Использование труб из высокопрочного чугуна

Оптимизация использования труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в коммунальных трубопроводах

А. А. Отставнов, ведущий научный сотрудник «НИИ Мосстрой», Почетный строитель Москвы, канд. техн. наук

 

В связи с этим остановимся именно на рассмотрении вопроса применения труб из ВЧШГ при проектировании, строительстве и реконструкции сетей водоснабжения. Казалось бы, что здесь рассматривать?

Во-первых, чугунные трубы используются более сотни лет, в том числе и в питьевом водоснабжении. Во-вторых, в стране имеется норматив на проектирование и монтаж подземных трубопроводов водоснабжения с использованием труб именно из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом [1]. В-третьих, в стране трубы из ВЧШГ производятся [2]. В-четвертых, за применение труб из ВЧШГ «горой стоят» эксплуатационники.

Даже есть Постановление московского Правительства, согласно которому для питьевого водоснабжения Москвы должны использоваться, главным образом, трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. И действительно, в Москве им стараются руководствоваться [3].

Но не все так просто.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по своим прочностным и деформативным показателям сильно отличается от обычного серого чугуна, трубы из которого применяются, как уже было отмечено, более 100 лет. Эти свойства получены при модифицировании жидкого чугуна магнием. В результате модифицирования частицы графита в ВЧШГ находятся в виде маленьких сфер (шариков), исключая любой риск образования и распространения трещин, одновременно придавая чугуну пластичность (относительная деформация при разрыве 10 %) и прочность (400 МПа при разрыве и 300 МПа условный предел текучести). Улучшение гигиенических свойств, по сравнению с прежними чугунными трубами, обеспечивается наложением цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность труб из ВЧШГ.

Применять трубы из ВЧШГ в коммунальных трубопроводах крайне затруднительно Связано это с тем, что в СНиПах какие-либо сведения по проектированию, расчету и строительству напорных трубопроводов из ВЧШГ отсутствуют. Единственный документ по этому вопросу – СП 40–106–2000 – содержит, например, указания о необходимости расчетов на совместное воздействие расчетного внутреннего гидравлического давления и внешней нагрузки, однако в нем нет методики того, как это следует производить. К тому же включенные в СП 40–106–2000 трубы диаметром до 1000 мм по причине закрытия Синарского механического трубного завода (г. Усть-Каменск) больше не производятся.

Трубные изделия из ВЧШГ в России теперь производятся монопольно только одним заводом «Свободный сокол» (Липецк) по международной классификации [4, 5] – практически только одного класса (табл. 1). Т. е. эффективно использовать их возможно только при одном и том же рабочем давлении.

Таблица 1 Показатели труб из ВЧШГ [2]

№ Диаметр труб, мм Толщина, мм SDR2) P, МПа Класс условный наружный внутренний1) стенки ЦПП 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 100 118 106/100 6 3 19,7 33,4 10 2 150 170 158/152 6 3 28,3 23,9 9,2 3 200 222 209,4/203,4 6,3 3 35,2 18,0 9 4 250 274 260,4/254,4 6,8 3 40,3 15,7 9,06 5 300 326 311,6/305,6 7,2 3 45,3 13,8 9

1) в знаменателе без внутреннего цементно-песчаного покрытия, в числителе с внутренним цементно-песчаным покрытием; 2) размерное отношение для труб, равное отношению наружного диаметра Dн трубы к толщине ее стенки

Номенклатура труб из ВЧШГ [2] охватывает условные диаметры Dу 100, 150, 200, 250 и 300 мм (табл. 1), т. е. всего 5 внутренних диаметров.

Так что применять придется одни и те же трубы для устройства любых трубопроводов, не зависимо от внутреннего давления в сети и условий прокладки, что вряд ли совместимо с оптимизацией по затратам конкретной системы водоснабжения коммунального комплекса водоснабжения. А конкретных систем водоснабжения в России великое множество. Они существенно могут отличаться друг от друга:

– по диаметрам (будем считать применительно к трубам из ВЧШГ ограниченно от 80 до 1000 мм);

– рабочим напорам: 0,3 МПа – в малоэтажном строительстве; 0,4 МПа – для Москвы по факту [2], для других городов, скорее всего, не выше из-за ветхости водопроводных сетей; 1 МПа – при новом строительстве и 1,6 МПа, возможно, на водоводах;

– применению (в грунтах различной прочности, с модулем деформации грунта от 0,02 МПа – ил, торф, до 200 МПа – скалистые и каменистые грунты);

– монтажным технологиям (укладка в траншеях, в насыпях, в коллекторах, с использованием горизонтально-направленного бурения, проколов, продавливания, микротоннелирования, при бестраншейной реконструкции без разрушения и с разрушением ветхого трубопровода);

– возможностям проведения ремонтных работ (в больших городах, как говорится, все под рукой – эксплуатационники всегда рядом и у них имеется, как правило, хорошая механическая база для проведения ремонтных работ, и, наоборот, в малых населенных пунктах, все растянуто в пространстве – сети длинные, эксплуатационники далеко, да и вряд ли у них все необходимое оборудование).

В дополнение к трубам из ВЧШГ завод «Свободный сокол» производит соединительные части (отводы, тройники, переходы, муфты и т. п.) также из ВЧШГ – литые [6] и на сварке [7] из фрагментов самих труб.

Рисунок 1. Раструбные соединения труб и соединительных частей из ВЧШГ, уплотняемые резиновыми манжетами а – не воспринимающие осевых нагрузок; б – воспринимающие осевое нагружение

Один из концов труб и соединительных частей, как правило, оснащен раструбом специальной конфигурации. Посредством раструбов трубы соединяются как между собой, так и c соединительными частями. При этом места соединений уплотняются специальными резиновыми манжетами. Причем указанные соединения в одном исполнении (рис.1а) не могут воспринимать осевого нагружения, а в другом (рис. 1б) – могут. Помимо указанных соединений, концы труб между собой и с соединительными частями могут свариваться [8] специальными электродами (рис. 2).

Рисунок 2. Сварное соединение труб и соединительных частей из ВЧШГ

К сожалению, в каких случаях следует использовать те или иные соединения нигде не прописано. За исключением того, что для присоединения к арматуре и к стальным (из других материалов) трубам имеются офланцованные соединительные части из ВЧШГ (рис. 3).

Рисунок 3. Фланец на соединительной части из ВЧШГ

За рубежом трубные изделия из ВЧШГ производятся более широкой номенклатуры [4, 5], которые различаются:

– по диаметрам (от 40 до 2600 мм);

– классам (7, 8, 9, 10, 11, 12 …);

– рабочим давлениям (от 1 до 6,4 МПа и даже больше, по специальному заказу [9]);

– кольцевой жесткости (от нескольких кПа до 1,5 десятков МПа);

– допустимой овализации поперечного сечения трубы под действием грунтовых и транспортных нагрузок (от 0,45 до 4 %).

Анализ показывает, что в трубах из ВЧШГ некоторых классо-размеров заложен огромный резерв несущей способности.

Это возможно благодаря тому, что толщина стенки труб определена по формуле, в которую введен показатель класса [4, 5]:

е = К (0,5 + 0,001 D_у),

где е – номинальная толщина стенки труб, мм;

К – коэффициент, используемый для указания класса толщины, принимается из ряда целых чисел: 7, 8, 9, 10, 11, 12...;

D_у – условный диаметр труб, мм.

Что классифицирует, применительно к напорным трубопроводам, показатель класса К нигде не обосновывается.

Минимальная толщина стенок труб, изготовленных центробежным литьем, и соединительных частей из ВЧШГ должна быть во всех случаях 6 мм.

Рисунок 4. Овализация кольцевого образца трубы из ВЧШГ при сжатии

Трубы производства ЛМЗ «Свободный сокол», которые можно отнестик классу 9 (табл. 1), имеют чрезмерный [10] для коммунальных трубопроводов запас прочности. К тому же трубы из ВЧШГ (рис. 4) ведут себя не как жесткие – из серого чугуна (можно сказать хрупкие), а как гибкие (рис. 5) – полимерные (можно сказать эластичные), которые в большинстве своем могут образовывать пластический шарнир (рис. 5б). Благодаря этому свойству полимерных труб, трубопроводы из них проектируются так, чтобы при эксплуатации они работали до полного исчерпания своей несущей способности. Наши предварительные расчеты показывают, что для реальных напорных трубопроводов, уложенных в различных грунтовых условиях, толщина стенки труб из ВЧШГ некоторых диаметров с точки зрения минимизации затрат [11] как на строительстве, так и при эксплуатации трубопроводов должны быть в несколько раз меньше во всех классах, чем установлено нормами по приведенной выше формуле.

Рисунок 5. Овализация кольцевого образца полимерной трубы при сжатии а – до 3 % от наружного диаметра; б – возникновения пластического шарнира

Это также убеждает в том, что назрела потребность в разработке нового экономического сортамента труб из ВЧШГ специально для коммунальных трубопроводов с тем, чтобы можно было полностью задействовать имеющийся у них прочностной резерв [12]. Исключением будут являться трубы малых диаметров, для которых толщина стенки назначается с учетом технологии их изготовления.

На первых порах трубы для нового сортамента можно будет выбрать из имеющихся классов (K = 7, 8, 9, 10, 11, 12…) с приблизительно одинаковыми значениями SDR, в противоположность современному подходу (табл. 1). И уже согласно этому экономическому сортаменту организовывать в России производство труб из ВЧШГ большего диаметра, чем производимые ЛМЗ «Свободный Сокол», вначале до 1000 мм, а затем, при необходимости, до 2600 мм.

СП 40–106–2002 позволяет грамотно использовать трубы из ВЧШГ только при новом строительстве и его требования распространяются всего лишь на траншейную прокладку трубопроводов. Вне его остаются коллекторная прокладка труб из ВЧШГ.

Нет никаких российских нормативов на проведение реконструкции ветхих трубопроводов трубами из ВЧШГ не только с использованием бестраншейных методов, но даже и традиционных технологий. В связи с этим срочно требуется рассмотреть вопросы и прокладки, и перекладки трубопроводов с использованием труб из ВЧШГ при производстве работ не только открытым способом, но и с использованием закрытых методов – ГНБ (горизонтально-направленного бурения), прокола, продавливания, микротоннелирования. При этом нельзя оставить без внимания вопросы технического надзора, испытания и сдачи трубопроводов в эксплуатацию, требования безопасности и охраны окружающей среды. Попытаться распространить использование труб из ВЧШГ также и на напорную канализацию.

Качественные и своевременные ответы на поставленные вопросы могут быть получены, естественно, при условии:

– быстрого сбора и анализа материалов теоретического и практического характера;

– тщательного проведения исследований, в том числе и для разработки методик расчета прочности труб из ВЧШГ с тем, чтобы можно было выбрать экономически обоснованные трубы из пока что имеющихся классо-размеров;

– обязательного учета особенностей устройства коммунальных трубопроводов в условиях различных территорий России;

– подготовки полного комплекта нормативных документов;

– непременной гармонизации их с международныминормами (не следует забывать о том, что Россия вступает в ближайшее время в ВТО).

Участие научно-технической общественности в получении ответов на поставленные вопросы будет достойным вкладом в реализацию решения Федерального собрания Российской Федерации.

Литература

1. СП 40–106–2002. Проектирование и монтаж подземных трубопроводов водоснабжения с использованием труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

2. ТУ 1461–037–50254094–2004. Трубы чугунные напорные высокопрочные.

3. Храменков С. В. Стратегия модернизации водопроводной сети. М., 2005.

4. ISO 2531. Трубы, фитинги, арматура и их соединения из чугуна с шаровидным графитом для водогазоснабжения.

5. EN 545. Трубы, соединительные части и принадлежности из чугуна с шаровидным графитом.

6. ТУ 1460–035–50254094–2000. Части соединительные литые из высокопрочного чугуна для напорных трубопроводов.

7. ТУ 1468–041–5025094–2001. Части соединительные сварные из высокопрочного чугуна для напорных трубопроводов.

8. ТИ 50254094–С–01–2004. Сварка и контроль трубопроводов теплоснабжения из высокопрочного чугуна.

9. Handbuch Gussrohrsysteme fur Trinkwasser. Buderus Guss GmbH Gussrohrtechnik RV. Wetzlar, Januar 2005.

10. Отставнов А. А., Алиференков А. Д., Примин О. Г., Орлов В. А., Харькин В. А. Оценка напорных трубопроводов из ВЧШГ с использованием математической модели системы «грунт – жесткая труба» // СОК. 2006. № 6.

11. Дмитриев А. Н., Отставнов А. А., Ионов В. С. К минимизации затрат на устройство и эксплуатацию внутренних напорных трубопроводов // Сантехника. 2005. № 3.

12. Камерштейн А. Г. Условия работы стальных трубопроводов и резервы их несущей способности. М., 1966.