О стандартизированных трубных изделиях из реактопластов, армированных стекловолокном

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

В. А. Харькин, канд. техн. наук, генеральный директор ООО «Прогресс», лауреат премии Правительства Российской Федерации

29 ноября 2011 года введен в действие ГОСТ Р 54560–2011 [1], в котором стандартизируются трубы и детали трубопроводов из реактопластов, армированных стекловолокном, для подземных сетей водоснабжения и водоотведения. Реактопласты, как трубные материалы, существенно отличаются от термопластов, также являющихся трубными материалами. Реактопласты – это материалы, которые при нагревании легко переходят в вязкотекучее состояние, а при продолжительном нагревании – в твердое нерастворимое состояние, после чего не могут больше размягчаться и перерабатываться. Термопласты способны размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, что позволяет выпускать из них трубные изделия с использованием термомеханической обработки, например: нагревать их концы и затем формовать на них раструбы, посредством которых в дальнейшем можно выполнять соединения с уплотнением резиновыми кольцами либо с склеиванием. Однако обоим полимерам, находящимся под действием растягивающих напряжений, свойственно со временем изменять свои прочностные свойства в сторону понижения. На основании опытных данных и использования температурно-временной суперпозиции нормируются (ГОСТ 52134–2003 [2]) прочностные параметры трубных изделий из термопластов на весьма продолжительное время (до 50 лет и более). Это позволяет создавать достаточно надежные и эффективные трубопроводы из термопластов (ПЭ, НПВХ, ПП и др.) на любой требуемый расчетный срок эксплуатации трубопроводов (и водоснабжения, и водоотведения), что подтверждается практикой. К сожалению, того же нельзя сказать о трубопроводах из реактопластов, армированных стекловолокном (ТРАСВ), ведь в ГОСТ Р 54560–2011 такое нормирование отсутствует. Что же предлагает этот ГОСТ?

В ГОСТ Р 54560–2011 стандартизируются номинальные (внутренние) диаметры труб из реактопластов, армированные стекловолокном (табл. 1).

В ГОСТ Р 54560–2011 стандартизируются свойства (табл. 2) материалов (на основе ненасыщенных полиэфирных и винилэфирных смол), из которых следует изготавливать трубы с кольцевыми жесткостями SN = 1250, 2500, 5000 и 10000 Па как напорные (на допустимые рабочие давления PN = 0,6; 1,0; 1,6; 2,0; 2,5 и 3,2 МПа), так и безнапорные (на допустимые рабочие давления PN = 0,1–0,4 МПа).

Нельзя согласиться с тем, что трубные изделия из реактопластов, армированные стекловолокном, рассчитанные на PN от 0,1 до 0,4 МПа, считаются в стандарте безнапорными. Ведь безнапорность, так же как и напорность, определяется режимами работы трубопроводов: при самотечном режиме трубопровод безнапорный, при напорном режиме трубопровод напорный. Для напорных трубопроводов выбираются трубы, соответствующие рабочему давлению в нем: это может быть 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4 МПа, а не только 0,6; 1,0; 1,6; 2,0; 2,5 и 3,2 МПа, как указано в стандарте для напорных труб. Для безнапорных (самотечных) трубопроводов выбираются трубы, которые затем в составе водоотводящего трубопровода испытываются на давление 4,0 м вод. ст. (0,04 МПа).

В ГОСТ Р 54560–2011 стандартизируется метод непрерывной намотки, посредством которого должны производиться трубы из реактопластов, армированных стекловолокном. Стандарт не распространяется на используемые как в нашей стране, так и в мире трубы и фасонные соединительные части (в оригинале фитинги), изготовливаемые методами непрерывной намотки с углами намотки стекловолоконных нитей и лент менее 90°, периодической намотки, центробежного формования [3].

В ГОСТ Р 54560–2011 стандартизируются муфты для соединения трубных изделий между собой, муфты должны изготовляться из муфтовых труб, предварительно произведенных методом непрерывной намотки с последующими обработкой торцов и фрезерованием внутри них канавок под центральный упор и/или только кольцевые уплотнители с размерами, зависящими от номинальных параметров DN и PN.

Внутренний диаметр муфт должен быть таким, чтобы посредством уплотнительных колец и центральных упоров из этиленпропиленового каучука (EPDM) с известными свойствами можно было бы соединять трубы между собой и с фасонными соединительными частями (в ГОСТе – фитингами) производительно и водонепроницаемо на весь срок эксплуатации трубопроводов из ТРАСВ (не менее 50 лет).

В ГОСТ Р 54560–2011 стандартизируются фитинги: отводы, тройники, переходы, фланцевые узлы (в ГОСТе – фланцы, фланцевые патрубки), которые следует делать из сегментных отрезков предварительно изготовленных труб методом ручного формования с использованием ламинирования (попеременного нанесения слоев полиэфирных смол и армирующих наполнителей). Тройники делают из отрезков предварительно изготовленных труб с использованием ламинирования или методами намотки. Отводы производят из трубных сегментов или путем намотки на оправку соответствующей конфигурации. Переходы изготовляют из отрезков труб разного диаметра, стыкуемых так, что образуется конусная часть, с использованием ламинирования. Фланцевые узлы производят из отрезков труб путем ручного формования на трубной части фланца присоединительных элементов фланца (фланцевого или упорного буртика) и последующего ламинирования.

Большинство геометрических параметров трубных изделий из реактопластов, армированных стекловолокном, должны указывать их производители с соблюдением установленных ГОСТом диаметров номинальных и обточенных концов, показателей рабочих давлений, кольцевых жесткостей и др. Известно, что работоспособность трубных конструкций из стеклопластиков при известном напряженно-деформированном состоянии (НДС) и заданной надежности определяется на основе деформационных и прочностных свойств конкретного материала, зависящего от времени [4]. К сожалению, в ГОСТ Р 54560–2011 деформационные показатели для реактопластов, армированных стекловолокном, в отличие от прочностных (см. табл. 2), не стандартизированы так, как это сделано для термопластов (относительное удлинение при растяжении).

В ГОСТ Р 54560–2011 стандартизированы виды дефектов, при наличии которых следует либо отбраковывать, либо ремонтировать трубные изделия (табл. 3). Там же для трубных изделий с дефектами стандартизирован способ их ремонта – ламинирование.

В ГОСТ Р 54560–2011, к сожалению, не стандартизированы расчетные формулы, которые следует использовать для определения толщин стенок труб из реактопластов, армированных стекловолокном, для устройства линейных участков трубопроводов и изготовления фасонных соединительных частей, отвечающих стандартизированным в ГОСТе значениям PN и SN, как это сделано, например, в ГОСТ Р 52134–2003 для трубных изделий из термопластов. Известно, что для этого могут быть использованы формулы английского математика Барлоу, венгерского ученого Надаи либо котельная формула. В них значения толщин стенок определяются с учетом размеров труб и прочности материала, из которого они изготовлены, так, чтобы они смогли выдержать расчетные внутренние давления:

формула Барлоу:

t = 0,5 PD/σ; (1)

формула Надаи:

t = 0,5 [PD (1 + 0,5P) /σ] /σ;  (2)

котельная формула:

t = 0,5Pd/σ; (3)

где P – расчетное внутреннее давление;
D, d – максимальные значения наружного и внутреннего диаметров трубы;
σ – прочность материала трубы.

Во всех формулах требуется учитывать прочность материала трубы.

В ГОСТ Р 54560–2011 не стандартизированы значения долговременной прочности, которые следует использовать при расчетах, как это сделано там же для трубных изделий из термопластов. В стандарте приводятся (см. табл. 2) пределы значений осевой и окружной прочностей, которые следует соблюдать при конструировании конкретных труб из реактопластов, армированных стекловолокном. Известно, что реактопласты, так же как и термопласты, с течением времени утрачивают первоначальные показатели прочности. Поэтому важно знать, каким показателям прочности реактопластов, армированных стекловолокном, соответствуют упомянутые пределы прочности, приведенные в стандарте, скорее всего, кратковременным σ_к. Этого явно недостаточно для того, чтобы выбирать трубы из реактопластов, армированных стекловолокном, с толщинами стенок, которые соответствуют стандартным значения PN и SN, но приняты с использованием кратковременной прочности для устройства реальных водопроводов и трубопроводов водоотведения. Для того чтобы при устройстве конкретных напорных трубопроводов, например работающих при внутреннем давлении 10 бар и расположенных в грунте на глубине 2,5 м, быть уверенным в том, что они будут эксплуатироваться надежно весь рекомендуемый срок (для водопроводов – 50 лет), необходимы трубы из реактопластов, армированных стекловолокном, толщины стенок которых определены с учетом долговременных прочностей σ_д. Таким образом, нужно дополнить стандарт с учетом вышеизложенных соображений.

Таблица 3 (подробнее) Возможные виды дефектов ТРАСВ (выборка из ГОСТ Р 54560–2011)

Аналогичное предложение будет справедливым и относительно значений модулей упругости (окружных, осевых и к тому же долговременных) реактопластов, армированных стекловолокном, из которых изготовлены трубы. Эти показатели будут использоваться при определения кольцевой SN и цилиндрической (SN/(1 – ν²)) жесткостей для назначения оптимальных факторов земляных работ при укладке труб в грунте и максимально допустимых пролетов между креплениями при их расположении на опорах.

В ГОСТ Р 54560–2011 не стандартизирован подход, согласно которому следует принимать прочности σ, а также модули упругости E реактопластов, армированных стекловолокном, если из них изготовлены трубы разных диаметров (DN ≠ const) с разными толщинами t ≠ const (при PN = const и SN = const либо SN ≠ const), одинаковыми или различными. Возникает вполне закономерный вопрос: можно ли использовать одни и те же значения σ для определения толщин стенок трубных изделий всего диапазона диаметров (от 300 до 3000 мм) для какого-либо одного внутреннего давления, а также E для определения расчетных значений кольцевых (цилиндрических) жесткостей труб всего диапазона диаметров? Применительно к экспериментальному определению кольцевых жесткостей труб вопрос формулируется таким образом: следует ли определять значения SN на каждом диаметре труб (во всем их диапазоне 20 позиций от 300 до 3000 мм, см. табл. 1) или будет достаточно испытывать образцы труб одного диаметра? И еще вопрос: какой именно из диаметров должен быть? С этой особенностью можно связать следующее требование: каждый производитель трубных изделий из реактопластов, армированных стекловолокном, должен иметь свой собственный норматив, например стандарт организации (СТО), корреспондирующийся с ГОСТом. При этом видится, что в СТО конкретного производителя труб из каких-то реактопластов, армированных каким-то стек-ловолокном, должны присутствовать разделы, относящиеся ко всем этапам их жизненного цикла (производство трубных изделий – проектирование подземных водопроводов (канализации) – монтаж трубопроводов водоснабжения (водоотведения) – эксплуатация водопроводных (водоотводящих) сетей – ремонт трубопроводов – утилизация трубных изделий).

В заключение следует отметить, что, как показало рассмотрение стандартизированных трубных изделий из реактопластов, армированных стекловолокном, для их внедрения в практику требуется срочная корректировка ГОСТ Р 54560–2011, чтобы приступить к разработке общегосударственного норматива по проектированию и монтажу из них подземных трубопроводов водоснабжения и канализации. При этом следует предварительно установить, насколько применимы для стандартизированных в ГОСТ Р 54560–2011 трубных изделий своды правил, которые были разработаны еще в начале 2000-х годов ГУП «НИИМосстрой» совместно с другими организациями и которые дали возможность устраивать подземные водопроводы [5] и трубопроводы канализации [6] из стеклопластиковых труб. Особенности указанных документов в свете ГОСТ Р 54560–2011 предполагается рассмотреть в следующих публикациях.

Литература

1. ГОСТ Р 54560–2011. Трубы и детали трубопроводов из реактопластов, армированных стекловолокном. Технические условия.
2. ГОСТ Р 52134–2003. Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия.
3. Производство стеклопластиковых труб HOBAS CC-GRP. URL: newchemistry.ru›printletter.php?n_id=5480.
4. Обухов А.С. Проектирование химического оборудования из стеклопластиков и пластмасс.
   М. : Машиностроение, 1995.
5. СП 40–104–2001. Проектирование и монтаж подземных трубопроводов водоснабжения из стеклопластиковых труб / А.В. Сладков, А. А. Отставнов, Б.П. Муленков и др.
6. СП 40–105–2001. Проектирование и монтаж подземных трубопроводов канализации из стеклопластиковых труб / А.В. Сладков, А. А. Отставнов, Б.П. Муленков и др.