Опыт использования люков смотровых колодцев нового поколения на водопроводных и канализационных сетях г.Москвы

к.т.н. Козлов М.Н.¹, Меньщикова О.А.², Гаврилов Д.В.³, к.т.н. Шнейдеров Г.Р.⁴

1. Козлов Михаил Николаевич, АО «Мосводоканал», начальник управления новой техники и технологий, 115487, г. Москва, пр-т Андропова, д. 38, корп. 4. Тел. 8 (499) 263-93-64, E-mail: kozlov@mosvodokanal.ru.

2. Меньщикова Ольга Альбертовна, АО «Мосводоканал», главный специалист отдела новой техники и технологий управления новой техники и технологий, 115487, г. Москва, пр-т Андропова, д. 38, корп. 4. Тел. 8 (499) 263-92-47, E-mail: menshikova@mosvodokanal.ru

3. Гаврилов Дмитрий Валерьевич, АО «Мосводоканал», главный специалист отдела водопроводной и канализационной сети Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий, 115487, г. Москва, пр-т Андропова, д. 38, корп. 4. Тел. 8 (499) 612-51-68, E-mail: gavrilov_dv@mosvodokanal.ru

4. Шнейдеров Георгий Рафаилович, ЦНИИПСК им.Мельникова, заведующий лабораторией «ЦНИИПСК-ТЕСТ», 117997, Москва, ул.Архитектора Власова, Тел. 8 (499)128-83-26, E-mail: oem@ stako.ru

Нормативные требования

Люки, расположенные на водопроводных и канализационных коммуникациях, являются интегрированными элементами дорожного покрытия. Люк колодца, согласно ГОСТ 3634-99 - это верхняя часть перекрытия колодца, устанавливаемая на опорную часть камеры или шахты и состоящая из корпуса и крышки. Расположение колодцев и камер на трассах сетей водоснабжения и канализации регламентируется требованиями СП 31.13330.2012 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения" (актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84) и СП 32.13330.2012 "Канализация. Наружные сети и сооружения" (актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85).

В ГОСТ 3634-99 "Люки смотровых колодцев и дождеприемники ливнесточных колодцев" определены типы, основные параметры, размеры люков, а также места их установки. Согласно этому документу на территории города предлагаются к установке следующие типы люков:

За последние 20 лет существенно изменились характеристики транспортных потоков, выросли грузоподъемность автотранспорта его скорость и интенсивность движения, выросли динамические нагрузки автотранспорта на дороги и находящиеся на них люки. В Евростандарте EN 124 «Люки сточных и смотровых колодцев для автомобильных и пешеходных районов. Требования к конструкции, испытания, маркировка, контроль качества» представлены высокие требования по выбору класса люков, предъявляемые к этим изделиям Европейским союзом.

Российский ГОСТ 3634–99 разработан на основе EN 124 и соответствует ему в части технических требований к люкам, в том числе нагрузок, применяемых материалов, методов испытаний и маркировки.

Традиционные люки из серого чугуна

Согласно п.5.3 ГОСТ 3634-99 изделия корпуса, крышки, ремонтные вставки люков должны изготавливаться из серого чугуна марки не ниже СЧ20.Свыше 90% всех люков из данного материала выходят из строя ранее проектных сроков, т.е. не соответствуют проектному уровню долговечности. Преждевременный износ приводит к необходимости выполнения дорогих ремонтных работ, которые необходимо проводить в очень сжатые сроки.

Серьезной проблемой при применении серого чугуна является нестабильность прочностных характеристик люков в реальных условиях производства. Процесс структурирования зерен чугуна в ходе остывания литья практически неуправляем и зависит только от состава шихты. Технология производства чугуна разрешает применение металлолома в пределах 20–25% от объема общей зашихтовки, остальное – чушечный первичный чугун. Для обеспечения гарантированной стабильности прочностных качеств люков необходимо применение первичного чугуна гарантированного качества, а при применении металлолома – жесткий контроль его состава. Ни то, ни другое в реальных условиях недостижимо. Вместе с тем технология производства серого чугуна очень уязвима для попадания примесей даже в очень малых количествах. Например, попадание в составе металлолома всего нескольких подшипников на 3-тонную плавку может превратить серый чугун в чугун «с отбелом», хрупкость которого сопоставима с хрупкостью стекла.

Другими недостатками стандартных чугунных люков, кроме повышенной вероятности механического разрушения, являются отсутствие возможности его запирания и привлекательность для криминальных сборщиков металлолома (рис. 1).

Серьезной проблемой, связанной с использованием фланцевых люков обычного типа, опирающихся на бетонную конструкцию колодца, является сложность их эксплуатации в условиях нестационарности поверхности дорожного покрытия. При износе и/или оседании последнего люк выпирает из асфальта, в результате чего под действием динамических нагрузок от тяжелого автотранспорта происходит разрушение опорного кольца, горловины колодца и плиты перекрытия. Далее формируется проседание дорожного полотна и создается опасность для дорожного движения.

Люки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

В Европе люки изготавливаются, как правило, из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) марки не ниже ВЧ-40. Высокопрочный чугун по своим прочностным и деформативным показателям сильно отличается от обычного серого чугуна. Эти свойства получены при модифицировании жидкого чугуна магнием. В результате модифицирования частицы графита в ВЧШГ находятся в виде микросфер, исключая любой риск образования и распространения трещин, одновременно придавая чугуну пластичность (относительная деформация при разрыве 10 %) и прочность (400 МПа при разрыве и 300 МПа условный предел текучести).

Высокопрочный чугун (ВЧ) превосходит по качеству ранее применяемый материал серый чугун СЧ-20. ВЧ-40 в несколько раз прочнее СЧ-20, что позволяет при большей прочности люков изготавливать их более легкими. Высокопрочный чугун по механическим свойствам ближе к высокоуглеродистой легированной стали, чем к чугуну СЧ20. Материал не является хрупким, как СЧ-20, и обладает вязкостью, пластичностью и ударостойкостью (что очень важно при производстве крышек люков). При этом марганцовистый ВЧ-40 (ГОСТ 7293-85) по коррозионной стойкости не уступает СЧ-20.

Технология производства высокопрочного чугуна требует применения специальных легирующих добавок, позволяющих управлять как процессом формирования химсостава сплава, так и процессом структурирования зерен чугуна. При этом попадание случайных примесей в шихту не столь критично, как при производстве серого чугуна, а сам процесс плавки становится контролируемым и управляемым. Иной характер процесса структурировании зерен позволяет гарантировать стабильность прочностных характеристик люков при серийном производстве.

Себестоимость люков из высокопрочного чугуна незначительно (на величину стоимости добавок) превышает стоимость люков из серого чугуна при гарантированном повышении эксплуатационных характеристик.

Разработка и внедрение люков инновационной конструкции в АО "Мосводоканал"

В целях обеспечения безопасности эксплуатации люков, унификации заказываемой продукции при новой установке или замене, в 2012 г. АО «Мосводоканал» было принято решение прекратить приобретение люков из серого чугуна и осуществить переход на установку люков из ВЧШГ, отвечающих утвержденным требованиям АО «Мосводоканал». Учитывая объемы потребности в качественных люках, была поставлена задача разработки оптимальной оригинальной конструкции и дальнейшего серийного изготовления люков из ВЧШГ, выдерживающих нагрузку 40 т.

После изучения нормативно-технической документации, изучения аспектов производства, реализации, проектирования, установки люков, накопленного отечественного и зарубежного опыта были приобретены пять партий лучших образцов люков (всего 50 шт.) разных мировых производителей с различными конструктивными особенностями (рис.2).

Люки были подвергнуты сопоставительным испытаниям на соответствие нормативно-технической документации и заявленным характеристикам. Затем были проведены испытания приобретенных люков в условиях реальной эксплуатации.

Проведенная работа позволила разработать технические требования АО «Мосводоканал» к новой модели люка. Были изготовлены опытные образцы модели и проведены ее технические и эксплуатационные испытания (рис.3).

На основании проведенных инновационных исследовательских и производственных работ специалисты АО «Мосводоканал» разработали технические требования к тяжелым магистральным люкам для колодцев водопроводных и канализационных сетей. Конструкция отличается повышенным уровнем безопасности при движении транспорта на городских дорогах и автомагистралях при любой интенсивности и скорости транспортного потока. Срок эксплуатации элементов металлоконструкций определен не менее 50 лет.

Специалисты АО «Мосводоканал» предложили новое название люков – опорно-укрывной элемент ОУЭ-600 (при установке на горловину колодца) и ОУЭ-СМ-600 (с корпусом «плавающего» типа самонесущей конструкции с опорой на дорожное полотно).

ОУЭ-600 с корпусом обычного типа, опирающиеся на горловину колодца (или доборные кольца), предназначены для установки на городских территориях без асфальтового покрытия, в зонах с покрытием из брусчатки или дорожной плитки (при установке на проезжей части, дворовых территориях, в зонах пешеходных дорожек, тротуаров, в зоне зеленых насаждений). Возможно изготовление круглой и квадратной формы верхней части корпуса.

ОУЭ-СМ-600 с корпусом «плавающего» типа самонесущей конструкции с опорой на дорожное полотно, предназначены для установки на городских территориях с асфальтовым покрытием (при установке на проезжей части городских автомобильных дорог, на автостоянках, дворовых территориях, тротуарах, пешеходных дорожках). Опорно-укрывные элементы могут быть двух типов в зависимости от высоты корпуса - 140 и 200 мм.

Применение «плавающего» корпуса позволяет уменьшить удельную нагрузку на железобетонную конструкцию колодца на 85%, т.е. конструкция колодца возьмет на себя лишь 15% нагрузки, которая создавалась при использовании обычного фланцевого корпуса, остальные 85% равномерно перераспределятся на общую поверхность дорожного полотна. Еще одним важным преимуществом люков с «плавающим» корпусом является то, что при его монтаже сам корпус запрессовывается в асфальтовое покрытие. «Плавающая» конструкция люка не выступает над дорогой, а "дышит" вместе с дорожным покрытием. Это позволяет сохранить качество поверхности дороги, обеспечить постоянное стабильное положение люка на одной линии поверхности с дорожным покрытием, независимо от различных температурных колебаний и нагрузок. ОУЭ-СМ-600 идеально подходит для замены старых люков на новые в связи с достаточно простым и быстрым способом монтажа, обеспечивающим стабильное положение люка на одной линии поверхности с дорожным полотном.

Технические требования к опорно-укрывным элементам внесены в качестве приложения в утвержденные «Технические требования АО «Мосводоканал» к проектированию объектов водоснабжения и водоотведения в г.Москве при новом строительстве и реконструкции».

Общие требования к конструкции ОУЭ-600, в частности, следующие:

• ОУЭ-600 должны выдерживать испытательную нагрузку 40 тс;
• Внутренний диаметр корпуса ОУЭ-600 не менее 600 мм;
• Корпуса ОУЭ-600 изготавливаются методом точного литья, обеспечивающим необходимую геометрию посадочного места:
• допускаемое отклонение плоскостности не более 1 градуса;
• допускаемое отклонение высоты не более 1 мм;
• зазор по периметру между крышкой и корпусом не должен превышать 3 мм с каждой стороны.

• Для снижения ударных нагрузок на ОУЭ-600 (во избежание контакта металл/металл между корпусом и крышкой) и исключения затопления колодцев поверхностными водами, между крышкой и корпусом по окружности устанавливается эластичное уплотнение, профилированной формы и зафиксированное по внутреннему периметру бокового выступа корпуса;
• Фиксация крышки ОУЭ-600 в корпусе в закрытом положении должна осуществляться посредством шарнира (без болтов, шпилек и т.д.) и пружинящей защелки (защелок), отливаемых совместно с крышкой. Применение поворотных запорных устройств для фиксации не предусматривается;
• Угол полного открытия крышки ОУЭ-600 - не менее 100°;
• Конструкция шарнира предусматривает отсоединение крышки от корпуса в открытом положении;
• Во избежание самопроизвольного закрытия крышки ОУЭ-600 конструкция шарнира предусматривает ее автоматическую фиксацию. Закрытие крышки из зафиксированного открытого положения, производится посредством ее поднятия для освобождения фиксации в шарнире и последующего перемещения в горизонтальное положение.

Все требования преследуют еще одну важную цель - унификация изделий. Существующее сегодня большое разнообразие моделей крышек люков по количеству выступов-ушек, форме паза, наличию уплотнения и т.д. значительно затрудняет их замену при повреждении или хищении, посколькуприходится заменять весь люк с корпусом.

Работы по изготовлению первой модели отечественного опорно-укрывного элемента проводились на заводе "Тяжпрессмаш" в г.Рязань. ОУЭ выпускаются из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) и соответствуют требованиям ГОСТ 3634-99 и европейскому стандарту EN124 (рис.3). Серийное производство ОУЭ-600 и ОУЭ-СМ-600, соответствующих техническим требованиям АО «Мосводоканал», в настоящее время освоено на нескольких российских предприятиях, что позволило существенно снизить их первоначальную стоимость.

Литература:

1. ГОСТ 3634-99 «Люки смотровых колодцев и дождеприемники ливнесточных колодцев. Технические условия».
2. EN 124 «Горловины сточных и смотровых колодцев для проезжей части дорог и пешеходных зон. Требования к проектированию, испытаниям, маркировке и контролю качества».
3. Технические требования АО «Мосводоканал» к проектированию объектов водоснабжения и водоотведения в г.Москве при новом строительстве и реконструкции.
4. Регламент по установке люков и ремонту колодцев на водопроводной и канализационной сети АО «Мосводоканал».