Общие сведения о трубах и трубопроводах систем водоснабжения и водоотведения

Трубы, используемые в системах водоснабжения и водоотведения, в зависимости от материала изготовления делятся на металлические (например, стальные, чугунные и т. д.) и неметаллические (железобетонные, керамические, асбестоцементные, пластмассовые и т.д.). Вид материала труб определяет их эксплуатационные характеристики, долговечность, методы монтажа и стоимость. Для рационального выбора материала труб для сетей водоснабжения и водоотведения необходимо руководствоваться конкретными условиями эксплуатации и технико-экономическими расчетами. Для обеспечения надежности и прочности материала труб должны быть определены оптимальные условия эксплуатации по давлению, температуре, характеру транспортируемой среды, а также по условиям прокладки трубопроводов, возможности подвижки грунтов, их коррозионной активности, наличия подземных вод и т.д.

Трубы, соединительные части и арматура должны отвечать требованиям государственных стандартов (ГОСТ), а в случаях отличия от них — техническим условиям (ТУ).

Трубопроводы представляют собой некоторое количество взаимосвязанных, плотно соединенных между собой элементов:

• труб определенного диаметра, длины, толщины стенки, химического состава материала и качества поверхности;
• соединительных (фасонных) частей;
• арматуры, служащей для изменения и регулирования количества транспортируемого вещества;
• сооружений на сети (например, смотровых колодцев на трубопроводных сетях).

Трубопроводы классифицируют как напорные и безнапорные. Напорные трубопроводы транспортируют вещество под определенным давлением (напором), безнапорные — самотеком. Напорные трубопроводы всегда работают полным сечением, а безнапорные — при частичном заполнении живого сечения труб (0,6-0,9). Напорные трубопроводы могут прокладываться с любым уклоном, а самотечные — с определенными уклонами в сторону перемещения транспортируемого вещества. Безнапорный режим течения воды при частичном наполнении, характерный для отвода бытовых сточных вод, обладает рядом преимуществ перед напорным режимом. При транспортировке бытовых сточных вод обеспечивается некоторый резерв в живом сечении трубопровода, необходимый для пропуска расхода больше расчетного, который может наблюдаться в пределах часа с максимальным расходом. Кроме того, через свободную от воды верхнюю часть сечения трубы осуществляется вентиляция всей разветвленной трубопроводной системы. При этом из трубопроводов непрерывно удаляются выделяющиеся из воды газы, которые вызывают коррозию трубопроводов и сооружений на них, осложняют эксплуатацию водоотводящих сетей. И, наконец, при безнапорном режиме движения жидкости улучшаются условия транспортирования с водой не- растворенных примесей и самоочищение трубопроводов от отложений.

На практике встречаются также комбинированные трубопроводы: с самотечными и напорными участками. Примером могут служить водоотводящие коллекторы, пересекающие водные протоки по их дну (дюкеры).

Все трубопроводы должны сооружаться по заранее разработанной технической документации и установленным правилам и обладать надлежащей герметичностью и надежностью. Перед сдачей в эксплуатацию трубопроводы подвергаются испытанию.

Основные материалы для изготовления напорных труб — сталь, чугун, бетон (железобетон), асбестоцемент (хризотилцемент); безнапорных — керамика, чугун, асбестоцемент и др. В последние десятилетия для строительства и реконструкции напорных и безнапорных трубопроводов стали применять полимерные трубы, обладающие рядом преимуществ.

Внутреннее сечение (диаметр) труб, соединительных частей, арматуры и других элементов трубопроводов измеряется в миллиметрах и называется условным проходом D_y.

Прочность труб и их соединительных частей должна соответствовать условному (номинальному) давлению Р_у транспортируемой среды. Под условным давлением понимается избыточное давление, измеряемое в паскалях (Па) при температуре 293 К (20°С), при котором обеспечивается длительная работа трубопроводов, соединительных частей и арматуры. Численное значение условного давления указывается в ГОСТ на каждый вид изделия.

Обычно рабочая (фактическая) температура транспортируемой среды отличается от 20°С в значительных пределах. Наибольшее давление транспортируемой среды при рабочей температуре, при которой обеспечивается длительная работа арматуры и соединительных частей, называется рабочим давлением Р_раб.

Плотность, а также прочность труб, соединительных частей и арматуры проверяют пробным (испытательным) давлением Р_пр, величина которого больше рабочего давления. Испытания проводят водой при температуре не менее 278 К (5°С) и не более 343 К (70°С). Соотношения между Р_у, P_pаб и Р_пр для труб, соединительных частей и арматуры из стали, чугуна и бронзы нормируются ГОСТ 356-80. Зная рабочее давление и температуру, можно для соответствующего материала труб определить условное и пробное давления.

Основными параметрами работы трубопроводов являются гидравлические, термические и механические.

К основным гидравлическим параметрам работы трубопроводов относятся: расход (Q), скорость течения (V) и давление (напор) (Р). Расход Q транспортируемого вещества выражается в единицах объема, деленных на единицу времени (например, м 3 /с, м 3 /ч, л/с и т. д.), и измеряется специальными устройствами — водомерами. Скоростью V вещества, протекающего по трубопроводу, называется путь в метрах, проходимый веществом в секунду (м/с). Скорость (средняя скорость в сечении трубы) равна секундному объему протекающего по трубе продукта (в м 3 ), деленному на площадь поперечного (живого) сечения трубы со (в м 2 ):

В напорных трубопроводах давление измеряется в паскалях, однако на практике для удобства часто используют метр водяного столба (0,01 МПа = 1 м вод. ст.) или технические атмосферы (давление в кг/см 2 ), 0,1 МПа = = 1 атм. Давление измеряют манометрами. Потеря давления (напора) вызывается сопротивлением, возникающим от трения движущегося вещества о внутреннюю поверхность трубопровода. С возрастанием скорости перемещения вещества увеличиваются потери напора.

В период длительной эксплуатации трубопровода, независимо от материала его изготовления, может произойти изменение гидравлических параметров по причине зарастания внутренней поверхности или ее разъедания.

Зарастание трубопроводов, при котором на внутренней поверхности труб, фасонных частей и арматуры образуются различного рода бугристые отложения, происходит под влиянием коррозии материала, скопления в донной части песка и других случайных примесей, образования на стенках биообрастаний, выпадения минеральных веществ и т. д. Разъедание трубопроводов происходит в результате воздействия на стенки труб транспортируемого продукта, а также окружающей среды. Поэтому для трубопровода рекомендуется подбирать такой материал, на который транспортируемое вещество не оказывает вредного воздействия. Поддержание требуемой проектом пропускной способности действующих трубопроводов достигается периодической чисткой их внутренней поверхности механическим, гидропневматическим, химическим и др. способами и нанесением защитных покрытий.

Необходимо отметить, что неровность поверхности внутренних стенок трубопроводов определяется степенью ее шероховатости, которая может быть отнесена к важнейшим гидравлическим свойствам материалов трубопроводов. Шероховатость в общем и целом оценивается как неровность внутренней поверхности труб в виде выступов, которые могут быть, например, угловыми или волнистыми. Причиной шероховатости служит степень обработки внутренней поверхности материалов трубопроводов (естественная шероховатость) и появление с течением времени различного рода наростов и каверн в результате воздействия большого числа факторов (приобретенная шероховатость).

Шероховатость измеряется профилометром. Форма и размеры коррозионных отложений на внутренней поверхности труб могут быть весьма разнообразны: каплевидные; шишко-, волно-, лепешко- и сосулькообразные. Размер коррозионных отложений колеблется в широких пределах. Если даже принять, что стенки трубы покрыты совершенно одинаковыми элементами шероховатости, то сопротивление, оказываемое такой стенкой движению жидкости, зависит не только от формы и высоты элементов шероховатости, приходящихся на единицу поверхности, но и от группировки их по поверхности трубы.

Шероховатость вызывает потери энергии (напора воды) при движении потока жидкости в трубопроводах независимо от материала их изготовления.

Для описания напорного режима движения жидкости существуют понятия эквивалентной (или равномерно зернистой), относительной, а для безнапорного режима — приведенной линейной шероховатости.

Под эквивалентной (равномерно зернистой) (к_э, мм) шероховатостью понимают такую высоту выступов шероховатости, сложенной из песчинок одинакового размера, которая дает при подсчете одинаковую с заданной шероховатостью величину коэффициента гидравлического трения (или сопротивления по длине трубы) λ.

Под относительной шероховатостью понимается величина k_э/d (где d — внутренний диаметр трубопровода, мм). Понятия эквивалентной и относительной шероховатостей в основном относятся к описанию напорных режимов течения жидкости в трубопроводах. Под приведенной линейной шероховатостью понимается величина ε, мм.

Важнейшей характеристикой потока является режим движения жидкости (турбулентный — вихревой с большими скоростями или ламинарный — параллельноструйный с малыми скоростями), который определяется безразмерным числом Рейнольдса:

Вязкость жидкости зависит от температуры (например, принимается равной V=1,3·10 -6 м 2 /с при температуре воды 10°С).

Число Рейнольдса зависит от шероховатости стенок трубы и формы сечения. На основании опытов в круглых трубах турбулентный режим движения наступает при Re > 2300, а ламинарный — при меньших значениях числа Рейнольдса.

Сопротивление движению жидкости в турбулентном (вихревом) потоке может рассматриваться в следующих основных случаях: области гидравлически гладких труб, переходной области и области шероховатых труб.

Гидравлически гладкими трубами принято называть трубы, в которых толщина ламинарной пленки у стенок полностью перекрывает все выступы шероховатости.

Гидравлически шероховатыми трубами называются трубы, в которых толщина ламинарного слоя меньше средней высоты выступов шероховатости.

Гладкие трубы имеют гладкую поверхность, а шероховатые — зернистую, бугристую, остроконечную (зубчатую).

Для гидравлически гладких труб величина λ является функцией критерия режима движения Rе, а для гидравлически шероховатых труб зависит от относительной шероховатости и не зависит от Re.

В переходной области на величину λ влияет как шероховатость стенок, так и вязкость жидкости. В системах водоснабжения трубы обычно работают в переходной области и области квадратичной зависимости. Вследствие своей сложности турбулентный поток не поддается теоретическому анализу, и поэтому гидравлический расчет труб производится по эмпирическим формулам.

Термические параметры трубопроводов. К ним относится термическое расширение, т. е. величина, на которую удлиняется трубопровод при увеличении или уменьшении температуры окружающей среды. Данный параметр характеризуется величиной коэффициента линейного расширения материала и не зависит от диаметра труб. Коэффициентом линейного расширения называют величину удлинения при нагревании материала на 1°С, деленную на длину образца. Величины термического расширения для некоторых труб, выполненных из различных материалов, представлены в таблице ниже.

Трубопроводы систем водоснабжения

Трубопроводы – основной элемент систем холодного и горячего водоснабжения. Трубы производятся из различных материалов, имеют определенные характеристики и способы монтажа. Выбор вида и материала труб для водопровода – важнейший этап при разработке и строительстве внутренних и наружных сетей водоснабжения. Материал публикации дает обзор типов труб, методик монтажа, преимуществ и недостатков трубопроводных систем.

Виды труб для водоснабжения

Системы водопровода делятся на 2 вида:

1. Наружный водопровод;
2. Внутренний водопровод.

По назначению выделяют следующие виды сетей водоснабжения:

• Хозяйственно-питьевая;
• Система горячего водоснабжения;
• Пожарный водопровод;
• Оборотный водопровод;
• Технологические сети подачи воды.

Хозяйственно-питьевой водопровод часто комбинируется с пожарным водоводом. Оборотные и технологические сети используют в своей работе техническую (промышленную) воду, обеспечивают нужды производственных процессов.

Снабжение питьевой (холодной) и горячей водой производится из централизованных сетей или из индивидуального источника (скважины, колодца). Нагрев воды при автономной системе ГВС производится в бойлерах и водонагревателях.

По способу прокладки трубопроводы водоснабжения делят на 2 вида:

1. Открытой прокладки;
2. Скрытой (закрытой) прокладки.

В зависимости от всех этих признаков и технических показателей (рабочее давление, температура) производится выбор трубопроводов для систем водоснабжения.

Трубопроводы водоснабжения по материалу изготовления делятся на 2 большие группы:

1. Металлические;
2. Полимерные (пластиковые).

К металлическим трубам относятся следующие:

1. Стальные из углеродистой стали;
2. Стальные из нержавеющей стали;
3. Стальные оцинкованные;
4. Медные.

К полимерным пластиковым системам труб относят следующие виды трубопроводов:

1. Металлопластиковые;
2. Полипропиленовые;
3. Полиэтиленовые;
4. Поливинилхлоридные;
5. Полибутиленовые.

Стальные трубопроводы водоснабжения

Трубы из стали являются универсальными для холодного и горячего водоснабжения, отопления, используются для наружных и внутренних сетей. Это обусловлено высокой прочностью материала, термической стойкостью.

Монтаж систем производится с помощью сварки (электродуговой, газовой) и резьбовых соединений (муфтовых). Для самостоятельного проведения работ нужны навыки сварщика и соответствующее оборудование, при муфтовых соединениях – слесарные навыки.

Оцинкованные трубы имеют цинковое покрытие – внутреннее, наружное или сразу оба.

Соединение таких трубопроводов производится только посредством муфт, при сварочных работах защитный цинковый слой разрушится. Причем во всех случаях (черная, оцинковка или нержавеющая сталь) в зоне резьбы толщина стенки трубы уменьшается на витках и именно здесь чаще всего происходят первые утечки.

Стальные углеродистые трубы (шовные, бесшовные) служат обычно около 15 – 20 лет. Это вызвано высоким коррозионным износом материала.

Внутренняя поверхность труб склонна к образованию отложений, наростов, загрязнению, накипи. Это отрицательно влияет на проходимость рабочей среды, ухудшает качество воды.

Оцинкованные трубы служат в среднем до 30 лет (при качественном оцинковании). Нержавеющие трубы прослужат долго, более 50 лет, но они имеют весьма высокую стоимость. К тому же не все нержавеющие стали разрешены к использованию в сетях питьевой воды.

Достоинствами стальных труб являются:

1. Универсальность;
2. Прочность;
3. Фасонные части (фитинги) имеют полнопроходное сечение, аналогичное сечению трубы;
4. Продолжительный срок службы для нержавеющих и оцинкованных труб.

Стальные трубы в последнее десятилетие активно вытесняются полимерными системами. Это вызвано наличием массы недостатков:

1. Подверженность коррозии;
2. Большой вес, неудобство монтажа;
3. Непродолжительный срок службы (для «черных» труб);
4. Необходимость в покраске, тепловой изоляции.

Медные трубы водопровода

Медные трубопроводы редко используются для монтажа систем водоснабжения. Применение их ограничивается внутренним горячим водопроводом, изредка используются в системе внутреннего холодного водоснабжения. Это вызвано высокой стоимостью материала.

Монтаж медных трубопроводов производится двумя способами:

1. Пайка специальным припоем;
2. Использование компрессионных (резьбозажимных) фитингов.

Для пайки труб требуется наличие навыков и оборудования. Сборку с помощью компрессионных фитингов можно провести самостоятельно. Причем следует знать, что медная труба делится на 2 типа:

Отожженная труба при отжигании приобретает гибкость и пластичность, что значительно облегчает монтаж – трубопровод можно сгибать (в разумных пределах, не более 60 – 70 0 ). Неотожженые материалы более прочны, но обладают высокой жесткостью.

К преимуществам медных трубопроводов относятся:

• Длительный срок службы (самый продолжительный среди основных материалов);
• Нейтральность;
• Высокая прочность.

Главными недостатками медной системы являются:

1. Высокая стоимость материала;
2. Сложности при самостоятельном монтаже (пайке).

Полимерные (пластиковые) трубы для водоснабжения

Полимерные трубы в последние десятилетия стали уверенным лидером среди всех материалов при строительстве водопровода. Это обусловлено их низкой стоимостью, продолжительным сроком службы, удобством монтажа. Основными видами полимерных труб являются:

1. Металлопластиковые;
2. Полипропиленовые;
3. Полиэтиленовые;
4. Поливинилхлоридные (ПВХ), полибутиленовые.

Металлопластиковые трубы

Металлопластиковые трубы состоят из 5 слоев – внутреннего из полиэтилена, среднего из алюминия, наружного из полиэтилена, между ними располагаются 2 слоя клеящего вещества. Максимальное рабочее давление составляет 10 кгс/см 2 , максимальная температура – до 95 0 С (кратковременная – до 130 0 С).

Диаметр труб ограничен 40 мм (внутренний – 33). Трубопровод обладает хорошей гибкостью, что облегчает монтаж и уменьшает количество соединений. Применяется металлопластик в основном для внутренней разводки водопровода.

Монтаж металлопластиковых труб производится с помощью латунных фитингов двумя способами:

1. Компрессионным (резьбозажимным);
2. Обжимным (прессовым).

Фитинги обоих видов имеют уплотнительные кольцевые резинки на адаптерах. Компрессионные фитинги затягивают резьбовыми гайками, обжимающими уплотнительное латунное кольцо. Впоследствии, особенно при использовании на горячей воде, гайки требуется периодически подтягивать.

Прессовые фитинги обжимаются специальными клещами (ручными или автоматическими). При этом в местах расположения резиновых уплотнителей сдавливается алюминиевая гильза и достигается герметичность соединения. Фитинги этого типа являются неразборными, не требуют обслуживания.

Сгибание труб производится с определенным радиусом вручную или с помощью специальной фиксирующей пружины, не допускающей излома трубы.

Достоинства металлопластиковых труб:

1. Отсутствие коррозионного износа;
2. Нейтральность;
3. Прочность, при этом имеется хорошая гибкость;
4. Простота монтажа;
5. Длительный срок эксплуатации – до 25 лет.

Имеется и ряд следующих недостатков:

1. Фитинги имеют сниженное проходное сечение;
2. Фитинги имеют высокую стоимость;
3. Отсутствие возможности скрытой прокладки;
4. Негативное влияние ультрафиолета на наружный слой изделия.

Полипропиленовые трубы для водопровода

Трубы из полипропилена имеют классификацию по давлению и температуре:

1. PN10, температура рабочей среды до 45 0 С;
2. PN16, температура рабочей среды до 60 0 С;
3. PN20, температура рабочей среды до 95 0 С;
4. PN25 (армированные, стабилизированные), температура рабочей среды до 100 0 С.

Срок службы изделий варьируется от 10 до 50 лет, в зависимости от рабочей температуры. Чем выше температура – тем меньше срок службы. Трубы с давлением от 10 до 20 кгс/см 2 применяются для систем ХВС, для горячей воды – только PN25. Стабилизация (укрепление) труб производится слоем алюминия или стекловолокна.

Полипропилен обладает всеми достоинствами полимерных систем – легкость, нейтральность, стойкость к засорам и коррозии.

Полипропиленовые трубы не имеют пластичности и гибкости, поэтому монтаж их производится с соблюдением углов и применением сварочных полнопроходных фитингов (тройников, углов, муфт, переходников). Сварка (пайка) материалов производится специальным сварочным аппаратом, при этом образуется однородное (неразборное) гомогенное соединение.

Трубы из полипропилена можно прокладывать любым способом, чаще всего они используются для внутренней разводки, реже – для монтажа наружных сетей.

Полиэтиленовые трубы

Для монтажа наружных сетей наиболее популярными являются полиэтиленовые трубопроводы. Они бывают двух видов:

1. Полиэтилен низкого давления;
2. Сшитый полиэтилен.

Полиэтилен низкого давления (ПНД) применяется для транспортировки холодной воды с температурой не более 40 0 С, давлением до 40 – 50 кгс/см 2 . Материал не поддается коррозии, нейтрален и экологичен, не образует засоров. Главным его недостатком является ограничение по максимальной температуре. Кроме того, ПНД отрицательно относится к ультрафиолету.

Монтаж труб ПНД производится с помощью компрессионных фитингов или сваркой на специальном оборудовании. Сварка производится при больших (более 63 мм) диаметрах труб.

Для систем ГВС используется сшитый полиэтилен – при его производстве образуются дополнительные связи между молекулами (сшивка). Такой материал имеет повышенную прочность, термическую стойкость. Монтаж системы производится компрессионными и прессовыми фитингами, причем благодаря свойствам полиэтилена резиновые уплотнения на прессовых фитингах не устанавливаются.

Полиэтиленовые трубы обладают определенной гибкостью, но имеют максимальное тепловое удлинение среди всех полимеров. В связи с этим крепить жестко трубопроводы не рекомендуется. Трубы из полиэтилена применяются для внутренних и наружных сетей водоснабжения, прокладываются открытым и скрытым методом (кроме случаев использования компрессионных фитингов).

Поливинилхлоридные (ПВХ) трубы

Трубы из ПВХ применятся несколько реже вышеописанных материалов. Это вызвано ограничением по максимальной температуре (65 0 С – кратковременно).

Поливинилхлоридные трубопроводы не обладают гибкостью, монтируются методом склеивания. Поверхность трубы и фитинг предварительно обрабатываются специализированным составом, который очищает и немного смягчает поверхности будущего стыка. После этого стык смазывается клеем, труба вставляется в фитинг и проворачивается на ¼ оборота для равномерного распределения клея.

Готовому соединению дают застыть, продолжительность выдерживания зависит от диаметра трубопровода.

Трубопроводы для систем холодного и горячего водоснабжения следует выбирать с учетом следующих критериев:

1. Рабочее давление и температура воды;
2. Способ прокладки;
3. Продолжительность службы;
4. При необходимости – возможность самостоятельного монтажа;
5. Стоимость.