ВЧШГ или ПНД — на какой трубе остановить свой выбор при проектировании водопроводной системы
Проектирование трубопровода начинается с расчета нагрузок. После этого выбирают материал, который станет основой будущей системы. Современная промышленность предлагает два главных варианта — ВЧШГ (высокопрочный чугун с шаровидным графитом) и ПНД (полиэтилен низкого давления). Эти материалы различают в технических характеристиках и предназначении.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом
Выплавление чугуна насчитывает тысячелетнюю историю. Ранние эксперименты по созданию сплавов из железа и углерода проводились китайскими мастерами в X веке нашей эры. Первые чугунные трубы появились в XVII веке и использовались для отведения сточных вод. Некоторые из них остаются в исправном состоянии и используются до сих пор. Так, из 35 км распределительного трубопровода, сооруженного в Версальском дворце в 1681 году, 80% не заменены до сих пор.
В середине XX века началось массовое производство высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Этот материал представляет собой сплав на основе железа. Второй элемент в составе — углерод, его содержание — не менее 2,14%. Также в этот сплав входят кремний, марганец, фосфор, сера и хром. Концентрация различается в зависимости от марки чугуна.
Словосочетание «шаровидный графит» говорит о форме мельчайших углеродных элементов, образующихся в результате эвтектоидной реакции — процесса выделения перлита при нагреве до определенной температуры. Благодаря сферической форме графита напряжение внутри металла распределяется равномернее, чем в случаях, когда речь идет о микроскопических углеродных пластинах.
Cплав под микроскопом
Такой химический состав сплава обусловливает его основные физические свойства:
- простота обработки благодаря пониженной температуре плавления по сравнению с другими металлическими сплавами;
- высокая усталостная прочность, которая обеспечивает длительный ресурс при постоянных перепадах рабочего давления;
- высокий предел текучести позволяет выдерживать серьезные рабочие и внештатные нагрузки;
- устойчивость к растрескиванию предотвращает повреждение трубопровода из-за перепадов температуры;
- наличие цинкового покрытия, а также применение дополнительных защитных средств повышает устойчивость сплава к коррозии.
Сочетание этих свойств ВЧШГ разрешает его использование для производства трубопроводных элементов повышенной прочности. Они применяются для транспортировки большинства используемых в промышленности и бытовой сфере жидкостей и газов. Кроме того, этот материал широко используется в изготовлении важных элементов различных механизмов — поршней, цилиндров, корпусов двигателей и турбин.
К недостаткам чугуна относится, в первую очередь, стоимость. Кроме того, монтаж на основе труб из ВЧШГ осложняется массой изделий из этого материала. Нельзя оставить без внимания и сравнительно высокую хрупкость сплава: она выше по сравнению со сталью.
Полиэтилен высокого давления
Патент на изобретение этого вида полиэтилена, был выдан в 1954 году. Массовое производство материала и использование в промышленности началось позже — в начале 60-х годов. До этого в изготовлении труб использовался другой полимер — поливинилхлорид (ПВХ).
Сегодня полиэтилен низкого давления (ПНД) чаще остальных используется для создания трубопроводных элементов. Такие изделия производятся методом экструзии в специальных станках. Эта технология помогает достичь максимальной равномерности распределения полимера.
Использование ПНД в трубопроводных элементах позволяет достичь полной герметичности соединений, благодаря возможности стыковой или электромуфтовой сварки изделий на месте установки. Также отметим и другие преимущества этого материала:
- химическая инертность, которая предотвращает возникновение коррозии, негативно влияющей на эксплуатационный ресурс изделий;
- сравнительно низкий вес (по сравнению с металлическими трубами) снижает издержки, возникающие при сооружении систем;
- высокая эластичность позволяет трубам из ПНД без повреждений переносить заморозку и оттаивание;
- стоимость сырья положительно влияет на финансовую доступность конечной продукции — труб и соединительных элементов.
У полиэтилена низкого давления есть и недостатки. В частности, низкая температура плавления — +120˚C. Это означает, что трубы из ПНД не используются для систем отопления и горячего водоснабжения с постоянной температурой рабочей среды выше +60˚C (допускается кратковременный разогрев до +80˚C). Кроме того, изделия из этого материала должны быть скрыты от прямых солнечных лучей: воздействие ультрафиолета серьезно ускоряет деградацию ПНД и снижает эксплуатационный ресурс.
При выборе опираются на марку полиэтилена, применяемого в производстве конкретных трубопроводных изделий. На рынке представлены 3 основных типа ПНД: ПЭ 80, ПЭ 100 и ПЭ 100+. Современным считается третий вариант: такие трубы по ряду эксплуатационных характеристик превосходят изделия из ПЭ 100 в 1,5—2 раза. Контроль над производством такой продукции осуществляет международная ассоциация производителей полиэтилена.
Сравнение технических характеристик ПНД и ВЧШГ
Один из технических параметров — допустимое рабочее давление. На первый взгляд, в этом плане металлические сплавы должны на порядок превосходить полимерные материалы.
Однако, это не так. При использовании чугунных труб давление внутри системы достигает 1,6 МПа (15,7 атмосфер). Что касается полиэтиленовых изделий, то для них этот показатель составляет 1 МПа (9,87 атмосфер). Таким образом, преимущество есть, но для большинства бытовых трубопроводов это не имеет никакого значения: рабочее давление в таких сетях сильно ниже. Если предполагается, что пиковая нагрузка в системе не будет превышать 0,7—0,8 МПа, то на эту характеристику не стоит обращать внимание.
Одним из определяющих критериев в таких условиях становится температура рабочей и окружающей среды. Как уже было сказано, для полиэтилена она не должна превышать +60˚C, что сильно ограничивает возможности применения этого материала. С другой стороны, низкая температура серьезно влияет на механические свойства чугуна. Уже при –30˚C начинается локальная кристаллизация материала, а при –40˚C чугун становится хрупким, что приводит к увеличению количества трещин. При этом температура размягчения — выше +1300˚C; таким образом, верхний предел нагрева рабочей среды на практике отсутствует.
Что касается устойчивости перед ударными нагрузками, то в нормальных условиях она выше у ВЧШГ по очевидным причинам. Однако многое зависит от окружающих условий; кроме того, при эксплуатации возрастают усталостные нагрузки на металл, что может стать причиной деформации или разрушения. Полиэтилен подвержен этим факторам в меньшей степени.
При размещении трубопроводной сети в почве на первый план выходит устойчивость материала к коррозии. Здесь полиэтиленовые изделия серьезно опережают металлические аналоги. Они не только химически инертны, но и не проводят электрический ток — причину особого вида коррозии. Однако, если система или отдельные участки располагаются на открытом пространстве, полиэтиленовые трубы разрушаются быстрее из-за уязвимости к воздействию УФ-излучения. Поэтому при сооружении надземных трубопроводов из ПНД необходимо учесть этот фактор и предусмотреть наличие защитной оболочки.
Монтаж трубопроводов из чугуна и полиэтилена
Трубы из полиэтилена низкого давления соединяются между собой с помощью компрессионных либо сварных фитингов. В первом случае прочность обеспечивается за счет избыточного трения, возникающего при закручивании накидной гайки. Простота монтажа позволяет использовать полимерные трубы в частных домовладениях или на дачных участках для сооружения локальных систем водоснабжения или водоотведения.
При использовании сварной технологии соединение происходит благодаря диффузии соединяемых поверхностей. Разогрев их до температуры плавления осуществляется либо с помощью внешних термоэлементов (стыковая сварка), либо путем подачи тока на встроенную в фитинг нагревательную спираль. Эти методы гораздо сложнее и требуют от работника наличия соответствующей квалификации, а также дорогостоящего оборудования. С другой стороны, такие сварные соединения обеспечивают полную герметичность на конкретном участке сети.
В качестве дополнительного преимущества полимеров стоит назвать вес трубопроводных изделий, который снижает транспортные издержки и трудозатраты, требуемые для реализации проекта.
Соединение труб из чугуна также производится с помощью двух методов — раструбного и фланцевого. Первая технология включает в себя наличие дополнительных стопорных элементов (RJ), либо не предусматривает их (Tyton). Раструбные соединения допускают наличие изгиба: формально допустимый угол — 5˚, но на практике герметичность обеспечивается даже при 15-градусном отклонении от оси. Это позволяет применять чугунные изделия для прокладки магистралей в сыпучих и подвижных грунтах без дополнительного усиления.
Фланцевое соединение имеет жесткую конструкцию. Это приводит к тому, что при неустойчивости опор герметичность может нарушаться. В связи с этим, технология используется при сооружении надземных контуров, которые обладают достаточной устойчивостью.
Стоимость сооружения крупных трубопроводов из ПНД и ВЧШГ сопоставима. Сварка полиэтиленовых труб подразумевает использование дорогостоящего оборудования и требует наличия у работников определенной квалификации. Чугунные изделия обладают значительной массой: так, 6-метровая труба диаметром 100 мм весит больше 100 кг. Это создает серьезные трудности в транспортировке и размещении труб из ВЧШГ.
Выбор труб для питьевого водопровода
Выбор подходящей разновидности труб для конкретного проекта производится исходя из технических требований трубопроводу и экономической целесообразности.
Бытовые системы водоснабжения, орошения и канализации сооружаются с использованием полиэтилена. Такой выбор связан с легкостью и низкой стоимостью монтажа, химической инертностью и нетоксичностью самого материала, а также дешевизной обслуживания. Установка трубопроводной арматуры производится с применением компрессионной технологии.
Для контуров горячего водоснабжения жилых, административных и коммерческих зданий применяют трубы из высокопрочного чугуна. Соединение отдельных участков производится с помощью фланцев: подвижность элементов в данном случае попросту противопоказана. Это же относится и к внешним системам подачи горячей воды, а также локальных и магистральных сетей отопления.
Дренажные и канализационные (в том числе — ливневые) трубопроводы целесообразно выполнять из полиэтилена. Гладкая внутренняя поверхность препятствует скоплению грязи и мусора, которое приводит к засорению. Кроме того, наличие воздушных полостей в сочетании с высокой влажностью усиливает коррозию, что приводит к разрушению труб и необходимости замены. Внутренние канализационные сети выполняются с использованием гладких изделий, а для магистралей применяется гофрированная продукция.
Выбор элементов производится еще на этапе проектирования контура снабжения. Перечень необходимых к закупке элементов указывается в номенклатуре проекта с учетом всех требований к трубопроводу.
Также для того чтобы трубопроводная сеть была принята в эксплуатацию, необходимо полное соответствие используемых элементов и технологий требованиям снабжающих и регулирующих организаций. В частности, на территории Москвы — это условия «Мосводоканала».
Для подземных участков допускается использование труб из ВЧШГ (ГОСТ ISO 2531-2012, СП 66.13330.2011) или полиэтилена ПЭ 100+ (ГОСТ 18599-2001, СП 40-102-2000). Чугунные изделия покрыты оцинковкой; внутренний слой выполняется из цементо-песчаной смеси. Полиэтиленовые трубы диаметром до 800 мм имеют двухслойную структуру, а от 900 до 1400 мм — однослойную. При реконструкции трубопроводных сетей берут в работу аналогичные изделия. Для соединения полиэтиленовых труб используется сварная технология.
