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». Об этом и пойдет речь в данной 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 в таких развитых странах, 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.) сле дующие конструкционные материалы труб (см. табл. 1).

В табл. 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:

1. стальные и чугунные (из высокопроч ного чугуна) трубы с внутренним цементно-песчаным покрытием;
2. асбоцементные и железобетонные трубы;
3. трубы из поливинилхлорида;
4. трубы из полиэтилена;
5. 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 в эксплуатацию более 21,000 км новых трубопроводов водоснабжения и почти 50% из них составляют трубы из высокопрочного чугуна, 40% — из поливинилхлоридных труб, остальные — из стали, бетона и полиэтилена. Как же развивается мировой рынок труб из высокопрочного чугуна? Надо от- метить, что с 1983 года и по настоящее время средние темпы прироста объемов мирового регионального спроса (в 2004 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 Украина отстает от Китая в 14 раз, от стран Европы — в 15 раз и от США — в 30 раз. Эти данные свидетельствуют о катастрофическом отставании Украины 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 подтверждает 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. табл. 2).

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 теплового расширения, то при смене рабочихтемператур 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 материалов в значительной мере зависят от рабочей температуры (см. рис. 1). Поизводители не рекомендуют эксплуатировать трубопроводы из ПЭВП под давлением при температуре выше 60°С. 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, 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 из ПЭВП — ≈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 более важную роль для труб из ПВХ и ПЭВП, так как они обладают намного меньшей 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 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. табл. 3). Рассмотрим отдельные технико-эксплуатационные и экологические характери стики сравниваемых труб болееподробно.

Прочность

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. 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 подтверждены также в специальном отчете 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.), где указано, 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.

Проницаемость

Многочисленными исследованиями (отчет 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», сообщения № 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, полибутилена и ПВХ) легкопроницаемы и не должны прокладываться в отравленных почвах, загрязненных углеводородами, включая сырую нефть, масла, бензин, дизельное топливо, керосин (всего в этот список попало около 18 ароматических углеводородов и органических химикалиев), 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, загрязнять питьевую воду, придавать ей неприятный вкус и запах. Многочисленные публикации и обзоры по трубопроводам в США показали, что пластиковые трубы были виновниками основных слу чаев загрязнения воды, при этом на по либутилен, полиэтилен и поливинилхло рид приходилось, соответственно, 43, 39 и 15 % всех зафиксированных случаев.

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.

Коррозионная стойкость

Коррозионная стойкость труб из высокопрочного чугуна в 4-5 раз превышает стойкость стальных труб (из нелегированных сталей). Испытания труб из высокопрочного чугуна, которые проводились в США, Англии, Франции и Германии,показали, что коррозионная стойкость труб из ВЧШГ равна или в ряде случаев выше, чем труб из серого чугуна (из книги «Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом» / Э. В. Захарченко. — Киев: Наук. Думка, 1986). Испытания труб проводились по атмосферной и почвенной коррозии, а также в различных агрессивных средах. Согласно этому же источнику, электрическое сопротивление высокопрочного чугуна в 3,6-4,8 раза выше, чем у стали, а стыки труб разделены непроводящими резиновыми манжетами, поэтому трубы ВЧШГ, как правило, не подвержены электрической коррозии. Как показывает 50-летний опыт эксплуатации трубопроводных систем из высокопрочного чугуна, трубы из ВЧШГ работают надежно и долгосрочно практически во всех условиях, однако в особо коррозионных грунтах и в местах электрических блуждающих токов высокой плотности им может потребоваться дополнительная защита в виде полиэтиленовой оболочки (полиэтиленового «чулка», надеваемого на трубу в процессе укладки), наружного покрытия металлическим цинком или катодной защиты.

Надежность раструбных соединений с резиновыми манжетами

Что же касается часто задаваемого вопроса о сроках службы резиновых манжет, то при подземной укладке трубопроводов манжеты служат тот же срок, что и сам трубопровод. Доказательством этому является практический опыт использования резиновых уплотнений и колец в США начиная с 1920-х годов и до настоящего

времени, российский опыт применения резиновых уплотнений (в музее «Мир воды» «Водоканал Санкт-Петербург» представлена резиновая уплотнительная прокладка, исправно прослужившая около 100 лет) и официально опубликованные данные аварийности систем трубопроводов из высокопрочного чугуна.

Возможность укладки труб при от рицательных температурах

Оборудование для сварки ПЭ 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 зготовители также дают свои рекомендации:

«Прокладывание труб из ПЭ при темпера туре ниже 0°С возможно, но не рекомен дуется. В случае необходимости сварки труб ПЭ в низких температурах место для сварки надо 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».

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 нем персонала. Затраты на содержание высокооплачиваемого персонала могут оказаться чересчур высокими.

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 любой температуре и 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 нужно прикладывать определенное усилие для поворота стыка на нужный угол. Раструбные соединения труб из ВЧШГ позволяют в зависимости от диаметра труб угловое отклонение до 5°. Заканчивая эту статью, приведем цитаты из статьи профессора Московского государственного строительного университета К. Попова 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». И далее: «Рассказывая о полимерных трубах, их производители в качестве эталона, как правило, выбирают традиционные стальные трубы из нелегированной углеродистой стали. На их фоне современные полимерные трубы кажутся средоточием достоинств. Недостатки же, как правило, замалчиваются. А они, разумеется, есть. И понятно — нет в мире совершенства, и каждое «улучшение» несет с собой и «новые пороки».

    В заключение хотелось бы еще раз напомнить всем специалистам, участвующим в процессах проектирования, строи тельства и эксплуатации сетей водоснабжения, что мировой опыт устройства инженерных коммуникаций показывает обоюдную востребованность как полимерных, так и различного рода металлических труб и не отрицает их плодотворного и взаимодополняющего сотрудничества.