Сравнительный анализ потребительских свойств труб из ВЧШГ, нПВХ и ПНД.
Проницаемость
При устройстве систем водоснабжения необходимо также обращать особое внимание на санитарную надежность трубопроводов, которая определяется не только качеством подготовки транспортируемой воды на очистных сооружениях и санитарным состоянием внутренней поверхности трубопроводов, но и промышленными загрязнениями грунта в местах укладки трубопроводов.
Многочисленными исследованиями (отчётом г-на Дженкинса из Калифорнийского университета под названием «Проницаемость пластиков под воздействием органических веществ», опубликованном в августовском номере журнала Американской Ассоциации водоснабжения AWWA за 1991 г. под названием «Загрязнение питьевой воды через проницаемость пластиковых труб», сообщениями № DW 10441 от мая 1992 г. в адрес Министерства охраны окружающей среды (США) и № DW 10772 от декабря 1997 г.) установлено, что трубы из полимерных материалов (полиэтилена, полибутелена и ПВХ) легко проницаемы и не должны прокладываться в отравленных почвах, загрязнённых углеводородами, включая сырую нефть, масла, бензин, дизельное топливо, керосин (всего в этот список попало около 18-и ароматических углеводородов и органических химикалий), или в местах их хранения и использования.
Эти химические соединения могут растворять стенки пластиковых труб, в том числе и труб из ПЭВП, проникать через них, снижать прочность труб, проникать в питьевую воду, придавать ей неприятный вкус и запах. Многочисленные публикации и обзоры по трубопроводам в США показали, что пластиковые трубы были виновниками основных случаев загрязнения воды, при этом на полибутилен, полиэтилен и поливинилхлорид приходилось 43, 39 и 15 процентов всех зафиксированных случаев соответственно. Поэтому в развитых странах были разработаны различные рекомендации и стандарты, предусматривающие проведение предварительных исследований грунтов в местах предполагаемой укладки полимерных труб. Так, проницаемость полиэтиленовых труб целым рядом вышеназванных веществ в 2002 г. вызвала беспокойство контролирующих органов в Англии, где были выпущены рекомендации по выбору материалов труб для их укладки в загрязненных грунтах («Отбор материалов труб для укладки в загрязненных грунтах», Information and Guidance note, Water Regulations Advisory Scheme (WRAS) № 9-04-03, октябрь 2002 г.). 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.
В отличие от ПВХ и ПЭВП, трубы из ВЧШГ непроницаемы для углеводородов и не портятся под их воздействием.
Энергосбережение
Больший внутренний проходной диаметр труб ВЧШГ по сравнению с полиэтиленовыми трубами (при одинаковом условном/наружном диаметре) позволяет значительно снизить затраты на перекачку транспортируемой жидкости вследствие экономии электроэнергии и возможности прокачки по трубам ВЧШГ больших объемов жидкости.
При равном условном/наружном проходе труб (Ду) площадь внутреннего проходного сечения труб ВЧШГ с цементным покрытием превышает площадь проходного сечения полиэтиленовых труб из ПЭ 100 на 4 – 25 % в диапазоне диаметров Ду 100-300 мм соответственно.
Цементно-песчаное покрытие улучшает так же гидравлические свойства трубопровода благодаря возникновению в процессе эксплуатации на поверхности ЦПП гидрофильного гелиевого слоя, образованного мельчайшими частицами глины и железо-марганцевыми соединениями.
Коэффициент шероховатости (по формуле Кольбрука) внутренней поверхности трубы из высокопрочного чугуна с цементно-песчаным покрытием составляет для отдельной трубы К = 0,03. При проектировании системы трубопроводов из высокопрочного чугуна рекомендуется брать для расчетов К = 0,1 , чтобы учесть все потери на трение в собранной системе трубопроводов. То есть, трубы из высокопрочного чугуна с внутренним цементно-песчаным покрытием позволяют резко снизить гидравлические потери на трение в трубопроводе и отвечают всем современным требованиям в области энергосбережения.
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 с аналогичными характеристиками потребуют, соответственно, применения более дорогих труб большего диаметра.
Например, 600-от мм трубопровод из ВЧШГ длиной 9,1 км и перекачивающий 22710 л/мин, имеет такую же потерю напора как и 700-от мм трубопровод из ПЭВП DR9 (давлением 1,0 МПа) длиной 8,7 км, даже если принять во внимание более низкий коэффициент трения для труб из ПЭВП.
И наоборот, трубопровод из ВЧШГ можно спроектировать так, чтобы он вызывал такую же потерю напора, как и замещающий его трубопровод. В этом случае потребуется применение труб ВЧШГ меньшего диаметра и, следовательно, меньшей стоимости на одном и том же участке трубопровода.
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 «Ломко-подобное 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.
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, выхода 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 «Ломко-подобное растрескивание в пластмассовой трубе для газоснабжения» (г. Вашингтон, Округ Колумбия, США, апрель 1998 г.), которым установлено, что множество аварий трубопроводов вызвано уязвимостью полиэтиленовых трубопроводов к ломко-подобному 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.
Закончить тему старения полимерных труб я хотел бы высказыванием профессора Московского государственного строительного университета К. Попова из статьи под названием «Трубный выбор»:
«Наряду со многими положительными свойствами трубы из полимеров со временем стареют. Это качество характерно для всех полимеров, ибо они находятся на грани «живого и неживого» и подчиняются многим законам живого мира. Например, скорость «старения» полимерных труб зависит в первую очередь от температуры и давления. Процесс старения сопровождается снижением эластичности, прочности, повышением хрупкости и самопроизвольным растрескиванием. Отличительная особенность полимерных труб в том, что они стареют по всей массе, в то время как коррозия стальных труб начинается с поверхности. Пластмассовые трубы разрушаются как бы «вдруг» и полностью, а в металлических — образуются свищи, которые можно заделывать, например, сваркой.»
Соединения и угловые отклонения стыков
Термальная плавка стыков – метод, наиболее широко используемый для сварки встык труб из ПЭВП, и требует персонала, обученному обращению с оборудованием для плавки в соответствии с рекомендациями поставщика труб или соответствующего оборудования. Этот метод не только отнимает много времени, но и требует достаточно дорогостоящей техники для того, чтобы плотно удерживать трубу и/или фитинг, расплавить трубу, соединить трубу с правильной нагрузкой.
Стыковые соединения должны быть подогнаны, очищены, расплавлены и соединены, после чего охлаждены в соответствии с параметрами, предусмотренными производителями труб и оборудования для плавки. В результате данного процесса образуется два буртика на сварном шве как на внутренней (ограничивающий поток), так и на внешней поверхности, оба из которых иногда приходится удалять.
В ситуациях, когда приходится соединять трубы из различных марок полиэтиленовых материалов, следует консультироваться с производителями, как труб, так и фитингов для определения соответствующих процедур плавки. Оборудование для плавки труб, обучение персонала его эксплуатации, наряду с расходами по обслуживанию такого трубопровода требуют достаточно больших затрат. Даже при наличии всего необходимого оборудования (машины для плавки, генераторы, компоненты для ремонта и т.д.) перемена погоды или условий почвы и даже малейшая ошибка в процедуре сварки может сделать содержание трубопровода из ПЭВП чрезвычайно трудным.
Кроме того, при устройстве трубопроводов из полиэтиленовых труб в условиях низких температур предприятия — изготовители также дают свои рекомендации (ПЭ монтажная инструкция прокладки в грунте трубопроводов из ПЭ, изготовленных фирмой Вавин Метальпласт Бук, а также трубы и фасонные детали из ПЭ – устойчивость на транспортируемую жидкость, раздел 2.3.3 «Прокладывание в низких температурах»):
«Прокладывание труб из ПЭ при температуре ниже 0o С возможно, но не рекомендуется.
В случае необходимости сварки труб ПЭ в низких температурах место для сварки необходимо накрыть палаткой с подачей теплого воздуха. Однако при такой температуре и условиях трудно соблюдать все требования, связанные с соблюдением регламента сварки труб, а также их обратной засыпки и уплотнения грунта» (конец цитаты).
Проблемы со сжатием и расширением также довольно распространены, наряду с проблемами пространственных колебаний труб из ПЭВП и тенденциями к принятию ими яйцеобразной формы. Оборудование для сварки дорогостоящее, сложное в эксплуатации и требует компетентности от работающего на нём персонала. Затраты на содержание высокооплачиваемого персонала могут оказаться чересчур высокими для большинства трубопроводов.
Соединения раструбного типа наиболее распространены на трубопроводах из ВЧШГ. Они требуют всего лишь смазки уплотнительной манжеты и установки открытого конца трубы в раструб.
Скорость укладки трубопровода из труб ВЧШГ (до полной готовности к подаче воды) в два раза выше, чем у трубопровода из полиэтиленовых труб.
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 учётом 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, замёрзшие материалы, так как эти предметы могут ослабить прочность материала из-за царапин и проницания. Такие жёсткие требования непрактичны 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.
Земляные работы вблизи трубопровода
Существующие трубопроводы из ПВХ и ПЭВП намного более уязвимы к проколам и повреждению, чем трубопроводы из ВЧШГ при проведении земляных или строительных работ вблизи трубопровода.
Последствия царапин
По сравнению с трубами из ВЧШГ, ПВХ и ПЭВП – очень мягкий материал, и, следовательно, очень уязвим, легко царапается, истирается и другим образом повреждается при транспортировке или установке.
Стандартами производителей полимерных труб предусмотрено, что «стенки труб не должны иметь порезов, трещин, дыр, раковин, пузырей, посторонних включений, или других дефектов, видимых невооруженным глазом и могущих повлиять на целостность труб». Трубы с выбоинами на глубину более чем 10% от толщины стенок не должны вводиться в эксплуатацию. При превышении указанной величины повреждённый участок должен вырезаться и труба соединяться соответствующим методом.
Благодаря высокой прочности и долговечности труб из ВЧШГ, царапины и выбоины на них при нормальном обращении не могут сказаться на их надёжности или на сроке их службы.
О потребительской ценности труб ВЧШГ.
- Монтаж раструбных труб производится с высокой скоростью.
Простая система раструбных соединений с резиновыми манжетами и нечувствительность к сложному грунту, а также отсутствие необходимости применять электроэнергию при монтаже системы труб из ВЧШГ обеспечивают низкий уровень затрат при прокладке трубопроводов.
Соединения раструбного типа наиболее распространены на трубопроводах из ВЧШГ. Они требуют всего лишь смазки уплотнительной манжеты и установки открытого конца трубы в раструб. Соединения труб из ВЧШГ хорошо зарекомендовали себя при монтаже всеми типами техники и персоналом любой квалификации, в любых условиях, включая монтаж в условиях грязи и под водой. С трубами из ВЧШГ не требуется выдерживать определённое усилие для поворота стыка на нужный угол. Раструбные соединения труб из ВЧШГ позволяют, в зависимости от диаметра труб, угловое отклонение до 5º, что дает существенную экономию за счет сокращения применения фитингов.
- Трубопроводные системы из высокопрочного чугуна обладают устойчивостью к большим внутренним и внешним нагрузкам при резких изменениях гидравлического давления (гидравлических ударах) в трубопроводах и при смещениях грунта в результате оседаний, землетрясений или морозов/оттепелей.
- Такие системы обладают также ударной прочностью и хладостойкостью, т.к. ударная вязкость труб ВЧШГ остается неизменной при температуре до – 60 градусов по Цельсию. Это немаловажно при укладке труб в зимних условиях.
Этими свойствами обеспечивается:
- Возможность укладки трубопроводов на глубину до 17 м, что особенно удобно в городских районах и районах с напряженным транспортным потоком, включая автодороги, железные дороги, аэропорты;
- Высочайшая надежность работы трубопроводной сети с раструбным фиксированным соединением «VRS» даже в самых сложных условиях, таких как районы с высоким уровнем сейсмичности, с просадочными грунтами и т.п.
Полимерные трубы имеют ряд существенных недостатков, которые в той или иной степени влияют на эксплуатационные свойства трубопроводов и приводят в конечном итоге к увеличению эксплуатационных затрат.
|
ВЧШГ |
нПВХ (раструбная система) |
ПНД |
|
Рабочее давление 16 кгс/кв.см. |
Рабочее давление 8, 10, 12 кгс/кв.см. |
Рабочее давление для типа «Т» до 10 кгс/кв.см. |
| Абсолютная непроницаемость стенок и манжет |
Газопроницаемость стенок для кислорода (что приводит к окислительным процессам, ускоренной коррозии запорной арматуры, повышению температуры в канализациях и как следствие — преждевременному старению и самодеформации), а также проницаемость для углеводородов, невозможность использования в загрязненных грунтах. |
|
| Высокая механическая прочность, возможность использования в подвижных грунтах, на глубине до 10м без дополнительной защиты |
Необходимость подготовки качественного основания, низкая механическая прочность труб, необходимость 100% контроля за соблюдением правил монтажа, укладки в траншею и засыпки траншеи, исключающего появление поверхностных царапин. Высокая истираемость стенок под воздействием абразивных элементов, содержащихся в транспортируемой среде в канализационных системах. |
|
| Способность выдерживать изменения гидравлического давления до 550 Н/кв.мм |
Чувствительны к ударным воздействиям. |
|
|
Высокая скорость монтажа при незначительных затратах |
Необходимость использования дорогостоящего сварочного оборудования, высокая трудоемкость сборки, потребность в эл. энергии |
|
| Возможность монтажа при отрицательных температурах |
Запрещение монтажа при отрицательных температурах |
|
| Срок службы до 100 лет |
Срок службы до 30 лет |
|
| Относительно низкая стоимость и небольшие габаритные размеры фасонных частей |
Высокая стоимость и большие габаритные размеры фасонных частей |
|
| Снижение затрат на перекачку за счет более высокой пропускной способности чем у полимерных труб при равном условном проходе. |
|
Проходное сечение в 1,41 раза меньше чем у трубы ВЧШГ (для труб с условным диаметром 315 мм.) |
Водопроводам и трубопроводам водоотведения и канализации из труб ВШЧГ с позиций долговечности, надежности и экологической безопасности