О роли труб в реформе ЖКХ

А. Я. Добромыслов

1 марта 2003 г. состоялось совместное заседание секций "Водоснабжение и водоотведение в жилищно-коммунальном хозяйстве" и "Коммунальная энергетика" Научно-технического совета Госстроя России. Вопрос, вынесенный на рассмотрение НТС, - "О практике применения труб из полимерных материалов в инженерных сетях" - очень точно соответствовал духу времени: в разрабатываемой по поручению Президента Российской Федерации целевой программе "Реформирование и модернизация жилищно-коммунального комплекса Российской Федерации" прямо указывалось, что кризис коммунального хозяйства вызван состоянием инженерных сетей, изношенность которых является главным источником угроз для социального и экономического развития страны.

Причиной столь плачевного состояния трубопроводов является непомерное потребление в бывшем СССР металлических труб, не защищенных надежной гидроизоляцией: 70% стальных и 5% чугунных (от общей протяженности трубопроводов, составляющей около 2 млн. км наружных и 15 млн. км внутренних сетей).

В результате металлические трубопроводы наружных сетей находятся в тяжелом состоянии: требуют полной замены 67 тыс. км стальных и 60 тыс. км чугунных трубопроводов, 70 тыс. км стальных и 51 тыс. км чугунных труб нуждаются в срочном ремонте и восстановлении пропускной способности. При этом динамика выхода трубопроводов из строя просто устрашающая: за пять лет - с 1993 по 1998г. протяженность уличных сетей, подлежащих замене, выросла на 46,6% и составила 91,1 тыс. км.

Аналогичная ситуация сложилась и с наружными трубопроводами водоотведения: из общей протяженности в 163 тыс. км требует немедленной замены 58 тыс. км.

По данным НТС Госстроя России, средний уровень износа сетей в коммунальном хозяйстве составляет 60%, а в отдельных регионах износ водопроводных и канализационных сетей превышает 70%. Следствием неудовлетворительного технического состояния водопроводных сетей являются растущие потери воды, составляющие в среднем по России 16,7% от всей подачи воды в год, а в ряде городов они достигают около 30%, что тяжелым бременем ложится на экономику страны.

По данным московского института гигиены им Ф.Ф.Эрисмана, повсеместное нарушение герметичности трубопроводов водоснабжения и канализации весьма негативно сказывается на здоровье населения: практически во всех регионах России это приводит к вспышкам острых кишечных заболеваний, гепатиту и тяжелым желудочным заболеваниям.

Что касается внутренних систем холодного и горячего водоснабжения, то и здесь положение не легче. В процессе эксплуатации стальные трубы быстро выходят из строя вследствие коррозии и зарастания внутреннего сечения продуктами коррозии и карбонатными отложениями. По нашей оценке, шероховатость внутренней поверхности стальных оцинкованных труб через пять лет эксплуатации увеличивается в 30-35 раз, а через 15 лет - более чем в 100 (!) раз. Например, коэффициент эквивалентной равномернозернистой шероховатости Кэ новой стальной трубы равен 0,138 мм, через 5 лет эксплуатации 5мм, а через 10 лет - 15-20мм. (В частности, при испытаниях трубопровода из стальных оцинкованных труб dy = 25мм, бывших в эксплуатации в системах горячего водоснабжения жилого дома в Москве 15 лет, мы получили Кэ = 22мм). Это положение характерно для большей части территории России.

Насосное оборудование, подобранное по коэффициенту шероховатости новой стальной трубы, уже через 3-5 лет не справляется с возросшим сопротивлением - верхние этажи зданий оказываются без воды, и дом "ставят на график": в определенные часы суток воду получает нижняя половина дома, а затем верхняя. Но проходит какое-то время, гидравлическое сопротивление труб увеличивается и вода на верхние этажи не поступает.

У эксплуатирующих организаций возникает дилемма: менять насос или менять трубы? Как правило, меняют насос, и затраты электроэнергии на перекачку воды возрастают в 6-8 раз.

Все это приводит к огромным материальным затратам и к снижению комфортности проживания.

Говорить об экономике не приходится, - выше мы отметили, что с учетом затрат на эксплуатацию пластмассовые трубы априори дешевле стальных. Однако беда России заключается в том, что строят одни, а эксплуатируют другие, у первых задача - построить как можно дешевле, их не интересуют затраты на эксплуатацию и невероятным образом они обходят требования федеральных норм применять пластмассовые трубы.  

Между тем, мировая практика уже давно нашла оптимальное решение всех этих проблем, заменив недолговечные металлические трубы на трубы из полимерных материалов, которые обладают целым рядом неоспоримых преимуществ: они не корродируют и не зарастают внутренними отложениями; при нормативном давлении и температуре транспортируемой среды до 20 °С срок их службы не менее 50 лет (на некоторых курортах России и СНГ в трубопроводных системах бальнеотехники из полиэтиленовых труб уже достигнут этот срок); при давлении 5-7 атм и температуре транспортируемой среды 85-90 °С срок их службы не менее 25 лет; они имеют достаточно низкий коэффициент шероховатости, который остается неизменным весь срок эксплуатации; они в 4-12 раз легче металлических, высокотехнологичны в монтаже и при ремонтах.

Необходимо особо подчеркнуть, что пластмассовые трубы как во внутренних, так и в наружных трубопроводных системах следует применять только в тех случаях, когда их технологические параметры соответствуют эксплуатационным параметрам труб, - дело в том, что у пластмассовых труб, как ни у каких других, ярко выражена связь между давлением транспортируемой по ним среды ("рабочим давлением"), ее температурой и сроком службы. На основании этой связи устанавливается область применения труб из различных полимерных материалов.

В качестве иллюстрации в таблице 1 приведен фрагмент этой зависимости для полипропиленовых труб рандом сополимер номинальным давлением 10 и 20 ати (PN10 и PN20), заимствованный из [1].

Нетрудно видеть, что при температуре транспортируемой среды 20 °С срок службы полипропиленовых труб РN10 и PN20 равен 50 годам при давлении, соответственно, 1,29 и 2,59 МПа , при температуре 75 °С срок службы снижается вдвое (до 25 лет) при давлении 0,37 и 0,75 МПа , а при температуре 95 °С применять трубы PN10 не рекомендуется, а срок службы труб PN20 снижается до 5 лет при давлении 0,54 МПа.

Таким образом, повышение давления, равно как и температуры транспортируемой среды, приводит к снижению срока службы трубопровода из пластмассовых труб. В частности, в СНиП 2.04.01 - 85* [2] регламентировано для систем горячего водоснабжения применять трубы, срок службы которых при давлении 7,5 ати и температуре 75 °С не менее 25 лет. Заметим, что стальные оцинкованные трубы без дополнительной защиты от коррозии служат в 2-3 раза меньше (8-10 лет).

Прочность пластмассовой трубы при прочих равных условиях зависит от толщины ее стенки. В соответствии с классификацией, принятой в мировой практике, максимальное рабочее давление МАОР (Maximum Allowable Operating Press), МПа, определяется по формуле:

(1)

где MRS - минимальная длительная прочность (Minimal Required Strength), МПа, - прочность материала через 50 лет эксплуатации при транспортировании воды с температурой 20 °С;
С - коэффициент запаса прочности;
SDR = - стандартное размерное соотношение (Standard Dimension Ratia) значений номинального наружного диаметра трубы (Dн) и номинальной толщины ее стенки ( ).

Величина MRS, деленная на коэффициент запаса прочности С, дает возможность оценить величину допускаемого проектного напряжения в стенке трубы под действием рабочего давления р:

(2)

Из (1) и (2) следует:

(3)

откуда толщина стенки трубы равна:

(4)

где взято в МПа, p - в ати, и - в мм.

Естественно, что трубы из новых марок полиэтилена и полипропилена с MRS 80 и 100 кгс/см² (8 и 10 МПа) по сравнению с маркой MRS 63 кгс/см² (6,3 МПа) имеют больший коэффициент запаса прочности, который нормируется в соответствии со стандартом ISO 4427. При стандартных значениях коэффициента прочности трубы из полиэтилена и полипропилена 80 и 100 могут иметь уменьшенные толщины стенок, т.е. меньшую материалоемкость и меньший вес.

В таблице 2 приведена связь между типами труб, соответствующими им давлениями и величинами SDR, позволяющая легко ориентироваться при выборе пластмассовых труб.

Приведенные зависимости (1) - (4) и отмеченная выше связь между температурой, давлением и сроком службы дают возможность выбрать пластмассовую трубу для конкретных условий ее эксплуатации. Можно констатировать, что в настоящее время пластмассовые трубы с успехом применяются в многообразных трубопроводах инженерного оборудования более чем в 100 странах мира. Накопленный опыт эксплуатации этих трубопроводов дает основания для однозначного вывода о том, что пластмассовые трубы могут с успехом применяться в наружных и внутренних системах холодного и горячего водоснабжения, канализации, теплых полов, поливочных водопроводах, дренажах, водостоках, ливневой канализации. Видимо, нет надобности говорить о том, что в открытой печати и на практике уже многократно доказана бесспорная экономическая и эксплуатационная эффективность пластмассовых труб практически во всех системах инженерного оборудования, работающих при давлениях 16-20 ати и температурах транспортируемой жидкости до 90 °С.

Не менее эффективны пластмассовые трубы и в безнапорных трубопроводных системах бытовой, дренажной и ливневой канализации. Основными аргументами в их пользу являются относительно низкий коэффициент эквивалентной шероховатости, высокая кольцевая жесткость, высокая стойкость к гидроабразивному износу. Пластмассовые трубы не являются такими хрупкими, как асбестоцемент и чугун, не подвержены газовой коррозии, как железобетон, сквозь их соединения не прорастают корни деревьев, как у керамических труб. Высокая кольцевая жесткость (до 16 кН /м ) позволяет прокладывать их на глубине выше 0,5 и ниже 6 метров, стойкость к гидроабразивному износу позволяет транспортировать в них жидкость со скоростью до 8 м/с.

Что касается шероховатости трубопроводов из различных материалов, работающих в безнапорном режиме, то вопрос об их эффективности нуждается в специальном анализе. Прежде всего отметим, что расчетный коэффициент эквивалентной равномернозернистой шероховатости Кэ пластмассовых труб равен 0,02 мм, чугунных - 0,47мм, бетонных и железобетонных - 1,22мм. Каким образом это влияет на уклон трубопровода и, следовательно, стоимость земляных работ, определяем по формулам СП 40-102-2000 [3].

В качестве примера для расчета взят расход сточной жидкости 160 л/с, наполнение трубопровода H/Dp =0 ,8, скорость течения жидкости V = 2,41 м/с. При этих параметрах расчетный диаметр пластмассовой трубы равен 315 мм, чугунной 300 мм, бетонной 300 мм ( в соответствии с сортаментами труб).

Уклон пластмассовой трубы i=0,01, чугунной - 0,0175, железобетонной - 0,0266. Объем земляных работ на 100 метров трассы при ширине траншеи 2 м в первом случае равен 100 м ³ , во втором случае - 175 м³ , в третьем случае - 266 м. Кроме того, следует отметить, что при необходимости уменьшения уклонов во втором и третьем случаях вынужденным решением будет увеличение диаметров (и следовательно, стоимости) труб.

Заявляя, что у России нет альтернативы пластмассовым трубам, мы ни в коем случае не отрицаем возможность применения труб из других материалов. По нашему глубокому убеждению, они должны применяться в тех случаях, когда не могут быть заменены другими трубами. Например, стальным трубам нет альтернативы в системах централизованного теплоснабжения с температурами выше 100 °С.

Нельзя отрицать достоинства чугунных труб с шаровидным графитом. Однако они нуждаются в нанесении цементно-песчаного покрытия на внутреннюю поверхность и гидроизоляции наружной поверхности, в результате чего становятся дороже пластмассовых труб. Но им нет альтернативы в высоконапорных (выше 16 ати) трубопроводных системах и т.д.

Нам уже приходилось писать о том, что трубопроводы являются самым слабым звеном жилищно-коммунального комплекса России [4]. Похоже что сегодня с этим согласны все. Действительно, по расчетам В.С.Ромейко, совокупный ущерб только от утечек воды в системах ЖКХ составляет 6,5 млрд. долларов США в год.

Роль труб из различных материалов в реформе ЖКХ невозможно переоценить. Но при давлениях 16-20 ати и температурах транспортируемой среды до 90-95 °С приоритет остается за трубами из полимерных материалов.

Литература

1. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов: (Вторая редакция) / М-во экон. РФ, М-во фин. РФ, ГК по строительству, архитектуре и жилищной политике; рук. авт. кол.: В. В. Косов, В. Н. Лившиц, А. Г. Шахназаров. М.: ОАО «НПО», изд-во «Экономика», 2000.

2. Ковалев И. Н. Непрерывная модель инвестиционного процесса при неопределенности исходной информации / Международная конференция «Новые технологии в управлении, бизнесе и праве». Невинномысск: ИУБиП, 2004.

3. Ливчак И. Ф., Наумов А. Л. Регулируемая вентиляция жилых многоэтажных зданий // АВОК. 2004. № 5.

4. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.

5. Мелкумов Я. С. Организация и финансирование инвестиций. Учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2002.

6. Исследование операций: В 2-х томах. Пер. с англ. / Под ред. Дж. Моудера, С. Элмаграби. М.: Мир, 1981. Т. 1.

7. Табунщиков Ю. А. Потребительские качества здания // АВОК. 2004. № 4.