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 людей. Поэтому проблемы повышения устойчивости и надежности функционирования трубопроводов водоснабжения становятся в настоящее время актуальными как никогда.
Практика эксплуатации коммунальных сетей показывает, что нарушение нормального уровня водообеспечения и экологической безопасности потребителей связано 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 в дальнейшем в этой статье.
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 такими развитыми странами, как Соединенные Штаты Америки и Канада. Протяженность водопроводных сетей Соединенных Штатов Америки 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 (см. таблицу 1).
Конструкционные материалы труб, применяемые в сетях водоснабжения и канализации США и Канады
В таблице 1 выделен сектор, где 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 21.000 км новых трубопроводов водоснабжения и почти 50% из них укладываются из труб из высокопрочного чугуна, 40% — из поливинилхлоридных труб, остальные — из стали, бетона и полиэтилена. Эти данные приведены в докладе доктора Jey K. Jeyapalan на конференции в г. Балтимор, Штат Мэриленд, США, проходившей 13-16 июля 2003 года.
Как же развивается мировой рынок труб из высокопрочного чугуна? Надо отметить, что с 1983 года и по настоящее время средние темпы прироста объемов мирового регионального спроса (в 2003 г. — более 5,3 млн тонн 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, от стран Европы — в 15 раз и от США — в 30 раз. Эти 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 доказывает на практике 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: начальную стоимость системы, требования по эксплуатации, стоимость обслуживания, надежность и долговечность, экологическую безопасность. В этой статье мы сравним как краткосрочные, так и долгосрочные структурные и эксплуатационные качества труб из ВЧШГ и полимерных труб из ПВХ и полиэтилена высокой плотности (см. таблицу 2).
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 меньше, чем под воздействием статических нагрузок.
Сравнение механических характеристик труб из высокопрочного чугуна (ВЧШГ) и полимерных труб
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.
Зависимость прочности труб из ПВХ и ПЭ от температуры
Поскольку у высокопрочного чугуна умеренный и надежный коэффициент теплового расширения, то при смене рабочих температур проблем не возникает. У высокопрочного чугуна нет значительной разницы в пределе прочности при обычной рабочей температуре водопроводов (от 0° до +35°C) или при самых экстремальных условиях прокладки трубопровода (от -60° до + 60°С).
Вследствие термопластичной полимерной природы ПВХ и ПЭ эксплуатационные характеристики труб из этих материала в значительной мере зависят от рабочей температуры (см. рис. 1). Указанием на это служит тот факт, что производители не рекомендуют эксплуатировать трубопроводы из ПЭВП под давлением при температуре выше 60°С. К этому следует добавить, что при эксплуатационной температуре выше 22°С трубы из ПВХ и ПЭ начинают терять прочность, жесткость и пространственную стабильность. Запас прочности по давлению труб из ПВХ и ПЭ ограничен, а также 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°С предел прочности на разрыв для труб из ПВХ составляет 50%, а для труб ПЭВП составляет приблизительно 70% от соответствующих значений при температуре 22°С, при повышении же температуры до 60°С 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 для того, чтобы обеспечить 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 проницания. 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.
А теперь сравним технико-эксплуатационные и экологические характеристики труб из высокопрочного чугуна и полимерных труб (см. таблицу 3).
Сравнение технико-эксплуатационных и экологических характеристик труб из высокопрочного чугуна и полимерных труб
Рассмотрим отдельные технико-эксплуатационные и экологические характеристики сравниваемых труб более подробно.
1. Со временем прочность труб из ВЧШГ не снижается
Невозможно определить взаимосвязь между воздействием гидростатического давления и временем выхода из строя труб из ВЧШГ. Таким образом, за прочность труб из ВЧШГ, учитываемую при гидростатическом проектировании, принимается половина минимального предела текучести материала под воздействием давления, т.е. 150 МПа.
Исследованиями и испытаниями американской Ассоциации по исследованию труб из высокопрочного чугуна (DIPRA), а также отчетом Национального управления безопасности транспортировки PB98-917001/NTSB/ SIR-98/01 "Ломкоподобное растрескивание в пластмассовой трубе для газоснабжения" (г. Вашингтон, округ Колумбия, США, апрель 1998 г.) подтверждено, что после 11,4 лет трубы из ПВХ и ПЭВП выходят из строя при воздействии давления, которое составляет 55% от начальной величины. Трубы из ПВХ и ПЭВП выходят из строя под воздействием растягивающего напряжения в течение периода времени, обратно пропорционального интенсивности напряжения. На рис. 2 представлен график разрушения при ползучести для напорных труб из ПЭВП, показывающий соотношение между приложенным кольцевым циклическим напряжением и временем до отказа трубы.
Рис. 2. График разрушения напорных труб из ПЭВП под воздействием кольцевого циклического напряжения
На графике показан спад, "колено", где характеристика отказов говорит о превращении материала из гибкого в хрупкий. Такая характеристика отказов говорит о хрупкости и старении материала с образованием в стенках труб трещин и микроотверстий. Эти типы поломок являются результатом проявления механики разрушения, включающего в себя образование трещин, их распространение и в конечном итоге выход трубы из строя. Этот тип отказов полиэтиленовых труб наиболее часто встречается в реальных условиях (из отчета Ричарда Бондса — технического директора DIPRA по исследованиям (США).
Эти выводы подтверждаются также специальным отчетом Национального управления безопасности транспортировки PB98-917001/NTSB/SIR-98/01 "Ломкоподобное растрескивание в пластмассовой трубе для газоснабжения" (г. Вашингтон, округ Колумбия, США, апрель 1998 г.), которым установлено, что множество аварий трубопроводов газоснабжения вызвано уязвимостью полиэтиленовых трубопроводов к ломкоподобному растрескиванию, что в сочетании с интенсификацией напряжений от внешних воздействий (осадки грунта, чрезмерного изгиба труб, перепадов давления, гидравлических ударов, повышения температуры эксплуатации, ударов камней при обратной засыпке трубопроводов и т.п.) приводит к аварийным разрушениям.
Е. КУЗЕНКОВ, начальник отдела маркетинга ОАО "Липецкий металлургический завод "Свободный сокол"
Окончание следует
Практика эксплуатации коммунальных сетей показывает, что нарушение нормального уровня водообеспечения и экологической безопасности потребителей связано 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 в дальнейшем в этой статье.
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 такими развитыми странами, как Соединенные Штаты Америки и Канада. Протяженность водопроводных сетей Соединенных Штатов Америки 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 (см. таблицу 1).
Конструкционные материалы труб, применяемые в сетях водоснабжения и канализации США и Канады
В таблице 1 выделен сектор, где 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 21.000 км новых трубопроводов водоснабжения и почти 50% из них укладываются из труб из высокопрочного чугуна, 40% — из поливинилхлоридных труб, остальные — из стали, бетона и полиэтилена. Эти данные приведены в докладе доктора Jey K. Jeyapalan на конференции в г. Балтимор, Штат Мэриленд, США, проходившей 13-16 июля 2003 года.
Как же развивается мировой рынок труб из высокопрочного чугуна? Надо отметить, что с 1983 года и по настоящее время средние темпы прироста объемов мирового регионального спроса (в 2003 г. — более 5,3 млн тонн 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, от стран Европы — в 15 раз и от США — в 30 раз. Эти 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 доказывает на практике 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: начальную стоимость системы, требования по эксплуатации, стоимость обслуживания, надежность и долговечность, экологическую безопасность. В этой статье мы сравним как краткосрочные, так и долгосрочные структурные и эксплуатационные качества труб из ВЧШГ и полимерных труб из ПВХ и полиэтилена высокой плотности (см. таблицу 2).
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 меньше, чем под воздействием статических нагрузок.
Сравнение механических характеристик труб из высокопрочного чугуна (ВЧШГ) и полимерных труб
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.
Зависимость прочности труб из ПВХ и ПЭ от температуры
Поскольку у высокопрочного чугуна умеренный и надежный коэффициент теплового расширения, то при смене рабочих температур проблем не возникает. У высокопрочного чугуна нет значительной разницы в пределе прочности при обычной рабочей температуре водопроводов (от 0° до +35°C) или при самых экстремальных условиях прокладки трубопровода (от -60° до + 60°С).
Вследствие термопластичной полимерной природы ПВХ и ПЭ эксплуатационные характеристики труб из этих материала в значительной мере зависят от рабочей температуры (см. рис. 1). Указанием на это служит тот факт, что производители не рекомендуют эксплуатировать трубопроводы из ПЭВП под давлением при температуре выше 60°С. К этому следует добавить, что при эксплуатационной температуре выше 22°С трубы из ПВХ и ПЭ начинают терять прочность, жесткость и пространственную стабильность. Запас прочности по давлению труб из ПВХ и ПЭ ограничен, а также 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°С предел прочности на разрыв для труб из ПВХ составляет 50%, а для труб ПЭВП составляет приблизительно 70% от соответствующих значений при температуре 22°С, при повышении же температуры до 60°С 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 для того, чтобы обеспечить 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 проницания. 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.
А теперь сравним технико-эксплуатационные и экологические характеристики труб из высокопрочного чугуна и полимерных труб (см. таблицу 3).
Сравнение технико-эксплуатационных и экологических характеристик труб из высокопрочного чугуна и полимерных труб
Рассмотрим отдельные технико-эксплуатационные и экологические характеристики сравниваемых труб более подробно.
1. Со временем прочность труб из ВЧШГ не снижается
Невозможно определить взаимосвязь между воздействием гидростатического давления и временем выхода из строя труб из ВЧШГ. Таким образом, за прочность труб из ВЧШГ, учитываемую при гидростатическом проектировании, принимается половина минимального предела текучести материала под воздействием давления, т.е. 150 МПа.
Исследованиями и испытаниями американской Ассоциации по исследованию труб из высокопрочного чугуна (DIPRA), а также отчетом Национального управления безопасности транспортировки PB98-917001/NTSB/ SIR-98/01 "Ломкоподобное растрескивание в пластмассовой трубе для газоснабжения" (г. Вашингтон, округ Колумбия, США, апрель 1998 г.) подтверждено, что после 11,4 лет трубы из ПВХ и ПЭВП выходят из строя при воздействии давления, которое составляет 55% от начальной величины. Трубы из ПВХ и ПЭВП выходят из строя под воздействием растягивающего напряжения в течение периода времени, обратно пропорционального интенсивности напряжения. На рис. 2 представлен график разрушения при ползучести для напорных труб из ПЭВП, показывающий соотношение между приложенным кольцевым циклическим напряжением и временем до отказа трубы.
Рис. 2. График разрушения напорных труб из ПЭВП под воздействием кольцевого циклического напряжения
На графике показан спад, "колено", где характеристика отказов говорит о превращении материала из гибкого в хрупкий. Такая характеристика отказов говорит о хрупкости и старении материала с образованием в стенках труб трещин и микроотверстий. Эти типы поломок являются результатом проявления механики разрушения, включающего в себя образование трещин, их распространение и в конечном итоге выход трубы из строя. Этот тип отказов полиэтиленовых труб наиболее часто встречается в реальных условиях (из отчета Ричарда Бондса — технического директора DIPRA по исследованиям (США).
Эти выводы подтверждаются также специальным отчетом Национального управления безопасности транспортировки PB98-917001/NTSB/SIR-98/01 "Ломкоподобное растрескивание в пластмассовой трубе для газоснабжения" (г. Вашингтон, округ Колумбия, США, апрель 1998 г.), которым установлено, что множество аварий трубопроводов газоснабжения вызвано уязвимостью полиэтиленовых трубопроводов к ломкоподобному растрескиванию, что в сочетании с интенсификацией напряжений от внешних воздействий (осадки грунта, чрезмерного изгиба труб, перепадов давления, гидравлических ударов, повышения температуры эксплуатации, ударов камней при обратной засыпке трубопроводов и т.п.) приводит к аварийным разрушениям.
Е. КУЗЕНКОВ, начальник отдела маркетинга ОАО "Липецкий металлургический завод "Свободный сокол"
Окончание следует
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 36 за 2004 год в рубрике материалы и технологии
