Трубы для инженерных систем

Для транспортировки жидкостных и газовых рабочих сред используются трубопроводные сети. Трубы для их сооружения выполняются из различных видов полимерных материалов и металлических сплавов, а также (крайне редко) из керамики и асбеста.

Применение труб

Трубы используются в составе постоянных и временных сетей транспортировки веществ и газов в областях промышленности и снабжения, среди которых:

• подача питьевой воды в жилые дома, административные, коммерческие и другие общественные здания;
• замкнутые и открытые сети теплоснабжения, которые поддерживают температуру за счет циркуляции горячей воды;
• внутренние и внешние коммуникации газоснабжения, а также газораспределительные станции и газопроводы;
• нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие предприятия, а также транспортировочные трубопроводы;
• системы канализации и водоотведения, в том числе — дренажные и ливневые;
• системы вентиляции, действующие внутри зданий или обеспечивающие доступ воздуха на подземные шахты;
• технические сети снабжения, с помощью которых осуществляется подача нужных жидкостей и газов (в том числе — воды) на технологические участки промышленных предприятий;
• системы орошения сельскохозяйственных угодий, ландшафтных и инфраструктурных объектов (например, стадионов с натуральным травяным покрытием).

Внутренние трубопроводы проектируются и возводятся одновременно с аналогичными этапами строительства самого объекта. Трубы со временем изнашиваются, из-за чего их герметичность нарушается. Соответственно, при разработке проекта предусматривают варианты обслуживания, а также экстренной или плановой замены.

Материалы для изготовления труб

До начала XX века в качестве материалов для производства трубных изделий использовались серый чугун (как правило, не самого высокого качества), асбест и медь. Но прочностные характеристики, устойчивость к перепадам температуры и стоимость делают их применение в современных инфраструктурных проектах нерентабельным и нецелесообразным. В течение XX века на первый план в трубной промышленности вышли сталь и чугун, а также полимерные материалы. К последним относятся полиэтилен (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ) и полипропилен (ПП).

Существуют также композитные трубы, которые изготавливаются из смеси материалов. В их числе — полипропиленовые изделия, армированные стекловолокном или сталью, и металлопластиковые трубы из алюминия и полимерной защитной оболочки. Благодаря композитному строению, продукция совмещает в себе преимущества используемых материалов, однако сложность в производстве повышает их цену. Так, стоимость металлопластиковых труб в 4 раза выше, чем полиэтиленовых изделий аналогичного диаметра; для армированных это соотношение составляет 6—7 раз. Поэтому композитные материалы используются только в случаях, когда этого требует специфика конкретного трубопровода.

Полиэтиленовые трубы

История полиэтиленовых труб начинается в середине XX-века, после открытия катализаторов Циглера. Применение катализаторов при производстве материала позволило поднять прочностные характеристики конечных изделий, благодаря чему их начали использовать в напорных сетях.

В качестве основы для изготовления этого типа продукции выступает полиэтилен низкого давления (ПНД). Этот материал устойчив к воздействию воды и большинства растворителей, стойкий к замораживанию до −40°C, а также сравнительно немного весит — особенно по сравнению с металлическими трубами. При изготовлении используется метод экструзии, при котором расплавленный полиэтилен под действием центробежной силы равномерно распределяется внутри формы. За счет этого стенки труб имеют ровную структуру и гладкую поверхность.

Характеристики ПНД-труб

Технические характеристики таких труб зависят от двух факторов: марки полиэтилена, из которого изготовлены, и стандартного размерного коэффициента (SDR), указывающего на соотношение между внешним диаметром изделия и толщины его стенки. Для напорных сетей обычно применяют продукцию, выполненную из ПЭ-100; SDR же зависит от требований проекта в части расчетного внутреннего давления трубопровода.

Когда планируется расположить участок сети под землей, учитывается еще один параметр — кольцевая жесткость. Она соответствует предельному однонаправленному внешнему давлению, которое воздействует на трубу и не приводит к деформации. Эта характеристика обратно пропорциональна SDR; при SDR 11 труба имеет кольцевую жесткость, равную 32 кН/м²; при SDR 21 — всего 5 кН/м². Из этого следует, что продукция с большим SDR имеет меньшую жесткость и прочность, и наоборот.

Наиболее очевидный способ повысить кольцевую жесткость — увеличение толщины стенки. Однако это кратно увеличивает массу трубы, расход материала на производство и, как следствие, стоимость изготовления и транспортировки.

Эта проблема была решена внедрением в обиход гофрированных труб с рельефным внешним слоем.

Сферы применения

На основе ПНД выполняются практически любые типы трубопроводных систем. Исключение составляют сети горячего водоснабжения и отопления. Это связано с относительно низкой температурой плавления материала, которая составляет +120—130°C. Из-за этого при длительном воздействии воды, близкой к точке кипения, материал постепенно размягчается и теряет форму. Если после этого на стенки продолжает оказываться внутреннее давление, то это приведет к разрушению и потере герметичности трубопровода.

С другой стороны, достоинства труб из полиэтилена низкого давления делают целесообразным применение в сетях с рабочей температурой в пределах +70°C:

• холодное водоснабжение (ХВС);
• подача газа;
• канализация и водоотведение;
• вентиляция;
• электротехнические сети;
• промышленные трубопроводы (в том числе, на пищевых и фармацевтических предприятиях).

Определить предназначение трубы можно по цветовой маркировке, которая выполнена в виде продольных полос на черном фоне. Желтые и оранжевые линии свидетельствуют о том, что изделие предназначено для использования в сетях подачи газа. Трубы с синими или голубыми полосами спроектированы специально для водопроводов. Отсутствие цветовой маркировки говорит о том, что изделие разработано для технических и электротехнических целей.

Способы соединения ПНД-труб

Для создания нужной конфигурации трубопроводной сети на основе полиэтилена используются фитинги — специальная фасонная арматура. С их помощью концы труб соединяются между собой в единую систему.

Выбор фитингов зависит от того, какая технология монтажа предполагается к применению на конкретном участке сети. Для самотечных и низконапорных трубопроводов лучше подходит компрессионный метод, который подразумевает использование обжимных соединительных изделий с накидными гайками. Это объясняется сравнительно низкой стоимостью фасонных элементов и простотой установки. Для надежного закрепления труб не требуется сложное оборудование, поскольку операции производятся с помощью ручного инструмента. Однако использование этой технологии в напорных сетях не допускается, поскольку в таких условиях гайка постепенно ослабляется, что приводит к утечке рабочей среды.

Для обеспечения максимальной надежности и герметичности соединения используются диффузионные способы монтажа, которые подразумевают расплавление материала. К таким методам относятся сварной и электросварной способы. В первом случае, идет прямой нагрев соединяемых поверхностей с помощью открытых термоэлементов. После достижения нужной температуры труба и фитинг стыкуются между собой и выдерживаются заданное технологическими условиями время.

Электросварной метод также подразумевает плавление полиэтилена, однако нагрев происходит специальными закладными термоэлементами, которые расположены внутри фитинга. При этом фасонный элемент устанавливается на трубу до подачи тока, что позволяет внести коррективы в его расположение и избежать тем самым вероятных ошибок. Это снижает появления бракованных соединений.

Преимущества труб из ПНД

Продукция на основе ПНД выделяется рядом преимуществ по сравнению с аналогами:

• Стоимость ПНД-труб в 1,5—2 раза ниже по сравнению со стальными изделиями аналогичного диаметра. Затраты на установку полимерных трубопроводов также ниже; разница зависит от размера. Для диаметров до 300 мм она составляет 10—15%, а для 1000-миллиметровых труб увеличивается до 50%.
• Проектный ресурс изделий из полиэтилена при использовании в жидкостных сетях составляет 30—50 лет. Для сравнения, у стальных труб этот показатель составляет 15 лет, а у оцинкованной продукции — до 30 лет.
• Полиэтилен при контакте с водой не подвергается окислению. Это означает, что при использовании для питьевого водоснабжения или в пищевой промышленности рабочая среда не загрязняется посторонними примесями.
• Гладкость внутренних поверхностей предотвращает оседание твердых частиц. Благодаря этому снижается вероятность возникновения засоров, которые приводят к необходимости внепланового обслуживания трубопровода.
• Повышенная пластичность полиэтилена позволяет трубам из этого материала не только выдерживать понижение температуры до −40°C без появления трещин, но и предотвращает разрывы при замораживании рабочей среды внутри трассы. При переходе в твердое состояние вода увеличивается в объеме, однако полость полиэтиленовых труб при этом увеличивается без потери герметичности. Металлические трубопроводы в таких условиях разрушаются.
• Полиэтилен почти в 8 раз легче стали — плотность материалов составляет, соответственно, 952 и 7700—7900 кг/м². Масса трубных изделий различается аналогичным образом. Это снижает стоимость транспортировки и установки полиэтиленовых труб.
• Изделия из полиэтилена низкого давления изгибаются без потери прочности на угол до 3—5°. С помощью них прокладывание подземных трубопроводов в поворотных траншеях происходит без использования фасонной арматуры.

Стандарты и нормативные документы

Трубные изделия соответствуют техническим регламентам, зависящим от сферы применения трубопровода:

• Напорные сети для транспортировки жидкостей и газов (в том числе — бытового водоснабжения) — ГОСТ 18599-2001;
• Газоснабжение — ГОСТ Р 50838-2009;
• Внутренняя канализация — ГОСТ 22689-2014;
• Наружная канализация — ГОСТ Р 54475-2011;

Кроме того, опираются на требования, указанные в СНиП (строительных нормах и правилах), а также на условия эксплуатации трубопровода.

Полипропиленовые трубы

От изделий из предыдущей категории трубы из полипропилена отличаются, в первую очередь, повышенной устойчивостью к воздействию температур, близких к +100°C. Материал плавится не при +130°C, как полиэтилен, а при +150—160°C. Таким образом, диапазон эксплуатационных температур сдвинут вверх, что позволяет применять полипропилен в качестве основы для тепловых сетей и систем горячего водоснабжения.

Технические характеристики

Ключевая характеристика полипропиленовых труб — номинальное давление (PN). Оно соответствует предельной величине внутреннего напора (в бар) при температуре рабочей среды и окружающего воздуха +20°C. 1 бар = 0,1 МПа = 0,987 атмосфер.

Если, согласно проектной документации, расчетное давление в сети составляет 8 атмосфер, есть смысл в применении полипропиленовых труб с PN 10. Избыточная прочность не будет лишней: при повышении температуры материал теряет прочностные характеристики, и определенный запас при подборе труб предотвратит прорыв трассы во внештатных условиях. Для использования в напорных сетях горячего водоснабжения и отопления подходят изделия из полипропилена с PN 20.

Также имеют значение количество и структура слоев:

• жесткие однослойные трубы предназначены для напорных сетей и обеспечивают максимальную прочность конструкции;
• однослойные гофрированные трубы обладают повышенной гибкостью и используются в самотечных системах;
• двухслойные гофрированные трубы предназначены для участков, расположенных под землей.

Главный недостаток полипропилена — уязвимость к воздействию холодов. При температуре ниже −5°C материал разрушается. Поэтому ПП-трубы не подходят для сетей и участков, расположенных на открытом воздухе.

Области применения полипропиленовых труб

Полипропиленовые трубы применяются в следующих сферах:

• Внутренние системы питьевого и технического водоснабжения;
• Оросительные трубопроводы;
• Сети отопления, а также системы «теплый пол»;
• Вентиляционные системы;
• Канализация, водоотведение и дренаж;
• Технологические сети снабжения на производстве с жидкостными и газовыми рабочими средами.

Монтаж ПП-труб

Соединяются полипропиленовые участки между собой с помощью сварных муфт, крестовин, тройников и отводов. Сварка происходит с помощью паяльных станций или сварных аппаратов с открытыми термоэлементами. Важно, чтобы материалы изготовления труб и фитингов были идентичны по химическому составу.

Подключение запорной арматуры (например, кранов, вентилей или измерительных приборов) осуществляется с помощью специальных муфт, оснащенных резьбой. Для соединения муфты с трубой используется сварная технология.

Для монтажа трубопроводных сетей на основе гофрированных изделий также применяются специальные муфты. Закрепление происходит с помощью уплотнительных колец, клея или электросварным методом — с применением закладных термоэлементов.

Преимущества полипропиленовых труб

Полипропиленовые трубы обладают рядом преимуществ перед своими аналогами:

• Полипропилен чуть легче полиэтилена (соответственно, 0,95 и 0,92 г/см²). Это означает, что трубы из этого материала аналогичным образом выигрывают у металлических изделий в плане массы.
• Продукция из полипропилена не теряет прочностные качества при температурах около +80—90°C. Это делает допустимым ее использование трубопроводах горячего водоснабжения и других сетях с высокой температурой рабочей среды.
• Как и другие полимеры, полипропилен устойчив к коррозии. Соответственно, при соблюдении условий эксплуатации расчетный срок службы труб будет больше, чем у стали, и составит не менее 30 лет.
• Благодаря сравнительно простой технологии монтажа, поврежденный участок трубы заменяется легко и без серьезных затрат.

Технические регламенты для труб из полипропилена

Технические условия производства и требования к характеристикам напорных ПП-труб указаны в ГОСТ Р 52134-2003. В стандарте указана информация о регламентированной прочности изделий, сферах применения и коэффициентах запаса прочности.

Также трубы должны соответствовать стандартам, принятым для конкретной сферы. Так, требования для труб канализации и водоотведения указаны в ГОСТ 32414-2013.

Трубы из ПВХ

Еще один полимер, который часто выступает в качестве материала для производства трубных элементов — непластифицированный поливинилхлорид (НПВХ). Применяется для сооружения безнапорных и низконапорных сетей снабжения и отведения отходов с внутренним давлением не более 1,6 МПа (16 бар) при температуре рабочей среды от 0 до +20°C.

Особенности труб из поливинилхлорида

Главная отличительная черта ПВХ-труб — наличие хлора в химическом составе. Этот фактор ограничивает применение изделий в коммунальной сфере, особенно — в системах питьевого водоснабжения.

Преимущество поливинилхлорида — устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Благодаря этой особенности трубы из ПВХ используются для внешних сетей водоотведения — например, при оборудовании водосточных и дренажных систем. Для снижения вредного воздействия ультрафиолета поверхность элементов дополнительно покрывается светонепроницаемой краской.

Использование труб из ПВХ

Трубопроводные изделия из непластифицированного ПВХ применяются в следующих типах сетей:

• канализационные и дренажные системы, очистные сооружения;
• оросительные сети в сельском хозяйстве;
• технические коммуникации общественных и спортивных объектов — аквапарков, бассейнов, фонтанов;

Также этот вид продукции используется в электротехнических целях — для защиты проводов и кабелей. Этому способствует его низкая горючесть.

Температура воспламенения НПВХ — больше 390°C, что выше по сравнению с другими материалами полимерной группы: для ПНД этот показатель составляет 330°C, а для полипропилена — 350°С.

Еще одна сфера, в которой используются трубные изделия из непластифицированного поливинилхлорида — бурение скважин. В этом случае с их помощью укрепляют стволы и шахты, через которые осуществляется забор грунтовых вод, вентиляция подземных объектов и иные технические задачи.

Технические характеристики

Важнейшие технические характеристики труб из ПВХ - SDR и PN. Эти же параметры присутствуют в маркировке изделий, соответственно, из ПНД и ПП; они обозначают те же самые характеристики продукции. Величина SDR варьируется от 41 до 11, а уровень PN — от 6 до 20.

Цвет труб говорит о сфере применения. Желтая и оранжевая окраска свидетельствует, что модель предназначена для использования в сетях канализации и водоотведения. Серые трубы спроектированы для низконапорных водопроводных сетей.

Достоинства труб из ПВХ

Как и другие материалы полимерной группы, поливинилхлорид не подвержен коррозии при контакте с водой. Это положительно влияет на эксплуатационный ресурс трубной продукции из такого сырья, продлевая его до 50 лет; потенциальный срок службы достигает 100 лет, если соблюдаются все правила монтажа и эксплуатации.

Трубы из ПВХ могут использоваться для транспортировки нефтепродуктов и органических растворителей, поскольку этот материал не вступает в химическую реакцию с такими рабочими средами.

Непластифицированный поливинилхлорид менее горюч по сравнению с другими полимерами. Это позволяет использовать его для защиты электрических и сетевых проводов.

Трубы из ВЧШГ

Для сооружения магистральных трубопроводов с условным проходом свыше 300 мм используются изделия из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ). Он отличается от других металлических сплавов формой углеродных вставок, которая близка к сферической. За счет этого снижается вероятность возникновения микротрещин, которые негативно влияют на прочность материала.

В результате ВЧШГ совмещает в себе механическую прочность и стойкость к сжатию, которые присущи чугуну, с прочностью на разрыв, ударостойкостью и упругостью, которыми обладает углеродистая сталь. Поэтому трубы из этого материала один из подходящих вариантов для сооружения трубопроводов регионального, городского и районного масштаба.

Строение ВЧШГ-труб

Внешняя оболочка выполнена непосредственно из чугуна и покрыта защитным слоем, который предотвращает контакт металла с водой и другими жидкостями. Обычно наносится композитная смесь с содержанием цинка, битумный лак либо синтетическая смола. Толщина слоя — около 0,025 мм.

Внутренняя поверхность выполнена из цементно-песчаной смеси (ЦПС). Это не только позволяет избежать разрушения металла из-за коррозии, но и улучшить гидравлические свойства трубы. Во-первых, этот слой не допускает оседание твердых частиц, взвешенным в рабочей среде, на стенках. Во-вторых, этот материал имеет склонность к самоуплотнению, что также положительно влияет на гладкость внутреннего слоя.

В качестве вяжущего компонента для ЦПС применяется сульфатостойкий (высокоглиноземистый) цемент. За счет этого слой приобретает устойчивость к абразивному воздействию твердых частиц, а также к негативному влиянию химических реагентов.

Использование труб из высокопрочного чугуна

До конца 2000-х годов применение изделий из ВЧШГ в коммунальной сфере затруднено недостатком в строительных нормах и правилах (СНиП) указаний, относящихся к проектированию сетей на основе этого вида продукции. Такая информация содержалась только в стандарте СП 40–106–2000, который регламентирует сооружение подземных канализационных систем.

Однако в 2011 году был введен СП 66.13330.2011, который устанавливает правила проектирования и строительства сетей водоснабжения и водоотведения на основе чугунных труб. Это делает возможным возведение таких трубопроводов и прием их в эксплуатацию.

Кроме того, применение труб из высокопрочного чугуна бывает уместным при сооружении внутренних сетей на промышленных предприятиях. С их помощью осуществляют транспортировку любых жидких и газообразных химических веществ на нужные технологические участки. Для подведения рабочей среды непосредственно к оборудованию используют полимерные или металлические трубы соответствующего диаметра.

Еще одна сфера, в которой находят применение изделия из ВЧШГ — добыча и переработка нефти. Такие изделия используются на нефтепромысловых предприятиях; для этого труба соответствует требованиям ГОСТ Р 57430-2017.

Соединение труб из ВЧШГ

Монтаж трубопроводных систем на основе чугунных труб производится с использованием раструбного метода. При таком соединении конец трубы погружается в специальное расширение, расположенное на краю другой трубы или фитинга.

Раструбы имеют одну из трех видов конструкций:

• Tyton;
• RJ;
• RJS.

В каждом из этих вариантов используются уплотнительные кольца, которые предотвращают утечку рабочей среды. Помимо этого, RJ и RJS оснащены специальными замками, которые дополнительно упрочняют соединение.

Раструбы типа Tyton могут использоваться при прокладывании трубопроводов в подвижных грунтах.

Выбор труб для трубопроводной системы

В ходе работы над проектной документацией трубопроводной сети учитываются пять основных параметров:

• необходимая пропускная способность;
• вязкость и удельный вес рабочей среды, а также ее химический состав;
• расчетное и пиковое рабочее давление;
• наличие и количество насосных станций;
• окружающие условия — топография местности для наружных сетей и особенности конструкции здания для внутренних.

После составления проекта трубопровода производится расчет требований к трубным изделиям, а также фасонной и запорной арматуре. Параметры, на основании которых осуществляется выбор труб: диаметр, скорость потока, площадь условного прохода, прочность на разрыв и сжатие, предельное внутреннее давление. Существуют специальные формулы для расчета эксплуатационных параметров.

Например, чтобы рассчитать требуемый диаметр трубы в жидкостной сети, производят вычисление по формуле: d = √((4·Q) / (π·v)), где d — искомый диаметр, Q — требуемый расход жидкости, v — оптимальная скорость потока.

Следует также учитывать, что сооружение трасс меньшего диаметра подразумевает снижение капитальных затрат.

Также в проектной документации содержатся и параметры, которые указываются в маркировке труб. Например, для изделий из ПНД такой параметр - стандартный размерный коэффициент SDR, а для полипропиленовой продукции — номинальное давление PN.