CC BY
58
УЕБТЫНС
мвви
УДК 666.94
А.Д. Жуков, С.М. Нейман*, С.Ж. Раднаева**
ФГБОУ ВПО «МГСУ», *НА Хризотиловая ассоциация, **ФГБОУ ВПО «ВСГУТУ»
ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ХРИЗОТИЛЦЕМЕНТНЫХ ТРУБ
Обосновано использование хризотилцементных трубопроводов в системах теплоснабжения сельских поселений при строительстве и реконструкции тепловых сетей в качестве альтернативы металлическим трубам. Новые неметаллические трубопроводы, в частности, из сшитого полиэтилена, стеклобазальтопластика и других композиционных материалов, дороги и требуют проверки временем и в вопросах долговечности, и в вопросах экологической безопасности. Проведенные исследования показываю, что хризотилцементные трубы имеют ряд преимуществ и сохраняют свои свойства при длительном воздействии температур до 140 °С.
Ключевые слова: хризотилцемент, трубопроводы, изоляция, бесканальная прокладка.
Современное состояние и технический уровень систем теплоснабжения многих городов, особенно малых населенных пунктов, не отвечает требованиям сегодняшнего дня. Основная доля материальных расходов приходится на наружные тепловые сети. Затраты на транспортирование теплоты в сетях превышают на 40 % ее себестоимость [1]. Более чем для 60 % теплопроводов превышен срок безаварийной службы; более 70 % сетей в ветхом состоянии и требуют ремонта. Фактические потери тепловой энергии при выборочных проверках существенно выше показателей официальной отчетности и составляют около 60 % [2].
Лишь незначительная часть отказов приходится на подвижки, просадки грунта и механические повреждения. Сложившаяся ситуация в теплоснабжении обусловлена следующими основными причинами:
выбором материалов труб и тепловой изоляции без учета условий эксплуатации;
высоким износом стальных трубопроводов из-за коррозии стали; высокой стоимостью мер по защите стальных труб от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды и неиспользованием этих мер;
применением утеплителя с низкими теплозащитными характеристиками и их утратой в процессе эксплуатации;
дефицитом или полным отсутствием материальных средств на восстановление, реконструкцию и модернизацию системы теплоснабжения.
Опыт показывает низкую экономичность применения дорогих по цене стальных трубопроводов и традиционных минераловатных утеплителей в тепловых сетях по причине быстрого износа труб в связи с их коррозией и потерей теплозащитных характеристик минераловатных изделий под действием влаги [3]. Металлические трубопроводы с использованием современных теплоизоляционных материалов (пенополиуретан, пенополимерминеральная изоляция и др.) достаточно дорогостоящи и не смогут найти использования в районах с дефицитом бюджетных средств.
Предлагаемые современной промышленностью новые неметаллические трубопроводы, в частности, из сшитого полиэтилена, стеклобазальтопластика и других композиционных материалов, дороги, мало изучены и требуют проверки временем и в вопросах долговечности, и в вопросах экологической безопасности.
Как эффективная альтернатива металлическим трубам предлагается использование хризотилцементных трубопроводов в системах теплоснабжения сельских поселений при строительстве и реконструкции тепловых сетей.
Типоразмеры хризотилцементных труб определяются ГОСТ 539—80 «Трубы и муфты хризотилцементные напорные. Технические условия», а также несколькими техническими условиями на трубы, разработанными российскими предприятиями. Испытания труб выполняют по ГОСТ 11310—90. Хризотилцементные трубы производят длиной от 2,95 до 5 м и с проходным сечением от 100 до 500 мм. Технологические возможности заводов по производству хризоилцементных труб позволяют производить напорные трубы проходным сечением от 50 до 100 мм.
Основными преимуществами хризотилцементных труб являются: высокая коррозионная стойкость; стойкость к воздействию горячей воды;
малое значение линейных температурных деформаций, исключающее необходимость устройства компенсаторов;
малая теплопроводность хризотилцементных труб, позволят использовать меньшие объемы тепловой изоляции или полностью ее исключить; меньшая трудоемкость строительно-монтажных работ; способность выдерживать за счет самоуплотняющихся муфт с резиновыми кольцами угловые смещения труб до 3.. .5 °С без нарушения герметичности стыковых соединений; меньшая стоимость.
В различных странах Западной Европы, больше всего в Италии, с 1930 гг. изучались свойства хризотилцементных труб (механическая прочность на изгиб, на сжатие, на удар, предельное напряжение материала стенок, водонепроницаемость, газопроницаемость, водопоглощение, плотность и др.) при транспортировании холодной воды и газа [4]. В мировой практике в тепловых сетях хризотилцементные трубы применяли лишь в качестве защитных и теплоизоляционных оболочек на стальных трубах [5].
Первые исследования теплотрасс и подбор стыковых соединений для них в СССР проведены в 1930-х гг. во Всесоюзном теплотехническом институте им. Ф.Э. Дзержинского [6]. Наибольшее количество работ по теплопроводам позже проводилось в 1960—1980 гг. в НИИасбестцементе совместно с воскресенским и белгородским заводами. В НИИасбестцементе, ВНИИСТ и Гипро-НИИГаз исследовались свойства асбестоцементных труб для газопроводов и нефтепроводов высокого давления, что важно для теплопроводов, так как и в них применяются напорные трубы. Во ВНИИ ВОДГЕО составлены таблицы для гидравлического расчета асбестоцементных водопроводных труб [7].
Тем не менее весь этот опыт не получил широкого развития, очевидно, из-за доступности стальных труб в стране. Изменения в экономике страны в конце 1990-е гг. сделали особенно целесообразным возврат к проблеме исполь-
зования долговечных и дешевых по сравнению со стальными трубами хризо-тилцементных труб. Большое внимание в новых работах уделено разработкам поворотных узлов для соединения труб, созданию приспособлений для монтажа теплопроводов, разработке нормативной документации. Хризотиловой ассоциацией проложено и успешно эксплуатируются несколько десятков теплотрасс в г. Курске, Белгороде, Подмосковье, на Урале — в г. Миассе, Челябинске и Сухом Логе. Все участки созданы в условиях бесканальной прокладки [8]. Глубокие исследования свойств самих труб и теплопроводов под воздействием горячей воды не проводились, и вопрос их стойкости к длительным температурным нагрузкам остался неизученным.
Методики исследования свойств труб выбираются с учетом действующих на них в процессе монтажа и эксплуатации трубопроводов нагрузок. До воздействия эксплуатационных нагрузок на трубы могут действовать удары во время их погрузки, транспортировки и прокладки. В условиях бесканальной прокладки на трубопровод воздействуют изгибающие силы от собственной массы трубы и массы находящегося в ней теплоносителя. Также трубы подвергаются действию растяжения под гидравлическим давлением воды, статических нагрузок на сжатие от слоя земли над ними, динамических нагрузок, создаваемых транспортом при движении на поверхности земли. Кроме этого, на материал трубы оказывают воздействие вода и температура воды.
Для характеристики этих воздействий определялись следующие физико-механические свойства асбестоцементных труб: пределы прочности на сжатие и растяжение, пределы прочности на изгибающие усилия, предел прочности на ударную вязкость, водопоглощение.
Для исследования использовались образцы асбестоцементных труб марки ВТ-9, имеющие плотность 2,0 г/см3. Главной задачей исследований являлось изучение поведения ХЦ-труб при воздействии на них теплоносителя. Образцы выдерживали в воде при последовательно возрастающих температурах (от 40 до 110 °С) до полного водонасыщения и далее до 2,5 мес. Для сравнения использовали показатели так называемых эталонных образцов, не подвергнутых воздействию горячей воды.
Так как хризотилцемент является пористым материалом, процесс насыщения его водой можно разбить на три этапа: первый этап характеризуется тем, что жидкость, проникающая в пористое тело (через сквозные капилляры и макропоры), постепенно сжимает защемленный воздух. Второй этап происходит в условиях постоянного давления воздуха внутри макропор. Третий этап — заполнение жидкостью тупиковых капилляров (замкнутых с одной стороны), из которых воздух удаляется только диффузионно, после растворения его в воде.
Образцы выдерживались до испытания в горячей воде при заданной температуре в течение 85 сут. Как видно из графика (рис. 1) все образцы максимально насыщаются водой в первые двое-трое суток по причине заполнения главным образом сквозных капилляров и пор, скорость водопоглощения в среднем составила 1,86 %/ч, при этом средняя плотность материала незначительно увеличивается на 5.. .10 % от начального значения. Дальнейшее впитывание воды происходит заполнением в основном тупиковых капилляров, и скорость впитывания меньше в 200.250 раз (в среднем 0,078 %/ч), чем в первые трое суток. Так как интенсивность насыщения водой со временем становится
ВЕСТНИК
МГСУ-
ниже, а интенсивность выталкивания воздуха возрастает, то через некоторое время давление воздуха внутри образца выравнивается и последующее водо-поглощение замедляется.
Рис. 1. Изменение величины водопоглощения хризотилцементных образцов при различном времени нахождения в горячей воде при температуре: 1 — 40 °С; 2 — 60 °С;
3 — 80 °С; 4 — 100 °С
Замечено, что после выдерживания в воде у всех образцов наблюдается изменение цвета наружной поверхности — буро-коричневый «ободок», который свидетельствует о карбонизации внешнего слоя трубы. Это явление положительное, так как при этом повышается плотность материала, а следовательно устойчивость стенки трубы к коррозии.
Для хрупких материалов, в число которых входит хризотилцемент, основной прочностной характеристикой является прочность на сжатие [9]. Согласно полученным данным, при испытаниях на сжимающие усилия все образцы: и сухие, и насыщенные влагой — имеют одинаковый характер повреждений.
Чистому растяжению в процессе эксплуатации асбестоцемент подвергается при работе под гидравлическим давлением. В отличие от чистого растяжения это напряжение называется растяжением при изгибе. Анализ результатов экспериментов показал, что у насыщенных водой образцов прочность по всем видам деформаций меньше, чем у воздушно-сухих, в среднем на 13,4 %. Вода, заполняющая поры, оказывает капиллярное давление на стенки пор, что создает дополнительные напряжения в материале, снижая прочность.
Сопоставление результатов испытаний прочностных характеристик ХЦ-трубы марки ВТ-9 с данными механических испытаний воскресенского завода «Красный строитель», проведенными на водопроводной воде, показал, что при контакте с высокотемпературным теплоносителем пределы прочности увеличиваются по всем видам деформаций.
Исследование влияния предела прочности на водонепроницаемость хризо-тилцементного трубопровода производилось на экспериментальной установке,
изготовленной из обрезка хризотилцементной трубы. Принципиальная схема и общий вид установки приведен на рис. 2. Параметры работы экспериментальной установки в течение всего времени испытаний приведены на рис. 3.
Рис. 2. Принципиальная схема и общий вид экспериментальной установки:
1 — регулятор температуры; 2 — манометр; 3 — термометр; 4 — хризотилцементная труба; 5 — теплоэлектронагреватель
2.00
rt
ius
Iл ' '
л 1.50 г
■ US
п
ф
g 1.00
0
л
2 0.75.
Й 0.50 п
0.2:
Ь1
(П £-1 с
1
¡2
14 21 28 35 42 49 Пер вод времени, сут
56 63 70
Рис. 3. Рабочие условия экспериментальной установки: 1 — температура, °С; 2 — испытательное давление, МПа
Установлено, что вследствие продолжающейся гидратации зерен цемента в хризотилцементе с течением времени водопоглощение материала повышается и составляет 15.16 % по массе при плотности материала 2 г/см3. Все образцы в водной среде максимально насыщаются водой в первые двое-трое суток по причине заполнения главным образом сквозных капилляров и пор, скорость водопоглощения в среднем составила 1,86 %/ч, при этом средняя плотность материала незначительно увеличивается на 5.10 % от начального значения. Дальнейшее впитывание воды происходит заполнением в основном тупиковых капилляров и скорость впитывания меньше в 200.250 раз (в среднем 0,078 %/ч), чем в первые трое суток.
Испытания показали, что имеет место как снижение предела прочности относительно эталонного образца, так и его повышение в зависимости от характера изменения температурных режимов. Так, снижение происходит при температуре водной среды от 40 до 60 °С, повышение — при температуре свыше 80 °С. Отклонения прочностных показателей от среднего при испытании на изгиб, ударную вязкость, сжатие не превышают 15 %. Это свидетельствует о достаточно высокой однородности показателей свойств материала. Испытания на сосредоточенный удар позволили установить, что разрушающая работа прямо пропорциональна толщине стенок трубы и обратно пропорциональна квадрату ее диаметра.
Упругие свойства волокон армирующего асбеста в значительной степени определяют сопротивляемость хризотилцемента ударным нагрузкам. Хотя ударная вязкость хризотилцемента относительно невелика (1.5 кГсм/см2), однако она существенно превосходит ударную вязкость цементного камня. Армирование цементного камня хризотил- асбестовым волокном существенно повышает прочностные характеристики. Исследования водонепроницаемости, производимые на экспериментальной установке показали, что тестируемые ХЦ-трубы хорошо переносят температуру до 140 °С.
Библиографический список
1. Хризотилцементные строительные материалы / науч. ред. : А.Д. Жуков, С.М Нейман, В.А. Бабич. Екатеринбург : Издательство АМБ, 2009. 155 с.
2. Иванов В.В., Солдатова Ю.В., Чемякина Н.А. Расширение областей применения коротковолнистого хризотила // Строительные материалы. 2006. № 11. С. 57—59.
3. Чесноков В.С., Бабич В.А. Хризотилцементные напорные трубы: практика применения в теплотрассах // Строительные материалы. 2008. № 9. С. 13—15.
4. Рыскин М.В. Асбест в мировой экономике. М. : Международ. отношения, 1969. 250 с.
5. Чесноков В.С., Бабич В.А. Асбестоцементные трубы: почему их игнорируют // Пром. ведомости. 2007. № 5-6. С. 5—7.
6. Нейман С.М., Везенцев А.И., Кашанский С.В. О безопасности асбестоцемент-ных материалов и изделий. М. : ООО РИ Ф «Стройматериалы», 2006. 64 с.
7. Измеров Н.Ф., Ковалевский Е.В. Нормативное обеспечение контролируемого использования асбестосодержащих материалов в строительстве // Медицина труда и пром. экология. 2004. № 5. С. 5—12.
8. Соколов П.Н. Производство асбестоцементных изделий. М. : Высш. шк., 1970. 288 с.
9. Ким Б.И., Литвин И.Е. Задачник по механике грунтов в трубопроводном строительстве. М. : Недра, 1989. 180 с.
Поступила в редакцию в январе 2013 г.
Об авторах: Жуков Алексей Дмитриевич — кандидат технических наук, профессор кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»),
г. Москова, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Нейман Светлана Марковна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, секретарь технико-экономического совета, НО «Хризотиловая ассоциация», 624266, Свердловская обл. г. Асбест, ул. Промышленная, д. 7, [email protected];
Раднаева Светлана Жамсоевна — старший преподаватель, ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» (ФГБОУ ВПО «ВСГУТУ»), 670013, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская,
д. 40в, [email protected].
Для цитирования: ЖуковА.Д., Нейман С.М., Раднаева С.Ж. Эксплуатационная стойкость хризотилцементных труб // Вестник МГСУ 2013. № 3. С. 127—134.
A.D. Zhukov, S.M. Neyman, S.Zh. Radnaeva
SERVICE DURABILITY OF CHRYSOLITE-CEMENT PIPES
The authors have compiled an overview of the reasons underlying the failures of pipelines, including inadequate selection of pipe materials and their thermal insulation made with no account for the operating conditions, high rate of wear and tear of steel pipelines due to steel corrosion, high cost of protection of steel pipes from the aggressive influence of the external and internal environment, failure to implement any pipe protection actions, use of insufficient thermal protection insulation, insufficient funding causing failure to restore, restructure or upgrade heating networks.
The authors have substantiated the use of chrysolite-cement pipelines within the heating networks of rural areas. Chrysolite-cement pipes may expediently substitute metal pipes in the course of construction and restructuring of pipelines. New metal-free pipelines, namely, those made of cross-linked polyethylene, glass-basalt-plastic and other composite materials, are too expensive; besides, their durability and environmental safety need to be checked.
Chrysolite-cement pipes have the following advantages over steel pipes: high corrosion resistance, high resistance to hot water, low values of temperature-driven deformations preventing installation of compensators, low heat conductivity reducing the need for thermal insulation, low laboriousness of installation, low installation and maintenance costs.
Key words: chrysolite-cement, pipes, insulation, trench-free pipelaying.
References
1. Zhukov A.D., Neyman S.M, Babich V.A., editors. Khrizotiltsementnye stroitel'nye ma-terialy [Chrysolite-cement Construction Materials]. Ekaterinburg, AMB Publ., 2009, 155 p.
2. Ivanov V.V., Soldatova Yu.V., Chemyakina N.A. Rasshirenie oblastey primeneniya ko-rotkovolnistogo khrizotila [New Areas of Application of Short-fibred Chrysolite]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2006, no. 11, pp. 57—59.
3. Chesnokov V.S., Babich V.A. Khrizotiltsementnye napornye truby: praktika primeneniya v teplotrassakh [Chrysolite-cement Pressure Pipes: Practical Application in Heating Mains]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2008, no. 9, pp. 13—15.
4. Ryskin M.V. Asbest v mirovoy ekonomike [Asbestos in the International Economy]. Moscow, Mezhdunarod. otnosheniya publ., 1969, 250 p.
5. Chesnokov V.S., Babich V.A. Asbestotsementnye truby: pochemu ikh ignoriruyut [Asbestos-cement Pipes: Why Are They Ignored?] Prom. vedomosti [Industrial News]. 2007, no. 5-6, pp. 5—7.
6. Neyman S.M., Vezentsev A.I., Kashanskiy S.V. O bezopasnosti asbestotsementnykh materialov i izdeliy [Safety of Asbestos-cement Materials and Products]. Moscow, OOO RI F «Stroymaterialy» publ., 2006, 64 p.
7. Izmerov N.F., Kovalevskiy E.V. Normativnoe obespechenie kontroliruemogo ispol>zovaniya asbestosoderzhashchikh materialov v stroitel>stve [Regulatory Framework for the Controlled Use of Asbestos-based Materials in Civil Engineering]. Meditsina truda i prom. ekologiya [Occupational Medicine and Industrial Ecology]. 2004, no. 5, pp. 5—12.
8. Sokolov P.N. Proizvodstvo asbestotsementnykh izdeliy [Manufacturing of Asbestos-cement Products]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 1970, 288 p.
9. Kim B.I., Litvin I.E. Zadachnik po mekhanike gruntov v truboprovodnom stroitel'stve [Problem Book on Soil Mechanics in Pipeline Engineering]. Moscow, Nedra Publ., 1989, 180 p.
About the authors: Zhukov Aleksey Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Technology of Finishing and Insulation Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Neyman Svetlana Markovna — Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Secretary, Council for Technology and Economy, NO «Khrizotilovaya assotsiatsiya», 7 Promyshlennaya St., Asbest, Sverdlovsk Region, 624266, Russian Federation; svetamark@ yandex.ru;
Radnaeva Svetlana Zhamsoevna — Senior Lecturer, East Siberian State University of Technology and Management (VSGUTU), 40v Klyuchevskaya St., Ulan-Ude, 670013, Buryat Republic, Russian Federation; [email protected].
For citation: Zhukov A.D., Neyman S.M., Radnaeva S.Zh. Ekspluatatsionnaya stoykost' khrizotiltsementnykh trub [Service Durability of Chrysolite-cement Pipes]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 127—134.
