжения с использованием металлополимерных труб» рекомендует использовать при монтаже и ремонте строящихся и реконструируемых систем внутреннего холодного и горячего водоснабжения с давлением до 1 МПа и температурой воды до 75 °C. При этом, согласно обоих Сводов Правил, должна осуществляться компенсация температурных продольных деформаций трубопроводов, подвергаемых воздействию температурных перепадов At. В одних случаях естественным путем — прокладка труб «змейкой», на поворотах и изгибах. В других случаях — в гнутых компенсаторах (рис. 1), устанавливаемых специально на трубопроводах из металлополимерных труб.
МПТ с наружными диаметрами 14-76 мм характеризуются достоинствами: 100 %-я кислородонепроницаемость; коррозионная стойкость; отсутствие минеральных отложений на стенках труб; долговечность; морозоустойчивость; повышенная шумопоглощающая способность; удобство транспортирования; технологичность монтажа и многие другие
Причём качественная компенсация температурных продольных деформаций трубопроводов из МПТ должна обеспечиваться правильной расстановкой неподвижных креплений, делящих его на независимые участки расчётной длины L. При расстановке неподвижных креплений должно обязательно учитываться перемещение (≤ 2dн) трубопровода в плоскости, перпендикулярной стене, что ограничивает длину компенсационного участка, определяемую по формуле
где Lк — длина [мм] части компенсатора, воспринимающей температурные изменения расчётного участка трубопровода длиной L, мм; ΔL — температурное изменение длины расчётного участка трубопровода, мм.
Абсолютные температурные продольные деформации (удлинения/укорочения) ΔL [мм] трубопроводов из МПТ должны определяться по формуле
где L — длина участка трубопровода, м.
То есть, здесь в (2) для МПТ принято значение коэффициент температурного расширения α, равное 0,000025. Это значение в шесть раз меньше α для ПНД (0,00015/0,000025) и в восемь раз меньше α для ПВД (0,0002/0,000025), и на 14 % больше α для алюминия (0,000022).
На каких же основаниях принято такое значение коэффициента линейного расширения для металлополимерных труб — ни в отечественных, ни в зарубежных нормативах и публикациях нами не обнаружено.
На странице 10 учебного пособия [5] сообщается, что при одних и тех же температурных перепадах, воздействующих на МПТ и на трубы из PE-X, линейные температурные удлинения последних (рис. 2а) будут в семь раз больше удлинений МПТ (рис. 2в):
Но ведь, помимо PE-X, в стенки МПТ (рис. 3) могут входить слои и из другого полиэтилена (табл. 2), а также полипропилена, и, возможно, из других термопластов или из реактопластов.
При этом МПТ (табл. 3) могут существенно (16-72 %) отличаться степенями армирования алюминиевых стенок (табл. 4) от МПТ других производителей (табл. 1).
Анализ показывает, что в металлополимерных трубах, подвергаемых воздействию Δt, продольные температурные деформации (удлинения/укорочения при положительных и отрицательных температурных перепадах соответственно) их стенок связаны с напряжённо-деформированным состоянием (НДС) входящих в них слоев [7].
В слоях стенок МПТ при действии на них перепада температур Δt и в случаях ограничений их продольных деформаций будут наводиться температурные напряжения σ [Па] — растяжения при отрицательных и сжатия при положительных перепадах.
Конкретные значения напряжений σi в каждом слое будут зависеть от коэффициента линейного расширения αi и модуля упругости Eτi [Па] (табл. 5) искомого материала на данный момент времени, согласно следующей формуле:
При этом усилие N [Н], действующее на ограничитель (к примеру, на обжимной хомут жесткого крепления) сводного удлинения/укорочения трубопровода:
где ωi — площадь поперечного сечения [м2] слоев, входящих в стенки трубы. Площади поперечного сечения ωi [м2] слоев (табл. 6), входящих в стенки труб с размерами (табл. 7-9), определены по следующей формуле:
где dнi, dвi и еi — наружный, внутренний диаметры и толщина стенки трубы и входящих в неё слоев, м.
Подставляя в (5) значения модулей упругости материалов из табл. 5, а также площадей поперечного сечения слоев из табл. 6, получаем величины усилий (табл. 10), действующих на ограничители сводного удлинения/укорочения каждого слоя (рис. 1б).
Усилия для слоев в общем виде:
N1 = α1ΔtE1ω1 = 150 × 10–6× 100 × 800 × 106ω1 = 12 × 106ω1;
N2 = α2ΔtE2ω2 = 200 × 10–6× 100 × 200 × 106ω2 = 4 × 106ω2;
N3 = α3ΔtE3ω3 = 22 × 10–6× 100 × 10 000 × 106ω3 = 22 × 106ω3;
N4 = α4ΔtE4ω4 = 200 × 10–6× 100 × 200 × 106ω4 = 4 × 106ω4;
N5 = α5ΔtE5ω5 = 150 × 10–6× 100 × 800 × 106ω5 = 12 × 106ω5.
Усилия для слоев трубы диаметром 16 мм:
N1 = 12 × 106ω1 = 12 × 106× 19,6 × 10–6 = 235,2 Н;
N2 = 4 × 106ω2 = 4 × 106× 4,74 × 10–6 = 18,96 Н;
N3 = 22 × 106ω3 = 22 × 106× 12,94 × 10–6 = 284,68 Н;
N4 = 4 × 106ω4 = 4 × 106× 4,5 × 10–6 = 18 Н;
N5 = 12 × 106ω5 = 12 × 106× 53,36 × 10–6 = 640,32 Н.
Усилия для слоев для трубы диаметром 50 мм:
N1 = 12 × 106ω1 = 12 × 106× 123,6 × 10–6 = 1483,2 Н;
N2 = 4 × 106ω2 = 4 × 10–6× 15,2 × 10–6 = 60,8 Н;
N3 = 22 × 106ω3 = 22 × 10–6× 148,2 × 10–6 = 3260,4 Н;
N4 = 40 × 106ω4 = 4 × 10–6× 14,48 × 10–6 = 57,92 Н;
N5 = 12 × 106ω5 = 12 × 106× 276,3 × 10–6 = 3115,6 Н.
В реальных МПТ (рис. 2 и 3) ограничителем удлинений полимерных (слои 1 и 5) и клеевых (слои 2 и 4) являются клеевые соединения их с алюминиевым слоем.
То есть, продольные температурные усилия всех четырёх указанных слоев будут восприниматься алюминиевым слоем. При этом в нём будут возникать растягивающие напряжения:
И в случае свободного перемещения МПТ удлинятся/укоротятся на величину относительной деформации (табл. 11)
Из табл. 11 видно (столбцы 5 и 6), что при воздействии на МПТ перепадов температур будет происходить их продольная деформация (удлинение/уко- рочение), в том числе и под действием продольных сил возникающих в полимерных и клеевых слоях. Такая деформация может существенно превышать (столбец 7) обычную температурную
продольную деформацию — в 3,23 (при диаметре 16 мм и степени армирования 12,44 %) и в 1,45 раза (при диаметре 50 мм и степени армирования 25 %). При этом общая деформация для тех же МПТ будет превышать деформацию, определяемую по (2) в 3,72 раза:
и в 2,16 раза:
С учётом рассмотренных положений, формулы (1) и (2) предлагается использовать в следующем виде:
При этом продольные температурные деформации реальных трубопроводов из МПТ, возникающие в них под воз
действием перепадов температур, будут получаться большими не только в зависимости от того, по какой методике они определены, но будут также учитывать степень армирования стенок используемых труб (рис. 4).
При определении компенсирующей способности гнутых компенсаторов, устанавливаемых на трубопроводах из МПТ с целью компенсации их температурных продольных деформаций при воздействии на них перепадов температур, необходимо также учитывать деформации от осевых усилий, возникающих при этом в слоях стенок МПТ
В заключение следует заметить следующее. При определении компенсирующей способности гнутых компенсаторов, устанавливаемых на трубопроводах из МПТ с целью компенсации их температурных продольных деформаций при воздействии на них перепадов температур, необходимо также учитывать деформации от осевых усилий, возникающих при этом в слоях стенок МПТ.
