При обсуждении проектирования и выбора подземных полиэтиленовых водопроводных труб необходимо ли учитывать жесткость кольца?
2025-12-20
Многие оценивают способность подземных трубопроводов выдерживать внешнее давление на основе показателей кольцевой жесткости, таких как SN4 и SN8, и затем, как правило, применяют тот же подход к полиэтиленовым водопроводным трубам — что кажется разумным, поскольку и те, и другие прокладываются под землей и подвергаются одинаковым статическим нагрузкам от грунта и динамическим нагрузкам от транспортных средств. Однако более внимательное изучение соответствующего стандарта для полиэтиленовых водопроводных труб, GB/T 13663.2-2018, показывает, что кольцевая жесткость не включена в качестве показателя.
Это поднимает вопрос, заслуживающий изучения: почему для некоторых подземных трубопроводов требуется кольцевая жесткость (SN) для выбора, а для других — нет? Давайте обсудим это подробнее.
I. Что такое кольцевая жесткость?
Кольцевая жесткость (SN) — это показатель, специально используемый для оценки способности трубопроводов сопротивляться деформации под внешним давлением. Его концепция уже несколько раз упоминалась ранее. Этот показатель в основном применим к пластиковым трубам, которые не создают или создают лишь очень низкое внутреннее давление во время работы, таким как водосточные трубы, электропроводка, трубы связи и различные трубы с несущими стенками (например, гофрированные трубы и трубы со спиральной намоткой). Эти трубы имеют общую характеристику: во время работы в них практически отсутствует внутреннее давление.
Почему жесткость кольца является таким важным показателем в негерметичных трубопроводах, таких как дренажные трубы? Причина кроется в их эксплуатационных характеристиках и конструктивных требованиях. Дренажные трубы, например, относятся к системам с самотечным потоком и обычно находятся в частично заполненном состоянии во время нормальной эксплуатации — вода течет только в нижней части трубы, а верхняя часть заполнена воздухом. Это означает, что внутри трубы не может быть создано стабильное внутреннее давление, и стенка трубы не имеет эффективной поддержки со стороны внутренней жидкости.
В этой ситуации подземные дренажные трубы должны полностью полагаться на жесткость собственных материалов, чтобы справляться со сложными нагрузками из внешней среды, в основном включающими:
собственный вес вышележащих слоев и боковое давление окружающего грунта;
динамические транспортные нагрузки, такие как нагрузки от наземного транспорта;
локальную концентрацию напряжений, вызванную неравномерной засыпкой;
Внешнее давление, которое может создаваться грунтовыми водами и т. д.
Поэтому жесткость дренажных трубопроводов должна регулироваться четко определенными уровнями кольцевой жесткости (например, SN4, SN8) для обеспечения долговременной структурной стабильности и безопасности в условиях подземного монтажа. Проще говоря: для трубопроводов, не испытывающих внутреннего давления, их безопасность зависит от их собственной «твердости», что и является фундаментальным значением показателя кольцевой жесткости.
II. Почему жесткость кольца не указана в стандартах на полиэтиленовые водопроводные трубы?
Полиэтиленовые водопроводные трубы относятся к системам трубопроводов высокого давления, и их рабочий механизм не опирается на собственную «жесткость» для поддержания своей структуры.
Во время работы труба находится под полным давлением. Постоянное внутреннее давление воды (обычно 0,6–1,6 МПа для номинальных значений PN) обеспечивает стабильную поддержку стенки трубы изнутри наружу, значительно повышая сопротивление трубы внешнему давлению и предотвращая деформацию и сплющивание под воздействием внешних нагрузок.
Условия эксплуатации дренажных труб значительно отличаются от условий эксплуатации водопроводных труб. Поскольку дренажные системы обычно работают в частично заполненном и безнапорном состоянии, стенки труб практически не получают поддержки от внутренней жидкости. Поэтому для эффективного сопротивления внешним воздействиям, таким как нагрузки от грунта, давление грунтовых вод и транспортные нагрузки, конструкция должна опираться на достаточную жесткость самого материала; это достигается за счет показателя «кольцевой жесткости», обеспечивающего стабильность и безопасность трубопровода в подземных условиях.
Напротив, способность полиэтиленовых водопроводных труб сохранять форму не зависит от кольцевой жесткости. Как и в случае с напорными трубопроводами, их структурная стабильность в первую очередь зависит от сопротивления, обеспечиваемого постоянным внутренним давлением воды и расчетной толщиной стенки. Поэтому в стандартной системе полиэтиленовых водопроводных труб кольцевая жесткость не является необходимым показателем — внутреннее давление и прочность конструкции вместе составляют основную гарантию ее устойчивости к внешнему давлению.
Ключевым фактором при проектировании полиэтиленовых водопроводных труб является серия SDR и номинальное давление, а не кольцевая жесткость (SN). Безопасность трубопроводов высокого давления в первую очередь обеспечивается сочетанием таких показателей, как заданная толщина стенки (SDR), номинальное давление (PN) и долговременная гидростатическая прочность (MRS). При рассмотрении воздействия внешних нагрузок инженеры должны выполнять расчеты конструкции для проверки устойчивости к изгибу и допустимой деформации трубопровода, исходя из таких факторов, как фактическая глубина залегания грунта, тип засыпного материала и условия нагрузки на грунт.
Иными словами, для ненапорных трубопроводов используется «система испытаний на кольцевую жесткость» для калибровки их сопротивления внешнему давлению, в то время как для напорных трубопроводов (таких как полиэтиленовые водопроводные трубы) используется полная «система инженерных расчетов». Таким образом, надежность заглубленных полиэтиленовых водопроводных труб проверяется не измерением кольцевой жесткости, а обеспечивается сочетанием научного расчета толщины стенки и строгих расчетов устойчивости к внешнему давлению.
III. Полностью ли игнорируется жесткость кольцевого сопротивления труб при проектировании и выборе полиэтиленовых водопроводных труб?
В нормальных условиях эксплуатации (таких как стандартная глубина залегания, стандартная засыпка и типичные дорожные нагрузки) проектирование и выбор полиэтиленовых водопроводных труб не требуют особого учета жесткости кольцевого сопротивления. Если трубы серии SDR соответствуют соответствующим стандартам, их собственная устойчивость к внешнему давлению достаточна для выполнения требований.
Однако в особых условиях — таких как неглубокое залегание, большие нагрузки, применение труб большого диаметра или низкое качество засыпки — воздействие внешних нагрузок значительно усиливается, и чувствительность трубы к внешнему давлению соответственно возрастает. В таких случаях для обеспечения безопасности проекта могут быть выполнены дополнительные расчеты с использованием данных испытаний на жесткость кольцевого сопротивления или специализированных методов расчета устойчивости к внешнему давлению для более точной оценки структурной безопасности после залегания.
Важно уточнить, что данный подход применим только к вспомогательному анализу в конкретных условиях эксплуатации и не подразумевает, что полиэтиленовые водопроводные трубы должны соответствовать определенному уровню кольцевой жесткости. Несущая способность трубопровода по внешнему давлению в основном определяется толщиной его стенок и профессиональными инженерными расчетами; кольцевая жесткость используется в этом процессе лишь в качестве справочного инструмента, а не является обязательным требованием в стандартах и спецификациях.
