Особенности применения пластмассовых Трубопроводов

В. Н. Исаев, проф. МГСУ

М. Г. Мхитарян, доцент МГУП

За пятилетие протяженность уличных сетей водоснабжения, подлежащих замене, увеличилась с 62,2 тыс. км до 91,1 тыс. км, т. е. на 46,6 %, число аварий водопроводов – на 45 тыс. или 27,3 %, утечки и неучтенные расходы воды возросли на 4,6 %.

Из 185 тыс. км тепловых сетей, функционирующих в России 6,6 тыс. км или более 14 % подлежат замене. В ряде городов России на 100 км теплотрасс приходится до 400 аварий. Из-за низкого качества сетей теплоснабжения ежегодно теряется около 35 млн т у. т. Прямой ущерб при стоимости 1 т у. т. $70 составляет почти 70 млрд. руб.

Ущерб России из-за изношенных трубопроводов, который непосредственно отражается на благосостоянии людей, оценивается сотнями миллиардов рублей.

Замена стальных трубопроводов пластмассовыми позволит решить ряд проблем ЖКХ при условии учета особенностей, связанных со свойствами полимерных материалов и трубопроводов.

В коммунальных системах могут использоваться следующие полимерные материалы.

1. Полиэтилен ПЭ PE-80 (PE-100):

– минимальной длительной прочностью: 6,3 Мпа ПЭ-63 (PE-63 ); 8,0 МПа ПЭ-80 (PE-80 ); 10,0 МПа ПЭ-100 ( PE-100 );

– сшитый полиэтилен ПЭ-С (PE-X): с помощью пероксидов СПЭ а (PE-X a); методом silane процесса СПЭ в (PE-X b); радиационным способом СПЭ с (PE-X c); с помощью соединений азота СПЭ д (PE-X d).

2. Полипропилен ПП (PP):

– тип 1 (гомополимер) ПП-Г (PP-H);

– тип 2 (блоксополимер) ПП-Б (PP-B);

– тип 3 (рандомсополимер) ПП-Р (PP-R).

3. Полибутилен ПБ (PB).

4. Поливинилхлорид ПВХ (PVC):

– хлорированный ХПВХ (PVC-V);

– поливинилдефторид ПВДФ (PEHD).

5. Политрифторхлорэтилен (Фторопласт-4) Фт-4 (PTFE).

6. Полиэфир ПЭ.

7. Полиакрил ПА (PA).

8. Композитные материалы:

– металлополимерные МП: сшитый полиэтилен-алюминий – сшитый полиэтилен П-Ал-П (РЕХ-АL-PEX); полипропилен-алюминий-полипропилен ПП-Ал-ПП (PP-AL-PP); полипропилен-алюминий-полиэтилен П-Ал-ПП (PEX -AL– PP);

– стеклопластиковые СП: на эпоксидной основе СТЭ (GRE); на полиэфирной основе СТП ( GRP);

– армированные пластмассы;

– полимербетон.

Полимерные материалы применяются во внутренних санитарно-технических системах с 1940-х годов наряду с традиционными материалами (металл, керамика и т. д.). В настоящее время в странах Европы они используются в 20 % систем холодного и горячего водоснабжения, 13 % систем отопления и 92 % систем напольного отопления. В основном используется сшитый полиэтилен – 53 %, полипропилен – 27 %, полибутилен – 7 %, ХПВХ – 6 %, металлополимерные трубы – 7 %. Следует отметить постоянную тенденцию к увеличению масштабов применения пластмасс.

Проектирование на 70 % определяет качество системы, поэтому при использовании новых технологий и материалов особое внимание должно быть уделено всем стадиям проектирования систем из пластмассовых трубопроводов.

Стадия «проект»

На стадии проекта (обоснования основных технических решений) необходимо дать подробное описание преимуществ пластмассовых трубопроводов, чтобы преодолеть сложившиеся стереотипы у заказчиков и экспертных организаций и показать пользу, которую получает заказчик, монтажник и эксплуатационник при использовании таких труб.

Основными преимуществами пластмассовых труб по сравнению со стальными являются:

– высокая коррозионная устойчивость, обеспечивающая значительную долговечность трубопроводных систем и сокращение затрат на капитальные ремонты систем;

– низкая шероховатость поверхности и незначительное гидравлическое сопротивление, снижающие затраты энергии на перекачку жидкости, что позволяет отнести эти трубы к энергосберегающим мероприятиям;

– устойчивость к зарастанию, уменьшающую эксплуатационные затраты на прочистку и промывку сетей;

– высокое электрическое сопротивление, позволяющее прокладывать трубопроводы в зоне действия сильных электрополей без устройства катодной защиты и усиленной изоляции труб;

– низкая теплопроводность, снижающая теплопотери и толщину слоя теплоизоляции, уменьшающая вероятность образования конденсата;

– низкая звукопроводность, позволяющая без нарушения акустических санитарных норм увеличить скорость движения воды в напорных трубопроводах до 6–9 м/с (для стальных труб – 3 м/с) , что увеличивает пропускную способность труб, уменьшает диаметры трубопроводов и материалоемкость систем;

– податливость (эластичность) труб позволяет смягчать гидравлические удары, возникающие при закрытии водоразборной арматуры, и замораживать воду в трубах без разрушения стенки трубы, что повышает надежность коммунальных систем, особенно в аварийных и чрезвычайных ситуациях;

– устойчивость к истиранию увеличивает срок службы труб, транспортирующих механические примеси;

– гибкость труб позволяет поставлять длиномерные отрезки труб (более 100 м ) в бухтах, на катушках и барабанах, что снижает количество стыковых соединений и повышает производительность монтажа, а также надежность систем (80 % аварий на пластмассовых трубопроводах происходит в стыковых соединениях);

– небольшая масса (легче металлических в 3–8 раз), что снижает транспортные и складские расходы;

– простота монтажа, незначительные трудозатраты на заготовительные работы;

– использование при монтаже в основном простых ручных инструментов, не требующих подвода энергии (электричества, сжатого воздуха и т. д.);

– пожаробезопасность при монтаже (температура сварочных процессов 200–240 °С) позволяет вести работы без остановки производственных процессов и в зданиях из сгораемых конструкций;

– незначительные затраты на подготовку специалистов;

– низкая стоимость монтажных работ;

– сокращение сроков монтажа.

Преимущества пластмасс и широкий ассортимент полимерных материалов с разнообразными свойствами позволяют использовать их в коммунальных системах.

В системах отопления зданий в основном используют трубы из термостойких пластмасс для прокладки трубопроводов (теплопроводов).

В системах холодного и горячего водоснабжения зданий полимерные материалы применяют для изготовления водоразборной (туалетные краны, поплавковые клапаны, смесители и т. д.) и трубопроводной (вентили, краны, поворотные затворы и т. д.) арматуры, внутренней и внутриквартальной сети, водонапорных баков, счетчиков воды.

В системах водоотведения (канализации) зданий полимеры применяют для изготовления санитарных приборов (ванн, умывальников, моек смывных бачков и т. д.), санитарно-технических блоков, кабин, гидрозатворов (сифонов), прокладки внутренних и наружных канализационных, водосточных сетей.

Предварительно материал трубопроводов можно подобрать на основании рабочих давлений и температур в системах (табл.1).

Таблица 1 (подробнее) Нормативные требования к коммунальным системам

Для систем хозяйственно-питьевого водопровода можно использовать трубы и арматуру только из материалов, допущенных санитарно-эпидемиологическим управлением к применению в питьевом водоснабжении и имеющим гигиенический сертификат.

При подборе пластмассовых труб для технологических систем коммунальных предприятий (химчисток, прачечных, станций водоподготовки) необходимо проверять трубы на устойчивость к агрессивному воздействию среды.

Запрещается применение пластмасс в противопожарных водопроводах зданий, системах, транспортирующих особо опасные, токсичные, взрывоопасные жидкости, сжиженные углеводороды и вещества, к которым пластмасса не стойка.

При проведении технико-экономических сравнений вариантов систем с трубопроводами и оборудованием из различных материалов следует учитывать не только капитальные затраты на монтаж систем с применением пластмассовых труб, но и рассматривать возможное снижение эксплуатационных затрат за весь срок эксплуатации систем, которая составляет основную часть длительного (более 50 лет) жизненного цикла коммунальных систем.

Стадия «рабочий проект»

На стадии рабочего проекта следует учитывать особенности пластмассовых трубопроводов по сравнению с металлическими:

– низкая прочность, необходимость защиты труб от механических и тепловых воздействий, нельзя использовать трубы как несущие конструкции, арматуру и оборудование необходимо жестко крепить на строительных конструкциях, чтобы усилия не передавались на трубопроводы;

– низкая поверхностная прочность;

– малая жесткость, низкая несущая способность;

– высокий коэффициент температурного линейного расширения;

– низкая термостойкость, снижение долговечности и прочности при нагревании;

– диффузионная проницаемость;

– хрупкость при отрицательных температурах;

– горючесть;

– старение материала, особенно при воздействии механических напряжений, температуры и ультрафиолетового излучения;

– сложность соединения разнородных материалов;

–  снижение жесткости и провисание труб при повышении температуры.

Расчетная долговечность пластмассовых труб может быть обеспечена только при учете всех особенностей этих труб.

В процессе конструирования системы эти особенности следует учитывать при выборе материала труб. Для наиболее распространенных труб из термопластов, работающих при давлении 0,4–1,0 МПа, рекомендуется учитывать температурные режимы систем не только по максимальным значениям температуры – t_макс, как это принято в СНиП (табл. 1), но и учитывать характерные (рабочие) температуры – t_раб и аварийные – t_авар [6], имеющие различную продолжительность в процессе 50-летней эксплуатации системы (табл. 2).

Таблица 2 (подробнее) Классы эксплуатации систем с пластмассовыми трубами

Максимальный срок службы трубопровода каждого класса эксплуатации определяется суммарным временем эксплуатации при Т_раб, Т_макс, Т_авар.

При сроке эксплуатации менее 50 лет все временные параметры должны быть уменьшены, кроме Т_авар. Исходя из местных условий возможно установление других классов эксплуатации в зависимости от режимов теплопотребления, соответствующих местным климатическим условиям (продолжительности периода отрицательных температур, величины средних и максимальных отрицательных температур и т. д.), но значения температур при этом должны быть не более указанных для класса 5.

Приведенная в табл. 2 классификация систем несколько отличается от принятой в СНиП (табл. 1), введением понятий «низко-» и «высокотемпературные системы». Это небходимо учитывать при выборе материала труб для систем в зданиях различного назначения: низкотемпературные системы отопления и водопровод горячей воды можно использовать в местных системах коттеджей и одно-двух этажных зданий, высокотемпературные в зданиях, подключенных к централизованным системам с более высокими температурными параметрами.

Рабочая температура в системах отопления 5 класса эксплуатации (80 °С) несколько ниже, чем рекомендуемая СНиП [2].

Рекомендуемые для каждого класса материалы труб приведены в табл. 3.

Таблица 3 (подробнее) Рекомендуемые материалы пластмассовых труб

Выбор конкретного материала из рекомендованных для данной системы производится на основе технико-экономического анализа [7].

Подбор марки полимерных труб из выбранного материала производится с учетом требуемого давления в системе, долговечности и надежности [7, 8].

При выборе фирмы-производителя или поставщика труб необходимо читывать ассортимент труб и соединительных частей, возможность монтажа с применением высокопроизводительного оборудования, особенности прокладки и эксплуатации труб [9].

При трассировке сетей необходимо предусматривать устройства для температурной компенсации, мероприятия, снижающие вероятность случайного повреждения труб в процессе монтажа и эксплуатации. Конструкция крепления труб и оборудования не должны вызывать постоянного или долговременного напряжения в материале труб. При пересечении или прокладке пластмассовых труб в строительных конструкциях следует предусматривать мероприятия по снижению и исключению температурных и механических нагрузок на трубы, а также влажностное и температурное воздействие трубопроводов на эти конструкции.

При трассировке сетей из пластмассовых трубопроводов:

– прокладывать трубопроводы в помещениях, каналах с расчетной температурой не более 30 °С, при большей температуре производить прокладку труб на сплошном основании;

– обеспечивать крепление труб, исключающее их провисание;

– обеспечивать возможность свободного перемещения труб при температурном удлинении;

– обеспечивать компенсацию изменений длины трубопровода при колебаниях температуры;

– обеспечивать защиту трубопроводов в местах возможного механического повреждения;

– исключать возможность работы пластмассовых труб как несущих элементов;

– прокладывать трубопроводы с учетом горючести материалов;

– при необходимости обеспечить отвод статического электричества.

При расчетах систем из пластмассовых труб по сравнению с системами из стальных труб следует учитывать различную маркировку труб: стальные водогазопроводные трубы маркируют по внутреннему диаметру (условному проходу), а пластмассовые – по наружному. Поэтому при равных обозначенных диаметрах пластмассовая труба имеет меньшее сечение и, следовательно, меньшую пропускную способность. Соединения пластмассовых труб с помощью штуцерных механических соединений предусматривает введение внутрь трубы штуцера меньшего диаметра, что уменьшает ее проходное сечение. Поэтому на участках с большим количеством таких соединений (квартирные, поэтажные разводки), особенно на верхних этажах зданий, где низкое давление, следует при гидравлическом расчете учитывать влияние местных сопротивлений [10].

При гидравлическом расчете, особенно безнапорных и низконапорных систем следует учитывать уменьшенное гидравлическое сопротивление пластмассовых труб из-за более гладкой внутренней поверхности по сравнению со стальными трубопроводами.

В дополнение к расчетам систем из стальных труб следует проводить расчеты на температурные удлинения, долговечность при рабочих температурах и давлениях, а иногда и на прочность в зависимости от условий прокладки и эксплуатации [7].

В спецификации следует закладывать ремонтный запас труб и соединительных частей, учитывая трудность получения качественных соединений труб из различных материалов.

Проект обязательно должен включать раздел «Эксплуатация» с подробным описанием приемов и оборудования для проведения профилактических и текущих ремонтов, т. к. в настоящее время службы эксплуатации еще не подготовлены к работе с новыми материалами труб и мало знакомы с их особенностями.

При монтаже пластмассовых трубопроводов необходимо строго выполнять правила транспортировки и хранения труб и оборудования:

– не сбрасывать трубы, оборудование с транспорта;

– не волочить трубы, бухты, катушки, пакеты;

– не использовать металлические стропы;

– не подвергать действию прямых солнечных лучей;

– не укладывать трубы и пакеты труб друг на друга высотой более трех метров;

– не допускать соприкосновения с маслами и жидкостями, которые могут повредить материал труб и оборудования.

Перед сборкой трубопроводов необходимо проводить входной контроль: тщательно проверить наличие сертификатов на материалы и оборудование, маркировку труб, соответствие основных размеров и параметров нормативным документам, отсутствие повреждений на поверхности труб, соединительных частей, оборудования.

Выбор метода соединения труб [8, 9] следует производить исходя из материала, диаметра, давления, особенностей монтажа. Необходимо придерживаться рекомендаций производителя труб по способам их соединения.

Трубы из ПЭ соединяют сваркой, из СПЭ, МП – обжимными механическими соединениями с накидными гайками, из ПП – сваркой, раструбными соединениями с резиновым уплотнением, ПВХ – склейкой, раструбными соединениями с резиновым уплотнением.

При выполнении соединений следует точно выполнять все технологические операции, чтобы обеспечить герметичность и долговечность соединения.

При монтаже следует тщательно выполнять крепления горизонтальных трубопроводов, используя виды крепления, исключающие возможность повреждения поверхности трубопровода или возникновения в нем постоянных напряжений (провисы труб, обжим и т. д.). Наилучшее крепление горизонтальных труб – на сплошном основании или в поддерживающих желобах.

Выводы

1. Применение пластмассовых труб технически и экономически целесообразно во многих коммунальных системах в сложившихся условиях эксплуатации, благодаря их преимуществам по сравнению с распространенными стальными трубопроводами.

2. Большой ассортимент труб из полимерных материалов позволяет подобрать тип трубы, обеспечивающий создание долговечной системы для конкретных условий эксплуатации.

3. Применение пластмассовых трубопроводов для обеспечения расчетной долговечности труб требует учета их особенностей на всех стадиях проектирования, монтажа и эксплуатации.

Литература

1 СниП 2.04.01–85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

2. СниП 41–01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

3. СниП 2.04.02–84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

4. СниП 2.04.02–85*. Канализация. Наружные сети и сооружения.

5. СниП 2.04.07–86*. Тепловые сети.

6. ГОСТ Р 52134–2003. Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления.

7. Проектирование пластмассовых трубопроводов. М., 2003.

8. Монтаж внутренних санитарно-технических трубопроводов из полимерных материалов. М., 2004.

9. Власов Г. С. Трубы и соединительные детали для инженерных систем, станций водоподготовки и газовых сетей с гидравлическими характеристиками труб. М., 2004.

10. Отставнов А. А. Особенности гидравлического сопротивления соединений внутренних напорных трубопроводов // Сантехника. 2003. № 6.