Подробное сравнение пластиковых и чугунных труб. Часть 38. Анализ кольцевой прочности заглубляемых труб

Заглубляемые трубы чаще всего являются тонкостенными, то есть отношение толщины стенки к диаметру у них, как правило, составляет менее 1:10. Если кольцо тонкостенное, для анализа можно использовать средний диаметр без существенной ошибки. Кольцевые деформации обычно малы. Например, анализ напряжений является достаточно точным, даже если эффектом прогиба кольца пренебрегают, при условии, что прогиб кольца меньше 10%. Отклонение кольца – это процентное уменьшение вертикального диаметра из-за нагрузки на почву. Это по существу равно соответствующему увеличению горизонтального диаметра. Фактически, заглубляемая труба с Dm / T = 60 не прогибается на уровень до 5% без превышения модуля разрыва. Кроме того, кольцо является настолько жестким, что отклонение кольца обычно составляет менее 1% или 2% в большинстве заглубляемых трубопроводных систем.

Нагрузки симметричны относительно вертикальной оси и представляют собой либо концентрированные напряжения (действующая нагрузка на единицу длины трубы), либо равномерно распределенные нагрузки (постоянные давления). Трехсторонняя нагрузка на трубу принимается равной нагрузке на параллельную пластину в целях анализа напряжений. Все напряжения являются вертикальными. Радиальные давления, такие как внутреннее давление или внешнее гидростатическое давление (включая внутренний вакуум), не учитываются. Фактически, канализационная труба с Dm / t = 60 может выдерживать более 6 бар внешнего гидростатического давления и вакуума. Очевидно, что внутреннее гидростатическое давление не имеет значения при типовой конструкции. Эти показатели действуют для труб, заглублённых на глубине более 70 метров, в том числе и погружённых в воду.

Горизонтальная поддержка грунта по бокам трубопровода не учитывается. Это консервативный подход, поскольку горизонтальная опора уменьшает прогиб кольца и, таким образом, уменьшает напряжение изгиба в кольце. Любая горизонтальная опора, таким образом, обеспечивает дополнительный фактор безопасности. Горизонтальная опора грунта не всегда надежна в случае относительно жестких колец, таких как у чугунных труб, а вот пластиковым трубам совершенно не вредит. У чугуна же с этим могут быть проблемы, поскольку для этого требуется либо отличное уплотнение грунта, либо достаточное горизонтальное расширение кольца, чтобы обеспечить горизонтальную опору почвы. Ни то, ни другое не может быть полностью гарантировано в типичных установках с жесткими кольцами. При Dm / T <= 60 чугунная труба имеет жесткость более 17 атмосфер. Из-за жесткости кольца отклонение чугунной трубы в типичных установках составляет менее 2%, что, однако, также может оказаться критичным для системы.

Жесткость трубы определяется как F / Æ, где F – это параллельная нагрузка на кольцо, а Æ – прогиб, вызванный этой нагрузкой. Процедура испытания, по сути, такая же, как и в случае испытания с тремя ребрами, что будет описано дальше. Как пишут американские специалисты, «поскольку кольцевое отклонение не всегда является проблемой при проектировании трубопровода, кольцевая жесткость не столь важна и не рассматривается в дальнейшем». Однако это неверно, поскольку значительные отклонения (а для чугунных труб критические значения в разы меньше, чем для пластиковых) приводят к разгерметизации стыков и, как следствие, к утечкам, что особенно опасно, если по трубопроводу транспортируются промышленные стоки. Прочность поперечного сечения трубы измеряется путем испытания с тройной нагрузкой. Часть трубопровода располагают на двух близко расположенных продольных опорах. Нагрузка прикладывается при помощи блока сверху. Нагрузка при разрушении трубы представляет собой трехстороннюю несущую нагрузку. Прочность трубы в данном случае определяется при помощи таких значений, как R = модуль разрыва (прочность или напряжение при разрушении), W = нагрузка при отказе, Do = наружный диаметр, T = толщина стенки, а также Dm = средний диаметр.

Напряжение при разрушении R – это просто касательное напряжение в точке под нагрузкой. Для простоты расчета R предполагается, что напряжение на дне трубопровода действуют как единая сила, а ошибки в данном случае незначительны. Двойная опора предназначена только для обеспечения отказа наверху и предотвращения выдёргивания трубы из испытательной машины. Уточним значения: R представляет собой прочность или напряжение разрушения, вызванное нагрузкой на испытательную конструкцию с тремя краями. Соответствующее напряжение можно рассчитать для других нагрузок. Если напряжение s равно R, произойдет сбой. Но для каждого случая загрузки можно найти s как функцию нагрузки.

Приравнивая s = R, напряжение разрушения является функцией нагрузки на трехгранную испытательную конструкцию при разрушении. Если включен соответствующий коэффициент безопасности, допустимое внешнее давление почвы P также можно записать. P иногда называют расчетным давлением грунта, а значения P приводятся в инженерных справочниках для наиболее распространенных нагрузок при проектировании подземных трубопроводах. Такие нагрузки называются условиями монтажа различного типа (условия мы уже рассматривали в предыдущих главах). Для расчета допустимое значение P можно найти из расчетных уравнений давления грунта с учётом прочности трехгранной опоры и диаметра трубы.