CC BY
15СТРОИТЕЛЬСТВО И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОЕ
ХОЗЯЙСТВО
УДК 64.069.8
ТРУБОПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ ЖКХ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Г.Я.Дрозд
ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»
Аннотация. Анализ состояния трубопроводных систем ЖКХ и их сопоставление с зарубежными аналогами позволил
предопределить их перспективное развитие за счет
дифференцированного подхода к выбору материала труб в зависимости от их диаметров. Повышение надежности и долговечности систем обеспечивается применением труб из термопластичных материалов до диаметра 500мм и высокоплотных флюатированных железобетонных труб для каналов больших диаметров.
Ключевые слова: трубопровод, материал, коррозия, надежность,термопластик,железобетон
Трубопроводные системы - это протяженные сооружения, устраиваемые на неоднородном по длине основании из отдельных элементов - труб из различных материалов и предназначенные для транспортировки жидкости и пара населению и промышленным предприятиям. Проектные, строительные и эксплуатационные факторы обуславливают их надёжность, от которой зависит жизнеобеспечение общества. Стоимость трубопроводов в коммунальных системах составляет 60-70 % от стоимости систем водо- и теплоснабжения и водоотведения. Физический износ трубопроводов, сопровождающийся постоянными потерями воды и тепла и непрекращающимися ремонтами, во многом обусловил кризис жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) [1]. Для предотвращения коллапса ЖКХ необходимо не только изыскать финансовые возможности для замены трубопроводных систем, но и, используя накопленный специалистами опыт ,разработать стратегию создания надёжных и долговечных систем на основе современных достижений науки и техники в области материаловедения. На примере ЖКХ Украины, которое аналогично российскому, оценим техническое
состояние трубопроводов.
На балансе ЖКХ Украины находится более 192 тыс. км наружных трубопроводов водоснабжения, канализации, теплопроводов и около 3 млн. км внутридомовых трубопроводов различных коммунальных систем (рис. 1).
Г18СШ тыс. кг
ВосЭопроЬосЭ (Всего)
1113.2 тыс. кь
| ВосЭопроЬосЭ ЖКХ
¡51.21
¡Воаоот&еаение (Ьсего)
!4бШВоаоот&еаение ЖКХ
33.2 Тепло&ЫЁ
¡ЗООО.О тыс. км 1
ТрубопроЬосЭные ЬнугприсЭомоЬые Щ коммунальные ш системы
Рисунок 1 - Трубопроводы ЖКХ Украины
Системы ЖКХ развивались в сложных послевоенных условиях, при ограниченном финансировании и необходимости быстро обеспечивать коммунальными услугами огромное жилищное строительство. Поэтому из многих видов труб в трубопроводных сетях (особенно в водопроводах и теплопроводах) в основном применялись высокотехнологичные и дешевые в монтаже металлические трубы.
Низкая коррозионная стойкость металлических (стальных) труб требовала дополнительных эксплуатационных затрат на стабилизацию качества воды, нанесения защитных покрытий, устройство катодной защиты. В связи с недостатком средств на эксплуатацию, невысокой квалификацией персонала эти мероприятия не выполнялись в полнм объёме, что приводило к быстрому износу труб, росту потерь воды и тепла, перебоям в работе систем водо- и теплоснабжения.
В системах водоотведения, после резкого снижения водопотребления, в стране за последние 20 лет изменились условия пропуска стоков по трубопроводам, запроектированным на более высокие параметры (уменьшились расходы и скорости воды, увеличилось время пребывания стоков в анаэробных условиях, увеличилась заиленность каналов, сопровождающаяся эмиссией в самотечных сетях агрессивных канальных газов). Участились случаи масштабных разрушений и аварий на канализационных коллекторах. В условиях городской застройки это приводит не только к социальной напряженности, но к обострению санитарно-экологической ситуации. Поэтому наряду с другими коммунальными трубопроводам, проблема
сетей водоотведения стоит в особом ряду.
По данным [2] на сегодняшний день изношенность всех коммунальных наружных трубопроводов Украины составляет в среднем 36-38 %. Для сетей водоотведения доля ветхих и аварийных сетей составляет в среднем 36,2 %, которая по регионам колеблется от 17 до 53 % (рис. 2).
Украина Полгпа&ская обл. Винницкая обл. РоЬненская обл. Закарпатская обл.
Кие&ская обл. Николае&ская обл. Волынская обл. /1ьЬо&ская обл. Черкасская обл. Днепропетро&ская обл. ИЬано—ФранкоЬская обл. ЧерноЬецкая обл. Черниго&ская обл. Тернопольская обл. 2. Кией Херсонская обл. Житомирская обл. Хмельницкая обл. Сумская обл. □□есская обл.
КироВограЭская обл. Запорожская обл. г.Сейастополь Донецкая обл. Луганская обл.
АР Крым ХарькоЬская обл.
117.4 %
117.7 % 118.9 %
119.4 %
¡21.2 % ¡21.5 % |?3.3 % 24.6 % <¡24.9 % "25.2 % П26.8 %
Цзао %
|30.0 % |32.3 % 32.6 %
2333-2 %
|34.0 %
,:,-'.>.::1з4.з % |34.9 %
|35.8 %
'38.9 %
_^39.6 %
Ц51.7 % Ц52.5 % ;57.5 %
Рисунок 2 - Удельный вес ветхих и аварийных сетей водоотведения Украины [по2]
Качественный состав по материалу труб сетей водоотведения Украины приведен на рис. 3 [3]. Удельный вес металлических (чугунных и стальных труб) в сетях водоотведения составляет около 25 %. Из неметаллических труб преобладают керамические (38,8 %), бетонные и железобетонные (суммарно 28,2 %), асбестоцементные (8,6 %), на долю пластиковых труб приходится менее 1%.
Рисунок 3 - Состав трубопроводов водоотведения Украины по материалу
Для сопоставления приведём структуру потребления труб в водопроводно-канализационном секторе за рубежом (рис. 4 [4] ).
Рисунок 4 в 1990 г
Структура потребления труб в зарубежных странах
Сопоставляя отечественные и зарубежные трубопроводы можно отметить более высокий суммарный процент использования металлических труб за рубежом, но труб изолированных. Кроме того обращает внимание более высокий процент пластиковых труб (30 %), что не идёт в сравнение с их отечественным использованием (1 %). Бетонные и железобетонные трубы в отечественных сетях (28,2 %) несколько превышают аналогичные за рубежом (22 %)
Использование за рубежом защищенных от коррозии металлических труб и коррозионно-стойких пластиков, а это в сумме 67 % всей трубной продукции, обеспечивает высокую надёжность зарубежных трубопроводов.
Приведём данные частоты отказов отечественных трубопроводов из различных материалов (рис. 5 [3]).
X, 1/км-гсЗ
столь
1,1/км-гпЭ 2
п Ф. мм 0
□ Ф, мм
Металлические Неметаллические
трубы труНы
Рисунок 5 - Зависимость частоты отказов отечественных трубопроводов от их диаметра и материала в Украине
Металлические, незащищённые от коррозии трубы диаметром 150-200 мм выходят из строя с частотой 300-350 раз в год на 100 км. Наименьшую частоту отказов из всех применяемых в Украине материалов имеют бетонные и железобетонные трубы: при диаметре 200-400 мм это 5-10 отказов на 100 км в год и 2-3 отказа на 100 км в год при диаметре более 500 мм.
Более высокую надёжность бетонных и железобетонных труб в сравнении с трубами из других материалов можно объяснить их большей массивностью и большей толщиной стенки, которая составляет, как правило, 1/10 от внутреннего диаметра трубы. Железобетонные трубы за многие десятилетия своего применения хорошо зарекомендовали себя в системах канализации. Поэтому даже при появлении новых коррозионно-стойких пластиков они ещё активно используются как за рубежом (22 %), так и у нас в стране (28,2 %).
Как правило, они используются в трубопроводах большого диаметра, в диапазоне 600-2400 мм. При низкой частоте аварий сетей из железобетона, последние отличаются большей масштабностью из-за того что железобетонные коллекторы большего диаметра вследствие аварий теряют большое количество воды, размывающей грунт с загрязнением окружающей среды. Износ железобетонных труб, приводящий к авариям, обусловлен внешними и внутренними факторами. На рис. 6 приведена вероятность отказа железобетонного
трубопровода от этих воздействий.
I а С1->
ю Л" и 20 ' - 2оЗы
Рисунок 6 - Вероятность отказа железобетонных канализационных трубопроводов от действия внешних воздействий (1) и внутренней эксплуатационной среды (2)
Внешний фактор - в 70%случаев обусловлен механическими причинами (просадка основания, ударно-импульсное воздействие) и 30% случаев - химической коррозией, вызванной агрессивными грунтами.
Внутренний фактор - биологически активная эксплуатационная среда, вызывающая коррозию сводовой части труб (70%) и физико-химическое воздействие потока (абразивное истирание лотка с коррозией арматуры), 30%случаев.
Следует полагать, что железобетонные трубы и в дальнейшем останутся одним из основных конструкционных элементов сетей водоотведения.Но это должны быть трубы нового поколения, выполненные из особо плотного бетона , отличающиеся более высокими механическими характеристиками и более стойкими к коррозии.
Зарубежный опыт широкого применения пластиковых труб в системах водоотведения заслуживает внимания и должен быть использован в отечественной практике. С точки зрения эксплуатационной надежности сети водоотведения должны конструироваться из двух материалов: пластиковых и железобетонных труб. Экономическую целесообразность использования каждого из этих материалов иллюстрирует рис.7.
Рисунок 7 - Стоимость погонного метра трубы в зависимости от диаметра
Трубопроводы диаметром до 500 мм должны выполняться из пластиковых труб, а большего диаметра - из железобетона. Последние, с учетом работы в условиях специфической биологически активной эксплуатационной среды, должны быть более качественными и надежными в сравнении с используемыми ранее. Этого можно достичь путем их комплексной первичной и вторичной защиты. В качестве первичной защиты предлагается использование особо плотных бетонов с водонепроницаемостью W-8 ^ "-20 [5, 6], а в качестве вторичной защиты - флюатирование поверхности бетонных конструкций [7].
Известно [6, 7], что метод флюатирования используется для защиты бетонных конструкций от действия промышленной атмосферы, содержащей различные кислые газы. Атмосфера самотечных канализационных коллекторов аналогична промышленной атмосфере по содержанию таких газов как СО2, И28, 802, СО, М0х [8].
Сущность флюатирования заключается в обработке готового изделия кремнефтористоводородной кислотой ^8^ или её солями.
При действии кремнефтористого магния MgSiF4 на гидроксид кальция Са(ОН)2 бетона образуется нерастворимый фторид кальция СаР2 и кремнезём SiО2
2Са(ОН)2 + ]^81Б4 = 2СаР2 + М§Р2 + SiО2 + 2И20
Растворимость фторида кальция СаР2 в 20 раз меньше растворимости гидроксида кальция Са(ОН)2.
В результате флюатирования в поверхностном слое бетона происходят конструктивные изменения [7]:
- прочность возрастет до 50 %;
- стойкость к истиранию возрастет до 10 раз;
- снижается впитывающая способность и возрастает поверхностная плотность бетона;
- значительно возрастет стойкость к химически агрессивным средам.
Количественная оценка влияния флюатирования на коррозионное химическое разрушение проведена путём сопоставления коэффициентов стойкости образцов бетона (табл.1) в реальных условиях газово-воздушной среды коллектора и модельной сернокислотной среды (рис. 8).
Таблица 1 - Характеристика особо плотного бетона
Марк а по водо-непр ониц аемос ти Расход материала ,кг на 1 м3 Осадка конуса, (см) Жестк ость, (сек) В / Ц Плот ност ь, ^ (кг / дм3)
цеме нт песок щеб ень вода
" 10 409 534 1385 143 1,3 16 0,35 2,42
Флюатирование образцов бетона осуществлялось чередующейся их пропиткой 3 % раствором кремнефтористоводородной кислоты Н28!Р6 и насыщенным раствором гидроксида кальция Са(ОН)2 по [7].
Рисунок 8 - Вид нефлюатированного (слева) и флюатированного (справа) образцов бетона после 12 месяцев испытания в 0,001Н растворе серной кислоты ( рН=3)
На рис. 9 приведены зависимости коррозионной стойкости бетонов в различных средах.
Рисунок 9 - Зависимости коэффициента стойкости (Кст) нефлюатированного (1) и флюатированного (2) бетонов в условиях газово-воздушной эксплуатационной среды коллекторов (а) и модельной сернокислотной среды (б)
Повышение коррозионной стойкости в течение первых 6-и месяцев нефлюатированного образцов в газово-воздушной эксплуатационной среде можно объяснить карбонизацией и уплотнением бетона, а в условиях раствора кислоты упрочнение бетона вызвано, вероятно, образованием гипса и эттрингита. После 6-и и 9-и месяцев соответственно коэффициент стойкости нефлюатированного бетона начинает снижаться. Динамика снижения невелика, что объясняется свойствами особо плотного бетона. Флюатированные образцы бетона имели стабильный коэффициент стойкости, равный единице за весь период наблюдений, что объясняется вкладом химической обработки бетона.
Такой подход при проектировании и строительстве сетей водоотведения : использование пластиковых коррозионно стойких труб на участках с диаметрами до 500мм и при больших диаметрах -железобетонных труб повышенной химической стойкости- залог их высокой эксплуатационной надежности.
Выводы.
1. Трубопроводные системы ЖКХ, отработав несколько десятилетий, вследствие физического износа требуют замены.
2. Зарубежные трубопроводные системы отличаются высокой надёжностью за счёт применения защищённых от коррозии металлических труб и труб из термопластичных материалов, что даёт основание перенести данный опыт на отечественную почву.
3. Новое поколение водоотводящих трубопроводных систем должно обладать высокой эксплуатационной надёжностью, которую могут обеспечить пластиковые трубы на участках сети с диметрами до 500 мм и железобетонные трубы на основе особо плотных тяжелых бетонов на участках с диаметрами, превышающими 500 мм.
4. Показано, что повышение долговечности бетонных канализационных трубопроводов, работающих в условиях биологически активных эксплуатационных сред можно осуществить комбинированным физико-химическим методом, основанным на использовании особо плотных бетонов (первичная защита) с химической обработкой готовых изделий раствором кремнефтористоводородной кислотой Н281Б6 или её солями (вторичная защита бетона).
Список использованных источников
1. Исаев В.Н., Хургин Р.Ю. Трубопроводные коммунальные системы // Сантехника № 3, 2006, Москва, С. 11-21.
2. Романюк О.М. Стан мереж водопостачання та водоввдведення: загострення проблеми / Водопостачання та водоввдведення, Кшв, № 2, 2013, С. 20-23.
3. Дрозд Г.Я., Хвортова М.Ю. О техническом состоянии канализационных сетей Украины // Водопостачання та водоввдведення, Кшв, № 1 2012, С. 34-40.
4. Ромейко В.С. Ещё раз о трубопроводах жилищно-коммунального хозяйства России // Трубопроводы и экология, № 1 2002, С. 16-24.
5. ДСТУ Б В.2.6 - 145:2010. Захист бетонних 1 зал1зобетонних конструкцш в1д корозп. Загальш техшчш вимоги (ГОСТ 31384:2008; №0). Кшв: Мшенергобуд Украни, 2010, 52 с.
6. В.И. Бабушкин. Защита строительных конструкций от
коррозии старения и износа. - Харьков: Вища школа, 167 с.
7. Инструкция по защите железобетона и каменной кладки лакокрасочными и гидрофобизирующими покрытиями. - Москва: Госиздательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. 1960. - 60 с.
8. Дрозд Г.Я. Коррозионные разрушения, прогнозирование степени агрессивности эксплуатационной среды и обеспечение надёжности канализационных коллекторов на стадии проектирования // Вода и экология. Проблемы и решения. - Санкт-Петербург, № 1, 2013 (53), С. 40-59.
Дрозд Геннадий Яковлевич, доктор технических наук,
профессор, drozd.g @mail.ru Россия, Орел, Орловский Государственный Аграрный Университет
PIPELINE SYSTEMS HOUSING COMMUNAL ECONOMY: STATE AND PROSPECTS
Drozd G. J.
The analysis of the state of the pipeline systems dwelling communal economy of and their comparison with foreign analogues allowed to predetermine their perspective development due to the differentiated going near the choice of material of pipes depending on their diameters. The increase of reliability and longevity of the systems is provided by application of pipes from thermoplastic materials to the diameter of500мм and high is a dense fluating of of reinforce - concrete pipes for the channels of large diameters.
Keywords: pipeline, material, corrosion, reliability, reinforced concrete
Drozd Gennadij Jakovlevich, doctor of technical Sciences, Professor, drozd.g @mail.ru, Russia, Orel, Orel State Agrarian University
