Испытание двухслойных осевых полых труб из жесткого поливинилхлорида (PVC-U) для подземного водоотво

Испытание двухслойных осевых полых труб из жесткого поливинилхлорида (PVC-U) для подземного водоотвода

Введение
Двухслойные осевые полые трубы из непластифицированного поливинилхлорида (PVC-U) получили широкое распространение в системах подземного водоотвода (ливневая канализация, дренаж, безнапорные коллекторы) благодаря сочетанию легкости, коррозионной стойкости, гладкой внутренней поверхности и рациональному использованию материала. Конструкция с двумя слоями – твердым наружным, обеспечивающим кольцевую жесткость, и внутренним, часто имеющим продольные рёбра или другую структуру для оптимизации потока и снижения веса – требует тщательного контроля качества для гарантии долговечности и надежности в грунте. Настоящая статья описывает программу испытаний, направленную на оценку ключевых эксплуатационных характеристик таких труб.

1. Объекты испытаний
Объектом исследования являлись промышленно произведенные двухслойные осевые полые трубы из PVC-U, предназначенные для безнапорных систем подземного водоотвода. Основные характеристики испытываемых образцов:

• Материал: Жесткий поливинилхлорид (PVC-U) в соответствии с требованиями актуальных стандартов.
• Конструкция:
  • Двухслойная: Наружный слой – сплошной, обеспечивающий кольцевую жесткость. Внутренний слой – структурированный (например, с продольными стенками, образующими полости), оптимизированный для гидравлических характеристик и снижения веса.
  • Осевая полость: Наличие продольных воздушных каналов между слоями или в структуре внутреннего слоя.
• Диаметры: Испытания охватывали номинальные диаметры (DN) в диапазоне, типичном для систем водоотвода (например, DN 110 мм, DN 160 мм, DN 200 мм, DN 250 мм).
• Класс кольцевой жесткости (SN): Образцы представляли трубы классов жесткости SN 4 и SN 8, как наиболее распространенные для подземной укладки на различных глубинах.
• Длина образцов: Для различных испытаний использовались отрезки труб длиной:
  • 3 * DN (для испытаний на кольцевую жесткость, сжатие, удар).
  • Минимум 1 метр (для гидравлических испытаний, испытаний на герметичность раструбов).
  • Полные цилиндры для измерения геометрии и толщин стенок.
• Тип соединения: Образцы включали как отрезки труб, так и узлы соединения (раструбно-уплотнительные).

2. Область испытаний
Программа испытаний была разработана для комплексной оценки труб в условиях, имитирующих эксплуатацию в системах подземного водоотвода. Основные оцениваемые характеристики включали:

• Механическая прочность и жесткость: Способность трубы сопротивляться деформации под действием внешних нагрузок от грунта и транспортных средств.
• Сопротивление ударным нагрузкам: Устойчивость к механическим повреждениям во время транспортировки, монтажа и при эксплуатации (падение предметов, камни в грунте).
• Герметичность соединений: Способность раструбных соединений обеспечивать надежное уплотнение под действием внешних нагрузок и внутреннего давления столба жидкости.
• Гидравлические характеристики: Гладкость внутренней поверхности, влияющая на пропускную способность и сопротивление потоку.
• Качество материала и геометрия: Соответствие физико-механических свойств PVC-U требованиям стандартов, точность геометрических размеров и толщин стенок.
• Дополнительные факторы: Взаимодействие с грунтом (для испытаний на длительную кольцевую жесткость), стойкость к химическому воздействию сточных вод (косвенно через свойства материала).

3. Методы испытаний и испытательное оборудование
Испытания проводились в соответствии с действующими международными (ISO) и национальными (ГОСТ) стандартами для пластиковых труб. Основные применяемые методы и оборудование:

• 3.1. Определение кольцевой жесткости (SN):
  • Метод: Испытание по методу трех опор в соответствии с ISO 9969 / ГОСТ Р 54475 (для жестких труб). Образец трубы длиной (3±0.2)*DN помещается на две параллельные опоры. Третья траверса прикладывает вертикальную нагрузку к образцу с постоянной скоростью деформации. Измеряется зависимость нагрузки от величины деформации. Кольцевая жесткость (SN) рассчитывается по формуле на основе нагрузки, вызывающей деформацию, равную 3% от исходного диаметра.
  • Оборудование: Универсальная испытательная машина с сервогидравлическим или электромеханическим приводом, оснащенная траверсой и двумя параллельными опорными балками. Система точного измерения нагрузки (тензометрический датчик) и перемещения траверсы/деформации трубы (LVDT или экстензометр).
• 3.2. Испытание на сжатие между параллельными пластинами:
  • Метод: Прямое сжатие образца трубы длиной (3±0.2)*DN между двумя плоскими параллельными плитами испытательной машины с постоянной скоростью деформации до достижения заданной деформации или разрушения. Оценивается поведение трубы под нагрузкой, визуально фиксируются повреждения.
  • Оборудование: Универсальная испытательная машина с плоскими сжимающими плитами. Система измерения нагрузки и перемещения.
• 3.3. Испытание на удар по образцу при пониженной температуре (Характеристический удар):
  • Метод: Испытание по Шарпи или Изоду на надрезанных образцах, вырезанных из стенки трубы, при температуре 0°C или (0±1)°C (либо другой, оговоренной в стандарте на трубу) в соответствии с ISO 179-1/ГОСТ 4647 или ISO 180/ГОСТ 4647. Определяет хрупкость материала при низких температурах.
  • Оборудование: Маятниковый копер для испытаний на удар. Термостатируемая камера для охлаждения образцов. Приспособление для надрезания образцов.
• 3.4. Испытание на удар падающим грузом (на готовой трубе):
  • Метод: Испытание целых труб длиной (3±0.2)*DN методом падающего груза при температуре (0±1)°C (или другой, оговоренной) в соответствии с ISO 3127 / ГОСТ Р 52134. Груз заданной массы с полусферическим наконечником падает на образец с заданной высоты. Оценивается высота падения или энергия удара, при которой происходит разрушение 50% образцов (H50 или TIR).
  • Оборудование: Стенд для испытаний падающим грузом с направляющей мачтой, сбрасывающим механизмом, грузами различной массы и сменными наконечниками. Система поддержания низкой температуры (холодильная камера или криогенная установка). Приспособление для фиксации трубы.
• 3.5. Испытание на герметичность раструбных соединений:
  • Метод:
    1. Внутреннее давление: Собранное соединение подвергается заданному внутреннему гидростатическому давлению (обычно 0.05 МПа) в течение определенного времени. Визуально или с помощью добавления индикаторного вещества (красителя) в воду контролируется отсутствие течи.
    2. Наружное давление (вакуум): Собранное соединение помещается в вакуумную камеру. Создается заданный вакуум (обычно -0.08 МПа). Контролируется падение давления (утечки) внутри трубы или визуально при подаче мыльного раствора на соединение снаружи.
    3. Под нагрузкой: Собранное соединение помещается под испытательную машину и подвергается сжимающей нагрузке (имитация нагрузки от грунта) при одновременном воздействии внутреннего гидростатического давления (0.05 МПа). Контролируется отсутствие течи под нагрузкой.
  • Оборудование: Гидравлический насос и система трубопроводов с манометрами для создания внутреннего давления. Вакуумный насос и камера для испытаний вакуумом. Универсальная испытательная машина для создания сжимающей нагрузки в комбинации с системой внутреннего давления. Системы визуального контроля или детектирования утечек.
• 3.6. Измерение геометрических параметров:
  • Метод: Измерение наружного диаметра, внутреннего диаметра (если доступен), длины, овальности, толщины слоев стенки (особенно в зонах полостей и ребер) с использованием калиброванных инструментов в соответствии с ISO 3126 / ГОСТ Р 52134.
  • Оборудование: Штангенциркули, микрометры (включая трубные), рулетки, шаблоны, оптические проекторы или координатно-измерительные машины (КИМ) для сложных профилей.
• 3.7. Определение гладкости внутренней поверхности (для гидравлических расчетов):
  • Метод: Косвенная оценка через измерение коэффициента шероховатости (обычно эквивалентной шероховатости k_b или коэффициента Мэннинга 'n') путем гидравлических испытаний на длинных участках трубы или теоретически по известным таблицам для PVC-U.
  • Оборудование: (При необходимости прямых испытаний) Гидравлический стенд с насосом, резервуарами, расходомерами и датчиками давления для измерения перепада давления на участке трубы известной длины при заданных расходах.
• 3.8. Испытания на долговременную кольцевую жесткость (LRP):
  • Метод: Длительное (не менее 1000 часов) испытание образцов труб, засыпанных стандартным песком или другим грунтом, под постоянной нагрузкой при повышенной температуре (например, 40°C) с регистрацией деформации во времени. Экстраполяция данных для прогноза деформации на 50 лет.
  • Оборудование: Климатические камеры с возможностью нагрева. Нагружающие устройства (гидравлические или механические). Системы измерения деформации (LVDT, тензодатчики). Контейнеры для грунтовой засыпки.
• 3.9. Испытания на стойкость материала PVC-U:
  • Метод: Определение плотности по ISO 1183, модуля упругости при растяжении по ISO 527, относительного удлинения при разрыве по ISO 527, вязкости по Чаппи (VST) по ISO 306 / ГОСТ 15088. Измерения проводятся на образцах, вырезанных из стенки трубы или отлитых из материала трубы.
  • Оборудование: Весы аналитические, установка для гидростатического взвешивания (для плотности). Универсальная испытательная машина с климатической камерой (для модуля упругости и удлинения). Прибор Вика (VST) с термостатируемой масляной ванной.

4. Обработка и анализ данных
Данные, полученные в ходе каждого испытания, регистрировались и обрабатывались в соответствии с методиками соответствующих стандартов. Результаты сравнивались с минимальными требованиями, установленными в спецификациях на трубы из PVC-U для подземной безнапорной канализации (например, ГОСТ Р 54475, EN 1401, ISO 4435). Проводился статистический анализ повторяемости и воспроизводимости результатов. Особое внимание уделялось надежности раструбных соединений и соответствию заявленной кольцевой жесткости под нагрузкой.

Заключение
Представленная программа испытаний обеспечивает всестороннюю оценку пригодности двухслойных осевых полых труб из PVC-U для применения в системах подземного водоотвода. Фокус на методах, имитирующих реальные условия эксплуатации (внешние нагрузки, удар, герметичность стыков, долговременное поведение в грунте), позволяет гарантировать надежность и долговечность трубопроводов. Строгое следование стандартизированным методикам испытаний и использование соответствующего высокоточного оборудования являются основой для получения объективных и сопоставимых результатов.