Проблемы обеспечения надежности, долговечности и экологической безопасности сетей водоснабжения

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 СѓСЂРѕРІРЅСЏ водообеспечения Рё экологической безопасности потребителей связаны РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј СЃ авариями РЅР° участках трубопроводов — наиболее функционально значимых Рё уязвимых элементах систем жизнеобеспечения регионов.

Р’ настоящее время РІРѕ всем РјРёСЂРµ Рё РІ нашей стране РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ Р±СѓСЂРЅРѕРµ развитие полимерных технологий, Рё стало традиционным сравнение достоинств, недостатков Рё возможностей пластмасс Рё металлов. Эти сравнения различных РїРѕ своей РїСЂРёСЂРѕРґРµ материалов производятся СЃ профессиональной точки зрения некорректно. РњРёСЂРѕРІРѕР№ же опыт устройства инженерных коммуникаций показывает РѕР±РѕСЋРґРЅСѓСЋ востребованность как полимерных, так Рё различного РІРёРґР° металлических труб, Рё РЅРµ отрицает РёС… плодотворного Рё взаимодополняющего «СЃРѕС‚рудничества», что РјС‹ Рё 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 РЎРЁРђ составляет более 1,5 млн. РєРј, РёР· РЅРёС… 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

Материал труб (способ изготовления)	Вид соединения	Покрытие труб		Период укладки (годы)
		внутреннее	наружное
РўСЂСѓР±С‹ РёР· серого чугуна	Раструб (зачеканка)	-	-	1817–1955 Рі.
РўСЂСѓР±С‹ центробежнолитые (серый чугун)	Раструб СЃ резиновой манжетой	Цементно- песчаное	-	1955–1970 Рі.
Трубы центробежнолитые (из высокопрочного чугуна)	Раструб с резиновой манжетой	Цементно- песчаное	-	После 1960 г.
Трубы центробежнолитые (из высокопрочного чугуна)	Раструб с резиновой манжетой	Цементно- песчаное	Полиэтиленовый чулок	После 1966 г.
РўСЂСѓР±С‹ РёР· стали	Сварное	-	-	1850–1940 Рі.
Трубы из стали	Сварное	Цементно- песчаное	-	После 1940 г.
Трубы асбоцементные	Раструб с резиновой манжетой	-	-	После 1955 г.
Трубы железобетонные	Раструб с резиновой манжетой	-	-	После 1955 г.
Трубы из ПВХ	Раструб с резиновой манжетой	-	-	После 1972 г.
Трубы из ПЭ	Сварка плавлением	-	-	После 1990 г.
Трубы из молекулярно- сшитого полиэтилена	Механическое соединение	-	-	После 1996 г.

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:
• СЃС‚альные Рё чугунные (РёР· высокопрочного чугуна) трубы СЃ внутренним цементно-песчаным покрытием;
• Р°СЃР±РѕС†РµРјРµРЅС‚ные Рё железобетонные трубы;
• С‚СЂСѓР±С‹ РёР· поливинилхлорида;
• С‚СЂСѓР±С‹ РёР· полиэтилена;
• С‚СЂСѓР±С‹ РёР· 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 РІ РЎРЁРђ вводится более 21000 кмновых трубопроводов водоснабжения, Рё почти 50% РёР· РЅРёС… — трубы РёР· высокопрочного чугуна, 40% — поливинилхлоридные трубы, остальные — РёР· стали, бетона Рё полиэтилена.

Эти данные приведены РІ докладе РґРѕРє-тора Jey K. Jeyapalan РЅР° конференции РІ Рі. Балтимор, штат Мэриленд, РЎРЁРђ, проходившей 13–16 июля 2003 Рі.

Как же развивается мировой рынок труб из высокопрочного чугуна?

Надо отметить, что СЃ 1983 Рі. Рё РїРѕ настоящее время средние темпы прироста объемов РјРёСЂРѕРІРѕРіРѕ регионального СЃРїСЂРѕСЃР° (РІ 2003 Рі.— более 5,3 млн. С‚ без учета долгосрочных проектов) РЅР° трубную продукцию РёР· высокопрочного чугуна составляют более 3% ежегодно.

По объемам использования труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в сетях водоснабжения и водоотведения Россия отстает от:
• РљРёС‚ая — РІ 14 раз;
• СЃС‚ран Европы — РІ 15 раз;
• РЎРЁРђ — РІ 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

Параметры	Трубы из:
	ВЧШГ	ПВХ	ПЭ
Предел прочности при растяжении, МПа	420	50	25
Предел прочности при сжатии, МПа	340	64	12
Предел текучести, МПа	300	100	35
Кольцевое напряжение при изгибе, МПа	340	Не определены критерии	Не определены критерии
Класс по давлению	От 1,0 до 2,5 МПа. Рабочее давление не зависит от температуры	Рассчитаны до 1,6 МПа при рабочей температуре 20 0С	От 0,5 до 1,6 МПа при рабочей температуре 20 0С
Допуск по пиковым нагрузкам (мгновенное увеличение скорости жидкости на 0,6 м/сек)	Номинальный допуск 0,7 МПа. Трубы могут эксплуатироваться в условиях реальных пиковых нагрузок	Номинальный допуск до 0,2 МПа	Не рассчитан. Допуск на пиковые нагрузки возможен при снижении фактора надежности до уровня ниже 2,0
Фактор надежности	1. По давлению К=2,0 (включая пиковые нагрузки) при пределе прочности на разрыв 300 МПа.	1. По давлению К= 2,5 (включая пиковые нагрузки) при пределе прочности на разрыв 50 МПа.	1. По давлению К<2,0 (включая пиковые нагрузки) при пределе прочности на разрыв 25 МПа.
	2. По внешним нагрузкам К=2,0 при пределе прочности по кольцевым напряжениям 670 МПа	2. По внешним нагрузкам не рассчитан.	2. По внешним нагрузкам не рассчитан.
		Примечание *	Примечание *

* 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 РЅР° разрыв материала, РёР· которого изготавливаются трубы — очень важная характеристика, поскольку РѕРЅР° оказывает сопротивление силам, вызываемым внутренним гидростатическим давлением Рё 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.

РџСЂРё температуре 43 ^oРЎ предел прочности РЅР° разрыв для труб РёР· РџР’РҐ составляет 50%, для труб РџР­Р’Рџ — приблизительно 70% РѕС‚ соответствующих значений РїСЂРё температуре 22 ^oРЎ, Р° РїСЂРё повышении температуры РґРѕ 60 ^oРЎ эти показатели снижаются еще больше. Эти изменения прочности следует учитывать РїСЂРё проектировании трубопроводов РёР· РџР’РҐ Рё РџР­Р’Рџ.

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 РёР· ВЧШГ, траншеи типа 1 (плоское ложе, свободная засыпка) или типа 2 (плоское ложе, засыпка СЃ небольшим уплотнением) — наиболее характерны для большинства мест, РіРґРµ РѕРЅРё применяются Рё лучше всего РїРѕРґС…РѕРґСЏС‚ для таких условий.

Продолжение в следующем номере

Автор: Е. В. Кузенков Дата: 11.08.2004 Журнал Стройпрофиль 5-04 Рубрика: водоснабжение. водоотведение Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной.

«« назад