Трубы из высокопрочного чугуна для систем водоснабжения и водоотведения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ

С.В. Храменков, А.Д. Алиференков, О.Г. Примин

ТРУБЫ

ИЗ ВЫСОКОПРОчНОГО чУГУНА
ДЛЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБжЕНИЯ
И ВОДООТВЕДЕНИЯ

Москва 2017

2-е издание (электронное)

УДК 628.1.033
ББК 39.71
          Х89

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ

Р е ц е н з е н т ы :
доктор технических наук, профессор В. Н. Швецов, 
руководитель отдела ОАО «НИИ ВОДГЕО»;
доктор технических наук, профессор В. А. Орлов, 
заведующий кафедрой водоснабжения ФГБОУ ВПО «МГСУ»

Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом МГСУ

Храменков, С.В. 

Х89          Трубы из высокопрочного чугуна для систем водоснабжения и водоотве
дения [Электронный ресурс] : монография / С. В. Храменков, А. Д. Алиференков, О. Г. Примин ; Мин-во образования и науки Рос. Федерации, 
Моск. гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл 
pdf : 194 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — (Библиотека 
научных разработок и проектов НИУ МГСУ) — Систем. требования: 
Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1549-9 

Рассмотрены комплексные вопросы применения при проектировании, строительстве и эксплуатации систем транспорта воды отечественных труб из высокопрочного чугуна. Приведены сравнение труб из высокопрочного чугуна с трубами 
из других материалов; методики прочностного и гидравлического расчетов подземных трубопроводов из высокопрочного чугуна, требования к выбору типоразмеров и классов прочности труб; описаны монтаж трубопроводов и фасонных 
частей, ремонтные работы на трубопроводах, организация технического надзора 
в период проведения работ по прокладке и перекладке трубопроводов из высокопрочного чугуна; указаны свойства, прочностные показатели труб и соединительных 
частей из высокопрочного чугуна, способы их соединения, сведения о производителях труб. Представлены сведения по проектированию и строительству подземных трубопроводов способом горизонтально-направленного бурения с применением труб из высокопрочного чугуна; практический опыт Московского 
водоканала по строительству и эксплуатации труб из высокопрочного чугуна, 
зарубежные и отечественные стандарты и требования к трубам, а также опыт отечественных предприятий и организаций, осуществляющих работы по строительству трубопроводов из высокопрочного чугуна.

Для широкого круга проектировщиков, строителей, специалистов эксплуатирующих организаций, занимающихся прокладкой и ремонтом трубопроводных 
коммуникаций, студентов вузов строительного профиля.

УДК 628.1.033
ББК 39.71

ISBN 978-5-7264-1549-9 
©  Национальный исследовательский

Московский государственный 
строительный университет, 2015

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Трубы из высокопрочного чугуна для систем водоснабжения и водоотведения [Электронный 
ресурс] : монография / С. В. Храменков, А. Д. Алиференков, О. Г. Примин ; 
Мин-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : 
Издательство МИСИ—МГСУ, 2015. — 192 с. — ISBN 978-5-7264-1000-5.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ВВедение

Надежность и экологическая безопасность — одни из основных требо
ваний, предъявляемых к городским системам водоснабжения. В отличие 
от развитых стран Запада существовавшая долгие годы в России практика 
строительства инженерных коммуникаций была основана на нормативной базе, основным принципом которой было требование минимизации 
капитальных затрат и стоимости строительно-монтажных работ. При этом 
не учитывались требования надежности по применяемым материалам, условия эксплуатации трубопроводов и организационно-технические возможности эксплуатационных организаций. Именно по этим причинам подавляющее большинство трубопроводов городских водопроводных сетей 
в РФ проложено из стальных труб, изготовленных из наиболее дешевых 
марок стали и не защищенных от внешней и внутренней коррозии.

Мировой и отечественный опыт применения стальных труб в грунтах 

разной коррозионной агрессивности как в отсутствии, так и при наличии опасного действия блуждающих токов доказал необходимость дорогостоящей комплексной защиты от коррозии, включающей антикоррозионные покрытия и катодную защиту.

Большое значение в решении проблемы обеспечения надежности 

трубопроводов транспорта питьевой воды имеет грамотный выбор материалов труб. Долгие годы основными материалами труб для использования в централизованном водоснабжении были сталь и чугун.

Чугун и его применение известны человечеству с древних времен. Чу
гун — это сплав железа с углеродом (более 2 %), в котором углерод присутствует в виде вторичной фазы: либо графита, либо карбида железа. 
Другие химические элементы (помимо железа и углерода) содержатся 
в чугуне в низких пропорциях, но также оказывают влияние на структуру — механические и литейные свойства чугуна. В зависимости от состояния углерода в структуре различают чугун:

— белый, в котором весь углерод находится в связанном состоянии 

в виде карбида железа;

— серый, в котором углерод в значительной степени или полностью 

находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита;

— высокопрочный, в котором углерод в значительной степени или пол
ностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;

— ковкий, в котором весь углерод, или его значительная часть, нахо
дится в свободном состоянии в форме хлопьеобразного графита.

Посвящается профессору, доктору технических наук 

Клейну Георгию Константиновичу

Первые трубы из серого чугуна были изготовлены более 500 лет на
зад и предназначались, прежде всего, для подачи питьевой воды и отвода сточной жидкости. В 1921 г. металлурги установили, что при наличии 
кристаллов графита шаровидной формы можно достичь лучших характеристик прочности чугуна. Этот вид чугуна получил название высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ). В высокопрочном чугуне 
исключается возможность распространения трещин, так как графит имеет 
форму сферы, и такой чугун обладает значительно более высокой прочностью при растяжении и изгибе, чем серый чугун. 

Изготовленные из высокопрочного чугуна трубы применяются в миро
вой практике уже более 50 лет и являются одними из самых перспективных 
на сегодняшний день, исходя из соотношения «цена + качество + экологическая безопасность». Следует отметить, что анализ имеющихся данных по надежности трубопроводов централизованных систем питьевого 
водоснабжения в развитых странах Северной Америки и Европы (Канада, США, Германия, Франция)  показал, что эти страны имеют одни из 
самых надежных систем водоснабжения в мире [31, 34, 35, 36, 37, 40, 41]. 
Это обусловлено в первую очередь  широким применением в этих странах 
в последние 40 лет трубопроводов из высокопрочного  чугуна. Эти трубы 
сочетают в себе уникальные свойства: коррозионную стойкость чугуна; 
механические свойства стали (пластичность, прочность на разрыв, ударопрочность, высокое относительное удлинение). 

Считая приоритетной задачей обеспечение надежности и экологиче
ской безопасности трубопроводов Московского водопровода, в последние 
годы ОАО «Мосводоканал» совместно с ОАО «Институт МосводоканалНИИпроект», ООО «Аквадизайн» и Московским государственным строительным университетом проводят комплексные исследования по оценке 
надежности трубопроводов городской водопроводной сети. Был собран 
и обработан с использованием ЭВМ обширный статистический материал по эксплуатации трубопроводов различных материалов и годов укладки 
[29, 30, 31, 32, 34].

Результаты этих исследований подтвердили надежность труб из высоко
прочного чугуна и легли в основу требований по выбору этого вида труб 
для системы питьевого водоснабжения г. Москвы.

Широкое применение в системах централизованного водоснабжения 

и напорной канализации городов России труб из высокопрочного чугуна 
до недавнего времени сдерживало отсутствие полноценной нормативнометодической базы и технической литературы по проектированию, строительству и эксплуатации этих труб. Существующие СНиПы не содержат 
никаких сведений по этому вопросу [1, 2, 4].

Разработанный ОАО «МосводоканалНИИпроект», ОАО «Мосводока
нал», ЛМЗ «Свободный Сокол», ООО «Аквадизайн» Свод правил «Проектирование, строительство напорных сетей водоснабжения и водоот

ведения с применением высокопрочных труб из чугуна с шаровидным 
графитом» (СП 66.13330.2011) в значительной мере восполнил недостатки 
с нормативной базой по трубам из высокопрочного чугуна [5].

Однако небольшой опыт использования этого нормативного доку
мента, особенности прокладки и эксплуатации труб из высокопрочного 
чугуна в условиях загруженного подземного пространства крупных городов России, наличие блуждающих токов и почвенной коррозии требуют проведения дополнительных исследований в части применения труб 
из высокопрочного чугуна, анализа опыта их эксплуатации, совершенствования методик прочностных и гидравлических расчетов, методов 
прокладки и ремонта этих труб. Актуален и вопрос применения труб из 
высокопрочного чугуна для бестраншейной прокладки (без проведения 
земляных работ). 

Учитывая это, в книге рассмотрены вопросы, касающиеся примене
ния при проектировании, строительстве и эксплуатации систем транспорта воды отечественных труб из высокопрочного чугуна под соединения “Tyton” (80...1000 мм) и “RJ” (80...500 мм). Анализируется опыт 
эксплуатации труб из высокопрочного чугуна на Московском водопроводе, сравниваются надежностные и технико-экономические показатели труб из высокопрочного чугуна и труб других материалов. Приведены 
классификация труб, даны сведения об их производителях, отечественной и зарубежной нормативной базе, указаны основные прочностные 
показатели труб, соединительных частей и способы их соединения. 
Рассмотрены также правила хранения и транспортировки труб, вопросы монтажа и испытания трубопроводов, а также техники безопасности 
при их монтаже. Приведены методики расчета на прочность подземных 
трубопроводов из высокопрочного чугуна при комбинированных нагрузках от воздействия внутреннего давления воды, приведенных внешних нагрузок от грунта и транспорта, определены коэффициенты запаса 
прочности при работе трубы в пределах упругости. Приведены методики 
гидравлического расчета трубопроводов водоснабжения и водоотведения труб из высокопрочного чугуна, а также выбор типоразмеров и классов прочности этих труб  при подземной прокладке в грунте. Рассмотрен 
практический пример расчета на прочность трубы из высокопрочного 
чугуна диаметром 600 мм.

Значительная часть книги посвящена применению труб из высоко
прочного чугуна для надземной прокладки напорных трубопроводов 
различного назначения диаметром 80...500 мм. Приведены рекомендуемые конструкции железобетонных опор с профилированным основанием на поверхности земли, опор и стоек при прокладке труб через каналы 
и другие препятствия.

Заключительная часть книги посвящена проектированию, строитель
ству, монтажу и эксплуатации вновь строящихся сетей холодного водо

снабжения и напорной канализации, прокладываемых бестраншейным 
методом — способом горизонтально-направленного бурения (ГНБ) 
с применением труб из высокопрочного чугуна диаметром 80...300 мм 
с раструбным соединением “RJ”.

При подготовке книги использован практический опыт ОАО «Мос
водоканал» по строительству и эксплуатации труб из высокопрочного чугуна (Е.В. Шушкевич, Т.О. Дудченко), разработки ОАО «Липецкий металлургический завод “Свободный сокол”», (А.В. Минченков), 
АКХ им. К.Д. Памфилова (Е.Г. Кузнецова), зарубежные стандарты и требования к трубам из высокопрочного чугуна, а также опыт отечественных специализированных предприятий и организаций, осуществляющих работы по строительству трубопроводов из высокопрочного чугуна. 
Этим организациям и специалистам разработчики выражают глубокую 
благодарность. 

Термины и определения. В соответствии с ГОСТ Р ISO 2531-2008 «Тру
бы, фитинги, арматура и их соединения из чугуна с шаровидным графитом для водо- и газоснабжения. Технические условия» [10]:

1. Высокопрочный чугун — тип чугуна, в котором графит присутству
ет преимущественно в шаровидной форме.

2. Труба — отливка с равномерным каналом, с прямой осью, имеющая 

раструбные, охватываемые или фланцевые концы.

3. Соединительная часть — присоединяемая к трубе отливка, которая 

обеспечивает отклонение, изменение направления трубопровода или 
канала. Фитинги и арматура, за исключением запорной и предохранительной, являются соединительными частями.

4. Фланец — плоский круглый конец трубы или соединительной ча
сти, расположенный перпендикулярно их оси, с отверстиями под болты, 
равномерно расположенными по окружности.

5. Узкая втулка; муфта — соединительная деталь, используемая для со
единения в месте охватываемых концов труб или соединительных частей.

6. Гладкий конец — конец трубы или соединительной части, помеща
емый в раструбное соединение.

7. Раструб — конец трубы или соединительной части, охватывающий 

гладкий конец трубы или соединительной части.

8. Прокладка — уплотняющий элемент соединения.
9. Соединение — связь между концами труб и/или соединительными 

частями, в которой прокладка используется в качестве уплотнения.

10. Фиксированное соединение — соединение, в котором предусмотре
но средство, предотвращающее разъединение собранного соединения.

11. Фланцевое соединение — соединение между двумя фланцевыми 

концами.

Принятые условные обозначения в расчетных формулах

DH — наружный диаметр труб, мм

DВ — внутренний диаметр труб, мм

DСР — средний диаметр труб, мм

rСР — средний радиус труб, мм

rВ — внутренний радиус труб, мм

h — толщина стенки труб, мм

H — глубина заложения трубопровода до верха трубы, м

В — ширина траншеи на уровне верха трубы, мм

В1 — ширина траншеи по дну, мм

ВСР — ширина траншеи на глубине Н/2 от поверхности, мм

m3,0 — заложение откоса

γ — объемный вес грунта засыпки, кН/м3

γСК — объемный вес скелета грунта, кН/м3

γГ — объемный вес материала труб, кН/м3

γН — объемный вес наполнителя (воды), кН/м3

Е — модуль упругости материала труб, МПа

ν — коэффициент Пуассона

ЕГР — модуль деформации грунта засыпки, МПа

ЕО — модуль деформации грунта основания, МПа

РГР — параметр, характеризующий жесткость грунта засыпки, МПа

РЛ — параметр, характеризующий жесткость трубы, МПа

КТР — коэффициент «зависания», учитывающий действие сил трения 

между засыпкой и стенками траншеи

ψ — коэффициент, учитывающий разгрузку трубы грунтом, находя
щимся между стенками траншеи и трубопроводом

χ — коэффициент выступания, т.е. часть вертикального наружного 

диаметра в долях единицы, находящаяся выше плоскости основания 
траншеи

2α — двойной угол охвата трубы основанием

λТР2∙λН — коэффициенты бокового давления грунта соответственно 

при укладке труб в траншее и насыпи

μ — динамический коэффициент подвижной транспортной нагрузки

q — равномерно распределенное давление от подвижной транспорт
ной нагрузки, кН/м2

Р — допустимое внутреннее давление при совместном действии внеш
них и внутренних нагрузок, МПа

Р0 — несущая способность на прочность — допустимое внутреннее 

давление при отсутствии внешних нагрузок, МПа

QГ.В. — нагрузка от давления грунтовых вод, кН/м

n — коэффициент перегрузки

m — общий коэффициент условий работы трубопровода

Q1 (Q1Г) — равнодействующая расчетной вертикальной (горизонталь
ной) нагрузки от давления грунта, кН/м

Q2 (Q2Г) — равнодействующая расчетной вертикальной (горизонталь
ной) нагрузки от наземного транспорта, кН/м

Q3 — равнодействующая расчетной вертикальной нагрузки от соб
ственной массы трубопровода, кН/м

Q1 — равнодействующая расчетной вертикальной нагрузки от массы 

наполнителя, кН/м

qКР — предельная величина внешнего радиального давления, которое 

труба выдерживает без потери устойчивости круговой формы поперечного сечения, МПа

QПР — внешняя приведенная нагрузка, кН/м

Q0 — несущая способность трубы — допустимая внешняя нагрузка при 

отсутствии внутреннего давления, кН/м

Мв' — расчетный изгибающий момент от вертикального давления 

грунта и транспорта, кН/м

Мв'' — расчетный изгибающий момент от собственной массы трубо
провода и воды, кН/м

Mr — расчетный изгибающий момент от действия горизонтальных на
грузок, кН/м

M — суммарный изгибающий момент от вертикальных и горизон
тальных внешних нагрузок, кН/м.

Глава 1

проблема надежности

ВодопроВодных трубопроВодоВ

Надежность и экологическая безопасность труб — одни из основных 

требований, предъявляемых к водопроводным трубопроводам. Практика 
эксплуатации городских систем водоснабжения показывает, что нарушения нормального уровня водоснабжения связаны  в основном с повреждениями (отказами) на участках трубопроводов городской водопроводной 
сети — наиболее функционально значимых и уязвимых элементов системы водоснабжения города [16, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 42, 53, 55].

По протяженности подземных трубопроводов Россия занимает вто
рое место в мире. В настоящее время в эксплуатации находится свыше 
2 млн км наружных трубопроводов, в том числе около 700 тыс. км  трубопроводов централизованных систем водоснабжения и водоотведения 
городов и поселений России и около 3 млн км внутридомовых трубопроводов. Значительная часть труб — стальные [33] (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура материалов труб 

в системах централизованного водоснабжения России:

1 — с наружной изоляцией; 2 — с внутренней и наружной изоляцией; 3 — с внутренней 
цементной облицовкой; 4 — чугунные; 5 — с шаровым графитом; 6 — железобетонные 

напорные; 7 — пластмассовые; 8 — асбестоцементные; 9 — железобетонные безнапорные; 

10 — керамические

По данным Минрегиона РФ подавляющее большинство трубопрово
дов водопроводных сетей городов РФ (более 60 %) имеют на сегодняшний день значительный физический износ, что приводит к большим потерям воды.

В Российской Федерации по статистическим данным одна треть во
допроводных сетей нуждается в замене [55] (рис. 1.2) [33].

Рис. 1.2. Состояние трубопроводов систем водоснабжения 

по видам материалов труб

В последние годы наше общество пожинает плоды прежней госу
дарственной политики в области строительства и ремонта инженерных 
систем жизнеобеспечения города. Долгие годы планирование и осуществление строительства трубопроводов водопровода и канализации 
осуществлялось без учета требований надежности по применяемым материалам и организационно-технических возможностей эксплуатационных организаций [16, 29, 30, 31].

К причинам низкой надежности трубопроводов городов России, из
вестным и появившимся не за один день, относятся: 

— износ трубопроводов;
— низкое качество и отсутствие надежных и долговечных труб;
— низкая коррозионная устойчивость значительного числа трубопро
водов (материал большинства труб — низкоуглеродистая сталь); 

— несоблюдение технологии производства работ по укладке и монта
жу трубопроводов в период массового жилищного строительства; 

— отсутствие необходимых мер при прокладке стальных трубопро
водов по защите трубопроводов от агрессивного воздействия внешней 
и внутренней среды;