В настоящее время для производства труб используются самые разные материалы: металлы, пластмассы, керамика, асбестоцемент, бетон и композиции из нескольких материалов. Каждый материал и системы трубопроводов из них имеют свои достоинства и недостатки.
Чтобы сориентироваться в этом многообразии и выбрать нужный тип трубы, необходимо знать цель использования трубопровода, параметры его работы и требуемую долговечность. Долговечность часто является камнем преткновения, т.к. возникает дилемма: если труба дешевая, то она недолговечная, и наоборот. Ремонт трубопроводов – серьезная проблема, сопряженная с большими затратами. Поэтому может оказаться, что большие единовременные затраты во время строительства помогут сэкономить ваши деньги на ремонте. Еще одна не менее важная проблема – сложность монтажа системы трубопровода и связанные с ней затраты.
Рассматривать свойства труб целесообразно по виду материала, из которого они изготовлены, т.к. вид материала определяет эксплуатационные характеристики трубы, ее долговечность, методы монтажа и, естественно, стоимость. Каждая из вышеназванных систем трубопроводов должна применяться инженерами- проектировщиками в зависимости от конкретных условий эксплуатации и технико-экономических расчетов.
В системах наружнего водоснабжения во всем мире, в том числе и в России, наиболее широко применяемыми материалами для изготовления труб являются высокопрочный чугун и полимерные материалы, такие как полиэтилен и поливинилхлорид.
Для рационального выбора материала труб для сетей водоснабжения и канализации постараемся кратко сравнить как краткосрочные, так и долгосрочные структурные и эксплуатационные качества труб из ВЧШГ и полимерных труб из ПВХ и полиэтилена высокой плотности.
Полимерные трубы имеют жесткие ограничения по рабочему давлению, напрямую зависящему от средней температуры всего срока эксплуатации и от максимального диаметра трубы. И с этими ограничениями приходится считаться. Расчет эксплуатационных характеристик производится в соответствии с требованиями стандарта ISO 13760 “Пластмассовые напорные трубы для транспортировки жидкостей. Правило Майнера. Метод расчета накопленных повреждений”.
Поэтому, факторы надежности и прочности полимерных труб в значительной мере зависят от температуры, условий укладки, нагрузок и целого ряда других факторов. Полимерные трубы под воздействием циклических нагрузок имеют меньший фактор надежности, чем под воздействием статических нагрузок.
Для стабильной и надежной работы полимерных труб в сетях водоснабжения необходима установка регуляторов давления и температуры, а также неукоснительное выполнение требований по устройству траншей, уплотнению подушки и обратной засыпки труб.
Гибкие трубы, к которым относится большинство пластиковых труб, включая стеклопластиковые и полиэтиленовые, наиболее чувствительны к условиям укладки – только порядка 20% нагрузок выдерживается напрямую трубой, остальное распределяется на окружающий грунт (в случае труб ВЧШГ – наоборот).
Вследствие вышеназванного, функционирование всей системы из пластмассовых труб находится в очень большой зависимости от квалификации подрядчика и правильности выполнения им процедур укладки; уже построенная и введенная в эксплуатацию полимерная система требует сохранения изначальных условий укладки.
Наличие грунтовых вод или работы, проводящиеся поблизости, старение характеристик материала – все это может нарушить первоначальный баланс взаимодействия “труба – окружающий грунт”.
Трубы из высокопрочного чугуна относятся к классу полужестких труб, а значит, наиболее подходят для подземного заложения, вследствие равномерного распределения нагрузок вокруг трубы, и прекрасных механических свойств.
Механические свойства труб из высокопрочного чугуна почти такие же, как у стальных труб, и намного выше, чем у любых пластиковых труб. Очень важно отметить, что эти свойства не подвержены ухудшению со временем, что является проблемой для полимерных труб.
Трубы ВЧШГ не боятся также точечных нагрузок (проблемы для пластмассовых трубопроводов), ударов, вакуума (проблемы тонкостенных труб и пластиковых труб неподходящей жесткости), гидравлических ударов и т.д.
Трубы ВЧШГ имеют стыковые раструбные соединения со специальной формой прокладки и раструба. Преимущества данных соединений заключаются в способности стыка оставаться герметичным при любом давлении, выдерживаемом самой трубой, и возможности углового поворота (3-5°), что придает гибкость секции собранного трубопровода и позволяет выполнять повороты большого радиуса без использования фасонных частей, что мы уже видели в середине данного сообщения.
В связи с вышеизложенным стоит отметить следующие факторы в отношении полимерных труб:
1) уровень аварийности полиэтиленовых труб в два раза выше по сравнению с трубами ВЧШГ. Пластмассовые трубы не обладают жесткостью – высокой сопротивляемостью раздавливанию – и имеют большой коэффициент линейного расширения. Повышенные внешние нагрузки на гибкую трубу приводят к ее деформации и увеличению овальности поперечного сечения трубы;
2) возможности производства строительно-монтажных работ на пластмассовых трубопроводах ограничены. Монтаж водопроводов из ПВХ и ПЭ труб следует проводить (согласно инструкциям производителей) при температуре воздуха не ниже -5 °С. С понижением температуры пластические свойства пластмассовых труб резко ухудшаются, поэтому должны соблюдаться повышенные требования по их транспортировке, разгрузке, хранению, монтажу и сварке. Так, например, при использовании пластмассовых труб техническими условиями устанавливается необходимость их теплоизоляции дорогостоящим листовым ячеистым стиролом, установка палаток для утепления и т. п.;
3) техническая база и условия прокладки пластмассовых труб за рубежом резко отличаются от российских. Для России характерна необходимость выполнения строительно-монтажных работ по прокладке и перекладке труб в зимнее время;
4) на российских водопроводах установлена отечественная запорная арматура (задвижки, поворотные затворы), которая не всегда обеспечивает полное перекрытие воды. Это ставит под сомнение возможность проведения качественных сварочных работ, особенно при отрицательной температуре воздуха;
5) прокладка полиэтиленовых труб открытым способом требует выполнения большого, длительного и дорогостоящего объема подготовительных работ, что не всегда возможно в условиях плотной городской застройки, а в условиях большого насыщения подземного пространства инженерными коммуникациями – очень затруднена и приводит к значительному удорожанию строительно-монтажных работ. Например, европейские технические условия по прокладке пластмассовых труб регламентируют использование для обсыпки труб не вынутый грунт, а специально подготовленный песок или грунт с размером фракций менее 22 мм (запрещается также использование для обсыпки труб замерзшего грунта);
6) и, наконец, для труб, используемых в системах питьевого водоснабжения, чрезвычайно важно гарантированное сохранение в течение длительного времени их прочностных характеристик, долговечности и обеспечение требуемого качества транспортируемой воды, что нельзя сказать о полимерных трубах.
Опыт практического применения показал, что трубы из ВЧШГ имеют высокие прочностные и деформационные показатели, близкие к показателям стальных труб, но по своей коррозионной стойкости значительно превосходящие стальные.
Многие страны мира ввели технические регламенты, рекомендующие применение труб ВЧШГ в загрязненных территориях, к которым относятся урбанизированные местности, индустриальные области, участки бывших и действующих бензозаправочных станций, пункты по химической очистке, химзаводы, лакокрасочные и другие предприятия с вредными условиями воздействия на окружающую среду, бытовые и промышленные свалки, места добычи и транспортировки нефти, бензина, дизельного топлива, терминалы для их переработки и погрузки и прочие промышленные производства.
Этими документами предусмотрен целый комплекс мероприятий по оценке степени загрязненности участков для укладки труб, концентрации загрязняющих веществ, а также даны рекомендации по видам материалов труб для водоснабжения на опасных участках.
Больший внутренний проходной диаметр труб ВЧШГ по сравнению с полиэтиленовыми трубами (при одинаковом наружном диаметре) в сочетании с низким коэффициентом шероховатости позволяют значительно снизить затраты на перекачку транспортируемой жидкости вследствие экономии электроэнергии и обеспечивают возможность прокачки по трубам ВЧШГ больших объемов жидкости.
При равных наружных диаметрах сравниваемых труб площадь внутреннего проходного сечения труб ВЧШГ с цементным покрытием превышает площадь проходного сечения полиэтиленовых труб из ПЭ 100 на 7 – 15 % в диапазоне диаметров от 150 до 300 мм соответственно. Трубопровод из ВЧШГ ежегодно экономит значительные суммы на протяжении всего срока службы благодаря большему номинальному внутреннему диаметру, и меньшим затратам на перекачку. Благодаря меньшей потере напора в трубах из ВЧШГ, замещающие их трубопроводы из других материалов с аналогичными характеристиками потребуют, соответственно, применения более дорогих труб большего диаметра. И наоборот, трубопровод из ВЧШГ можно спроектировать так, чтобы он вызывал такую же потерю напора, как и замещающий его трубопровод из другого материала. В этом случае потребуется применение труб ВЧШГ меньшего диаметра и, следовательно, меньшей стоимости на одном и том же участке трубопровода.
Коррозионная стойкость труб из высокопрочного чугуна в 5 раз превышает стойкость труб из нелегированных углеродистых сталей. Испытания труб из высокопрочного чугуна, которые проводились в США, Англии, Франции и Германии, показали, что коррозионная стойкость труб ВЧШГ равна или в ряде случаев выше, чем у труб из серого чугуна. Испытания труб проводились по атмосферной и почвенной коррозии, а также в различных агрессивных средах.
Электрическое сопротивление высокопрочного чугуна в 4,8 раза выше, чем у стали, а стыки труб разделены непроводящими резиновыми манжетами, поэтому трубы ВЧШГ в обычных условиях эксплуатации, как правило, не подвергаются электрической коррозии.
Как показывает 50-летний опыт эксплуатации трубопроводных систем из высокопрочного чугуна, трубы ВЧШГ работают надежно и долгосрочно практически во всех условиях, однако, в особо коррозионных грунтах и в местах электрических блуждающих токов высокой плотности им может потребоваться дополнительная защита в виде полиэтиленовой оболочки (полиэтиленового “чулка”, надеваемого на трубу в процессе укладки), наружного покрытия металлическим цинком или катодной защиты.
Стандартные раструбные соединения труб ВЧШГ, используемые в трубопроводах водоснабжения и канализации комплектуются манжетами из эластомеров EPDM, изготовленных из этилен-пропиленового каучука. Изменение механических свойств подобных эластомеров с течением времени происходит под воздействием двух явлений:
- текучести во времени – ползучести (увеличивающейся деформации при постоянной нагрузке);
- релаксации (релаксации сжатия при постоянной деформации).
В случае раструбных соединений, уплотнение в них достигается контактным давлением между телом трубы (раструба трубы) и манжетой. Деформация манжеты, полученная в процессе соединения, остается практически постоянной.
Следовательно, явление релаксации – единственное, воздействующее на манжету.
Доказательством этому является практический опыт использования уплотнений и колец из эластомеров в США, начиная с 1920-х годов и по настоящее время, отечественный опыт применения резиновых уплотнений и официально опубликованные данные аварийности систем трубопроводов из высокопрочного чугуна.
Как мы видим, по итогам суммарной оценки по всем вышеназванным факторам трубы ВЧШГ входят в число самых перспективных.
В заключении хотелось бы еще раз напомнить всем специалистам, участвующим в процессах проектирования, строительства и эксплуатации сетей водоснабжения, что мировой опыт устройства инженерных коммуникаций показывает обоюдную востребованность как полимерных, так и различного вида металлических труб и не отрицает их плодотворного и взаимодополняющего сотрудничества.
