Технологическая взаимозаменяемость элементов соединений с резиновыми уплотнителями напорных труб из НПВХ

А. А. Отставнов, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой»

В. А. Устюгов, канд. техн. наук, директор ГУП «НИИ Мосстрой»

В. А. Харькин, канд. техн. наук, директор ООО «Прогресс»

 

Трубы из НПВХ (непластифицированного поливинилхлорида) в мировом трубопроводостроении находят сегодня самое массовое применение: около 60 % – в Европе и 65 % – в США [1] от общего объема используемых полимерных труб. В России трубы из НПВХ 100 и НПВХ 125 производятся, естественно, не в таком соотношении (табл. 1).

Таблица 1 Сортамент труб НПВХ 100 и НПВХ 125 (выборки из ГОСТ Р 51613 «Трубы напорные из непластифицированного поливинилхлорида. Технические условия» и из ТУ 2248-056-72311668 «Трубы напорные из непластифицированного поливинилхлорида диаметром 400 мм и 500 мм»)

Средний наружный диаметр, мм SDR 41 S 20 SDR 33 S 16 SDR 26 S 12,5 SDR 21 S 10 SDR 17 S 8 SDR 13,6 S 6,3 НПВХ 125 MOP 0,63 MOP 0,8 MOP 1,0 MOP 1,25 MOP 1,6 MOP 2,0 НПВХ 100 MOP 0,5 MOP 0,63 MOP 0,8 MOP 1,0 MOP 1,25 MOP 1,6 Толщина стенки, мм ном. пред. откл. ном. пред. откл. ном. пред. откл. ном. пред. откл. ном. пред. откл. ном. пред. откл. ном. пред. откл. 110 +0,4 2,7 +0,5 3,4 +0,6 4,2 +0,7 5,3 +0,8 6,6 +0,9 8,1 +1,1 125 +0,4 3,1 +0,6 3,9 +0,6 4,8 +0,7 6,0 +0,8 7,4 +1,0 9,2 +1,2 140 +0,5 3,5 +0,6 4,3 +0,7 5,4 +0,8 6,7 +0,9 8,3 +1,1 10,3 +1,3 160 +0,5 4,0 +0,7 4,9 +0,7 6,2 +0,9 7,7 +1,0 9,5 +1,2 11,8 +1,4 180 +0,6 4,4 +0,7 5,5 +0,8 6,9 +0,9 8,6 +1,1 10,7 +1,3 13,3 +1,6 200 +0,6 4,9 +0,7 6,2 +0,9 7,7 +1,0 9,6 +1,2 11,9 +1,4 14,7 +1,7 225 +0,7 5,5 +0,8 6,9 +0,9 8,6 +1,1 10,8 +1,3 13,4 +1,6 16,6 +1,9 250 +0,8 6,2 +0,9 7,7 +1,0 9,6 +1,2 11,9 +1,4 14,8 +1,7 18,4 +2,1 280 +0,9 6,9 +0,9 8,6 +1,1 10,7 +1,3 13,4 +1,6 16,6 +1,9 20,6 +2,3 315 +1,0 7,7 +1,0 9,7 +1,2 12,1 +1,5 15,0 +1,8 18,7 +2,1 23,2 +2,6 400 + 1,2 9,8 + 1,2 12,3 + 1,5 15,3 + 1,8 19,1 + 2,2 – – – – 500 + 1,5 12,3 + 1,5 15,3 + 1,8 19,1 + 2,2 23,9 + 2,6 – – – –

Непластифицированный поливинилхлорид – порошкообразный продукт белого цвета, типично аморфный (кристалличность не превышает 5 %) термопласт [2], получаемый из хлористого винила и не содержащий пластификаторов, облегчающих переработку; в структурном звене НПВХ наряду с тремя радикалами водорода имеется один радикал хлора. Сортамент труб из НПВХ 100 и НПВХ 125 построен с учетом следующих положений.

1. Средний наружный диаметр d_cp, мм: частное от деления наружного периметра трубы, измеренного в любом поперечном сечении, на значение p = 3,142, округленное в большую сторону до 0,1 мм.

2. Номинальный наружный диаметр d, мм: условное обозначение размера, соответствующее минимальному среднему наружному диаметру.

3. Номинальная толщина стенки e, мм: условное обозначение размера, соответствующее минимальной допустимой толщине стенки трубы, рассчитываемой по следующей формуле и округляемой до 0,1 мм в большую сторону:

(1)

где d – номинальный наружный диаметр трубы, мм; S – серия трубы.

4. Серия труб S – нормированное значение, определяемое по формуле

(2)

где s – допускаемое напряжение в стенке трубы, равное MRC/C, Мпа;

MRC – минимальная длительная прочность, Мпа;

C – коэффициент запаса прочности;

МОР – максимальное рабочее давление в трубопроводе, Мпа.

5. Минимальная длительная прочность MRC, Мпа: напряжение, определяющее свойство непластифицированного поливинилхлорида (табл. 2), применяемого для изготовления труб, полученное путем экстраполяции на срок службы 50 лет при температуре 20 °С данных испытаний труб на стойкость к внутреннему гидростатическому давлению с нижним доверительным интервалом 97,5 % и округленное до ближайшего нижнего значения ряда R10 по ГОСТ 8032. Для труб из ПВХ MRC = 25 Мпа.

Таблица 2 Показатели свойств трубного НПВХ

Наименование показателя Величина Предел текучести при растяжении, МПа, ≥ 49 Модуль упругости при растяжении, МПа, ≈ 3000 Относительное удлинение при разрыве, %, ≥ 25 Коэффициент линейного расширения, 105 1/°C, ≈ 8

6. Коэффициент запаса прочности С: коэффициент, который выбирают при проектировании водопроводов равным 2,5, что соответствует напряжению в стенке трубы s = 10 МПа (НПВХ 100), и равным 2,0, что соответствует напряжению в стенке трубы s = 12,5 МПа (НПВХ 125).

7. Стандартное размерное отношение SDR: отношение номинального наружного диаметра трубы d к номинальной толщине стенки e.

Работоспособность раструбных соединений с резиновыми уплотнителями определяется в основном размерами входящих в него элементов: гладких концов одних труб, раструбов других и резиновых колец (рис. 3).

Рисунок 1. Резиновое уплотнительное кольцо для раструбных соединений

Рисунок 2 (подробнее)   Раструб с желобком для соединения труб из НПВХ с использованием уплотнительного кольца а – длина фаски; d – номинальный наружный диаметр трубы; d1 – внутренний диаметр раструба; d2 – внутренний диаметр раструба в зоне установки уплотнительного кольца; e – номинальная толщина стенки трубы; е1 – толщина стенки раструба; l – длина раструба; l1 –длина раструба до желобка под уплотнительное кольцо; a – угол фаски

Рисунок 3 (подробнее)   Соединение труб из НПВХ 1 – гладкий конец одной трубы; 2 – резиновое уплотнительное кольцо; 3 – раструб с желобком на другой трубе; 4 – тело трубы; 5 – фаска

Для получения качественных соединений должны использоваться резиновые кольца с гладкой, без трещин, пузырей, посторонних включений и др. дефектов, поверхностью. Облой от разъема пресс-формы должен быть удален без повреждения поверхности кольца. В местах снятия облоя допускаются следы зашлифовки. На рабочей поверхности колец не допускаются: выступы и углубления размером более 1 мм, диаметром более 3 мм в количестве более трех на кольцо; отклонения от геометрической формы сечения кольца (смещение от плоскости разъема пресс-форм, овальность и др.) более 1 мм.

Таблица 3 Размеры резиновых колец

Трубы из ПВХ Кольцо наружный диаметр D, мм наружный диаметр D4, мм высота h, мм ширина а, мм 110 139–2 13±0,4 23±0,5 140 172–2 14±0,4 25±0,5 160 195–2,6 15±0,4 27±0,5 225 267–3,2 17±0,4 32+0,8 280 330–4 20±0,5 36±0,8 315 368–4 21±0,5 39±0,8

При массовом строительстве подземных трубопроводов с этим также связывается технологическая взаимозаменяемость [3] элементов раструбных соединений по геометрическим размерам, что позволит качественно соединять трубы из НПВХ натяжными приспособлениями [4] при минимальной затрате времени в любом их сочетании. Это требует полного исключения предварительного подбора элементов соединений непосредственно на строительном объекте.

Критерием работоспособности и технологической взаимозаменяемости будет служить водонепроницаемость частей трубопровода в течение всего срока эксплуатации, в частности раструбных соединений с резиновыми уплотнителями.

Водонепроницаемость раструбных соединений с резиновыми уплотнителями обеспечивается за счет радиального сжатия резинового кольца между поверхностями гладкого конца одной трубы и желобка другой [5]. Уплотнитель жестко ограничен со всех сторон. Значительные его смещения исключены. Резина уплотнительного кольца, находясь в замкнутом объеме, передает действующее на нее давление во всех направлениях в соответствии с закономерностями, учитываемыми фактором формы резинового уплотнителя [6]. Суммарные напряжения на контакте уплотнителя с гладким концом трубы, обеспечивающие водонепроницаемость соединения, будут складываться из напряжений s_e, создаваемых за счет сжатия кольца при сборке, и напряжений s_p, возникающих при действии на кольцо имеющегося в трубопроводной системе гидравлического давления p.

Для установления связи между s_e и степенью сжатия e с целью проверки работоспособности раструбных соединений с желобком, было произведено соответствующее преобразование уравнения Бартенева – Хазановича. Так, кратность деформации, показывающая отношение высоты резинового кольца, находящегося в сжатом состоянии, к его высоте в свободном состоянии была заменена на относительную степень сжатия e уплотнителя. Высокоэластический статический модуль резины был заменен на ее твердость Т с использованием данных [7]. В результате было

установлено, что

(3)

где A1, m₁, m₂ – эмпирические коэффициенты.

Как видно из выражения (3), контактные напряжения, обеспечивающие в первую очередь водонепроницаемость раструбного соединения, будут определяться в основном степенью сжатия e и твердостью Т резины уплотнительного кольца.

Твердость Т уплотнителей из резины марки ИРП-1365, которые используются в таких соединениях, составляет 50±5 ед. тв.

Степень сжатия e кольца в каждом соединении зависит от геометрических размеров уплотнителя, желобка и гладкого конца трубы, а также от их расположения относительно друг друга. Расположение элементов в любом соединении изменяется в зависимости от угла взаимного поворота соединенных труб и осадки Da одной из них по отношению к другой.

С учетом этого были проведены расчеты с использованием нормативных размеров элементов соединений труб из НПВХ. Они показали, что для любых сочетаний элементов при некоторых значениях угла поворота и осадки может произойти такое их расположение, при котором локальная степень сжатия кольца в соединении будет равняться нулю. Напряжения в таких случаях будут также равняться нулю.

Установить путем вычислений допустимые значения b и Da для различных сочетаний размеров элементов соединений не представляется возможным.

Таблица 4 Размеры раструбов с желобками для соединения труб из НПВХ с использованием уплотнительного кольца (выборка из ГОСТ 513 Р)

Номиналь- ный на- ружный диаметр, мм Размеры раструба, мм d1 d2 e1, не менее, для труб с SDR/S l1, ≥ l* a, ≥ ном. пред. откл. ном. пред. откл. 41/20 33/16 26/ 12,5 21/10 17/8 13,6/ 6,3 110 110,8 +0,9 132,5 +0,9 — 3,7 4,6 5,8 7,3 8,9 17 116,0 10 125 125,9 +0,9 148,4 +0,9 — 4,3 5,3 6,6 8,1 10,1 19 121,5 11 140 140,9 +1,0 164,2 +1,0 3,9 4,7 5,9 7,4 9,1 11,3 20 127,0 12 160 161,0 +1,1 186,0 +1,0 4,4 5,4 6,8 8,5 10,5 13,0 22 134,5 14 180 181,1 +1,1 208,3 +1,1 4,8 6,1 7,6 9,5 11,8 14,6 23 140,5 16 200 201,2 +1,1 228,9 +1,1 5,4 6,8 8,5 10,6 13,1 16,2 25 146,5 18 225 226,4 +1,1 254,5 +1,2 6,1 7,6 9,5 11,9 14,7 18,3 27 154,0 20 250 251,5 +1,3 281,9 +1,3 6,8 8,5 10,6 13,1 16,3 20,2 29 162,2 22 280 281,6 +1,4 314,7 +1,4 7,6 9,5 11,8 14,7 18,3 22,7 32 172,0 24 315 316,8 +1,5 351,3 +1,6 8,5 10,7 13,3 16,5 20,6 25,5 35 184,0 26

Водонепроницаемость при s_e = 0 может еще сохраняться в виду неравенства нулю суммарных напряжений на контакте кольца с поверхностями гладкого конца трубы и желобка из-за действия s_р.

Закономерности действия контактных напряжений от внутреннего давления в раструбных соединениях с желобком (для полимерных труб) до сих пор еще не изучены. Допустимые величины углов поворота и осадки элементов раструбных соединений труб из НПВХ на резиновых кольцах с желобком можно установить только опытным путем.

Испытания соединений с элементами, отобранными по 15 шт. из партий труб из НПВХ диаметром 110 и 160 мм с использованием таблиц случайных чисел, только на действие внутреннего давления показали, что все они обеспечивают водонепрони-цаемость. Давление до 1,6 МПа создавалось гидропрессом, контролировалось по манометру и поддерживалось в течение одних суток.

Известно, что закономерности механизма герметизации раструбных соединений на резиновых уплотнителях с желобком подчиняются условиям геометрического подобия. В этой связи экспериментальные исследования проводились в дальнейшем на образцах соединений труб одного номинального диаметра 160 мм.

Опыты проводили на гидравлическом стенде [8], позволяющем моделировать поворот элементов соединений и их осадку относительно друг друга.

Величину смещения деталей замеряли индикаторами. Испытывали соединения заводского изготовления. Метрологические исследования, проведенные на деталях 100 соединений, показали, что размеры реальных соединений отличаются от нормативных.

Величины параметров (табл. 5), которые определяют водонепроницаемость соединений, приняты для доверительной вероятности 0,95 в границах 95 %-ного доверительного интервала. Расчет с учетом литературных данных по резиновым уплотнителям, в соответствии с принятой схемой (рис. 4), показал, что поворот деталей без осадки на угол до 6° не должен привести соединение к разгерметизации.

Рисунок 4. Схемы изменения расположения элементов раструбного соединения на резиновом уплотнителе с желобком труб из ПВХ при взаимном повороте гладкого конца одной трубы и раструба другой

Таблица 5 Характеристики раструбных соединений на резиновых кольцах с желобком для труб из НПВХ диаметром 160 мм

Наименование параметров и свойств По нормам Данные метрологических исследований ном. интервал Ширина раструбной щели, мм 0,5 0,5–1,05 0,124–1,58 Высота желобка, мм 13 13–13,5 13,304–14,37 Абсолютное сжатие кольца, мм 3,3 2,6–3,3 1,34–3,2 Относительная степень сжатия кольца, % 20,6 16,65–20,6 8,34–20 Твердость резины кольца, ед. тв 50 45–55 48,64–51,4

В опытах с моделированием поворота деталей в соединениях было замечено, что одновременная деформация раструба и гладкого конца трубы практически не сказывается на водонепроницаемости соединения. Значительная часть испытаний в этой связи проводилась на соединениях деталей из чугуна и ПВХ. При сжатии соединений металлические детали не деформируются, т. к. прилагаемые усилия не достаточны для их сжатия. Испытания соединений (табл. 6) подтвердили результаты расчетов.

Таблица 6 Параметры экспериментальных раструбных соединений труб из НПВХ

Наименование Эксперименты1 I II III IV Наружный диаметр гладкого конца, мм 159,822 159,82 160,023 159,82 Внутренний диаметр раструба, мм 161,723 161,723 162,462 161,52 Внутренний диаметр желобка, мм 188,123 188,123 185,62 1872 Высота резинового кольца, мм 14,524 14,955 14,54 14,624 Ширина раструбной щели, мм 0,95 0,95 1,22 1,47 Высота желобка, мм 14,15 14,15 12,8 14,09 Абсолютное сжатие кольца, мм 1,52 2,0 2,9 1,69 Относительная степень сжатия кольца, % 9,7 13,4 18,5 10,7

1 В каждом эксперименте проводилось по 5 опытов. 2 Детали из ПВХ. 3 Чугунные детали. 4 Кольца из резины ИРП-1365. 5 Резиновые кольца зарубежного производства.

При повернутых на больший угол деталях водонепроницаемость нарушается только при малых давлениях (до 0,6 кгс/см²). При этих углах поворота локальная степень сжатия кольца в соединении становится равной нулю. При таком давлении резиновый уплотнитель не смещается и не обеспечивает перекрытие увеличенной раструбной щели.

При больших давлениях срабатывает эффект самоуплотнения и соединение остается водонепроницаемым при углах поворота до 15°.

С увеличением b кольцо выдавливается из раструбной щели, и в этом месте образуется течь. При значительном снижении давления кольцо под действием упругих сил растянутой резины втягивается в желобок. После уменьшения угла поворота соединение можно нагружать до 1,6 МПа, оно будет герметичным.

В экспериментах, моделирующих осадку деталей соединения относительно друг друга, величины параметров, сопровождающих ее, вычислялись по нормативным данным и по результатам метрологических исследований в соответствии со схемой (рис. 5).

Рисунок 5 (подробнее)   Схемы изменения расположения элементов соединения на раструбах с желобком и резиновых уплотнителях труб из НПВХ при взаимной осадке гладкого конца одной трубы и раструба другой а – расположение резинового кольца в верхней части соединения; б – расположение гладкого конца одной трубы в раструбе другой трубы

Былиопределены значения осадки, при которых для любого сочетания элементов в соединениях отжим кольца будет сопровождаться локальной степенью сжатия последнего, равной нулю и «меньше». Такие соединения должны были бы быть водопроницаемыми.

Однако это происходит не всегда. Объяснение этого явления заключается не только в эффекте самоуплотнения. Резиновый уплотнитель при осадке гладкого конца в соединении вдавливается в желобок на одной половине раструба, и его масса частично «перетекает» в отжатую часть желобка, что ранее не учитывалось при расчетах. Замечено, что в тех соединениях, в которых для снижения трения смазывались гладкий конец и кольцо, а также желобок изнутри, эффект самоуплотнения наступает при более низких давлениях (p ≈ 0,04 МПа). Следует отметить, что замеры проводились в сечении трубы из НПВХ, находящемся под штампом (рис. 6), т. е. вне раструба.

Рисунок 6. Расположение на стенде штампа (справа) для выполнения взаимной осадки элементов раструбного на резиновом уплотнителе соединения труб из НПВХ диаметром 160 мм и измерителя (слева).

Отжим гладкого конца в раструбе, непосредственно под резиновым уплотнителем, был меньшим, чем принято в расчетах. С учетом этого можно предположить, что допустимая осадка будет больше расчетной.

Опыты показали, что при осадке без поворота элементов на величину 2a + 0,03D водонепроницаемость соединений сохраняется. При больших значениях осадки дают течь только те соединения, в которых не может быть использован эффект самоуплотнения. Установлено, что наиболее опасным для соединений является при одновременно действующих повороте и осадке совпадение их по направлению. Одновременные поворот деталей на 3° и осадка одной из них по отношению к другой на a + 0,03D в одном и том же направлении не приводят к водопроницаемости соединения.

Сказанное выше можно отнести и к соединениям, в которых осадка такая же, а поворот деталей в направлении, перпендикулярном к осадке, равен 4,5°. При испытаниях было отмечено, что повышение давления может привести к восстановлению герметичности в таком соединении, в котором течь в виде струйки не превышает интенсивности 0,001 л/с.

Поэтому контрольные и приемочные испытания напорных трубопроводов из труб из НПВХ с соединениями на раструбах с желобком и резиновыми уплотнителями следует проводить не только при полуторакратном рабочем давлении, как принято в различных нормативах, но и при низких напорах.

Литература

1. Гориловский М. И. Перспективы развития рынка полиэтиленовых труб в России. В каком состояниинаши трубопроводы? //

Полимерные трубы. № 1. 2003.

2. Ромейко В. С., Отставнов А. А., Устюгов В. А. и др. Трубы и детали трубопроводов. Проектирование трубопроводов // Справочные материалы. Пластмассовые трубы в строительстве. Ч. 1. М., 1997.

3. Дунин-Барковский И. В. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М., 1975.

4. Отставнов А. А. Температурные деформации подземных трубопроводов из термопластов // Сб. трудов НИИ Мосстроя «Технология строительства нулевого цикла инженерных сооружений». М., 1979.

5. Аврущенко Б. X. Резиновые уплотнители. Л., 1978.

6. Губий И. Г. Исследование раструбных соединений чугунных напорных труб на резиновых уплотнителях: канд. диссертация. М., 1972.

7. Timm Т. Н. Elastomere fur Massivdichtungen in Trink-und Abwasserleitungen. Betonsteinzeitungen. Hannower. Heft 2, 1967, s. 64–70.

8. Отставнов А. А. Эффективность и качество внешних систем водоснабжения и канализации из поливинилхлоридных труб // Рефер. сб. «Передовой опыт в строительстве Москвы». Вып. 6. М., 1980.