Проблема долговечности и надежности трубопроводных систем

А. Я. Добромыслов, канд. техн. наук, руководитель Учебно-методического центра по подготовке специалистов в области пластмассовых трубопроводных систем МИПК МГТУ им. Н. Э. Баумана

В разработанной по поручению Президента России Федеральной целевой программе «Жилище» (подпрограмма «Реформирование и модернизация жилищно-коммунального комплекса Российской Федерации») говорится, что кризис коммунального хозяйства вызван состоянием инженерных сетей, изношенность которых является главным источником угроз для социального и экономического развития страны.

Научно-технический совет Госстроя России, занимающийся в том числе и проблемой применения труб из полимерных материалов в инженерных сетях, также отмечает, что вопросы повышения долговечности и надежности трубопроводных систем в значительной степени определяют условия проживания населения в городах и поселениях Российской Федерации.

Причина нынешнего состояния подземных трубопроводов одна — неоправданно большое применение металлических труб: примерно 70 % — стальные и 5 % — чугунные. Достаточно сказать, что в 1990 году в России было потреблено 24 млн т стальных труб. Это в 2 раза больше, чем в США (7 млн т), Японии (4 млн т) и ФРГ (2 млн т) суммарно. При этом по протяженности подземных трубопроводов Россия — на втором месте, лидируют США.

В настоящее время в России в эксплуатации находится около 1 млн км подземных трубопроводов жилищно-коммунального комплекса, в том числе 523 тыс. км водопроводов. К ним добавляется около 3 млн км внутридомовых трубопроводов систем холодного и горячего водоснабжения, где свыше 95 % занимают стальные оцинкованные и даже черные трубы.

По данным Научно-технического совета Госстроя России, средний уровень износа сетей в коммунальном хозяйстве составляет около 60 %, а в отдельных регионах превышает 70 % (Красноярский и Приморский края, Новгородская область, Корякский автономный округ и др.). По данным В. С. Ромейко, требуют полной замены 67 тыс. км стальных и 60 тыс. км чугунных труб [1].

Следствием неудовлетворительного состояния подземных трубопроводов водоснабжения и канализации является не только колоссальные потери подготовленной питьевой воды, но и повсеместное ухудшение экологической обстановки и растущие практически во всех регионах России вспышки гепатита, тяжелых кишечных и желудочных заболеваний, а также тот факт, что многие здания в различных населенных пунктах оказались в состоянии коммунального кризиса.

Как это ни парадоксально, высоконапорные, высокопрочные стальные трубы, которые в системе коммунального водоснабжения задействованы лишь на 2—3 % прочности, явились самым слабым звеном в жилищно-коммунальном комплексе России. При отсутствии надежной наружной и внутренней гидроизоляции стальные трубы в высокой степени подвержены коррозии, что и приводит к снижению фактического срока их службы в 3—4 раза против нормативного.

Помимо этого, металлические трубы подвержены зарастанию внутренней поверхности продуктами коррозии и карбонатными отложениями, что приводит к резкому возрастанию величины шероховатости материала труб и уменьшению площади их живого сечения. В результате пропускная способность трубопроводов снижается на 50 % и более. Естественно, что этот процесс зависит от агрессивности транспортируемой воды.

Так, по данным [2], природные воды разбиваются на пять групп, каждая из которых определяет характер и интенсивность снижения пропускной способности трубопровода. Последняя рассчитывается по формуле:

Q_t = Q_p (1 – 0,01nt^m),  (1)

где Q_p — расчетная пропускная способность нового трубопровода;

t — продолжительность эксплуатации, год;

n, m — параметры, зависящие от физико-химических свойств транспортируемой воды.

Группа 1 — слабоминерализованные некоррозионные воды с показателем стабильности от –0,2 до +0,2; вода с незначительным содержанием органических веществ и растворенного железа; n = 4,4—2,3, m = 0,5; ежегодный прирост абсолютной шероховатости 0,005—0,055 мм.

Группа 2 — слабоминерализованные коррозионные воды с показателем стабильности до –1; воды, содержащие органические вещества и растворенное железо в количестве, меньшем 3 г/м³; n = 6,4—2,3, m = 0,5; ежегодный прирост абсолютной шероховатости 0,055—0,18 мм.

Группа 3 — весьма коррозионные воды с показателем стабильности от 1,0 до 2,5, но с малым содержанием хлоридов и сульфатов (меньше 100—150 г/м³); воды с содержанием железа больше 3 г/м³; n = 11,6—6,4, m = 0,4—0,5; ежегодный прирост абсолютной шероховатости 0,18—0,4 мм.

Группа 4 — коррозионные воды с отрицательным показателем стабильности, но с большим содержанием сульфатов и хлоридов (больше 500—700 г/м³); n = 18—11,6, m = 0,35—0,40; ежегодный прирост абсолютной шероховатости 0,4—0,6 мм.

Группа 5 — воды, характеризующиеся значительной карбонатной и малой постоянной плотностью с показателем стабильности более 0,8; сильноминерализованные и коррозионные воды с плотным остатком более 2 000 г/м³; n = 32—18, m = 0,25—0,35; ежегодный прирост абсолютной шероховатости 0,6—3,0 мм.

Здесь первые значения n и m относятся к трубопроводам диаметром 150—300 мм, а вторые — 400—600 мм.

Наши расчеты по формуле (1) показывают, что пропускная способность трубопровода снижается через 5 лет эксплуатации, в зависимости от группы воды, соответственно на 10; 14; 22; 32 и 48 %; через 10 лет — на 14; 20; 30; 40 и 57 %; через 20 лет — на 20; 30; 40; 50 и 68 %!

В целом ряде случаев эксплуатационные организации меняют насосы на более мощные, и при этом затраты электроэнергии на перекачку воды увеличиваются в 4—8 раз.

На извечный вопрос «что делать?» ответ найден давно: не применять металлические трубы, не защищенные от внутренней и наружной коррозии. Тогда возникает следующий вопрос: что применять? На этот вопрос существует несколько ответов: сталь с цементно-песчаным внутренним покрытием и надежной наружной гидроизоляцией; чугун с шаровидным графитом и двусторонней защитой (цементно-песчаный изнутри и с гидрозащитой снаружи); трубы из полимерных материалов.

Понятно, что оптимальное решение зависит от рабочих параметров (давление, температура транспортируемой среды) трубопровода, а также от стоимостей его строительства и эксплуатации. Действующие СНиП 2.04.02-84* «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» и СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения» рекомендуют применять как металлические, так и неметаллические трубы, не дифференцируя условий их применения. СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети» рекомендует применять исключительно стальные трубы, в то время как СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» для внутридомового отопления рекомендует применять трубы из полимерных материалов. СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» содержит четкие рекомендации по условиям применения труб из различных материалов в системах холодного, горячего и противопожарного водоснабжения (п. 10.1): следует применять пластмассовые трубы, срок службы которых при температуре транспортируемой среды 20 °С не менее 50 лет, а при температуре 75 °С и с давлением 0,75 МПа — не менее 25 лет; «допускается применять медные, бронзовые и латунные трубы… а также стальные с внутренним и наружным защитным покрытием от коррозии». При этом указанные выше сроки службы трубопроводов должны быть гарантированны. В системах противопожарного водоснабжения применяются исключительно стальные трубы.

Пункт 10.1 СНиПа 2.04.01-85* нуждается в некоторых комментариях. Во-первых, формулировка «следует применять пластмассовые трубы… для всех систем водоснабжения, кроме раздельной сети противопожарного водоснабжения» подразумевает применение платмассовых труб для хозяйственно-питьевой системы, объединенной с системой противопожарного водоснабжения. В этом случае ввод водопровода в здание, разводки по подвалу и чердаку и противопожарные стояки выполняются из стальных труб, а стояки и разводки хозяйственно-питьевые — из пластмассовых. Раздельная сеть водоснабжения состоит из двух самостоятельных систем — противопожарной и хозяйственно-питьевой. При этом первая выполняется из стальных труб, а вторая — из пластмассовых. (Заметим, что Московский домостроительный комбинат № 2 уже 4 года строит такие системы в 22-этажных жилых домах, где стояки и разводки систем холодного и горячего водоснабжения и канализации из полипропиленовых труб, а противопожарные — из стальных.)

Во-вторых, нет однозначного ответа, является ли цинковое покрытие стальных труб надежной гидроизоляцией. Опыт их эксплуатации не позволяет ответить на этот вопрос утвердительно — фактический срок их службы в 2—3 раза ниже нормативного, и уже через 5—6 лет эксплуатации насосы, подобранные по шероховатости новых стальных труб (~0,15 мм), не справляются с работой, в результате чего верхние этажи жилых домов оказываются без воды. Выполненные нами измерения показывают, что гидравлическая шероховатость оцинкованных труб через 16 лет эксплуатации в системах горячего водоснабжения жилых зданий Москвы достигла 20—22 мм.

Как известно, основные требования, предъявляемые к трубам, — их надежность и долговечность. Уже многократно доказано, в том числе и отечественным опытом, что для инженерных сетей жилищно-коммунального комплекса России, работающих при температурах транспортируемой среды до 85—90 °С и давлениях до 1,6 МПа, оптимальными являются трубы из полимерных материалов. Они не коррозируют, на их внутренней поверхности не откладываются продукты коррозии и карбонатные отложения, т. е. весь срок эксплуатации они сохраняют постоянным живое сечение и гидравлическое сопротивление, кроме того, легко монтируются и ремонтируются.

В последние годы появились пластмассы со значением минимальной длительной прочности (MRS) 8 и 10 МПа, срок службы которых составляет 80 и 100 лет.

В поддержку проектных и строительных организаций, применяющих пластмассовые трубы, разработан целый ряд нормативных документов на уровне сводов правил: СП 40-102-2000 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования», СП 40-101-96 «Проектирование и монтаж трубопроводов из полипропилена ”Рандом сополимер“», СП 40-103-98 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем холодного и горячего внутреннего водоснабжения с использованием металлополимерных труб», СП 41-102-98 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб» и др., а также инструкции и ведомственные нормы по проектированию и монтажу внутренних и наружных трубопроводных систем из полимерных материалов.

По потребительским качествам пластмассовые трубы значительно превосходят трубы из стали и чугуна: коэффициент их гидравлической шероховатости в 7 раз ниже, чем у новых стальных труб, в 20 раз ниже, чем у стальных труб с цементно-песчаным покрытием, в 23 раза ниже, чем у новых чугунных. Как отмечено выше, они не меняют своих гидравлических характеристик в течение всего срока эксплуатации, т. е. затраты электроэнергии на перекачку воды по этим трубам минимальны. В то же время, по данным профессора О. А. Продоуса [3], по причине зарастания внутренней поверхности стальных труб их пропускная способность снизилась в 1,5—2 раза в Костроме, Нижнем Новгороде, Казани, Ульяновске, Волгограде и Самаре; в 2—2,5 раза в Омске, Новосибирске, Кемерово, Барнауле, Хабаровске и Чите; в 2,5—3 раза в Архангельске, Мурманске, Великом Новгороде и Петрозаводске.

По тем же данным, в настоящее время ни в одной стране мира не отмечено ни одной аварии на полиэтиленовых трубопроводах, изготовленных из труб финских производителей Uponor и KWH pipe, которые выпускают пластмассовые трубы более 35 лет.

О надежности трубопроводов из металлических и пластмассовых труб написано немало. Так, по данным [3], в Санкт-Петербурге эксплуатируется многокилометровая водопроводная сеть из чугунных раструбных труб, на которой аварии происходят из-за разгерметизации стыковых соединений и переломов труб. В целом ежегодно в городе на стальных и чугунных трубопроводах происходит около 2 000 аварий. В работе [4] мы привели статистику аварийности на стальных и чугунных трубопроводах в пяти городах России (Иркутск, Новосибирск, Нижневартовск, Волгоград, Псков): от 50 до 119 — на 100 км в год и от 49 до 295 — на 100 км в год соответственно. Это в основном сквозные проржавления, расхождение стыков и переломы труб. О. А. Продоус в работе [5] отмечает для сравнения, что во время двух крупных землетрясений в Японии в 1995 и 2000 годах не были повреждены водопроводы только из пластмассовых труб.

Таким образом, по надежности и долговечности пластмассовые трубы предпочтительнее труб из стали и чугуна в наружных и внутренних инженерных сетях.

Сравнение стоимостных показателей труб из полипропилена и металла, тем более с учетом затрат на их эксплуатацию, также в пользу пластмассовых труб. Об этом свидетельствует стоимость стальных и чугунных труб с цементно-песчаным покрытием и наружной гидроизоляцией в сравнении со стоимостью полиэтиленовых труб для наружных прокладок, а также стоимость полипропиленовых труб и деталей в сравнении со стоимостью оцинкованных стальных труб для внутренних прокладок.

Одновременно следует специально подчеркнуть, что мы не против использования при строительстве инженерных сетей водоснабжения, теплоснабжения, канализации труб из других материалов, однако считаем, что применение последних оправдано только в тех случаях, когда по техническим причинам пластмассовые трубы не могут быть применены (например, в системах теплоснабжения с температурами теплоносителя выше 90—95 °С или в высоконапорных системах с давлением выше 1,6 МПа).

В итоге отметим, что Научно-технический совет Госстроя России ориентирует строителей на массовое внедрение труб из полимерных материалов, отмечая при этом необходимость четкого определения оптимальных областей применения труб из различных материалов для инженерных сетей.

Литература

1. Ромейко В. С. От редактора // Трубопроводы и экология. 1998, № 2; 2001, №№ 1, 4; 2002, №№ 1, 2, 3.

2. Курганов А. М., Федоров Н. Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Л.: Стройиздат, 1978.

3. Продоус О. А. Эксплуатационники или заложники аварий? Снова об утечках воды // Стройпрофиль. 2002. № 2 (16). С. 49—50.

4. Продоус О. А., Добромыслов А. Я. Еще раз о трубах для инженерных сетей // Стройпрофиль. 2002. № 4 (18). С. 52—53.

5. Продоус О. А. Почему не идут реформы в ЖКХ? // Стройпрофиль. 2003. № 1 (23). С. 68—70.