О работоспособности в самотечных трубопроводах соединений полимерных труб на гладких раструбах

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»

Сегодня совершенно справедливо отмечается политиками, что темпы и объемы строительства в России возросли, на отдельных территориях в 1,5–2 раза. Предполагается не только сохранить достигнутое, но и еще улучшить результаты. Следует заметить, что строительство жилья активизируется не только в больших городах, но и на других территориях. Значительная часть строительно-монтажных работ при этом приходится на прокладку безнапорных трубопроводов, как внутренних, так и наружных. Естественно, что возрастающая протяженность трубопроводов дополнительно требует трубной продукции, особенно из новых (полимерных) материалов. Когда речь заходит о городском строительстве, то вполне очевидно, что полимерные трубные изделия можно сравнительно быстро доставлять во вполне подготовленном к применению виде. То есть такие трубные изделия оснащены соответствующими раструбами и укомплектованы уплотнительными кольцами. Другое дело отдаленные места, куда не всегда можно быстро доставить трубные изделия. Выходом здесь может служить создание собственного трубозаготовительного производства, на котором путем термомеханической обработки можно качественно и производительно оформлять на концах труб раструбы. Наиболее простыми для такого изготовления являются гладкие раструбы.

Для изготовления гладких раструбов требуется нагрев и дорнование конца полимерной трубы. Нагрев может производиться в жидкой (гликоль, глицерин и т. п.) или в воздушной среде, а также с использованием контактных и инфракрасных нагревателей.

Для дорнирования используются соответствующие оправки, размеры и форма которых определяются видом полимера (непластифицированный поливинилхлорид НПВХ, полиэтилен ПЭ либо полипропилен ПП) и раструба (обычный либо компенсационный).

Работоспособность и герметичность соединений на резиновых уплотнителях с гладкими раструбами [1], в отличие от соединений с резиновыми уплотнителями полимерных труб на раструбах с желобком [2], обеспечивается иначе.

В таких соединениях (рис. 1) защемленное между двумя параллельными поверхностями кольцо должно воспринимать действующее в трубопроводной сети внутреннее гидростатическое давление р.

Рис. 1. Соединение полимерных труб гладким раструбом и резиновым кольцом а – соединение; б – резиновое кольцо; 1 – гладкий раструб на одной трубе; 2 – резиновое кольцо; 3 – гладкий конец на другой трубе

Уплотнитель удерживается в раструбной щели соединения за счет сил трения – сцепления [3], возникающих между поверхностями труб и резиновым кольцом. Величина этих сил зависит [4] от уровня контактных давлений σε и коэффициента сцепления f_c. Связь σε с параметрами кольца круглого поперечного сечения имеет параболическую закономерность [5], при этом чем больше твердость резины, тем круче ветвь параболы (рис. 2).

Рисунок 2. Графики характеристик круглых колец из резин различной твердости

В общих случаях коэффициент трения – сцепления f_c в паре резина – полимер зависит от факторов, которые могут изменять его в пределах значений, отличающихся друг от друга на порядок и более. Значения f_c для данных условий работы соединений можно установить только экспериментально.

Эксперименты проводились на образцах соединений, которые были изготовлены специально из труб различного диаметра и из разных полимеров. По результатам экспериментов вычислялся коэффициент трения – сцепления:

(1)

где h – произведение среднего контактного напряжения на относительную площадь контакта:

,(2)

Относительная степень сжатия кольца:

(3)

где d_к – диаметр поперечного сечения кольца;

c – коэффициент, учитывающий растяжение кольца из-за разницы его внутреннего диаметра d_к и наружного диаметра трубы D.

Линейные размеры элементов соединения измеряли с соответствующей последующей обработкой [6]. Твердость резины определяли на кольцах твердомером ТМ-2 для каждого уплотнителя в пяти местах. Коэффициенты вариации, характеризующие показатели Т, для каждого кольца составляют <3,5% и для разных колец <6%.

Испытания соединений производили на гидравлическом стенде (рис. 3), состоящем из корпуса 2, на котором крепятся хомуты 3 и 6 для фиксации раструбного соединения.

Рисунок 3. Стенд конструкции «НИИ Мосстроя – СКБ – Мосстрой» для испытания соединений полимерных труб диаметром до 250 мм а – вид спереди; б – план; 1 – заглушка; 2 – корпус; 3 – подвижный хомут; 4 – струбцина; 5 – тяги; 6 – неподвижный хомут; 7 – манометр

Заглушка 1 позволяет нагружать соединение гидростатическим давлением (имитация давления стоков при засорении канализационного самотечного трубопровода). Гидростатическое давление замеряется манометром 7. Струбциной 4 производится сжатие гладкого конца (раструба), имитирующее укорочение вертикального диаметра труб, уложенных в грунте, до 10 %. Перемещение хомута 3 достигается поворотом одной из деталей соединения до 10° (моделирование поворота одной из труб в раструбе другой трубы). Тягами 5 осуществляется осевое смещение до 50 мм гладкого конца одной трубы в раструбе другой (имитация продольных температурных деформаций труб).

Коэффициент f_c, как следует из выражения (1), не зависит от диаметров труб и колец, что не противоречит условиям геометрического подобия. Однако при изменении размеров элементов соединений могут сказываться факторы, которые не учтены выражением (1). Проведена серия опытов на соединениях труб из ПВХ диаметром 160 и 250 мм. Использовались кольца (d_к = 10,1 и 15 мм) из резины НК 3311 (Т = 40 ± 3 ед.тв.). С надежностью вывода 0,95 (t = 0,97, что < 2) можно считать расхождения в средних величинах f_c = 0,3 и f_c = 0,28 при средних квадратических отклонениях S = 0,04 и 0,05 статистически незначимыми [6]. В процессе испытаний наблюдалось, что в момент разгерметизации происходит выброс кольца из раструбной щели соединения при некотором значении внутреннего давления р. В одних случаях уплотнитель может быть выброшен полностью, в других частично, аналогично тому, как выдавливается кольцо из раструбного соединения с желобком при больших углах поворота и давлениях [2]. Например, из 30 циклов испытаний одного соединения диаметром 110 мм (трубы ПВХ, d_к = 7,8 мм, кольцо из резины марки НК 3311) в 11 случаях кольцо выбрасывалось полностью. Это можно объяснить тем, что коэффициент f_c «распределен» в соединении по поверхности контакта неравномерно. Попытка установить численные значения неравномерности f_c не привела к положительным результатам. Расхождения в давлениях в различных случаях разгерметизации статистически незначимы (f_c и S занимают промежуточное значение между полученными для D = 160 и 250 мм и отличаются в третьих знаках).

С учетом этого, дальнейшие исследования проводились на соединениях труб одного типоразмера (диаметром 160 мм, с кольцами НК 3311, d_к=10,1 мм).

Как отмечается в некоторых работах, силы трения обратно пропорциональны модулям упругости E материалов трущейся пары. Для проверки этого положения для пары резина – полимер были проведены испытания соединений труб из ПВХ и ПЭ 32, имеющих наибольшее различие в показателях Е. С надежностью вывода 0,95 (t = 1,37, что < 2) можно считать расхождение в средних величинах f_c = 0,27 и 0,24 (S = 0,05) статистически незначимым и пользоваться одними значениями коэффициентов трения – сцепления при соединении труб из всех полимеров гладкими раструбами и резиновыми кольцами.

Температура стоков, оказывающая воздействие на трубы в подземной канализации, может меняться от 3 до 35 °С. В общих случаях температура оказывает влияние на силу трения. Проведены опыты при температуре 10 и 25 °С. Было установлено, что разница значений f_c = 0,29 (S = 0,05) и f_c = 0,28 (S = 0,04) статистически незначима (при надежности вывода 0,95, t = 0,51, что < 2). Для исследуемого интервала температур от 3 до 35 °С изменениями f_c, если они будут иметь место при монтаже и эксплуатации подземного трубопровода из любого полимера, можно пренебречь.

Серии опытов были направлены на получение зависимости коэффициента трения – сцепления f_c от длительности неподвижного контакта tt резинового кольца и полимерных поверхностей и от его сжатия ε между этими поверхностями в соединении (рис. 4).

Рисунок 4. Графики изменения коэффициента трения – сцепления fc пары «резина НК 3311 – полимер» в зависимости от времени неподвижного контакта t (а) и от степени сжатия ε (б)

Обработка опытных данных методом наименьших квадратов позволила получить эмпирические коэффициенты для аналитического выражения, преобразованного с заменой σ на ε по литературным данным для колец из резины НК 3311. Из чего вытекает, что

(4)

Полученное выражение хорошо описывает f_c до t = 50 ч. Изменение коэффициента в дальнейшем прекращается.

Это подтверждается сравнением на статистическую значимость результатов экспериментов (при разном времени экспозиции):

при t = 50ч f_c = 0,402 (S = 0,05, n = 10);

при t = 200ч f_c = 0,405 (S = 0,06, n = 10).

На основании выявленных закономерностей трения пары резина НК 3311 – полимер установлено, что давление разгерметизации соединений с гладкими раструбами

(5)

где А₂, К₁, К₂ — эмпирические коэффициенты.

График, интерпретирующий выражение (5) при t = 0,1 ч приводится на рис. 5 (кривая 1).

График позволяет установить степень сжатия кольца ε, обеспечивающую герметичность соединения в зависимости от давления p в трубопроводе. Так, при ε = 10 % давление разгерметизации будет в три раза превышать испытательное давление (5 м вод. ст.) для подземного самотечного трубопровода водоотводящей сети, при ε = 30 % – в девять раз.

Экспериментальные значения p для колец из резин других марок также приведены на рис. 5. Показатели колец, выпускаемых отечественной промышленностью серийно (ГОСТ 5228) для уплотнения соединений асбестоцементных труб, как видно из рис. 5, могут быть удовлетворительно описаны выражением (5). Это позволяет считать такие кольца пригодными и для уплотнения соединений полимерных труб.

Рисунок 5. Зависимости внутреннего давления разгерметизации р соединений полимерных труб с гладкими раструбами от степени сжатия колец из резин различных марок (обозначены цифрами). Теоретическая: I – НК 3311 (Т = 40 ед. тв.). Экспериментальные: 2 – то же; 3 – 2566 (44 ед. тв.); 4 – 2671 (47 ед. тв.); 5 – ГОСТ 5228 (55 ед. тв.); 6 – 6331 (66 ед. тв.)

В последней серии экспериментов были определены расчетные значения коэффициента сцепления для соединений полимерных труб для подземных трубопроводов самотечной канализации.

В зависимости от состояния поверхностей, типа и количества смазки трение по виду можно подразделить на сухое, граничное, жидкостное, полусухое и полужидкое. Для соединений, которые собираются путем закатывания кольца в раструб и затем эксплуатируются в канализационной сети, характерно полусухое и полужидкостное трение.

Опыты проводили на соединениях, детали которых при сборке обильно смачивались водой. Испытаниям подвергались соединения труб из ПЭ 32 SDR 13,6 диаметром 160 мм. По результатам испытаний 50 соединений принято значение f_c, равное 0,2, которое было использовано в расчетах. На каждом соединении проведено пять опытов.

Такой объем выборки принят с учетом относительной ошибки измерений и надежности, которые установлены на уровне 5 и 95 % (ГОСТ 14359), а также коэффициента вариации 18 % (максимальное значение при испытании полимеров на растяжение, например, при получении значений модуля упругости [7]).

Значение коэффициента сцепления f_c = 0,2 использовано при определении по специальной методике размеров элементов соединений (заводского изготовления) на резиновых кольцах с гладкими раструбами для полимерных труб.

Соединения с элементами заводского изготовления были испытаны на стенде с моделированием условий работы подземного канализационного самотечного трубопровода.

Было установлено, что соединения сохраняют герметичность под испытательным давлением: при углах поворота гладкого конца трубы в раструбе до 8°; при овализации гладкого конца трубы до 7 % от его наружного диаметра на границе с краем раструба; при одновременном повороте гладкого конца до 2° и его овализации до 5 %, а также при его выдвигании на 30 мм из раструба. В последнем случае герметичность сохраняется и при давлении 0,12 МПа.

Соединения проверены в натурных условиях. В различных грунтах на глубине от 1 до 5,5 м проложены десятки километров подземных самотечных канализационных трубопроводов из полимерных труб [8], которые эксплуатируются без нареканий со стороны эксплуатационников.

Контроль над состоянием полимерных трубопроводов осуществляется, начиная с 1972 года. Замечено, что при длительном неподвижном контакте кольца с полимерной трубой в условиях эксплуатации силы сцепления значительно увеличиваются за счет так называемого «прикипания» резины к термопласту. Однако этого не следует учитывать при определении размеров соединения, т. к. оно должно выполнять функции компенсатора и длительный неподвижный контакт кольца с полимерной трубой не предусматривается.

В заключение следует заметить, что рациональное использование подхода, освещенного в статье, должно позволить упростить прокладку самотечных трубопроводов с использованием полимерных труб и тем самым способствовать увеличению темпов и объемов строительства в России.

Литература

1. Отставнов А. А., Сладков А. В., Устюгов В. А., Устюгова О. В., Харькин В. А. О применении полимерных труб в московской самотечной канализации // Сантехника. 2006. № 2.

2. Отставнов А. А., Устюгов В. А., Харькин В. А. Технологическая взаимозаменяемость элементов соединений с резиновыми уплотнителями напорных труб из НПВХ // Сантехника. 2007. № 4.

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

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

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

6. Румшиский Л. 3. Математическая обработка результатов экспериментов. М., 1971.

7. Назаров Г. И., Сушкин В. В. Термостойкие пластмассы: Справочник. М., 1980.

8. Сладков А. В., Отставнов А. А. Подземная канализационная сеть из термопластовых труб // Передовой опыт в строительстве Москвы: Реф. сб. 1973. № 5.