Изучение напряжённых состояний раструбных соединений ПВХ труб, возникающих при различных условиях монтажа

Опыт показывает, что неправильное соединение (вставка трубы за зону раструба и/или чрезмерное осевое смещение) – основная причина подобных аварий в напорных ПВХ трубопроводах. Рис. 2 иллюстрирует заведение трубы за раструб (а) и чрезмерное осевое отклонение (б). Последствия неправильной сборки при соединении ПВХ труб, работающих под давлением, исследовались с помощью фотоупругого покрытия на примере двух соединений. Наряду со специализированным оборудованием, покрытие позволило определить напряжение и деформацию при соединении ПВХ труб. Напряжения, возникшие в соединении, выполненном без нарушений, сравнивались с напряжениями в соединении, выполненном с отклонениями в технологии монтажа. Эффективным инструментом для разъяснения важности правильной сборки и последствий неправильного соединения являются цветные фотографии, которые иллюстрируют напряжения, возникшие под воздействием приложенных усилий.

Для анализа напряжений и деформаций в соединениях применяется фотостресс-метод (рис. 3). В этом исследовании используется чувствительное к напряжению полимерное покрытие, которое налагается на раструб ПВХ трубы (рис. 4). Полярископ показывает покрытие в поляризованном свете. Цифровая камера создает видеозапись испытания, а при помощи оптического преобразователя определяются величины напряжений, которые испытывает покрытие. Фотостресс-метод дает визуальное изображение, которое точно определяет напряжения в соединении труб. После завершения испытания определяется (по закону Хука) величина деформации от напряжений, зарегистрированных цифровой камерой и оптическим преобразователем. Для большей точности учитывается эффект упрочнения соединения ПВХ трубы наложенным покрытием.

Для справки. По уравнению ISO среднее кольцевое напряжение определяется на уровне 5,86 MПa в стенке трубы Ø 200 мм при внутреннем давлении 0,689 МПa. Есть две основные причины того, почему кольцевое напряжение с внешней стороны раструба было меньше величины 5,86 MПa, которая определяется по уравнению ISO:

• расчеты произведены для трубы с минимальной (номинальной) толщиной стенки, указанной в стандарте, вместо фактической толщины стенки трубы;
• в то время как уравнение ISO показывает, что кольцевое напряжение, возникшее от внутреннего давления, однородно по толщине стенки трубы, фактическое кольцевое напряжение выше среднего на внутреннем диаметре и ниже среднего на наружном диаметре

Испытание соединения, выполненного без нарушений, ПВХ труб диаметром 8 дюймов (200 мм) для максимального рабочего давления 150 psi (1,03 MPa) показано на рис. 5. При соблюдении правил монтажа черная линия вставки на скосе внутренней трубы была совмещена с выступом раструба внешней трубы. На наружную и внутреннюю трубы было нанесено покрытие для регистрации напряжений с помощью фотостресс-метода. Стальные стержни обеспечивали устойчивость заглушек торцов труб. Верхняя заглушка снабжена двумя штуцерами: в то время как соединение заполнялось водой через один штуцер, воздух выходил через другой. После того как воздух выпущен, выпускной штуцер перекрывается.

Цифровой индикатор ниже желтого ремня измеряет величину осевого горизонтального смещения. Давление создается с помощью испытательного насоса. Специальный регистратор Partlow MRC7000 регулирует давление в пределах собранной трубы.

Затем соединение было подвергнуто давлению. Данные регистрировались при нескольких различных давлениях, но в этой публикации представлены только данные, зарегистрированные при 0,689 МПа. На рис. 6 показаны напряжения, которые соединение, выполненное без нарушений, испытывало при внутреннем давлении воды 0,689 МПa.

В области раструба «C» напряжение однородно. На эту область указывает зеленая стрелка. Напряжение, рассчитанное в этой области от внутреннего давления, составляло 3,98 MПа. Геометрия раструба вместе с деформацией прокладки внутри раструба обусловливают более сложную модель напряжения/деформации. Область максимального напряжения находится на стороне канала прокладки и обозначена красной стрелкой. Напряжение, рассчитанное в этой области, составляло 5,70 MПa. Интерес представляет область, отмеченная синей cтрелкой, – при соединении, выполненном без нарушений, в выступе раструба какие-либо напряжения отсутствуют.

Были исследованы напряжения, возникшие при вдавливании внутренней трубы в шейку раструба внешней трубы. Это было сделано для того, чтобы смоделировать соединение, вставленное сверху. Испытание проводилось без внутреннего давления в трубе. Если бы испытание проводилось под внутренним давлением, то кольцевые напряжения, возникающие от внутреннего давления, складывались бы с напряжениями, определяемыми в этом эксперименте. Испытание без внутреннего давления позволило отдельно исследовать эффекты от вдавливания внутренней трубы. Манометр на верхней балке испытательного стенда (рис. 7,а) измерял давление, приложенное к шестидюймовому (150 мм) гидравлическому прессу в ровном торце фрагмента трубы, вставляемой в раструб. Цифры, отмеченные на раструбе, использовались для указания расстояния в дюймах, на которое вставляемая труба была вдавлена в раструб гидравлическим прессом. ПВХ трубы, применяемые в этом эксперименте, были такие же, как и описанные в разделе III.

Красная стрелка (рис. 7,б) указывает на зону максимального напряжения – результат вдавленной трубы. Как и ожидалось, максимальное напряжение возникло в стыке труб, где вставляемая труба была прижата к внутренней поверхности наружной трубы. Усилия, необходимые для запрессовывания трубы, и значения полученных напряжений представлены в табл. 1. Соединения на восьмидюймовой трубе ( Ø 200 мм) как правило собираются вручную. Поскольку усилия запрессовывания, указанные в табл. 1, находятся вне диапазона ручной сборки, то для соединения труб требуется механическая оснастка. При приложении одинакового усилия при сборке с увеличением диаметра соединяемых труб напряжение в месте соединения будет падать.

Так как сила, требуемая для соединения труб, относительно невелика, а возникающее в месте соединения напряжение относительно низкое, может показаться, что со вставляемой трубой проблем быть не может. Однако следует учитывать вариант осевого смещения.

Рис. 8 и 9 иллюстрируют, как осевое смещение усложняет процесс сборки при вставке трубы сверху. На рис. 8,a показано раструбное соединение, в котором внутренняя часть трубы А еще не вошла в контакт с шейкой раструба наружной трубы B. Рис. 9,a – упрощенная кинематическая схема соединения, показанного на рис. 8,a. Силы, обозначенные F, действуют в противоположных направлениях. Одна – сила вставляемой трубы А в раструб наружной трубы B. Вторая – реактивная сила. Если, например, труба B была предварительно установлена и закреплена обратной засыпкой, то грунт при помощи сил трения и вызывает возникновение реактивной силы. Стержень, показанный в центре кинематических схем на рис. 9,a и 9,б, и представляет собой раструбное соединение трубы в трубу. Соединение допускает минимальное вращение прежде, чем конец вставляемой трубы будет выровнен в стыке, как это показано на рис. 2, б.

Рис. 9,б показывает реакцию на соединение, как только была достигнута вставка «труба-в-трубу». Сила F пытается уменьшить общую длину 2L труб А и B. В одном варианте происходит введение конца трубы А в раструб трубы B. В другом варианте, учитывая сопротивление раструба трубы В к телескопическому введению трубы A и принимая во внимание свободу ее вращения в соединении, возникает случай, показанный в кинематической схеме на рис. 9,б. Рис. 8,б показывает крупный план раструбного соединения, когда соединение проворачивается и поднимается.



Исследование эффекта осевого смещения в комбинации с внутренним давлением проводили на испытательном стенде (рис. 10,а), подобном установке, показанной на рис. 5. Эти стенды имеют некоторые отличия. Измеряющий индикатор смещен к верхней части правой колонны установки. Гидравлический поршень с круглой опорой, сделанной из стальной пластины, расположен сверху прямо на установке. Поршень дает усилие, необходимое для достижения требуемого осевого смещения. Цифровой индикатор измеряет величину горизонтального смещения в дюймах. Для более эффективного удержания труб при соединении нейлоновые ремни перемещены.



После того как гидравлический поршень в правом верхнем положении обеспечил необходимое осевое смещение в соединении труб, на конструкцию было подано внутреннее давление. Данные были зафиксированы при нескольких угловых смещениях и при нескольких значениях давления. В статье представлены только данные, зарегистрированные при давлении 0,689 МПа (такое же давление, как и в разделе III) и с угловым смещением приблизительно 1,5 градуса. На рис.10,б – представлена картина напряжений в соединении при указанных условиях.
Напряжение в области, отмеченной «C» на вставляемой трубе, еще однородно (зеленая стрелка). В этой области расчетное напряжение от воздействия внутреннего давления составило 6,12 МПа. Это на 54 % выше, чем напряжение в той же точке, и при том же давлении, но без какого-либо осевого смещения. Красная стрелка указывает на новую область концентрации наиболее высоких напряжений и деформаций. В этой области напряжение, рассчитанное по измеренной деформации, составило 15,84 MПa. Это значение очень отличается от ситуации, рассмотренной в разделе ІІІ, когда в торце раструба вообще не наблюдалось никаких напряжений (см. рис. 6). Кроме того, максимальное напряжение при осевом смещении в 2,8 раза выше, чем максимальное напряжение, рассчитанное для ситуации, описанной в разделе ІІІ.

На рис. 11 показана ситуация возникновения чрезмерного осевого смещения. Восьмидюймовые ( Ø 200 мм) трубы были проложены на плоском упоре, подобном твердой металлической или каменной поверхности. При этом корпус трубы не контактирует с поддерживающей поверхностью на расстоянии двух диаметров с каждой стороны от места соединения. Результирующее осевое смещение – 7 градусов, что значительно превышает рекомендации изготовителей труб, а также требования монтажных и строительных норм. Такого осевого смещения легко избежать при соблюдении правил монтажа. Так, в соответствии с правилами поверх твердой упорной поверхности траншеи должно быть уложено, по крайней мере, 100 мм «мягкого» подстилочного материала. Он действует как подушка между основанием трубы и твердой поверхностью.

Коммуникации из ПВХ труб классифицируются как гибкие. В гибких трубопроводах действует механизм труба/грунт, т.е. труба работает вместе с подстилочным материалом для сопротивления нагрузке. Нагрузка F сжимает гибкую трубу в вертикальной плоскости (рис. 12). При сжатии в вертикальной плоскости – в горизонтальной плоскости труба расширяется, принимая в результате форму эллипса.
Деформируясь от усилия F, труба воздействует на материал подложки снизу и засыпки с боков. Это вызывает пассивное сопротивление материала по бокам. Такая поддержка по бокам, вместе с воздействием изгиба на вершине трубы, является механизмом, которым подсыпной материал помогает трубе сопротивляться нагрузкам, воздействующим на трубу.

Деформированная труба показана на рис. 13. Интерес представляет точка на внутреннем диаметре в нижней части трубы. Растягивающие напряжения, возникающие в этой точке от воздействия овализации, могут складываться с растягивающей нагрузкой от воздействия осевого смещения, если ориентация совпадает с ситуациями на рис. 8,б, 9,б или 11.

Исследования растягивающих напряжений в нижнем своде, которые образуются при потере трубой круглого сечения, проводились на испытательном стенде (рис. 14,a). Стрелочный индикатор измерял отклонение в верхней части (в дюймах). Образец ПВХ трубы был взят точно такой же, как и в предыдущих испытаниях. Сжатие трубы в вертикальной плоскости производилось механизмом растяжения Тинуса Ольсена. Точкой контакта была внешняя поверхность канала прокладки. Нижний свод опирался на деревянный блок для продольной поддержки. Для предотвращения бокового смещения и раструб, и тело трубы были зафиксированы. Нагрузка 4,8 кН должна была отклонить вертикальный диаметр на 2 % от первоначального значения (рис. 14,б).

Красная стрелка указывает на область максимума зарегистрированного напряжения. Расчетное напряжение в этой точке было 10,96 MПa. Напряжения, деформации и нагрузки были зарегистрированы для различных значений вертикальной деформации, но в рамках данной публикации не представлены.

Чтобы деформировать соединение на требуемую величину (2 %), вставляемая труба также должна была бы быть деформирована на ту же величину, что и смонтированная трубная система. В результате, после введения трубы в раструб соединение становится самой жесткой областью трубопровода.

Напряжений и деформаций в соединениях, рассмотренных в разделах IV и V, можно избежать, следуя приведенным ниже правилам:
Шаг 1. Проверка. Прокладка, раструб и место соединения должны быть очищены от песка, грязи, жира и инородных частиц. Прокладку, скос вставляемой трубы и внутреннюю поверхность раструба необходимо проверить на наличие повреждений или деформации.

Шаг 2. Смазка. Смазку следует применять в соответствии с рекомендациями изготовителя трубы; как правило, это смазка скоса и вставляемой трубы. Должна использоваться только смазка, предоставленная изготовителем трубы. Жир и другие виды несогласованных смазок могут разъедать прокладку или быть неприемлемы в контакте с питьевой водой.

Шаг 3. Сборка. Вставляемую и внешнюю трубы необходимо сначала совмещать. Вставляемую трубу нельзя вводить в раструб, пока она плотноне соприкоснется с материалом прокладки. Предварительное выравнивание трубы существенно для качественной сборки. На рис. 15 показан процесс сборки соединения, выполняемый двумя рабочими. Первый рабочий (в отдалении) создает постоянное усилие с помощью бруска и блока. Второй (на переднем плане) проверяет правильность глубины вставляемой трубы. Когда отметка на вставляемой трубе почти полностью соединилась с торцом смежного раструба, второй рабочий, находящийся на соединении, дает сигнал остановиться – сборка закончена. Трубу никогда не следует вдавливать до упора (за черную отметку).

Обратите внимание, что в соединении, выполненном без нарушений, отметка (черная линия на вставляемой трубе) – совпадает с торцом раструба, однако отметка должна остаться видимой после сборки соединения. Другие названия отметки – линия вставки, стопорная отметка, линия сборки. Некоторые изготовители делают на вставляемой трубе две отметки: одну – для минимальной глубины вставки, другую – для максимальной. В этом случае, отметка максимальной глубины вставки должна быть видимой, а отметка минимальной глубины – закрыта фрагментом смежной трубы. Рис. 16 иллюстрирует это в сечении по этапам сборки.
Следует отметить, что соединение, выполненное без нарушений, учитывает промежуток между торцом вставляемой трубы и шейкой раструба. Этот промежуток предусматривает пространство для теплового расширения и предоставляет немного гибкости в соединении и некоторое угловое смещение для непредвиденных возможных подвижек грунта

Строители могут повысить производительность и качество сборки, опуская трубы в траншею и собирая соединение вручную. Это позволяет экскаватору с обратным ковшом рыть траншею непрерывно: по мере разрытия следует опускать и собирать трубы вручную, при этом на монтаже экономится около 1,5 ч работы в день без увеличения количества персонала.

Вспомогательное устройство (рис. 17) позволяет одному рабочему быстро соединять ПВХ трубы. Оно используется для монтажа труб диаметром до 8 дюймов (200 мм) включительно. Существует большее устройство с аналогичным дизайном, которое можно использовать для соединения труб диаметром от 250 до 400 мм. Оба устройства имеют небольшой вес и могут легко переноситься одним рабочим. При использовании вспомогательное устройство следует размещают так, чтобы вставляемая труба и труба с раструбом были зафиксированы в различных частях устройства. Если потянуть рычаг, то устройство вталкивает одну трубу в раструб другой. Когда отметка на вставляемой трубе совпадет с торцом раструба, следует прекратить тянуть.

Если глубина траншеи требует применения траншейного блока, то к нему может быть приварена лебедка, которая используется для сборки трубы (рис. 18).

Даже, если труба слишком тяжела, чтобы опустить ее в траншею вручную, соединение все еще может быть собрано вручную, что позволяет экскаватору с обратным ковшом продолжать рыть траншею, а в результате повысить производительность. Рис. 19 демонстрирует монтаж труб диаметром 600 мм, собираемых вручную с помощью вспомогательного устройства.

Применение двоякопреломляющих фотоупругих покрытий в раструбных соединениях на напорных трубах из ПВХ дало визуализацию напряжений, которые испытывают элементы соединения. Были исследованы несколько вариантов, включая качественную сборку, запрессовку трубы в трубу и сборку со смещением вставляемой ПВХ трубы. Рис. 8 и 9 показали, что сборка может быть выполнена с чрезмерным осевым смещением. Чрезмерное осевое смещение не позволяет вставляемой трубе герметизировать раструб (см. рис. 2,б). Это также приводит к увеличению напряжения в торце раструба (см. рис. 10,б). Напряжений, вызванных неправильной сборкой, можно избежать в соответствии с приведенными методами. Кроме того, использование вспомогательных приспособлений значительно улучшает производительность и качество сборки.