Расчет систем трубопроводов из полиэтиленовых труб

ПОЛИЭТИЛЕНОВЫЕ И ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫЕ ТРУБЫ НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ ЯВЛЯЮТСЯ САМЫМИ ДОСТУПНЫМИ И ПОПУЛЯРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ДЛЯ ПРОКЛАДКИ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И КАНАЛИЗАЦИИ, УСТРОЙСТВА ТРУБОПРОВОДОВ ГОРЯЧЕГО И ХОЛОДНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ. ПРОФЕССИОНАЛЬНО ВЫПОЛНЕННЫЙ МОНТАЖ ПЭ ТРУБ ОБЕСПЕЧИВАЕТ НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ, ПОСТРОЕННЫХ НА ИХ ОСНОВЕ. СЕГОДНЯ МЫ РАССМОТРИМ, КАК СЛЕДУЕТ РАССЧИТЫВАТЬ, УКЛАДЫВАТЬ ТРУБОПРОВОД ДЛЯ ВОДЫ, А ТАКЖЕ РАССКАЖЕМ О ТЕХНОЛОГИЯХ РАБОТЫ С ПЭ ТРУБАМИ, УКЛАДКЕ И МОНТАЖЕ ТРУБОПРОВОДА.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Для расчета номограммы водяного потока используется формула Коулбрука-Уайта:

 

где: – расход воды, м³/сек;

Di – внутренний диаметр трубы, м;

I – удельные потери напора на трение,

м/м (безразмерная величина);

k – коэффициент шероховатости,

м (k = 0,00001 м при диаметре труб 220 мм и менее и k = 0,00005 м при диаметре 200 мм и более).

Отметим, что у кривых проставлены типоразмеры, т.е. наружные диаметры труб, хотя расчеты выполнены в соответствии с внутренним диаметром. Это позволяет устанавливать значения пропускной способности труб непосредственно, без интерполяции графиков.

По номограммам определяются потери на трение в самих трубах. А вот потери напора, вызываемые местными сопротивлениями (отводами, вентилями, переходами, тройниками, впускными и выпускными кранами и т.д.) здесь не учтены. Ведь при проектировании большинства систем подачи воды потери по каждому отдельному месту сопротивления не подсчитывают.

Однако в тех случаях, когда подсчет потерь по каждому местному сопротивлению все же желателен, например при проектировании систем с большой скоростью течения воды, можно воспользоваться следующей формулой:

 

где: ΔН – потери напора, м;

коэффициент местного сопротивления (безразмерная величина);

скорость, м/с;

g – ускорение силы тяжести, 9,81 м/с²

РАСЧЕТ ВОДОПРОВОДА

Приведенный ниже расчет выполнен согласно требованиям практического руководства Датской инженерной ассоциации (ДИА) по водопроводам. Пример основан на следующих исходных данных (рис. 1)

 

- давление в пункте А равно 3,5 бар (35 м вод. ст.);

- для сооружения водопровода применяются трубы класса PN 10 из PE 80;

- максимальное суточное потребление (Q_max) составляет 400 л/сут/чел;

- максимальное часовое потребление равно 2,5×Q_max;

- необходимое давление у потребителя равно 2 бар (20 м вод. ст.);

- состав каждой семьи – 4 чел.

Таким образом, получаем водопотребление в расчете на один дом: 400 л/сут/чел · 2,5 · 4 чел/24 час = 167 л/час (0,046 л/сек). Расход воды на каждом участке водопровода составит: А–В: (10+15+8) домов · 0,0046 л/сек = 1,52 л/сек.

Зная этот показатель, можем рассчитать и потери на трение как на каждом участке, так и во всей системе. Потери напора на трение определяются по номограмме водяного потока для напорных труб (по условиям – класс PN 10 из материала PE 80). Чтобы определить с использованием номограммы потери напора на трение для рассматриваемого примера, воспользуемся таблицей 1.

При указанных в таблице 1 типоразмерах труб давление у потребителей в пункте D составит:

35 м вод. ст. – 13 м вод. ст. = 22 м вод. ст. > 20 м вод. ст., т.е. требуемое условие выполнено.

 

 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР

Важный аспект, который необходимо учесть при расчете трубопроводов, – фактор гидравлического удара – энергии, выделяемой при резкой остановке потока жидкости. При каждом изменении скорости течения в трубопроводе создается волна давления. Изменения давления могут оказаться настолько большими, что произойдет гидравлический удар. Он может возникнуть, например, при резком закрытии или открытии запорной арматуры, вследствие резкого отключения питания насосов или внезапного засорения системы. Если это происходит на одном конце трубопровода, то волны давления будут отражаться от другого его конца, что может привести к повреждениям, в особенности если та часть трубопровода, в котором происходят эти процессы, полностью перекрыта и отсутствует возможность сброса повышенного давления. А ведь при гидравлическом ударе возникает колебательный процесс чередования резкого повышения и понижения давления (в 10 и даже в 100 раз). Это крайне опасно, поскольку может вызвать разрыв труб.

В технической литературе о гидравлическом ударе приводятся подробные указания по методам расчета, но они довольно сложные. Сегодня уже разработаны программы с базами данных, позволяющие решить самые сложные задачи. В них включены сведения о специальных характеристиках насосов, гидростатическом напоре, закрывании вентилей, воздушных колпаках, различные расчеты продольного профиля. В результате определяется риск изменения давления, скорости течения, частоты колебаний, объемы воздушных колпаков, а также изменения давления водопровода по длине трубопровода в функции времени.

Быстрое заполнение напорного трубопровода с изменением объема замкнутых воздушных масс также может привести к резкому повышению давления. Поэтому важно предусмотреть в конструкции трубопроводов возможность выпуска воздуха и жидкости, а скорость заполнения не должна быть большой.

Скорость распространения волны давления зависит от материала, из которого изготовлены трубы, от толщины их стенок и от транспортируемой по трубам жидкости. В таблице 2 приведены значения скорости распространения волны давления (а, м/с) для труб, транспортирующих воду (в т.ч. и сточные воды).

 

ИСПЫТАНИЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Данная операция должна быть включена в проект с соблюдением ряда условий:

- необходимо, чтобы продольный профиль имел небольшой подъем для обеспечения удаления воздуха;

- для всех самых высоких точек должны быть предусмотрены ручные или автоматические воздухоспускные устройства (размещение – немного ниже по течению самой высокой точки);

- порядок запуска обязан быть таким, чтобы в случае необходимости испытания под давлением его можно было бы выполнить поэтапно;

- место заполнения водой должно быть предусмотрено в самой нижней точке, а места выпуска воздуха (вентиляции) – в начале и в конце линии;

- перед проведением испытания изделия, изготовленные из жестких пластиков, следует закрепить (заанкерить);

- требования заказчика к испытанию должны быть четко изложены в описании проекта (подрядчик имеет право принять необходимые меры перед проведением испытания).

Только после выполнения данных условий можно приступать к испытаниям.

Сама процедура испытания под давлением также требует выполнения ряда условий:

- все концы системы должны быть оборудованы концевыми раструбными либо фланцевыми заглушками. На заглушку устанавливают отвод 90 º, шаровой кран и устойчивый к растягивающим нагрузкам штуцер с внутренним диаметром 32 мм для подключения ПЭ-трубы типоразмера 32 мм;

- концевые заглушки должны быть заанкерены;

- систему следует заполнить водой как минимум за 24 ч до начала испытаний. Необходимо убедиться в том, что из системы полностью удален воздух; в течение первых 6 ч давление в системе должно составлять 1,3 номинального давления, что имеет важное значение для получения хороших результатов (проведение этой части необходимо подтверждать документально);

- на испытательной площадке обеспечивается возможность подачи воды.

Во время испытаний давлением:

- измеряют фактическое давление, при необходимости добавляют воду;

- в системе создают давление, равное 1,3 номинального значения (испытательное давление), которое выдерживается в течение 2 ч (при этом допускается пополнение системы водой);

- в течение следующих 60 мин добавлять воду нельзя;

- после 60-минутной выдержки измеряют давление и добавляют воду, чтобы достичь испытательного давления (1,3 номинального значения);

- падение давления и количество добавленной воды не должны превышать предельных значений:

а) максимальное допускаемое падение давления – 2 % от начального значения;

б) максимальное допускаемое количество добавленной воды (в литрах на 1 м трубопровода) вычисляется по формуле:

V_доб = 0,02 – 0,001 + DV,

где: DV = 0,08 · d_i ² для ПЭ-труб;

d_i– внутренний диаметр в метрах.

После испытаний под давлением концевые заглушки снимают.

УКЛАДКА И МОНТАЖ

К траншеям для трубопроводов предъявляются определенные требования. Глубина траншеи под водопровод должна быть на 0,5 м больше расчетной глубины промерзания грунта, минимальная глубина заложения – не менее 1 м до верха трубы, проложенной под поверхностью с интенсивным движением транспорта (до 0,7 м – под поверхностью с незначительным движением транспорта). Отличительной особенностью строительства трубопроводов из сварных ПЭ-труб в отличие от раструбных (в т.ч. из ПВХ) является то, что они укладываются даже в слабых грунтах с расчетным сопротивлением < 0,1 МПа без устройства специального основания. Равномерная опора для труб обеспечивается выравнивающим слоем, который создается за счет разрыхления грунта.

Грунт в основании и при боковой засыпке и уплотнении не должен содержать острых обломков кирпича, камней, гальки, а в зимнее время – мерзлых комков во избежание порезов трубы. Плети пластмассовых труб, сваренных на бровке траншеи, следует опускать на дно, используя мягкие захваты и без резких перегибов. Сбрасывать плети в траншею запрещается.

После гидравлических испытаний и подбивки пазух уложенного трубопровода необходимо частично его засыпать, создав над ним защитный слой толщиной 30 см песчаного или мягкого местного грунта. Затем трубопровод следует полностью заполнить водой и только тогда засыпать его с помощью бульдозера вынутым грунтом до проектной отметки.

Соблюдение указанных правил выполнения земляных работ и укладки трубопровода из ПЭ-труб гарантирует его нормативный срок службы при условии эксплуатации в пределах расчетного нормативного давления PN.

Еще одна важная отличительная особенность монтажа ПЭ-трубопровода – возможность его укладки в траншею, заполненную грунтовыми водами. Укладка трубопровода в траншею без водопонижения позволяет значительно сократить строительные расходы.

Полиэтилен обладает сравнительно большим коэффициентом линейного теплового расширения (а = 1,8 – 1,9/ · C · 10^-4), и это необходимо учитывать при укладке труб. Нормативный температурный перепад в материале стенок трубы Δt °C следует принимать равным разнице между максимально (или минимально) возможной температурой стенок в процессе эксплуатации и наименьшей (или наибольшей) температурой окружающей среды, при которой осуществляется замыкание трубопровода в законченную систему (производится монтаж замыкающих стыков). При этом может возникнуть необходимость как в наращивании водовода, так и в его укорочении. Рассмотрим это на конкретном примере.

Удлинение (укорачивание) водовода рассчитывается по формуле:

Δl = a · Δt °C · l (м),

где: а – коэффициент линейного теплового расширения материала труб 1/ºC · 10^-4 ;

l – изначальная длина трубопровода (м).

Температура 500-метровой трубы из материала PE 80, сваренной над траншеей, в летний день может легко достичь 40 ºС. После укладки трубы и засыпки траншеи температура за ночь может снизиться до 10 ºС.

Δl = (10 – 40) · 500 · 1,8 · 10^-4 = –2,7 м.

Это означает, что на следующее утро труба будет на 2,7 м короче. Такое сокращение может быть компенсировано за счет удлинения укладываемой трубы. Если же секция будет покрыта землей, то грунт в определенной степени будет удерживать трубу, соответственно и сокращение будет меньшим.

В другом случае если температура в процессе укладки будет ниже конечной температуры, то секция трубопровода будет удлиняться. Однако это обычно не вызывает столь серьезных проблем, как в случае сокращения. Лучше всего дать трубе сравняться по температуре с траншеей (обычно для этого достаточно одних суток) и только после этого выполнить окончательные соединения. При монтаже в летний период трубопровод необходимо прокладывать изгибами («змейкой»), чтобы уменьшить напряжения в материале труб в период эксплуатации. Компенсация линейных удлинений при этом обеспечивается продольным прогибом труб, т.е. происходит самонакопление отдельных участков трубопровода.

ВАЖНО! ПРИМЕР

Анкеровка на ПЭ-трубопроводах выполняется при:

- необходимости перехода с ПЭ-трубы на ПВХ. В данном случае монтаж встраиваемого фланца обусловлен высоким коэффициентом температурного расширения ПЭ, поэтому в случае понижения температуры из трубопровода может вырвать ближайшую ПВХ-трубу;

- фиксации трубы перед входом в колодец. В этом случае «фиксируется» и установочный размер В1, что позволяет выполнять демонтаж оборудования без риска изменения данного размера (из-за температурных изменений длины трубы) после снятия болтов крепления с фланцевого соединения. А для регулирования расстояния между фланцами может применяться дополнительное оборудование. Соединение ПЭ-трубы и приварного фланца может быть выполнено как сваркой встык, так и с помощью электросварной муфты. Последний способ – единственно возможный при бестраншейной прокладке труб, когда пространство около колодца весьма ограничено.

Для того чтобы определить необходимость анкеровки, необходимо учесть следующие факторы:

- длину участка ПЭ-труб перед входом в колодец. Чем больше длина, тем значительнее ее изменения из-за перепада температур;

- величину перепада температур;

- в наружных сетях хозяйственного водоснабжения, уложенных, как того требует СНиП 2.04.02.84., ниже глубины промерзания грунта, температура транспортируемой воды в любое время года практически остается постоянной. В данном случае анкеровка не требуется, т.к. тепловые расширения и подвижка трубы исключены. Что касается напорной канализации, то расчетная температура транспортируемых хозяйственно-бытовых стоков составляет 20 °С. Однако в случае длительного отключения горячей воды по какой-либо причине вероятность некоторого снижения температуры стоков имеется. При этом необходимость анкеровки какого-либо узла напорного водовода определяется расчетом в каждом конкретном случае;

- способ укладки. Если ПЭ-трубы установлены в грунт, а песок вокруг хорошо утрамбован, то риск «подвижек» трубы минимален. Но если трубы проложены методом «протаскивания» в старой трубе с зазором между трубами, то изменение линейных размеров трубы наиболее вероятно.

АНКЕРОВКА

Сразу отметим, что монтируемые посредством сварки ПЭ-фасонные изделия в большинстве случаев анкеровки не требуют. Анкерное крепление требуется лишь на тех участках, где необходимо жестко зафиксировать определенный участок трубопровода. Для «мертвой опоры» (анкера) в ПЭ-трубопровод вваривается встраиваемый фланец.

Величина осевой силы зависит от размеров трубопровода и номинального (испытательного) давления. Рассчитать ее можно по следующей формуле:

 

где: N – осевая сила, kH;

di – наружный диаметр трубы, мм;

p – наибольшее давление в трубопроводе, бар (чаще всего испытательное)

Анкеровка тройников, заглушек и вентилей

Арматура и фасонные детали, на которые действует выталкивающая сила, обусловленная внутренним давлением воды (например отводы, тройники, заглушки и вентили), должны быть заанкерены.

Усилие, которое должно выдержать анкерное крепление, может быть рассчитано на основании значений, приведенных в таблице 3, по упрощенной формуле:

N = p · N1,

где: N – осевая сила, kH;

N1 – осевая сила, соответствующая давлению 1 бар, kH (табл. 3);

p – наибольшее давление в трубопроводе, бар (чаще всего испытательное).

 

Анкеровка отводов (коленьев)

Сила, действующая на отвод, которой должно противостоять анкерное крепление, легко вычисляется на основании значений, приведенных в таблицах 1 и 2, по упрощенной формуле:

R = 2 · N₁ · р · sin(a/2),

пусть 2 · sin(a/2) = k, тогда R = k · р · N_1?

где: R – результирующая сила, kH;

N₁ – осевая сила, соответствующая давлению в 1 бар, kH;

p – наибольшее давление в трубопроводе, бар (чаще всего испытательное);

а – угол отвода, градусы;

k – угловой коэффициент.

Анкерные крепления

Что касается размеров самого крепежного блока (анкера), то при расчете его размеров необходимо учитывать допустимое давление на грунт, которое должно устанавливаться на основе геотехнических изысканий. В большинстве случаев следует воспользоваться формулой:

 

где: b – ширина крепежного блока, м;

h – высота крепежного блока, м;

R – результирующая сила, kH;

σ_грунта – допускаемое давление на грунт (в большинстве случаев может быть принято равным 200 kH/м².

Чтобы крепление было прочным, нужно укладывать бетон на прочную стенку траншеи. Иногда возникает необходимость укладки на тщательно уплотненную засыпку. В этом случае учитывается прочность засыпки. Закрепляемую фасонную часть и арматуру до бетонирования защищают промежуточным слоем, например, из пластиковой пленки.

Анкеровка переходного патрубка

Действующая на переходный патрубок сила рассчитывается по формуле:

 

где: N – осевая сила, kH;

d_y1– наружный диаметр большей трубы, мм;

d_y2– наружный диаметр меньшей трубы, мм;

p – наибольшее давление в трубопроводе, бар.

ПРИМЕР

РАСЧЕТ АНКЕРОВКИ ОТВОДА

Исходные данные:

- ПВХ-отвод 45° диаметра 200 мм;

- испытательное (наибольшее) давление – 9 бар.

Расчет ведем по формуле, где угловой коэффициент k = 0,77. Из условия следует, что наибольшее (испытательное) давление p = 9 бар. Осевая сила, соответствующая давлению 1 бар, N_l = 3,15.

Следовательно, результирующая сила R=0,77·9·3,15=21,83 кН.

Теперь размеры бетонного крепежного блока можно рассчитать по формуле:

значение вычисляется в kH/м². Для высоты h принимается значение 0,2 м (высота трубы), наименьшее значение ширины равно: b=21,83/0,2·200=0,55i.