Кондиционирование Вентиляция Сантехника Отопление
Кондиционирование Вентиляция Сантехника Отопление
СОК СОК
Главное меню
Главная
Новости
СОК онлайн
Рубрики
О журнале
Медиаплан
Реклама
Реклама на сайте
Выставки
Семинары
Контакты
Поиск
Форум
Библиотека
Фотогалерея
Рубрики
Сантехника
Отопление
Кондиционирование
Вентиляция
Энергосбережение
Нормативная База
Объекты
Рекомендуем
Кондиционеры Daikin
Тепловые насосы, Телпый пол и Воздушные фильтры
Top100+ :: Teplo.com
Кондиционеры, вентиляция, тепловые насосы.
c-o-k.ru
Aqua-Term 2013
Системы воздушного отопления

Конструкционная прочность металлополимерных труб Версия для печати Отправить на e-mail
26.05.2012

Металлополимерные трубы (МПТ) изготовляются [1] из сердцевины в виде продольношовной сварной алюминиевой трубы, размещаемой между экструдируемыми внутренним и внешним слоями из полиэтилена ПЭ (сшитого полиэтилена СПЭ) с клеевой связкой между ними (рис. 1, табл. 1).

Металлополимерная труба

Характеристика МПТ

Такая конструкция во многом определяет конструкционно-прочностную специфику МПТ как основного элемента напорного трубопровода. Каждый слой стенки МПТ характеризуется собственными размерными параметрами (табл. 2). Материал каждого слоя должен отвечать предъявляемым требованиям по техническим показателям (разрушающему напряжению σ и модулю упругости E при растяжении, коэффициенту температурного линейного удлинения α).

Размеры МПТ, мм

В стандартах, например, в американском национальном стандарте [2] устанавливаются требования к полиэтилену, сшитому полиэтилену, клеящей связке и алюминию. Для алюминиевого слоя МПТ (1-го, 2-го и 4-го классов) прочность на разрыв должна быть ≥ 80 Н/ мм2, а удлинение при разрыве — ≥ 22 %. Для 3-го класса прочность на разрыв — ≥ 60 Н/мм2, а удлинение при разрыве — ≥ 35 %. Плотность клеящего полимера (низкомолекулярного с различным содержанием сомономера) — ≥ 0,915 г/см3. Для труб классов 1 и 2 температура плавления должна быть ≥ 120 °С, а классов 3 и 4 — ≥ 100 °С.

Проведенные расчеты показали, что значения разрушающих внутренних давлений для каждого слоя, в случае нагружения отдельно от остальных слоев, значительно отличаются друг от друга (табл. 3).

Кратковременные разрушающие внутренние давления Рiраз для слоев стенки МПТ класса 2 нагружаемых раздельно

Как видно из табл. 3, при условии противодействия внутренним давлениям каждым слоем порознь МПТ смогли бы сопротивляться внутренним давлениям, указанным в строке со знаком 2. В силу конструкционно-прочностной специфики МПТ в действительности этого не происходит, т.к. нагружение слоев в стенке МПТ как трубной конструкции происходит иначе (табл. 4). Как видно (табл. 5) из сравнения данных табл. 3 и 4, прочностные ресурсы слоев при разрушении стенки МПТ используются частично; 100 %-е использование характерно только для алюминиевого слоя.

Кратковременные разрушающие внутренние давления Рiраз для слоев стенки МПТ класса 2 нагружаемых совместно

Доли %, от прочностных ресурсов слоев, используемые при разрушении стенок МПТ класса 2 при кратковременном нагружении внутренним давлением

Думается, что аналогичная картина будет характерна для МПТ и других классов. Можно предположить, что такая же картина будет характерна и для других МПТ. Например, для рекомендуемых к использованию в холодном и горячем водоснабжении (СП 40-103-98) и отоплении (СП 41-102-98). Ведь плотность армирования 100eAl/e [%] стенок МПТ (ПAl = 8 % — для диаметра 20 мм и ПAl = 19,2% — для диаметра 60 мм), указанных в обоих Сводах Правил [4,5], примерно такая же, как и у рассматриваемых МП (ПAl = 12,44% — для 016 мм и ПAl = 25 % — для 050 мм).

В принципе, имеется возможность более полного использования прочностного ресурса слоев стенки МПТ. Расчетная схема (рис. 2) представлена [6] с учетом нагружения МПТ внутренним давлением и температурой.

Расчетная схема МПТ, находящейся под действием внутреннего давления

В расчете приняты допущения:

  • рассматривается плоская задача в виду сравнительно с поперечным размером большой протяженности трубы;
  • труба считается тонкостенной, что определяется условием:

Image

где ei — толщина стенки і-го слоя трубы; n — число слоев; D — базовый диаметр поперечного сечения трубы;

  • принимается, что температура слоя постоянна и равна средней температуре слоя в виду сравнительной малой толщины стенки слоя (слой клея в расчет не принимается, хотя модель допускает учет и этого слоя);
  • принято положительное направление напряжений и давлений изнутри, снаружи и между слоями.

Рассматривается n пластиковых и металлических слоев, связанных между собой в произвольной последовательности посредством клеевой прослойки. Отсчет слоев производится изнутри, при этом k - 1,2,3,..., где k — номер слоя. Имеем и уравнений равновесия:

Image

где σ — напряжение в слое; 
R — средний его радиус; 
Pi-1,i,Pi,i+1— давления изнутри и снаружи слоя. Условие совместности деформаций дает (n - 1) уравнений:

Image
где E и α — модуль упругости и коэффициент температурного линейного удлинения материала слоя.

Температурная деформация запишется в виде уравнения:
Image

где tH и tK — начальная (монтажная) и конечная (рабочая) температура слоя; приближенно принимается, что α = const и ε = αΔt, где Δt= tK - tН > 0 при tK > tH к Δt < 0 при tK > tH — рабочие разности средней температуры слоя и начальной температуры.

Имеется (2n - 1) уравнений для определения (2n - 1) неизвестных: n неизвестных σi и (n - 1) неизвестных рi. Совместное их решение дает выражение для напряжения в каждом слое:
Image
где температурная нагрузка для k-то слоя будет определяться как:
Image
Относительная приведенная толщина стенки равна:
Image
Знак нагрузки зависит от относительной величины температурной деформации — (αi,Δti)/(αk,Δtk) — нагрев или охлаждение. При известном напряжении в k-м слое давление между слоями:
Image
Если средние радиусы слоев принять одинаковыми и равными базовому радиусу R, то приближенно:
Image
Условие прочности для слоя трубы тогда будет σi≤[σ]. Рассмотренная выше конструкционно-прочностная специфика МПТ затрагивает только кратковременное нагружение МПТ и только при нормальной температуре (20 °С).

Однако известно [3], что с повышением температуры с течением времени прочностные показатели слоев из термопластов (клеевые и из СПЭ) будут снижать свою прочность и в определенный момент сойдут на нет — достигнут нулевого значения. Когда это может произойти с конкретной МПТ, используемой в трубопроводной системе холодного (температура около 20 °С), горячего водоснабжения (температура около 75 °С) или отопления (температура около 90 °С), на современном этапе разра-ботанности вопроса правильного ответа дать не представляется возможным. Ведь модель, в достаточной степи адекватная фактическому поведению в условиях долговременного нагружения МПТ при повышенных температурах, до сих пор никем не представлена.

Однако уже сейчас совершенно очевидно, что вряд ли будет правильно использовать для этого, как это сделано в ГОСТ 52134-2003 [3] для термопластов, рекомендации [7] с расчетными:

  • кривыми регрессии (рис. 3);

Графики долговременной прочности МПТ Уакес

  • долговременной прочностью:

Image 

где τ — время до разрушения, ч; T — абсолютная температура, °С; σ — начальное напряжение в стенке трубы, Н/мм2;

  • положениями по применению правила Майнера.

Ведь при этом не только не учтены закономерности температурно-временной суперпозиции композитов, к которым следует относить и материал стенки МПТ, включающий по массе от 30% (диаметр 16 мм) до 97% (диаметр 50 мм) алюминия (табл. 6), но и, что гораздо важнее, существенно искажается
прогнозный срок службы трубопроводов из МПТ систем холодного, горячего водоснабжения и отопления.

Массовые соотношения AL/СПЭ/клей в материале стенок МПТ

На современном этапе, когда основные задачи строителей и коммунальных служб России связаны с ресурсосбережением, требуется уделять особое внимание минимизации [8] затрат как при эксплуатации, так, естественно, и при устройстве внутренних напорных трубопроводов, с таким [7] подходом согласиться ни в коей мере не допустимо.

Очевидно, что здесь требуется использование других нетривиальных подходов. Одному [9] из таких подходов по прогнозированию долговечности внутренних напорных трубопроводов (холодного и горячего водоснабжения и отопления) из металлополимерных труб с учетом конструкционно-прочностной специфики МПТ различных производителей, в случае заинтересованности широкой научно-технической общественности, будет, возможно, посвящена следующая публикация.

1. Бухин В.Е. О некоторых вопросах применения трубопроводов из полимерных материалов во внутренних системах водоснабжения и отопления зданий // Трубопроводы и экология, № 3/2009.
2. ASTM International F 1335-04. Стандартные технические условия на опрессованные композитные трубы и фитинги для эксплуатации при повышенных температурах.
3. ГОСТ Р 52134-2003 Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления.
4. СП 40-103-98. Проектирование и монтаж трубопроводов систем холодного и горячего водоснабжения с использованием металлополимерных труб.
5. СП 41-102-98. Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб.
6. Обухов A.C., Сладков A.B. Методика прочностного расчета напорных металлополимерных многослойных труб. Сб. научных трудов ГУП «НИИМосстрой» (к 50-летию института). — М., 2006.
7. Руководство по проектированию, монтажу и эксплуатации систем холодного и горячего водоснабжения отопления с использованием металлополи-мерных труб Valtec.
8. Дмитриев А.Н., Отставнов A.A., Ионов B.C. К минимизации затрат на устройство и эксплуатацию внутренних напорных трубопроводов // Сантехни-ка, №3/2005.
9. Отставнов A.A., Устюгов В.А. К проблеме температурно-временного поведения МПТ // С.О.К. (Москва), №4/2010.

Авторы: А.А. OTCTABHOB, к.т.н., ведущий научный сотрудник; В.А. УСТЮГОВ, к.т.н., директор ГУП «НИИ Мосстрой»; А.С. ОБУХОВ, д.т.н.

Последнее обновление ( 26.05.2012 )
 
< Пред.   След. >

Будем благодарны, если воспользуетесь одной из этих кнопок: