1 стр. из 1

Неблагоприятное положение с водообеспечением населения сегодня рассматривается многими странами как угроза национальной безопасности в связи с ухудшением по этой причине здоровья населения. Поэтому проблемы повышения устойчивости и надежности функционирования трубопроводов водоснабжения становятся в настоящее время актуальными как никогда.

Практика эксплуатации коммунальных сетей показывает, что нарушения нормального уровня водообеспечения и экологической безопасности потребителей связаны в основном с авариями на участках трубопроводов — наиболее функционально значимых и уязвимых элементах систем жизнеобеспечения регионов.

В настоящее время во всем мире и в нашей стране происходит бурное развитие полимерных технологий, и стало традиционным сравнение достоинств, недостатков и возможностей пластмасс и металлов. Эти сравнения различных по своей природе материалов производятся с профессиональной точки зрения некорректно. Мировой же опыт устройства инженерных коммуникаций показывает обоюдную востребованность как полимерных, так и различного вида металлических труб, и не отрицает их плодотворного и взаимодополняющего «сотрудничества», что мы и постараемся рассмотреть.

Причины отказов трубопроводов известны.

Они возникают из-за неправильного выбора материала труб для конкретных условий строительства и эксплуатации, класса их прочности согласно фактическим внешним и внутренним нагрузкам, воздействующим на трубопровод, а также из-за несоблюдения технологии производства работ по укладке и монтажу трубопроводов, отсутствия необходимых мер по их защите от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды, неправильного выбора типа трубопроводной арматуры и ряда других факторов. Здесь также сказывается и недостаточное финансирование работ по реконструкции действующих коммунальных сетей.

Сделаем краткий экскурс в историю и рассмотрим, как решались и сейчас решаются проблемы обеспечения надежности и долговечности систем жизнеобеспечения населения рядом таких развитых стран, как США и Канада.

Протяженность водопроводных сетей США составляет более 1,5 млн. км, из них 4% трубопроводов имеют возраст более 80 лет, 80% — менее 40 лет.

При устройстве трубопроводов водоснабжения и канализации США и Канады применялись в прошлом веке и применяются сейчас (согласно материалам отчета технического отдела American Water Works Service Co., май 2002 г.) следующие конструкционные материалы труб (табл. 1):

Табл. 1. Конструкционные материалы труб, применяемых в прошлом веке и сейчас в сетях водоснабжения и канализации США и Канады

В первой строке таблицы указаны системы трубопроводов из серого чугуна раннего поколения (под зачеканку), которые последовательно будут замещаться новыми материалами.

Как видно из приведенных данных, в настоящее время при устройстве трубопроводов водоснабжения и канализации США и Канады применяются трубы из следующих конструкционных материалов:
• стальные и чугунные (из высокопрочного чугуна) трубы с внутренним цементно-песчаным покрытием;
• асбоцементные и железобетонные трубы;
• трубы из поливинилхлорида;
• трубы из полиэтилена;
• трубы из молекулярно-сшитого полиэтилена.

Каждая из вышеназванных систем трубопроводов имеет свои достоинства и недостатки и применяется инженерами-проектировщиками США и Канады в зависимости от конкретных условий эксплуатации и технико-экономических расчетов.

Ежегодно в США вводится более 21000 кмновых трубопроводов водоснабжения, и почти 50% из них — трубы из высокопрочного чугуна, 40% — поливинилхлоридные трубы, остальные — из стали, бетона и полиэтилена.

Эти данные приведены в докладе док-тора Jey K. Jeyapalan на конференции в г. Балтимор, штат Мэриленд, США, проходившей 13–16 июля 2003 г.

Как же развивается мировой рынок труб из высокопрочного чугуна?

Надо отметить, что с 1983 г. и по настоящее время средние темпы прироста объемов мирового регионального спроса (в 2003 г.— более 5,3 млн. т без учета долгосрочных проектов) на трубную продукцию из высокопрочного чугуна составляют более 3% ежегодно.

По объемам использования труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в сетях водоснабжения и водоотведения Россия отстает от:
• Китая — в 14 раз;
• стран Европы — в 15 раз;
• США — в 30 раз.

Приведенные данные говорят о катастрофическом отставании России по объемам применения труб из высокопрочного чугуна в своих национальных системах водоснабжения, и об этом надо задуматься.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом уже более 50 лет на практике доказывает свои преимущества по сравнению со всеми современными материалами для производства труб, в том числе и с полимерными трубами.

При разработке проектов трубопроводов для питьевого водоснабжения инженерам-проектировщикам приходится учитывать множество факторов: начальная стоимость системы, требования по ее эксплуатации, стоимость обслуживания, надежность и долговечность, экологическая безопасность.

В этой статье мы сравним как кратко-срочные, так и долгосрочные структурные и эксплуатационные качества труб из ВЧШГ и полимерных труб из ПВХ и полиэтилена высокой плотности (табл. 2):

Табл. 2. Сравнение механических характеристик труб из высокопрочного чугуна (ВЧШГ) и полимерных труб

* Примечание: факторы надежности и прочности полимерных труб в значительной мере зависят от внешних и внутренних нагрузок, от температуры, наличия царапин на поверхности труб и воздействия солнечного света. Полимерные трубы под воздействием циклических нагрузок имеют фактор надежности меньший, чем под воздействием статических нагрузок.

Рассмотрим отдельные механические характеристики сравниваемых материалов более подробно:

1. Предел прочности на разрыв у высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в 10 раз выше, чем у ПВХ, и в 24 раза выше, чем у полиэтилена высокой плотности.

Предел прочности на разрыв материала, из которого изготавливаются трубы — очень важная характеристика, поскольку она оказывает сопротивление силам, вызываемым внутренним гидростатическим давлением и гидравлическим ударом.

2. Типичные условия эксплуатации или температура, при которой производится прокладка трубопровода, не влияют на прочность труб из ВЧШГ.

Поскольку у высокопрочного чугуна умеренный и надежный коэффициент теп-лового расширения, то при смене рабочих температур не возникает проблем.

У высокопрочного чугуна нет значительной разницы в пределе прочности при обычной рабочей температуре водопроводов (от 0 ^oC до +35 ^oC) или при самых экстремальных условиях прокладки трубопровода (от -60 ^oСдо +60 ^oС).

Зависимость прочности труб из ПВХ и ПЭ от температуры

Вследствие термопластичной полимерной природы ПВХ и ПЭ эксплуатационные характеристики труб из этих материалов в значительной мере зависят от рабочей температуры (рис. 1). Указанием на это служит тот факт, что производители не рекомендуют эксплуатировать трубопроводы из ПЭВП под давлением при температуре выше 60 ^oС. К этому следует добавить, что при эксплуатационной температуре выше 22 єС трубы из ПВХ и ПЭ начинают терять прочность, жесткость и пространственную стабильность. Запас прочности по давлению труб из ПВХ и ПЭ ограничен, а при прокладке трубопроводов следует избегать излишнего осевого отклонения. Вследствие того, что коэффициент теплового расширения ПВХ в 5 раз выше, а у ПЭ в 18 раз выше, чем у ВЧШГ, при воздействии экстремальных значений температур в трубах ПВХ и ПЭВП возможны нежелательные структурные изменения.

При температуре 43 ^oС предел прочности на разрыв для труб из ПВХ составляет 50%, для труб ПЭВП — приблизительно 70% от соответствующих значений при температуре 22 ^oС, а при повышении температуры до 60 ^oС эти показатели снижаются еще больше. Эти изменения прочности следует учитывать при проектировании трубопроводов из ПВХ и ПЭВП.

3. Противодействие долговременным разрушающим нагрузкам труб из ВЧШГ в 82 раза выше, чем труб из ПЭВП.

В связи с этим жесткость почвы, устройство ложа траншей и проверка качества установки труб на местах играют намного более важную роль для труб из ПВХ и ПЭВП, так как они обладают намного меньшей долговременной прочностью, чем трубы из ВЧШГ.

4. Устройство траншей.

Вследствие малой прочности труб из ПВХ и ПЭВП требования к траншеям при прокладке трубопроводов из этих материалов намного выше. Правильное устройство траншей необходимо для контроля осевого отклонения, которое является единственным критерием, предусмотренным при проектировании труб из ПВХ и ПЭВП с учетом внешних нагрузок. Стандарты, связанные с рекомендуемой практикой установки пластиковых подземных трубопроводов, предусматривают засыпку трубы частицами минимального размера, зависящего от диаметра трубы, так, чтобы почва была равномерно уплотнена, т. к. это обеспечивает равномерные пассивные боковые силы почвы. Почва также не должна содержать органические вещества. Ложе траншеи должно быть гладким и не должно содержать большие камни, комки грязи, замерзшие материалы, так как эти предметы могут ослабить прочность материала из-за царапин и проникания. Такие жесткие требования непрактичны, достаточно дороги и не всегда реализуемы во многих регионах.

Благодаря прочности, присущей трубам из ВЧШГ, траншеи типа 1 (плоское ложе, свободная засыпка) или типа 2 (плоское ложе, засыпка с небольшим уплотнением) — наиболее характерны для большинства мест, где они применяются и лучше всего подходят для таких условий.

Продолжение в следующем номере

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!