ПОСОБИЕ

по определению толщин стенок стальных труб, выбору марок, групп и категорий сталей для наружных сетей водоснабжения и канализации

(к СНиП 2.04.02-84 и СНиП 2.04.03-85)

МОСКВА 1989

Государственный ордена Трудового Красного Знамени проектный институт Союзводоканалпроект Госстроя СССР

Пособие
по определению толщин стенок стальных труб, выбору марок, групп и категорий сталей для наружных сетей водоснабжения и канализации

(к СНиП 2.04.02-84
и СНиП 2.04.03-85)

Утверждено

приказом Союзводоканалниипроекта

Госстроя СССР от 08. 08. 86 г. № 233

Москва Стройиздат 1989

Содержит указания по определению толщин стенок стальных подземных трубопроводов наружных сетей водоснабжения и канализации в зависимости от расчетного внутреннего давления, прочностных характеристик сталей труб и условий прокладки трубопроводов.

Даны примеры расчета, сортамента стальных труб и указания по определению внешних нагрузок на подземные трубопроводы.

Для инженерно-технических, научных работников проектных и научно-исследовательских организаций, а также для преподавателей и студентов средних и высших учебных заведений и аспирантов.

Разработано Союзводоканалпроектом (инж. Л. П. Хлюпин) и ВНИИ ВОДГЕО (канд. техн. наук В. И. Готовцев).

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Пособие по определению толщин стенок стальных труб, выбору марок, групп и категорий сталей для наружных сетей водоснабжения и канализации составлено к СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения».

Пособие распространяется на проектирование подземных трубопроводов диаметром от 159 до 1620 мм, прокладываемых в грунтах с расчетным сопротивлением не менее 100 кПа, транспортирующих воду, бытовые и промышленные сточные воды при расчетном внутреннем давлении, как правило, до 3 МПа.

Применение стальных труб для указанных трубопроводов допускается в условиях, определенных п. 8.21 СНиП 2.04.02-84.

1.2. В трубопроводах следует применять стальные сварные трубы рационального сортамента по стандартам и техническим условиям, указанным в прил. 1. Допускается по предложению заказчика применять трубы по ТУ, указанным в прил. 2.

Для изготовления фасонных частей методом гнутья должны применяться только бесшовные трубы. Для фасонных частей, изготовляемых методом сварки, могут применяться те же трубы, что и для линейной части трубопровода.

1.3. С целью уменьшения расчетных толщин стенок трубопроводов в проектах рекомендуется предусматривать мероприятия, направленные на снижение воздействия внешних нагрузок на трубы: отрывку траншей предусматривать по возможности с вертикальными стенками и минимально допустимой шириной по дну; укладку труб предусматривать на спрофилированное по форме трубы грунтовое основание или с контролируемым уплотнением грунта засыпки.

1.4. Трубопроводы должны подразделяться на отдельные участки по степени ответственности. Классы по степени ответственности определяются п. 8.22 СНиП 2.04.02-84.

1.5. Определение толщин стенок труб производится на основании двух раздельных расчетов:

статического расчета на прочность, деформацию и устойчивость на воздействие внешней нагрузки с учетом образования вакуума; расчета на внутреннее давление при отсутствии внешней нагрузки.

Расчетные приведенные внешние нагрузки определяются по прил. 3 для следующих нагрузок: давление грунта и грунтовой воды; временных нагрузок на поверхности земли; веса транспортируемой жидкости.

Рис. 1. Способы опирания труб на основание

а - плоское грунтовое основание; б - спрофилированное грунтовое основание с углом охвата 75°: I - с песчаной подушкой; II - без песчаной подушки; 1 - засыпка местным грунтом без уплотнения; 2- засыпка местным грунтом с нормальной или повышенной степенью уплотнения; 3 - естественный грунт; 4 - подушка из песчаного грунта

Расчетное внутреннее давление для стальных трубопроводов подземной прокладки принимается равным наибольшему возможному по условиям эксплуатации давлению на различных участках (при наиболее невыгодном режиме работы) без учета его повышения при гидравлическом ударе.

1.6. Порядок определения толщин стенок, выбора марок, групп и категорий сталей по данному Пособию.

Исходными данными для расчета являются: диаметр трубопровода d_e; класс по степени ответственности; расчетное внутреннее давление р; глубина заложения (до верха труб) h; характеристика грунтов засыпки (условная группа грунтов определяется по табл. 1 прил. 3).

Для расчета весь трубопровод должен быть разбит на отдельные участки, для которых все перечисленные данные постоянны.

По разд. 2 производится выбор марки, группы и категории стали труб и на основании этого выбора по разд. 3 устанавливается или вычисляется значение расчетного сопротивления стали R_y. Толщина стенки труб принимается большей из двух значений, полученных расчетом на внешние нагрузки и внутреннее давление, с учетом сортаментов труб, приведенных в прил. 1 и 2.

Выбор толщины стенки при расчете на внешние нагрузки, как правило, производится по таблицам, приведенным в разд. 6. Каждая из таблиц для заданного диаметра трубопровода, класса по степени ответственности и типа грунта засыпки дает соотношения между: толщиной стенки; расчетным сопротивлением стали R_y; глубиной заложения h и способом укладки труб (тип основания и степень уплотнения грунтов засыпки - рис. 1).

Пример пользования таблицами дан в прил. 4.

Если исходные данные не удовлетворяют следующим данным: h = 1 - 6 м; R_y = 150 - 400 МПа; временная нагрузка - НГ-60; укладка труб в насыпи или траншее с откосами, необходимо проводить индивидуальный расчет, включающий в себя: определение расчетных приведенных внешних нагрузок по прил. 3 и определение толщины стенки по расчету на прочность, деформацию и устойчивость по формулам разд. 4.

Пример такого расчета дан в прил. 4.

Выбор толщины стенки при расчете на внутреннее давление производится по графикам разд. 5 или по формуле (6) разд. 4. Эти графики показывают соотношения между величинами: d_e; t; p; R_y и позволяют определить любое из них при известных остальных величинах.

Пример пользования графиками дан в прил. 4.

1.7. Внешняя и внутренняя поверхность труб должна защищаться от коррозии. Выбор методов защиты необходимо производить в соответствии с указаниями п.п. 8.32 - 8.34 СНиП 2.04.02-84. При применении труб с толщиной стенки до 4 мм независимо от коррозионной активности транспортируемой жидкости рекомендуется предусматривать защитные покрытия внутренней поверхности труб.

2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАРОК, ГРУПП И КАТЕГОРИЙ СТАЛЕЙ ТРУБ

2.1. При выборе марки, группы и категорий стали следует учитывать поведение сталей и их свариваемость при низких температурах наружного воздуха, а также возможность экономии стали за счет применения высокопрочных тонкостенных труб.

2.2. Для наружных сетей водоснабжения и канализации рекомендуется, как правило, применять следующие марки сталей:

- для районов с расчетной температурой наружного воздуха t_e ³ - 40 °С; углеродистую по ГОСТ 380-71* - ВСт3; низколегированную по ГОСТ 19282-73* - типа 17Г1С;

- для районов с расчетной температурой наружного воздуха t_e < - 40 °С; низколегированную по ГОСТ 19282-73* - типа 17Г1С; углеродистую конструкционную по ГОСТ 1050-74**- 10; 15; 20.

При применении труб в районах с t_e < - 40 °C в заказе стали должно быть оговорено минимальное значение ударной вязкости 30 Дж/см² (3 кгс·м/см²) при температуре - 20 °С.

В районах с t_e ³ - 40 °C низколегированную сталь следует применять, если это приводит к более экономичным решениям: снижение расхода стали или снижение трудозатрат (за счет ослабления требований по укладке труб).

Углеродистые стали могут применяться следующих степеней раскисления: спокойная (сп) - в любых условиях; полуспокойная (пс) - в районах с t_e ³ - 20 °С для всех диаметров, в районах с t_e ³ - 40 °C для диаметров труб не более 1020 мм; кипящая (кп) - в районах с t_e ³ - 10 °С и при толщине стенки не более 8 мм.

2.3. Допускается применение труб из сталей других марок, групп и категорий в соответствии с табл. 1 и другими материалами настоящего Пособия.

При выборе группы углеродистой стали (кроме основной рекомендуемой группы В по ГОСТ 380-71* следует руководствоваться следующим: стали группы А могут применяться в трубопроводах 2 и 3 класса по степени ответственности с расчетным внутренним давлением не более 1,5 МПа в районах с t_e ³ -10 °С; стали группы Б могут применяться в трубопроводах 2 и 3 класса по степени ответственности в районах с t_e ³ - 10 °С; стали группы Д могут применяться в трубопроводах 3 класса по степени ответственности при расчетном внутреннем давлении не более 1,5 МПа в районах с t_e ³ - 10 °C.

Таблица 1

Примечания: 1. Трубы по ТУ 102-39-84, не имеющие внутреннего защитного покрытия, могут применяться для временных трубопроводов, а также для транспортирования воды, подвергнутой стабилизационной обработке.

2. Для трубопроводов, сооружаемых в районах с расчетной температурой ниже - 40 °С, следует, как правило, применять трубы из низколегированных марок сталей типа 17Г1С.

3. В скобках указаны толщины стенок труб, мм.

3. ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ И ТРУБ

3.1. Расчетное сопротивление материала труб определяется формулой

                                                            (1)

где R_yn - нормативное сопротивление растяжению металла труб, равное минимальному значению предела текучести s_у, нормируемого стандартами и техническими условиями на изготовление труб; g_m - коэффициент надежности по материалу; для прямошовных и спиральношовных труб из низколегированной и углеродистой стали - равный 1,1.

3.2. Для труб групп А и В (с нормируемым пределом текучести) расчетное сопротивление R_y следует принимать по формуле (1).

3.3. Для труб групп Б и Д (без нормируемого предела текучести) величина расчетного сопротивления R_y должна быть не более- величин допускаемых напряжений R_adm, которые принимаются для вычисления величины заводского испытательного гидравлического давления по ГОСТ 3845-75^*.

В случае, если величина R_y оказывается больше R_adm, тo за расчетное сопротивление принимают величину

                                                    (2)

где p₁ - величина заводского испытательного давления; t - толщина стенки трубы.

3.4. Прочностные показатели труб, гарантируемые стандартами на их изготовление, приведены в табл. 2 - 4.

Таблица 2

Примечание. Показатель s_и для труб диаметром 203 - 530 мм включительно, прошедших термообработку сварного соединения, аналогичен показателю s_и для термически необработанных труб.

Таблица 3

Примечание. Величины, входящие в формулу, принимаются в единой размерности.

Таблица 4

ГОСТ или ТУ	Марки сталей	sи, МПа	sу, МПа
ГОСТ 10706-76*	Ст2кп, Вст2кп	324	216
	Ст2пс, Ст2сп, ВСт2пс, ВСт2сп	333	225
	Ст3кп, ВСт3кп	363	235
	Ст3пс, Ст3сп, Вст3пс, ВСт3сп	373	245
ГОСТ 8696-74*	Вст2кп, Ст2кп	324	216
	Вст2сп, Вст2пс, Ст2сп, Ст2пс	334	225
	Вст3сп, ВСт3пс, Ст3сп, Ст3пс	372	245
	Вст3кп, Ст3кп	363	235
	17ГС при толщине стенки 5-9 мм (по классу К52)	510	353
ТУ 14-3-377-75	Вст3сп	372	235
	10	333	206
	20	412	245
ТУ 14-3-684-77	ВСт3пс, Вст3сп	372	245
	20	412	245
	К34	333	206
	К38	372	235
	К45	441	294
	К52	510	353
	К60	588	412
ТУ 14-3-943-80	ВСт3пс, ВСт3сп	372	225
	10сп	333	206
ТУ 14-3-1209-83	Ст2	324	216
	Ст3	372	245
	09Г2ФБ, 10Г2Ф	441	372
	14ХГС, 12Г2С	421	294

4. РАСЧЕТ ТРУБ НА ПРОЧНОСТЬ, ДЕФОРМАЦИЮ И УСТОЙЧИВОСТЬ

4.1. Толщину стенки труб t₁, мм, при расчете на прочность от воздействия внешних нагрузок на опорожненный трубопровод следует определять по формуле

                                                          (3)

где F_red - расчетная приведенная внешняя нагрузка на трубопровод, определяемая по прил. 3 как сумма от всех действующих нагрузок в их наиболее опасном сочетании, кН/м; z - коэффициент, учитывающий совместное действие отпора грунта и внешнего давления; определяется по п. 4.2.; т - общий коэффициент, характеризующий работу трубопроводов, равный ; m₁ - коэффициент, учитывающий кратковременность испытания, которому подвергаются трубы после их изготовления, принимаемый равным 0,9; g - коэффициент надежности, учитывающий класс участка трубопровода по степени ответственности, принимаемый равным: 1 - для участков трубопроводов 1 класса по степени ответственности, 0,95 - для участков трубопроводов 2 класса, 0,9 - для участков трубопроводов 3 класса; R_y - расчетное сопротивление стали, определяемое в соответствии с разд. 3 данного Пособия, МПа; d_e - наружный диаметр трубы, м.

4.2. Значение коэффициента z следует определять по формуле

                                       (4)

где В; B_t - параметры, характеризующие жесткость грунта и трубы, определяются согласно прил. 3 данного Пособия, МПа; р_v - величина вакуума в трубопроводе, принимаемая равной до 0,8 МПа; (значение задается технологическими отделами), МПа; p_w - величина внешнего гидростатического давления, учитываемого при прокладке трубопроводов ниже уровня грунтовых вод, МПа.

4.3. Толщину трубы t₂, мм, при расчете на деформацию (укорочение вертикального диаметра на 3 % от воздействия суммарной приведенной внешней нагрузки следует определять по формуле

                                                   (5)

4.4. Расчет толщины стенки трубы t₃, мм, от воздействия внутреннего гидравлического давления при отсутствии внешней нагрузки следует производить по формуле

                                                (6)

где р - расчетное внутреннее давление, МПа.

4.5. Дополнительным является расчет на устойчивость круглой формы поперечного сечения трубопровода при образовании в ней вакуума, производимый исходя из неравенства

                                           (7)

где b - коэффициент приведения внешних нагрузок (см. прил. 3).

4.6. За расчетную толщину стенки подземного трубопровода следует принимать наибольшее значение толщины стенки, определенное по формулам (3), (5), (6) и проверенное по формуле (7).

4.7. По формуле (6) построены графики выбора толщин стенок в зависимости от расчетного внутреннего давления (см. разд. 5), позволяющие без проведения расчетов определять соотношения между величинами: d_e; р; t; R_y для d_e от 325 до 1620 мм.

4.8. По формулам (3), (4) и (7) построены таблицы допустимых глубин заложения труб h в зависимости от толщины стенки и других параметров (см. разд. 6).

По таблицам можно без проведения расчетов определять соотношения между величинами: t и h для следующих наиболее часто встречающихся условий: d_e - от 377 до 1620 мм; h - от 1 до 6 м; R_y - от 150 до 400 МПа; основание под трубы грунтовое плоское и спрофилированное (75°) с нормальной или повышенной степенью уплотнения грунтов засыпки; временная нагрузка на поверхности земли - НГ-60.

4.9. Примеры расчета труб по формулам и подбора толщин стенок по графикам и таблицам даны в прил. 4.

4.10. Для наиболее часто встречающихся условий укладки, рекомендуемых марок сталей и сортамента в табл. 5 приведены расчетные величины толщин стенок. Эта таблица является сокращенным вариантом таблиц разд. 6.

Таблица 5

Примечания. 1. Толщины стенок, мм, указаны: перед чертой для стали Вст3, после черты для стали 17Г1С.

2. Таблица составлена для трубопроводов при временной нагрузке не более НГ-60 и внутреннем давлении до 3 МПа.

5. ГРАФИКИ ВЫБОРА ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ТРУБ ПО РАСЧЕТНОМУ ВНУТРЕННЕМУ ДАВЛЕНИЮ

5.1. Выбор толщин стенок t производится по графикам, приведенным на рис. 2 - 4 соответственно для трубопроводов 1 - 3 класса по степени ответственности.

Рис. 2. Графики выбора толщины стенки труб в зависимости от расчетного внутреннего давления и расчетного сопротивления стали для трубопроводов 1-го класса по степени ответственности

Рис. 3. Графики выбора толщины стенки труб в зависимости от расчетного внутреннего давления и расчетного сопротивления стали для трубопроводов 2-го класса по степени ответственности

5.2. Графики показывают соотношения между d_е; t; p; R_y и позволяют определить любое при заданных остальных величинах.

5.3. Графики построены по формуле (6) разд. 4. Пример пользования графиками дан в прил. 4.

6. ТАБЛИЦЫ ДОПУСТИМЫХ ГЛУБИН ЗАЛОЖЕНИЯ ТРУБ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ УКЛАДКИ

6.1. Выбор толщины стенки труб при расчете на внешние нагрузки производится по табл. 6. В таблице даны соотношения методу t; R_y; h и способы укладки.

Рис. 4. Графики выбора толщины стенки труб в зависимости от расчетного внутреннего давления и расчетного сопротивления стали для трубопроводов 3-го класса по степени ответственности

6.2. Табл. 6 составлена на основании формул разд. 4 и расчета внешних нагрузок по прил. 3. Примеры пользования таблицей даны в прил. 4.

6.3. При укладке труб на глубину менее 1 м и от 6 до 10 м проводить расчеты по формулам разд. 4. Пример расчета в прил. 4. Окончательно толщина стенки устанавливается с учетом сортамента труб.

Таблица 6