Как правильно рассчитать и подобрать диаметр труб для прокладки кабеля

В этой статье мы расскажем о трех самых простых и популярных формулах расчета диаметра труб при прокладке кабеля в земле или на воздухе. В зависимости от длины участков и углов изгибов необходимо будет применить правильный метод расчета. Ниже вы найдете примерную сводную таблицу по подбору трубы для конкретных ситуаций.
Несмотря на относительную точность формул и подбора мы всегда рекомендуем обратиться к нам за бесплатным расчетом и подбором труб. Это позволит вам избежать ошибок при проектировании электрических магистралей.

Типоразмеры труб ПРОТЕКТОРФЛЕКС^®

Классификация безнапорных труб традиционно производится не по величине стандартного размерного отношения (SDR), а по классу кольцевой жесткости (SN). Принципиальное отличие SDR и SN в том, что SDR — это геометрическая характеристика трубы (отношение внешнего диаметра трубы к толщине ее стенки), тогда как  SN — это механическая характеристика.

Кольцевая жесткость SN позволяет судить о свойствах трубы сопротивляться давлению грунта и определяется как нагрузка на трубу (кН/м2), при которой труба сдавливается на 3% от своего диаметра. Величина SN зависит не только от диаметра трубы и толщины ее стенки, а еще и от модуля упругости E материала при сжатии.

Маркировка трубы для прокладки кабельной линии должна включать в себя диаметр трубы D, толщину стенки e, кольцевую жесткость SN, предельное усилие тяжения F_1MAX, длительно допустимую температуру T, при которой кольцевая жесткость сохраняется не менее всего срока службы кабеля.

Параметры D, e, SN и T должны контролироваться при поставках труб на строящиеся объекты. Значение F_1MAX может потребоваться позже — уже на стадии выполнения работ по затяжке труб в буровой канал, когда оператор ГНБ установки будет контролировать фактическое усилие тяжения F и прерывать процесс затяжки пучка из N труб в случае F > 0,5 · N · F_1MAX с целью не допустить обрыва трубы.

На рисунке 1 показана труба внешнего диаметра D и толщины стенки e, внутри которой проложен кабель внешним диаметром d. Согласно нормативным документам, при выборе внешнего диаметра труб следует придерживаться следующего правила:

Толщина стенки трубы e определяется в ходе механических расчетов на основе основной информации об условиях прокладки трубы и опирается на понятие кольцевой жесткости SN. 

Рисунок 1.  Полимерная труба с кабелем: без давления грунта (а), с давлением грунта (б)

Связь толщины стенки и кольцевой жесткости устанавливается выражением:

где  E — модуль упругости материала трубы при сжатии.

Толщина стенки трубы e (мм) в зависимости от диаметра трубы D (мм) и кольцевой жесткости SN (кН/м²)

* Производятся в однослойном исполнении

Примечание: Внешний диаметр труб ПРОТЕКТОРФЛЕКС® ПРО указан без учета толщины защитного покрытия.

Существует два основных способа размещения труб в грунте — это укладка в предварительно подготовленную траншею (рисунок 2а) или затяжка труб в грунт в подготовленный канал, чаще выполняемый горизонтально-направленным бурением (рисунок 2б). В обоих случаях расчет трубы построен на понятии кольцевой жесткости SN, на основе которой можно определить не только толщину стенки трубы, но и предельное усилие тяжения трубы при ее затаскивании в буровой канал.

Рисунок 2.  Основные способы прокладки полимерных труб: траншейный (а), метод ГНБ (б)

Выбор кольцевой жесткости труб

Вертикальное давление грунта (и транспорта) на трубу является силой, приложенной к трубе и стремящейся вызвать ее овальность, однако возникающий «отпор грунта», расположенного по бокам трубы, стремится вернуть форму поперечного сечения трубы к исходному круглому. Плотный грунт по бокам трубы — это фактор, повышающий ее механическую прочность.   

где q и SN  измеряются уже в кН/м2, а  E'_S — фактор жесткости грунта, который называется секущим модулем грунта (МПа).

Секущий модуль грунта  E'_S зависит от типа грунта, которым засыпается труба, и степени его уплотнения. Как правило, для этих целей используется песок, и тогда рекомендуется использовать данные таблице.  

Вертикальная нагрузка на трубу (кН/м2) складывается из трех составляющих:

где q_r — нагрузка от веса грунта (кН/м²); q_AT — нагрузка от автотранспорта (кН/м²); q_ЖТ — нагрузка от ж/д транспорта (кН/м²). 

Нагрузка от грунта в наиболее неблагоприятном случае, когда на трубу давит весь столб грунта высотой Н, 

где ρ_r — удельный вес грунта (обычно не более 2 т/м³); g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения; H — глубина расположения трубы под землей (м).

Нагрузка от транспорта может быть определена как

Результаты расчета предельной глубины заложения труб Н даны в таблице ниже. Видно, что при прокладке труб в траншеях опасно применять трубы с кольцевой жесткостью менее 8 и нет необходимости применять трубы с SN более 64.

Предельная глубина H (м) при прокладке открытым способом под газонами / скверами / автодорогами

Выбор предельных усилий тяжения

При прокладке методом ГНБ трубы подвергаются двум видам воздействий: во-первых, продольным силам тяжения F, которые возникают при протаскивании трубы в буровой канал; во-вторых, вертикальному давлению грунта и транспорта уже в процессе эксплуатации трубы. Выбор кольцевой жесткости и толщины стенки определяется главным образом усилиями тяжения.

Усилие тяжения трубы F создает силы трения, возникающие из-за утяжеления трубы под действием навалившегося на трубу грунта вследствие плохого закрепления стенок бурового канала буровым раствором (бентонит) или даже полной невозможности закрепления (плывуны, тяжелый сценарий).

где qr — вес грунта в кН/м2; DЭКВ — эквивалентный диаметр протаскиваемой плети труб; µ — коэффициент трения полимерной трубы о грунт (обычно равен 0,2).

Проверка допустимости усилий тяжения F, возникающих при затягивании трубы (плети труб) в буровой канал, выполняется следующим образом

где 0,5 — коэффициент запаса;  N — число труб в плети (одна или четыре); F_1MAX — предельное усилие тяжения каждой трубы (кН), которое может быть найдено как

где D и e — внешний диаметр и стенка трубы (в мм);  σ — предел текучести материала трубы (МПа).

Предельные усилия тяжения F_1MAX  приведены в таблице ниже

Предельное усилие тяжения трубы F_1MAX (кН) в зависимости от диаметра трубы D (мм) и кольцевой жесткости SN (кН/м²)

Примечание. При затяжке полимерной трубы в грунт усилия тяжения рекомендуется ограничивать безопасным уровнем 0,5F_1MAX.

Предельная длина трубы, которую еще можно затянуть в буровой канал без риска ее недопустимого растяжения или даже обрыва,

В таблице ниже представлены оценки предельной длины бурового канала L_ГНБ  в зависимости от числа труб и сценария бурения.

Оценки предельной длины бурового канала L_ГНБ (м) в зависимости от числа труб N