Выбор материала труб систем водоснабжения для прокладки в условиях вечной мерзлоты

Выбор материала труб и стыковых соединений имеет важное значение по двум причинам. Это сложность и экономичность монтажа и надежность эксплуатации. Немаловажно учитывать аспект доставки в отдаленные районы Крайнего Севера. На это напрямую влияет вес труб, их длина, транспортабельность.

На практике наибольшее применение находят чугунные, стальные трубопроводы, реже железобетонные и асбестоцементные. Заполнителями соединений является: цементный раствор, асбестоцемент и асфальтовая мастика.

Все эти материалы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к трубопроводам в вечномерзлых грунтах. Самые часто употребляемые металлические трубопроводы обладают плохими теплозащитными свойствами (γ стали = 50 ккал/м.час.град, γ чугуна = 40 ккал/м.час.град), большим весом, подвержены коррозии и блуждающим токам (рис.1) [1]. При просадках наряду с разрушением стыков соединений может произойти и разрушение стенок трубы. Трубопроводы, проложенные в многолетнемерзлых грунтах, находятся в неблагоприятных условиях повышенной коррозионной опасности и нуждаются в катодной защите даже в большей степени, чем трубопроводы, проложенные в районах с умеренным климатом [2].

Рис. 1. Стальной трубопровод

Особенности климатических условий крайнего Севера создают дополнительные трудности в эксплуатации систем электрохимзащиты. Станции катодной защиты (СКЗ) в 2,5 раза чаще выходят из строя в холодной зоне, т.е. в этих условиях чрезвычайно важную роль играет фактор высокой эксплуатационной надежности СКЗ. Это связано с тем, что ремонт их в условиях Севера подчас невозможен в течение длительного времени (труднодоступность, отдаленность, сильные морозы). В то время как, согласно ГОСТ Р 51164-98, отказ электрохимической защиты должен быть устранен в течение не более 24 ч. В настоящее время большинство катодных преобразователей (54,3%) морально устарели. Это СКЗ типа ПСК (ПАСК) – М-5,0-96/48У1 (33,6 %) и ОПС-2-100/48У1 (20,4 %). Все эти СКЗ не соответствуют требованиям ГОСТ Р 51164-98. Парк СКЗ на газопроводах нуждается в скорейшем обновлении, поскольку коррозионная защищенность газопроводов определяется в основном обоснованным выбором высоконадежной СКЗ [3].

Железобетонные трубы имеют коэффициент теплопроводности значительно меньше, чем у металлических труб (γ железобетона = 1,4 ккал/м.час.град), но зато примерно в 1,5 раза тяжелее последних. Под железобетонные трубы необходимо устраивать более мощное и дорогостоящее основание, чем под металлическое (рис.2) [4].

Рис. 2. Железобетонные трубы

Асбестоцементные трубы в 2-3 раза легче металлических и обладают лучшими теплоизоляционными свойствами (γ асбестоцемента = 0,3 ккал/м.час.град), мало подвержены химическому воздействию. Стоимость асбестоцементных труб значительно меньше стоимости металлических и железобетонных труб. Однако асбестоцементные трубы, несмотря на многие положительные качества, не нашли широкого применения в строительстве на Севере, ввиду их хрупкости и малой эластичности при отрицательной температуре резиновых колец, применяемых в муфтовых соединениях в качестве уплотнителя [5].

Общим минусом всех перечисленных трубопроводов является их разрушение при замерзании воды в трубопроводах. Известно, что при замерзании воды происходит увеличение ее объема примерно на 9 %, а это соответствует линейному термическому расширению примерно на 3 %. При таком расширении разрушаются даже стальные трубы.

Еще один недостаток для всех труб, кроме стальных состоит в несовершенстве применяемых стыковых соединений. При устройстве раструбных или муфтовых соединений неизбежны мокрые процессы, которые являются крайне нежелательными в условиях Крайнего Севера. Такие стыки необходимо защищать от замерзания. Это требует дополнительных затрат рабочей силы и средств.

Ценные качества труб из полимерных материалов, которыми они отличаются от стальных, чугунных и других труб, обуславливают перспективность их применения в строительстве.

В России, также как и в зарубежных странах, наибольшее распространение получили полиэтиленовые и поливинилхлоридные трубы. Анализ данных характеризующих свойства неметаллических труб, позволяет сделать вывод, что в настоящее время для районов Крайнего Севера наиболее перспективными являются полиэтиленовые трубы (ПЭ) (рис.3). Об этом можно судить по морозостойкости (до -50℃) и малой теплопроводности (0,25-0,32 ккал/м час).

Рис. 3. ПЭ трубы

ПЭ трубы имеют химическую стойкость и не боятся блуждающих токов: из-за гладкости стенок потери напора на трение меньше, чем у других труб, имеют малый вес (в 5-10 раз легче металлических); отсутствует зарастание труб при эксплуатации. Вследствие хорошей морозостойкости и эластичности ПЭ трубы способны противостоять разрушающему воздействию замерзающей в ней воды. Срок их службы 50-80 лет.

Полиэтиленовые трубы обладают и недостатками. Они подвержены старению под воздействием солнечных лучей. На прочность влияет повышение температуры и длительное нагружение.