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.

Средний наружный диаметр dcp, 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.

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

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:

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

Серия труб S – нормированное значение, определяемое по формуле

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

MRC – минимальная длительная прочность, Мпа;

C – k запаса прочности;

МОР – максимальное рабочее давление в трубопроводе, Мпа.

Минимальная длительная прочность MRC, Мпа: напряжение, определяющее свойство непластифицированного поливинилхлорида (табл. , 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 803 Для труб из ПВХ MRC = 25 Мпа.

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

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 ( .

Для получения качественных соединений должны использоваться резиновые кольца с гладкой, без трещин, пузырей, посторонних включений и др. дефектов, поверхностью. Облой от разъема прессформы 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 прессформ, овальность и др.) более 1 мм.

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 м. 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 se, создаваемых за счет сжатия кольца при сборке, и напряжений sp, возникающих при действии на кольцо имеющегося в трубопроводной системе гидравлического давления p.

Для установления связи м. se 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

где A1, m1, m2 – эмпирические коэффициенты.

Как видно из выражения ( , 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 ИРП1365, 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.

Водонепроницаемость при se = 0 может так же сохраняться в виду неравенства нулю суммарных напряжений на контакте кольца с поверхностями гладкого конца трубы и желобка изза действия sр.

Закономерности действия контактных напряжений от внутреннего давления в раструбных соединениях с желобком (для полимерных труб) до сих пор так же 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 водонепроницаемость. 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. , 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 ( , показал, что поворот деталей без осадки на угол до 6° не должен привести соединение к разгерметизации.

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. подтвердили результаты расчетов.

1 В каждом эксперименте проводилось по 5 опытов.

2 Детали из ПВХ.

3 Чугунные детали.

4 Кольца из резины ИРП1365.

5 Резиновые кольца зарубежного производства.

При повернутых на больший угол деталях водонепроницаемость нарушается только при малых давлениях (до 0,6 кгс/см . 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 ( .

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, и 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 ( , т. е. вне раструба.

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

Полимерные трубы. № 2003.

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

ДунинБарковский И. В. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М., 1975.

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

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

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

Timm Т. Н. Elastomere fur Massivdichtungen in Trinkund Abwasserleitungen. Betonsteinzeitungen. Hannower. Heft 2, 1967, s. 64–70.

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