Характеристика трубопроводов из труб различных материалов.

Введение

Существует несколько различных материалов труб, пригодных для систем питьевой воды и систем сбора сточных вод; каждый материал - со своими уникальными характеристиками, используемых в различных условиях. Разнообразные материалы труб, описанные в сравнительной таблице, выполнены из ковкого чугуна, металла, железобетона, термопластичные трубы, такие как ПВХ, ПЭ, ПЭНД (полиэтилен низкого давления) и трубы из стекловолокна.

Жесткие и гибкие трубы

Жесткие трубы значительно прочнее (стенки трубы и места соединения) с тем, чтобы выдерживать наиболее сильные динамические и постоянные нагрузки. Способность трубы противостоять приложенным нагрузкам усовершенствована путем внедрения прослойки. Гибкие трубы зависят от деформации трубы прилагаемой нагрузкой для мобилизации поддержки прослоечных материалов по обеим сторонам трубы. Их основная структурная функция заключается в распределении приложенной вертикальной нагрузки на почву, где проложен трубопровод. Некоторые стандарты дают определение гибкой трубы, которая может прогибаться более чем на 2% без появления трещин.

Если все проектировочные факторы учтены, то можно создать подходящую трубопроводную сеть, используя метод либо жесткой, либо гибкой конструкции труб.

Пропускная способность жесткого трубопровода – это суммарная нагрузка, которая может поддерживаться самой трубой. Стенки траншеи поддерживают вес обратной засыпки. С течением времени, труба будет все больше и больше подвергаться действию нагрузки траншеи. Со временем пропускная способность трубы может быть превышена, что может привести к повреждению. Такое повреждение наиболее вероятно случается после периода монтажа, когда за системой не осуществляется должный контроль. Гибкая труба, наоборот, основывается на первичном напластовании, что соответствует единым требованиям проекта. Почти для всех систем канализационных коллекторов первичное напластование должно быть хорошо отсортировано, гранулированные материалы соответствующим образом уплотнены. В неустойчивом дне траншеи жесткие трубы начнут двигаться. Вследствие жесткости трубы соединения начнут двигаться, и уплотнительное кольцо будет нарушено. Значительное смещение узла приведет к потере герметичности. Гибкие (в частности, пластиковые) трубы, наоборот, будут подвержены деформации только при колеблющемся дне траншеи. Таким образом, смещение узла минимизировано. Как правило, гибкие трубы поставляются длинномерными, что, таким образом, уменьшает угрозу соединениям.

Соображения по подбору материалов труб включают в себя состояние траншей, коррозию, температуру, установку, требования к безопасности оборудования и затраты. Взгляните на табличку, где собраны цены на трубы из различных материалов.

Выбор материала

Какие технические требования следует принять во внимание поэтапно при выборе материалов? Характеристики труб и руководство по монтажу предоставляются производителями труб, и в следующих главах показаны различия между разными материалами труб, используемыми в основном в системах водоснабжения и системах канализации.

Экономическая точка зрения – стоимость трубы в сравнении с затратами на общий объем капиталовложений современный трубопровод отличается от случая к случаю. Необходимо отметить, что основой целью современного трубопровода является его герметичность (как снаружи, так и внутри). Несомненно, система должна быть спроектирована таким образом, чтобы была гарантирована ее герметичность, функциональность и срок службы не менее 50 лет. Все эти условия включают высокие затраты на установку (рытье траншей, проблемы с транспортным потоком и/или прочими муниципальными службами, засыпка траншеи и т.д.).

Установку трубопровода, которая приводит к лучшим показателям, но по более высоким затратам, не следует сразу же отметать, так как обычно повышенные затраты не превышают 10 -15%. Учитывая, что трубопровод пролегает под землей и должен иметь высокий срок службы, такие затраты не стоит считать высокими. Не допускается, чтобы выбор материала был сделан на основе коммерческой рекламы производителя либо на основании того, что работа считается несложной.

Трубопроводы, которые начинают течь после нескольких лет работы, или которые подвержены недопустимой деформации, являются постоянной угрозой для экологии и, в конечном итоге, являются большой ответственностью проектировщика и строительной компании.

Трубы из ковкого чугуна

Трубы из ковкого чугуна (ТКЧ) – это продукт чугунолитейной промышленности. Усовершенствования в металлургии в 1940 годах увеличили прочность труб из ковкого чугуна и прибавили эластичность, способность к небольшой деформации и отсутствию трещин. Это стало главным преимуществом, и трубы из ковкого чугуна быстро стали являться стандартным материалом для труб высокого давления. Чугунные трубы, по причине различной методики производства, более толстые, чем стальные трубы.

Проблема электрохимической коррозии не так велика, как в случае со стальными трубами, но при очень агрессивных почвах или сильных электрических токах чугунные трубы должны быть защищены. Места соединения гибкие. После завершения соединения рекомендуется провести частичные гидроиспытания труб. Проблемой чугунных труб является их большой вес, таким образом, для их прокладки требуется тяжелое оборудование.

Металлические трубы

Металлическая труба представляет собой стальную трубу с одним из многих антикоррозионных покрытий. Такие покрытия включают: защитное цинковое покрытие (гальваническое покрытие), алюминированная листовая сталь, битуминозное покрытие, закрепленное бетоном полимерное покрытие и покрытие ПЭНД. Стальные трубы – прочные, эластичные, устойчивые к воздействиям и различным механическим силам. Места соединений обработаны сваркой, либо изготовлены с применением протекторов. В этом случае материал электрохимически сильно разъедается. Устойчивость к химическому воздействию является фактором, который ограничивает использование стальных труб, так как незащищенная сталь будет окисляться. Производители предоставляют различные защитные покрытия. Когда покрытие имеет меньший объем, чем основной материал, покрытие трескается, оставляя материал незащищенным. Их эффективность ограничена износостойкостью, и может быть повреждена перевозкой и погрузкой, установкой, укладкой и засыпкой.

Другой серьезной проблемой стальных труб является внутренняя коррозия вследствие химического воздействия жидкостей на стальную стенку трубы. Коррозия может начаться или усиливаться вследствие атаки бактерий или микроорганизмов. В результате таких действий, мы имеем, с одной стороны, коррозию, а с другой стороны, наличие твердых отходов, что создает проблемы для фильтров и насосов. Все эти явления повышают шероховатость трубы, что приводит к падению давления. В случае если сталь защищена покрытием, то другой проблемой является механическое повреждение поверхности вследствие трения. Например, коррозия и механическое повреждение поверхности вследствие трения с песком и солью могут привести к тому, что покрытие износится.

Бетонные трубы

В прошлом бетонные трубы изготовлялись приблизительно из 20% асбеста, материала, который, как выяснилось, является опасным для здоровья. В настоящее время этот материал нельзя применять, и производители используют железобетон. В настоящее время широко используются два вида бетонных труб – цилиндрические трубы из предварительно напряженного бетона и железобетонные трубы. Первые применяются для магистральных трубопроводов, а вторые – для самотечных трубопроводов. Процесс производства таких труб для обоих случаев начинается с отливки бетонного каркаса в стальном цилиндре.

Как только цилиндр затвердел, он окутывается в напрягаемую арматурную проволоку и покрывается цементным раствором и густым слоем известкового строительного раствора или бетонной рубашкой.

Места соединения цементной трубы герметизируются раструбными соединениями. Трубы поставляются короткомерными, для ограничения веса труб больших диаметров на отдельных участках трубопровода. Такой подход требует много времени на транспортировку, погрузку и укладку. Как правило, бетонные трубы более химически устойчивы, чем трубы из углеродистой стали, но они менее устойчивы, чем пластмассовые трубы. Бетонные трубы более уязвимы к сульфиду водорода, который образовывается, когда твердые отходы бытовых сточных вод не превращаются в суспензию. Такое часто происходит в коллекторах раздельной канализации в период низкого расхода водотока. Обычно, бетонные трубы используются для перемещения неагрессивных жидкостей при низком давлении.

Термопластические трубы

Термопластики – это пластичные материалы, которые меняют форму при нагреве. Обычные пластики, используемые для производства труб для подачи воды, а также для канализационных сетей, включают полихлорвинил (ПВХ) и полиэтилен (ПЭ или ПЭНД для полиэтилена высокой плотности).

Трубы ПВХ

Такие трубы изготовлены путем экструзии из ПВХ и добавок. Они выполняются в виде ровной трубы, либо в виде трубы с одним из нескольких вертикальных сечений. ПВХ с диаметром DN300 стала доминирующим трубным материалом для самотечных трубопроводов. ПВХ – достаточно крошащийся материал и подвержен деформации, что означает, что труба должна тем или иным образом быть защищена от влияния, и особое внимание требуется для предохранения (особенно раструбных соединений) при транспортировке и погрузке. Во время экструзии материал может значительно изменить механические свойства. Вследствие чего добавляются стабилизаторы, которые иногда могут быть опасными для здоровья. Обычно ПВХ трубы могут легко изготавливаться, и это является основной причиной различия, почему качество продукции зависит от производителя, а также основы материала и технологии производства.

ПЭНД трубы

Такие трубы изготавливаются при помощи экструзии полиэтилена. Для производства таких труб используется полиэтилен повышенной плотности для более долгого срока службы и прочности во время эксплуатации. Установка – несложная, особенно установка труб с маленьким диаметром, так как трубы поставляются в катушках.

Так как ПЭНД имеет полимерную природу, его функциональные характеристики значительно зависят от рабочей температуры. При использовании при более высоких температурах ПЭНД теряет предел прочности на разрыв, труба становится жесткой и теряет размерную стабильность. Так как коэффициент расширения ПЭНД высок (10-20 раз выше, чем у других материалов), при воздействии изменения экстремальных температур ПЭНД будет подвержен нежелательным колебаниям конструкции. Такие трубы необходимо быстро укладывать и тут же засыпать землей, когда температура невысокая. При очень низких температурах (например, -20°C), трубы становятся хрупкими. Обычно ПЭНД трубы используются для подачи воды, а также для канализационных сетей от домов к магистральным коллекторам, выполненным из других материалов. ПЭНД имеет большую проницаемость и, соответственно, ПЭНД трубы не стоит укладывать в загрязненных почвах, или почвах с углеводородами, включая неочищенную нефть и дизельное топливо, либо смеси разных углеводородов. Эти химические продукты могут сольватироваться, и проникать в стенки полиэтиленовых труб. ПЭНД является также очень мягким материалом и, соответственно, более подвержен царапинам и другим повреждениям во время транспортировки и укладки.

Термоотверждающиеся трубы

Термореактивные пластмассы после их изготовления становятся жесткими и не могут изменять форму.

Трубы стеклопластиковые

Трубы из стекловолокна впервые стали хорошей альтернативой стальным трубам и другим материалам в 1950 годах. В этом году образцы труб из стекловолокна, изготовленные методом центробежного литья, впервые появились в нефтяной промышленности как решение проблемы в борьбе с коррозией. Труба была изготовлена из эпоксидного полимера, но очень скоро производители заменили в процессе производства эпоксидный полимер на полиэфирную смолу, таким образом, начав обслуживать также и химическую промышленность. Начиная с 1955 года производители начали производить волокнистые трубки, сначала методом прерывистого действия, затем методом непрерывного процесса. К тому времени, трубы из стекловолокна получили признание у муниципальных служб, для подачи воды и для сетей сточных вод. Правильно подобранная комбинация смол, стекловолокна, наполнителей и соответствующее решение позволяют производителям изготовлять такую продукция, которая отвечает самым высоким требованиям спецификации подбора материалов.

Технология композита стекловолокна (смотри описание ниже) позволяет трубам, изготовленным из стекловолокна, успешно конкурировать с различными традиционными материалами на основе всего жизненного цикла и рабочих характеристик.

Исходные материалы

Исходными материалами, используемыми для производства труб, являются смолы, стекло и другие добавочные компоненты, такие как наполнители, катализаторы и ускорители отверждения. Существует, по меньшей мере около десятка различных смол, которые отличаются по своим свойства и характеристикам, но в основом используются ортофталиевая, изофталиевая, бифенольная смолы, смола vinylester и эпоксидные смолы. Помимо качества смол, решающим фактором для получения первоклассной готовой продукции является выбор типа стекла. Тип стекла подразделяется на две большие группы (стекло группы «С» и группы «Е»). Разница заключается в том, один класс имеет превосходную химическую прочность, а другой класс имеет высокую механическую прочность.

Преимущества стеклопластиковых труб

Коррозионная устойчивость – сопротивление коррозии в агрессивной среде является одной из основных причин, определенных для стеклопластиковых труб, которые устойчивы к воздействию морской воды, масел, воздействию хлорированной воды и разнообразных химических продуктов и температур, и могут быть изготовлены для обеспечения дополнительной абразии, устойчивы атмосферным влияниям и являются огнеупорными.

Отношение прочности к весу – при рассмотрении прочности к единице веса, стекловолокно превосходит железо, углеродистую сталь и нержавеющую сталь.

Удельная масса – вес стекловолоконной трубы составляет лишь 25% веса стальной трубы и 10% веса железобетонной трубы.

Электрические свойства – в случае перевозки некоторых жидкостей, либо в случае установки труб в опасных местах трубопроводы могут быть изготовлены как токопроводящие.

Гидравлическая характеристика – так как внутренняя поверхность трубы является гладкой, использование стеклопластиковых труб предлагает значительные преимущества при регулировании потоков жидкостей и газов.

Устойчивость к деформации – данный материал соответствует самым строгим требованиям в отношении жесткости материала и размерных допусков.

Низкая стоимость технического обслуживания – стеклопластиковые трубы требуют минимальной защиты от вреда окружающей среды и практически не требуют обслуживания.

Габариты и предельное давление

Наружный диаметр от 25 до 4000 мм.

Номинальное давление до 140 бар.

Установка

Как и все трубы, стекловолоконный трубопровод поставляется в конечных длинах, которые должны быть соединены между собой для образования длинных трубных секций. Места соединения труб также должны позволять изменять направление и иметь возможность подсоединять другие детали или оборудование, такие как клапаны или насосы.

Установка стеклопластиковых трубопроводов значительно отличается от установки металлических труб, для достижения наилучшего результата необходимо обратить особое внимание на проектирование трубопровода и его прокладке.

Пригодность

Пригодность различных типов материалов для трубопроводов различается в зависимости от типа строительной площадки и требований к системам. Материал трубопровода должен быть совместим с жидкостью, протекающей по трубопроводу, почвой и химическим составом грунтовых вод. Также материал трубопровода должен быть совместим со структурой почвы и топографическими характеристиками площадки, которые могут повлиять на расположение трубопровода, его глубину и требуемую прочность материала трубопровода.

Нижеприведенный перечень отображает справочную информацию для определения типа трубы в зависимости от ситуации:

• Условия максимального давления

• Динамическая и статическая нагрузка

• Гидравлическая система, неровности внутренней поверхности

• Длина трубы

• Состояние грунта, уровень грунтовых вод, стойкость

• Системы соединений труб

• Требуемые материалы для соединений

• Требуемое установочное оборудование

• Характеристики транспортируемых жидкостей

• Сопротивление абразивному изнашиванию

• Герметичность соединений / регулирование тяги

• Площадка / оценка изготовления металлоконструкций

• Канализационные колодцы, углубления, трубопроводная арматура

• Коррозия / катодная защита

• Требования по техническому обслуживанию

• Срок службы и затраты

Краткая справка

Так как все основные секторы трубопровода подразделяются с учетом их использования в системах водоснабжения, системах канализационных водостоков, трубопроводов и канализации, дренажа, мелиорации, рынок этих материалов также разделен.

ПВХ и ПЭНД трубопроводы являются самым лучшим выбором для меньших диаметров (наружный диаметр 100 – наружный диаметр 300) для обслуживания домовых вводов и распределительных трубопроводов.

С другой стороны, трубопроводы из стекловолокна считаются более высококачественным материалом для труб большего диаметра (от 300 и выше) для использования в магистральных трубопроводах, проложенных в воде, и для использования в системах сточных вод.

Их прочность и долговечность позволяют осуществлять самые сложные проекты и прокладывать трубопроводы и быть уверенным, что действительные эксплуатационные условия не смогут нарушить их рабочие характеристики.

Стекловолоконные трубы могут иметь другие преимущества в местах, где существует проблема коррозии труб.

Для того чтобы добиться таких преимуществ, необходимо следовать надлежащим процедурам и основным правилам. Основным моментом является цена. Как можно сравнить цену стекловолоконного трубопровода с ценами на другие материалы? Стекловолокно обычно оценивается по цене других конкурентоспособных материалов (особенно с диаметром ДУ 300 и выше). Этим часто можно соблазниться, лишь сравнивая исходную стоимость. Этого не следует делать, так как затраты на базовое изделие не отражают действительной цены трубопровода.

Все из вышеперечисленных преимуществ, транспортировка установка и долговечность продукции для определения истинной себестоимости должны быть приняты во внимание.

Заключение

Стекловолокно признано лучшим материалом, пригодным для систем питьевой воды и систем сбора сточных вод. Его большой предел прочности, износоустойчивость, пропускная способность, несложная установка и существующий опыт эксплуатации приводят к заключению, что выбор стекловолокна является правильным решением.

TECHNOBELL LIMITED

Сравнительная таблица сопротивления различных материалов для трубопроводов

Тип материала трубы	Антикоррозионные свойства	Устойчивость к химическому воздействию	Ударная твердость	Термостойкость	Сопротивление абразивному изнашиванию
Чугун	Может коррдироваться, требуется защита	Устойчив к органическим растворителям, требуется защита от воздействия кислот	Высокая	Хорошая. Коэффициент термального расширения = 1,0х105 1/^оС	Средняя
Сталь	Может коррдироваться, требуется защита	Может коррдироваться, требуется защита	Высокая	Хорошая. Коэффициент термального расширения = 1,2х105 1/^оС	Средняя
Бетон	Устойчив	Подвержен влиянию кислот, растворители могут привести к растворению	Средняя	Хорошая. Коэффициент термального расширения =0,9х105 1/^оС	Средняя. Не велика в кислотных условиях
ПВХ	Устойчив	Может стать мягким/ухудшаться пр воздействии органических веществ/углеровородных растворителей	Средняя, снижается при низких температурах	Хорошая. Коэффициент термального расширения = 7,0х105 1/^оС	Средняя
ПЭНД	Устойчив	Очень хорошая	Средняя	Очень нестабильная. Коэффициент термального расширения = 20,0х105 1/^оС	Высокая
Стекловолокно	Устойчив	Очень хорошая	Хорошая	Средняя. Коэффициент термального расширения = 1,8х105 1/^оС	Высокая

Сравнительная таблица установки различных материалов для трубопроводов

Тип материала трубы	Укладка, вес	Стыковка	Температурный режим	Поток воды, коэффициент шероховатости	Износоустойчивость
Чугун	Тяжелый. Удельный вес = 7.200 кг/м³	Средняя при механическом соединении. Медленная при сварке.	Может применяться при высоких и низких температурах	Хороший. Абсолютная шероховатость = Новая/старая = 0.1/0,2	Высокая с антикоррозийным покрытием, если требуется
Сталь	Тяжелый. Удельный вес = 7.800 кг/м³	Средняя при механическом соединении.	Может применяться при высоких и низких температурах	Хороший. Абсолютная шероховатость = Новая/старая = 0.075/2,0	Ограничена
Бетон	Очень тяжелый. Удельный вес = 7.200 кг/м³	Медленная вследствие большого веса секций труб и короткой длины секций	Широкое применение	Хороший. Абсолютная шероховатость = Новая/старая = 0.75/2,5	Ограничена
ПВХ	Легкий. Удельный вес = 1.400 кг/м³	Быстрая	Низкая сопротивляемость с понижением температуры	Хороший. Абсолютная шероховатость = Новая/старая = 0.1/0.1	Высокая
ПЭНД	Очень легкий. Удельный вес = 950 кг/м³	Быстрая	Ограниченное применение	Хороший. Абсолютная шероховатость = Новая/старая = 0.1/0.1	Высокая
Стекловолокно	Легкий. Удельный вес = 1.800 кг/м³	Быстрая	Широкое применение	Хороший. Абсолютная шероховатость = Новая/старая = 0.05/0.05	Очень высокая

Преимущества и недостатки различных типов материалов труб

Тип материала трубы	Преимущества	Недостатки
Чугун	- высокая прочность	- большой вес
Сталь	- широкая применимость - высокопрочность	- большой вес - подвержена коррозии если нет защиты - требуется катодная защита
Бетон	- способность выдерживать нагрузки - стойкость к коррозии - имется в наличии	- требует особой осторожности при укладке для предотвращения появления трещин - большой вес - не устойчив к воздействию сероводороода и кислот, если трубы не покрыты специальным защитным покрытием - поставляются короткомерными
ПВХ	- легкий вес - экономичность - хорошая сопротивляемость коррозии - гладкая поверхность снижает потери на трение	- требует особое напластование - не устойчив к химическому воздействию, особенно к воздействию растворителями - влияние солнечного света на предел, если нет специального ультрафиолетового покрытия - наполнители могут сократить срок службы - с течением времени механические характеристики ухудшаются
ПЭНД	- легкий вес - хорошая сопротивляемость коррозии - гладкая поверхность снижает потери на трение - гибкость	- требует особое напластование - не устойчив к химическому воздействию, особенно к воздействию растворителями - влияние солнечного света на предел, если нет специального ультрафиолетового покрытия - тепловое расширение при большой разнице температур - с течением времени механические характеристики ухудшаются
Стекловолокно	- легкий вес - хорошая сопротивляемость коррозии - гладкая поверхность снижает потери на трение - высокая прочность	- высокая стоимость для небольших диаметров (до 300 мм)

Сравнительные характеристики различных типов материалов труб

Тип материала трубы	Удельный вес, кг/м³	Модуль упругости, кг/мм²	Предел прочности	Коэффициент термального расширения	Абсолютная шероховатость μm	Сопротивление истиранию при испытательной жидкости (песок / вода – 15/85) и скорость 10 м/сек за часы
Чугун	7,200	170,000	420	1,0х10⁵	Новая/старая = 0.1/0.2	34
Сталь	7,800	210,000	450	1,2х10⁵	Новая/старая = 0.075/2.0	34
Бетон	2,400			0,9х10⁵	Новая/старая = 0.75/2.5	20
ПВХ	1,400	1,700	80	7,0х10⁵	Новая/старая = 0.1/0.1	50
ПЭНД	950	900	35	20,0х10⁵	Новая/старая = 0.1/0.1	100
Стекловолокно	1,800	25,000	250	1,8х10⁵	Новая/старая = 0.05/0.05	80