Подземное тепловое расширение труб Aquatherm - Технический бюллетень Aquatherm 201211A-AQTTB

Для пластиковых систем трубопроводов альтернативой этому подходу является ограничение длины магистрали по длине, чтобы исключить существенное расширение или сжатие. Обычно это не используется для стальной трубы, потому что силы, развиваемые стальной трубой, намного выше (примерно в 300 раз), чем у пластика. Например, при изменении температуры на 38° С кусок армированной трубы Aquatherm SDR 11 на участке 30 метров расширится на 6 сантиметров, тогда как стальная труба будет расширяться всего на 2,5 сантиметра. Для трубы диаметром 200 миллиметров это равняется осевому усилию, т.е приблизительно 897 кН для стальной трубы, в то время как труба Aquatherm оказывает осевое усилие всего лишь 21,35 кН для SDR 7,4; 15,12 кН за SDR 11 и 9,7 кН для SDR 17.6.

Расчеты

Для проложенной в земле магистрали сила трения на границе раздела между грунтом и поверхностью трубы будет сдерживать осевое усилие, создаваемое тепловым расширением. Этого достаточно, чтобы преодолеть силу трения. Если же усилие будет больше, то труба начнет двигаться в почве. Сила трения может быть получена из модифицированного уравнения Кулона, основанного на работе Potyondy, J.G.1

Где:

— площадь поверхности трубы, прилегающая к почве;

C — сплоченность почвы;
ƒc — константа пропорциональности, на основе испытаний на сдвиг раздела поверхности почвы;
Lp — длина трубы;
ODp — наружный диаметр трубы;
W = 2We + Wp + Ww — нормальная сила на единицу длины;
We — вертикальная нагрузка на верхнюю и нижнюю поверхности (призменная нагрузка);
Wp — масса трубы;
Ww — вес воды в трубе.

Значения ƒc, ƒØ и Ø приведены в таблице ниже, взятой из AWWA M23, таблица 4-122.

Таблица 1. Свойства почв, используемых для подушки.

* Группа почв согласно ASTM D2487 (Таблица 4-6).

Минимальная сила трения в соответствии с уравнением (1) будет возникать, когда существует слабое сцепление с грунтом или его полное отсутствие (C ~ 0), низкая плотность грунта (W ~ 100 ib / ft3) и (ƒØ Ø) минимальны. Как видно из таблицы 1, критерии наименьшей силы трения удовлетворяются для илистого гравия (GM) или илистого песка (SM).

Использование этой нагрузки на грунт для 4 м участка трубопровода Aquatherm SDR 7.4 PP-R приводит к силе трения 24 кН на глубине погружения 30 см. Это значительно больше осевой силы, возникающей из-за теплового расширения. 21,3 кН на квадратный дюйм для SDR 7,4; 15 кН на квадратный дюйм для SDR 11 и 9,7 кН на квадратный дюйм для SDR 17,6. При таких показателях труба будет легко сдерживаться от движения грунтом. Обратите внимание, что при глубине погружения 0,9 метра эта сила трения увеличивается до 72,73 кН на этом же участке трубопровода.

На любой глубине залегания сила трения значительно ниже осевой силы, развиваемой в стали. Стальная труба будет расширяться и потребует использования компенсаторов, поскольку сила ее теплового расширения составляет более 897 кН.

Важный вопрос в этих условиях заключается в том, не приведет ли ограничение трубопровода Aquatherm к повреждению трубы и разгерметизации. Осевое напряжение в стенке трубы составляет 210 psi. Долгосрочная же прочность материала составляет 575 psi при 82° С3.

Стоит также отметить, что в работе, проделанной Alam, S., Allouche, E.N.4, было определено, что сила трения, сдерживающая трубы, прекрасно работает при испытании в лабораторных условиях с мелкозернистыми почвами. В то же время, сцепление крупнозернистого материала, гравия, щебня и крупнее оказалось выше расчетных.

Примечание

• Potyondy, J.G., 1961. – Трение поверхности между различными почвами и строительными материалами, Geotechnique, Vol. XI, № 4, с. 339–353.
• Труба ПВХ – проектирование и монтаж, Руководство AWWA M23, 2-е изд., Американская ассоциация водопроводных заводов.
• ISO 15874-2003 – Системы пластмассовых трубопроводов для горячего и холодного водоснабжения — полипропилен (PP).
• Alam, S., Allouche, E.N., 2010 – Экспериментальное исследование коэффициентов трения в заглубленных трубах ПВХ.
  Трубы, Трубопроводы 2010: Восхождение на новый уровень надежности инфраструктуры — Rnew, Rehab и Reinvest, 2010 ASCE.