1. Оценка состояния коммунальных  инженерных сетей

     1.1. Общие сведения

         По протяженности инженерных сетей Россия занимает одно из первых мест в мире.  Общая протяженность наружных инженерных сетей составляет около 2 млн км,  в том числе в системе ЖКХ  эксплуатируется свыше 1 млн км трубопроводов. Кроме того, насчитывается  около 3 млн км внутридомовых трубопроводов.  Состояние инженерных коммуникаций определяется возрастом и материалом трубопроводов, условиями их эксплуатации, качеством строительства, степенью агрессивности грунтов и транспортируемой среды,   другими местными условиями [1,2].      

Основная часть инженерных коммуникаций в нашей стране  выполнена из  металлических труб (75%), из которых   70% —  стальные  и  5%  — чугунные (рис. 1).

Возраст основной части трубопроводов  Санкт – Петербурга  превышает нормативный срок эксплуатации, а отдельные участки  труб работают более 100 лет (рис. 2).  Такая же картина наблюдается и во многих  других городах России [5].   С подобными проблемами  сталкиваются  и  некоторые  зарубежные города,  например  Лондон.

По данным Росстроя РФ,  количество аварий на подземных инженерных сетях страны за 10 лет  выросло почти в 5 раз и составило  на сетях водоснабжения – до  70 аварий на 100 км, теплоснабжения – до 200 аварий на  100 км.  Планово-восстановительный ремонт сетей и оборудования систем водоснабжения и коммунальной энергетики практически полностью вытеснили аварийно-восстановительные работы, единичные затраты на проведение которых  в 2,5-3 раза выше.

 

Рис.2. Характеристика водопроводных сетей  Санкт — Петербурга (по годам ввода в  эксплуатацию)

       Средний уровень износа сетей в коммунальном хозяйстве составляет около 60 %, а в отдельных регионах превышает 70 %.  В системе водоснабжения  требуют полной замены  67 тыс. км стальных и 60 тыс. км чугунных трубопроводов, дополнительно к этому 120 тыс. км металлических  трубопроводов нуждаются в срочном  ремонте (рис. 3). В аналогичном состоянии находятся и  канализационные  трубопроводы,  30%  которых требуют немедленной замены, а также  тепловые сети  (требуется заменить 62 тыс. км сетей)  [1,2].

1. 2. Коррозия металлических трубопроводов и отложения  в трубах

 

Отсутствие надежной наружной и внутренней гидроизоляции, агрессивность грунтовых вод, грунта и транспортируемой воды, наличие блуждающих токов, приводит к   значительной  коррозии металлических труб, и  к снижению фактического срока их службы. Зарастание внутренней поверхности продуктами коррозии или  карбонатными отложениями приводит к снижению пропускной способности трубопроводов, повышению затрат электроэнергии на транспортирование воды.

 

 

Рис. 3. Состояние чугунных и стальных трубопроводов  системы водоснабжения: 1 – исправное состояние; 2 – требуют ремонта;

3 – требуют замены

 

Внутренняя поверхность металлических трубопроводов водоснабжения, как правило, не имеющая защитного покрытия  в условиях агрессивности воды, подвергается коррозии. Коррозионной  активностью обладают природные воды с малым содержанием минеральных солей и низким щелочным резервом.  К ним, относятся   воды многих поверхностных водоисточников  Северо-Западного региона,  в частности,  Ладожского озера и  р. Невы. Вода городского водопровода Санкт-Петербурга также является агрессивной – суммарное содержание в ней сульфатов и хлоридов не превышает 40 мг/л, кальция – не более 12 мг/л. Индекс насыщения водопроводной воды карбонатом кальция – отрицательный (– 2,5…– 3,0), что говорит о высокой агрессивности воды [5, 6, 10]   .

 Продукты коррозии металлических трубопроводов, состоящие, в основном, из окислов железа, отлагаются на внутренней поверхности труб водопроводной сети. В большей степени отложения проявляются на удаленных от водопроводных станций и тупиковых   участках сети, в частности  на вводах.  Слой отложений в трубах на отдельных участках достигает  10…15 мм. В результате сечение трубы уменьшается  до 50%. Износ трубы из-за коррозии местами достигает 45%. Продукты коррозии представляют собой рыхлый  пористый осадок, легко разрушающийся при механическом воздействии. Интенсивная коррозия стальных трубопроводов в результате появления в воде растворенных окислов железа приводит  к ухудшению качества воды в системе.

На рис. 4 – 6 показаны фотографии участков стальных трубопроводов, разрушенных в результате коррозии, с  образованием сквозных  отверстий и появлений утечек воды [11].

 

 

Рис.4. Графитовая коррозия  металлических труб

 

Рис.5. Язвенная коррозия

стальных водопроводных труб

Графитовая коррозия, возникающая в результате разрушения металлической стенки трубопровода, приводит к ухудшению прочности стенок и развитию  язвенной и точечной (питинговой) коррозии. На рис. 7 даны фотографии внутренней поверхности участков металлических трубопроводов водопроводной сети Санкт-Петербурга разного возраста  с различной степенью отложений продуктов коррозии.

А)

Б)

 

Рис. 7. Вид внутренней поверхности водопроводных труб: А –  участок стального трубопровода после 10 лет эксплуатации; Б – то же после 20 лет эксплуатации

 

         Классификация видов  повреждений трубопроводов при авариях на водопроводной сети Санкт-Петербурга приведена  на рис. 8 [11].    

Рис.8 Характер повреждений при авариях на водопроводной сети Санкт-Петербурга

Из представленных данных (см. рис.8)  видно, что основными причинами аварий являются коррозия металлических труб (свищи – 37%), а также значительный возраст аварийных участков трубопроводов (разрушение стыков – спай – 30%, переломы – 21%, трещины – 6%).

 

2. Защитные покрытия для металлических труб

 

2.1.  Стальные трубы с защитными  покрытиями, наносимыми   в заводских (базовых) условиях

 

Стальные трубопроводы получили преимущественное распространение в нашей стране (см.гл.1) благодаря высокой   механической  прочности,  устойчивости к  температурным воздействиям, низкому коэффициенту  температурного расширения, простоте монтажа трубопроводов (сварка) и ремонтопригодности.

         Основной недостаток стальных труб –  низкая коррозионная стойкость.  Стальные трубопроводы,  не имеющие защитных покрытий, быстро выходят из строя и не соответствуют современным требованиям (срок службы наружных трубопроводов должен составлять не меньше 50 лет). Применение  стальных труб для любых видов трубопроводов возможно при нанесении антикоррозийных покрытий на  наружную и внутреннюю поверхности  труб и электрохимической защите трубопроводов.

         Антикоррозийное покрытие стальных труб обычно выполняются в заводских (базовых) условиях, что,  как правило,  гарантирует его высокое качество. В зависимости от условий объекта строительства предусматривается  централизованная поставка труб с определенным  видом антикоррозийного покрытия.

         При ремонте  и   реконструкции  действующих трубопроводов нанесение защитных покрытий  на сварные стыки труб, фасонные части (повороты, колена и др.), а также на места  повреждений производится в трассовых условиях. При этом следует  по возможности  использовать те же материалы, которыми защищены ремонтируемые  трубопроводы. Возможно применение и других защитных материалов, если они по своим защитным свойствам   не уступают основному покрытию трубопровода  и  совместимы с ним.

         В  последние годы для ремонта (санации) стальных коммунальных сетей  получили распространение бестраншейные способы нанесения защитных покрытий на внутреннюю поверхность труб.

         Выбор типа  антикоррозийного покрытия зависит от агрессивности грунта и транспортируемой среды.

            Коррозионная агрессивность грунта по отношению к стали  характеризуется:

•  его удельным электрическим сопротивлением,  определяемым в полевых и лабораторных условиях;
•  средней плотностью катодного тока, необходимого для смещения потенциала стали в грунте на 100 мВ отрицательнее стационарного потенциала (потенциала  коррозии).

         .  Если один из показателей  соответствует высокой агрессивности грунта (табл.1), то грунт считается агрессивным [15].  В грунтах с низкой и средней коррозионной агрессивностью при отсутствии блуждающих токов стальные трубопроводы должны быть защищены изоляционными покрытиями весьма усиленного типа. В грунтах с высокой коррозионной агрессивностью или при наличии опасного влияния блуждающих токов обязательны  защитные покрытия весьма усиленного типа с применением средств электрохимической защиты.

Таблица 1

    Коррозионная агрессивность грунта по отношению к углеродистой  и низколегированной стали

Коррозионная агрессивность грунта	Удельное электрическое сопротивление грунта, Ом.м	Средняя плотность катодного тока, А/м
Низкая	Свыше 50	Менее 0,05
Средняя	От 20 до 50	От 0,05 до 0,20
Высокая	Менее 20	Свыше 0,20

Для стальных трубопроводов, прокладываемых на территории городов, населенных пунктов и промышленных предприятий, применяют антикоррозионные защитные покрытия весьма  усиленного типа. Для оценки агрессивности  воды к стальным и чугунным трубам определяется   ее стабильность по индексу насыщения карбонатом кальция [8]:

                                      J = pH₀  – pHs,                                                 (4)

Где: J- индекс стабильности воды;  pH_{0 ,} pHs – рН воды, соответственно, исходной и насыщенной  карбонатом кальция.

         При отрицательном значении индекса стабильности  J, вода  является агрессивной   к материалам стальных и чугунных труб, и они должны быть защищены от коррозии.

 

         2.2. Наружные покрытия       

         Основными материалами для формирования наружных защитных покрытий труб являются: битумные и битумно-полимерные мастики, рулонные мастично-ленточные материалы, наплавляемые битумно-полимерные материалы, полиэтилен, полиэтиленовые липкие ленты, термоусаживающиеся полиэтиленовые ленты, композиции на основе полиэтилена, полиэфирных смол, полиуретанов и др.      Для наружной облицовки стальных труб применяют также цементно-песчаные покрытия, которые служат, в частности, балластировкой труб, используемых  при строительстве подводных трубопроводов, дюкеров, выпусков и др. (рис.15) [18] .

 

 

Рис.15. Армированное бетонное покрытие в оболочке для балластировки

 подводных трубопроводов [18]

Покрытия на основе битумных мастик состоят из нескольких слоев мастики, нанесенной на трубу по битумному праймеру. Для повышения механической прочности покрытий из мастик в их конструкцию включают слои из армирующих материалов: стеклохолста, стеклосетки, нетканого полимерного полотна. Структура покрытий весьма усиленного типа на основе битумных мастик включает следующие слои: битумный праймер –  битумная мастика – армирующий слой –  битумная мастика –  армирующий слой –  битумная мастика –  наружная обертка.

         К комбинированному виду покрытий относится  покрытие на основе термоусаживающейся ленты и мастики,  включающее   грунтовку, армированный слой мастики толщиной не меньше 4,0 мм и термоусаживающуюся  ленту.         

         Для изготовления ленточных покрытий применяют  полиэтиленовые липкие ленты типа «Полилен» и битумно-полимерные грунтовки [15].   .   Структура покрытия весьма усиленного типа включает  следующие слои: битумно-полимерную грунтовку,  полиэтиленовую липкую ленту толщиной 0,63 мм (либо три слоя ленты толщиной 0,45 мм) и  наружную обертку из оберточной полиэтиленовой ленты с липким слоем. Общая толщина защитного покрытия, включая обертку, должна быть не меньше 1,8 мм.

         Покрытия из экструдированного полиэтилена,  применямые для наружного покрытия трубопроводов,  состоят из:  подклеивающего слоя (адгезива) толщиной 0,25…0,4 мм  и  наружного слоя толщиной 1,55…2,75 мм (для усиленного типа) и 1,8…3,25 мм (для весьма усиленного типа).

         В качестве адгезива применяют сополимеры этилена с эфирами акриловой кислоты, адгезионно-активные композиции. При экструзионном нанесении покрытия используют гранулированный полиэтилен высокого и низкого давления и его сополимеры.        
         Покрытия из экструдированного полипропилена  обладают повышенной механической прочностью. Трубы с указанным покрытием рекомендованы для строительства трубопроводов при закрытых методах прокладки (метод «прокола» и протаскивания через скважины).

         Конструкция покрытия включает  клеевой подслой на основе термоплавкой полимерной композиции толщиной 0,2…0,4 мм и  наружный слой на основе экструдированного термосвето-стабилизированного полипропилена толщиной 1,1…2,3 мм (для усиленного типа), 1,6…2,3 мм (для весьма усиленного типа) и 1,6-2,8 мм (для проколов).

           При экструзионном нанесении покрытия используют гранулированный полипропилен высокого и низкого давления и его сополимеры.   Оборудование и технология нанесения полипропиленового покрытия аналогичны технологии нанесения покрытий из экструдированного полиэтилена, различаются лишь температурные режимы [15].

2.3. Внутренние  покрытия

         При транспортировке по металлическим трубопроводам агрессивной среды внутренняя поверхность труб должна быть защищена антикоррозионными покрытиями. 

      Цементно-песчаное покрытие

         Внутренней облицовке подвергают трубы, главным образом, предназначенные для транспортировки питьевой воды. Предварительно внутреннюю поверхность труб очищают для  удаления загрязнений и окалины. Цементный раствор, подготовленный соответствующим образом в смесительном устройстве, наносят на внутреннюю поверхность труб  с помощью вращающейся распылительной головки.

         При нанесении цементно-песчаного покрытия центробежным способом обеспечивают  равномерное распределение и однородность раствора, а также удаление излишков воды. Поверхность раствора разглаживают и выравнивают с помощью  вращающихся заглаживающих устройств.          По завершении операции трубы укладывают в штабель для схватывания и затвердевания раствора.

      Напыление нейлонового  порошка

         Нейлоновый порошок – термопластичный материал, наносимый на внутреннюю поверхность стальных труб для их защиты от коррозии. Используется на трубопроводах, предназначенных для транспортировки питьевой воды и других сред.  Вначале внутреннюю поверхность труб подвергают  дробеструйной обработке, затем грунтуют  эпоксидной смолой с последующим нагревом и полимеризацией слоя грунтовки. После этого на горячую трубу при помощи электростатических пистолетов напыляют нейлоновый порошок, который, расплавляясь, образует однородный глянцевый слой. Толщина покрытия обычно составляет 200 мкм.

            Технология нанесения  внутреннего покрытия из   нейлонового порошка включает [18, 38]:

• очистку внутренней поверхности,
• нанесение праймера,
• предварительный нагрев,
• нанесение порошка и
• нагрев.

      Нанесение антикоррозийной краски

 Жидкое покрытие, наносимое на внутреннюю поверхность стальных труб для защиты от коррозии  может применяться для различных сред и условий эксплуатации путем выбора соответствующей жидкой краски и метода ее нанесения. Такое покрытие используется, в частности,  для снижения потерь напора и увеличения  пропускной способности трубопровода.

Технология нанесения антикоррозийной краски  включает [18]:

• очистку внутренней поверхности трубы;
• нанесение краски;
• полимеризация.

         В начале проводят дробеструйную очистку внутренней поверхности труб, затем наносят жидкую краску методом безвоздушного напыления, чтобы образовывался однородный гладкий слой (рис.16). После этого проводят полимеризация покрытия в печи, или (если позволяют погодные условия) на открытом воздухе. Толщина покрытия обычно составляет  200 мкм для  транспортировки воды и прочих жидкостей.

 

Рис. 16. Нанесение антикоррозийной  краски на внутреннюю поверхность стальной трубы

Качество защитного покрытия трубопровода, сваренного из труб с заводской изоляцией контролируют перед укладкой в траншею, измеряя толщину и сплошность покрытия,  проверяя  его адгезию к металлу.    Толщину  защитных покрытий контролируют  методом неразрушающего контроля с применением толщиномеров и других измерительных приборов, а его сплошность по диэлектрической характеристике.

         Выявленные дефекты  и  повреждения защитного покрытия должны быть устранены до засыпки трубопровода. При ремонте защитного покрытия обеспечивают его однотипность, монолитность и сплошность. Отремонтированные места подлежат вторичной проверке. Защитное  покрытие наносят  на сварные стыки труб, а также места повреждений.

3.  Методы санирования внутренней поверхности существующих  трубопроводов

         Для ремонта трубопроводов путем  санирования их внутренней поверхности  применяют  следующие технологии:

• · нанесение цементно-песчаных  или полимерных покрытий на внутреннюю поверхность  ремонтируемых труб;
• · протаскивание внутрь старого трубопровода новых пластмассовых труб меньшего диаметра;
• · протаскивание внутрь старого трубопровода предварительно профилируемых пластмассовых труб;
• · использование гибкого комбинированного рукава (чулка).

 

  3.1.  Нанесение цементно-песчаных и полимерных покрытий

   3.1.1. Цементно-песчаные покрытия.

         Санация трубопроводов путём нанесения  цементно-песчаных покрытий на внутреннюю поверхность трубопроводов   обеспечивает:

• · снижение утечек воды за счет заделки свищей и мелких трещин;
• · предотвращение  дальнейшей коррозии внутренней поверхности труб и увеличение срока службы труб;
  • · сохранение качества воды в процессе её транспортировки;
  • · снижение сопротивления движению воды и потерь напора.

 С той же целью  данная технология используется  для покрытия  новых труб при реконструкции систем водоснабжения и водоотведения на объекте. Наибольшее распространение метод получил для восстановления стальных трубопроводов. На внутреннюю поверх­ность трубопровода цементно-песчаный  раствор наносят облицовочными агрегатами с вращающимися центробежными (метательными)  головками и разглаживающими устройствами (рис. 17,18). Агрегат протягивается через ремонтируемый трубопровод с помощью лебедки.

   Цементно-песчаный раствор готовят в бетономешалке и  подают  под напором   в распыляющую головку агрегата (рис.18 а,б).  Толщину покрытия регулируют напором цементно-песчаного раствора, поступающего в распыляющую головку,  скоростью ее вращения и скоростью прохождения агрегата через трубопровод. За один проход можно нанести слой толщиной от 3 до 12 мм. Выравнивание и заглаживание нанесенного слоя раствора осуществляют легким металлическим конусом, который крепится на штанге. Для более быстрого набора марочной прочности цементно­-песчаного покрытия трубопровод заполняют водой, но не раньше чем через 12 ч после нанесения раствора. Затвердевший цементно-песчаный рас­твор имеет необходимую прочность. Покрытие надежно герметизирует небольшие повреждения в теле трубы.

Недостатком метода является то, что все повороты, колена, отводы, вертикальные опуски и подъемы на трубопроводе приходится раскапывать и заменять на облицованные фасонные части. Пожарные гидранты и задвижки, должны быть временно демонтированы.    Производство работ возможно только при положительных температурах ок­ружающей среды (выше +5^оС).

 

Рис.  17.  Нанесение цементно-песчаной облицовки внутренней поверхности  трубопровода

В качестве исходных материалов для приготовления раствора используют портландцемент марки М500 - ГОСТ 10178-85 и мелкозернистый кварцевый песок, фракционированный по ГОСТ 8736-93 и ТУ 39-1554-91.

Метод нанесения покрытий применяют для санации   трубопроводов диаметром – от 100 мм до 3000 мм  независимо от рабочего давления воды и  глубины заложения трубопровода. Длина ремонтируемого прямого участка трубопровода обычно составляет не более    250…300 м. Метод эффективен при небольших повреждениях труб, коррозионных дефектах, трещинах, абразивном износе и т. п. Крупные повреждения (раскрытые стыки труб, смещение труб в стыках,  деформации секций труб и др.)  должны быть устранены перед проведением работ по санации.

          Перед нанесением покрытия трубопровод  необходимо очистить от отложений и обрастаний и промыть. Внутренняя поверхность трубопровода не должна иметь  грязи, рыхлой ржавчины, масляных пятен и воды. Работы по нанесению цементно-песчаных покрытий проводят при установившейся среднесуточной температуре наружного воздуха не ниже 5°С. Основные показатели санации трубопроводов путем нанесения цементно-песчаных покрытий приведены ниже.

Технологические, технические и эксплуатационные показатели	Нанесение цементно-песчаных покрытий на внутреннюю поверхность  труб
Диапазон диаметров, мм	100…2000
Максимальная протяженность ремонтного участка, м	180
Виды повреждений (дефектов)	Мелкие трещины, свищи, коррозия, износ
Материал ремонтного покрытия	Цементно-песчаная смесь и/или полимерные материалы
Термостойкость, °С	45
Требования к подготовке внутренней поверхности трубопровода	Очистка скребками, водой под давлением, TV контроль
Требования к водоотливу	Требуется
Продолжительность технологического цикла при ремонте участка длиной 100 м, рабочих смен	3…5
Планируемый       срок службы санированного трубопровода, (лет)	30
Уменьшение диаметра трубопровода после ремонта, %	5…10

Проведение ремонта трубопроводов этим методом примерно в три раза дешевле, чем перекладка  трубы открытым способом, а продолжительность работ сокращается почти в 10 раз.

 

Рис. 18. Нанесение цементно-песчаного  покрытия:

а – агрегат для  нанесения покрытия;  б – процесс нанесения  цементно-песчаного покрытия

 

К цементно-песчаным покрытиям предъявляют следующие основные требования:

• покрытие должно быть сплошным, поверхность заглаженной (допускаются  борозды  или  гребни с отклонением  по глубине до  1,0 мм  при  выполнении требований по толщине слоя);
• набор прочности  покрытия    до    70 %   должен проходить при температуре покрытия  +5....30° С, влажности –  90....100 %;
• покрытие на любом участке санированного трубопровода должно иметь среднюю плотность не меньше 2200 кг/м³ и прочность на сжатие в возрасте 3 сут –  30 МПа (70 % R28),  7 суток –  35 МПа (80 % R28) и 28 суток –  45 МПа (100 % R 28, ГОСТ 26633– 91, СНиП 82– 02– 95) [16].

Для равномерного схватывания цемента отремонтированный участок трубопровода закрывают с двух сторон полиэтиленовой плёнкой. Перед сдачей санированного трубопровода в эксплуатацию производится его промывка и дезинфекция.

 

3.1.2. Напыляемые полимерные покрытия

   Наряду с цементно-песчаным покрытием в последние годы все шире используется  напыление на внутреннюю поверхность металлических труб синтетических составов на основе эпоксидных смол. Напыляемые защитные покрытия обладают низкой шероховатостью, что обусловливает снижение потерь напора и затрат электроэнергии на транспортирование воды   при   сохранении ее качества.  Метод применим для санации мало поврежденных трубопроводов без значительных  неровностей,  свищей, трещин и  т.п.

         Полимерное  защитное покрытие наносят так же,  как и  цементно-песчаную смесь. Для этого  используют  центробежную  вращающуюся головку с воздушным приводом. Смола и активирующая жидкость нагнетаются через два шланга в смеситель, установленный  перед  распыляющей головкой. Работу дозировочных насосов настраивают таким образом, чтобы коэффициент смешения компонентов был оптимальным, управление процессом смешения происходит автоматически.          Основной компонент (смола) и отвердитель хранятся в подогреваемых резервуарах для поддержания  их необходимой вязкости. 

         Распыляющая головка вращается со скоростью 10000 об/мин, что обеспечивает тонкое диспергирование раствора,  быстрое и качественное нанесение покрытия (рис. 19). Толщина конечного покрытия зависит от скорости проводки распыляющей головки внутри трубы и скорости подачи смеси. Обычно скорость нанесения составляет от 3 до 6 м/мин при обработке труб диаметром до 100 мм, и от 1 до 2 м/мин – при обработке труб диаметром 600 мм. Время отвердевания нанесенного покрытия – 30 мин, длина обрабатываемых труб – как правило, не больше 175 м.

Нормативная толщина слоя покрытия составляет 1 мм, что не позволяет применять этот способ для санации трубопроводов со значительными повреждениями.  Для повышения прочности покрытия,  в частности  при ремонте трубопроводов большого диаметра,  можно накладывать на ремонтируемую поверхность несколько слоев покрытия,  толщина покрытия при этом  увеличивается. Каждый последующий слой наносится после затвердения (полимеризации) предыдущего слоя. Максимальная толщина покрытия достигает  6 мм. Процесс нанесения полимерных покрытий показан  на рис.19 [38] .

 

         Технические характеристики защитных полимерных покрытий:

 

• Нагрузка на растяжение                      -    25 МПа
• Прочность на изгиб                              -    55 МПа
• Модуль упругости                                -    3200 МПа
• Линейная усадка                                   -    0,05%
• Ударная прочность                                -   2,5 Дж
• Сопротивление  истиранию                  -   50 мг/1000 циклов

 

 

         Перед напылением покрытия  необходима тщательная подготовка ремонтируемой поверхности трубопровода (механическая очистка, промывка  трубы). С обрабатываемой поверхности  удаляют  влагу пористыми валиками и горячим воздухом, пропускаемым через трубопровод.

Рис. 19. Напыляемое защитное полимерное покрытие: а – процесс  напыления покрытия; б – труба с   полимерным покрытием.

Для санации трубопроводов может также применяться комбинированное (цементно-полимерное) покрытие, которое получают путем последовательного напыления на ремонтируемую поверхность цементно-песчаного и  полимерного слоев. Такое  покрытие  сочетает преимущества двух способов санации трубопроводов и позволяет выравнивать  нарушенную  в результате коррозии  внутреннюю поверхность трубопровода (цементно-песчаным слоем), предотвратить дальнейшую внутреннюю коррозию  труб и снизить их шероховатость  (за счет нанесения   полимерного слоя).

Перед сдачей санированного трубопровода в эксплуатацию его промывают, дезинфицируют и отбирают пробы воды на химико-бактериологический анализ.

  3.2. Протаскивание нового пластмассового трубопровода в старый трубопровод

 

         Ремонт  трубопроводов данным методом заключается в   протаскивании внутрь старого нового пластмассового трубопровода. Пластмассовые трубы предварительно соединяются в единый трубопровод, который   протягивают через старый  с помощью определенных механизмов. По новому трубопроводу транспортируется вода, а старый трубопровод становится кожухом, защищающим  пластмассовый трубопровод от внешнего разрушающего воздействия.

         Различают способы ремонта  старого трубопровода по данной технологии: – путем наращивания коротких труб  и   2 – путем протаскивания предварительно свариваемого в плеть пластмассового трубопровода.

 

         В первом случае применяют трубы длиной 0,5…0,6 м. Процесс производства работ носит цикличный характер. Сначала отдельную пластмассовую трубу вставляют   в старый трубопровод,  и проталкивают в домкратом. Затем к ней стыкуется следующая короткая труба и также домкратом проталкивается в ремонтируемый трубопровод. Так постепенно новый пластмассовый трубопровод наращивается  на одну короткую трубу, которую затем  проталкивают в  старый трубопровод и цикл повторяют (рис.28).

         Данный способ применяют в основном для ремонта безнапорных трубопроводов. Трубы  соединяют разными способами в зависимости от их вида. Применяют полиэтиленовые толстостенные трубы с конической резьбой фирмы «Вавин», полимерные трубы с раструбными соединениями и др. [32].   

Рис. 28. Способ ремонта  трубопровода путем наращивания коротких труб: 1 – домкрат; 2 – вставляемая пластмассовая труба; 3 – новый трубопровод; 4 – старый  трубопровод

Ремонт  старых трубопроводов путем протаскивания предварительно свариваемого в плеть пластмассового трубопровода (метод «Пайплайнинг») производят в следующем порядке [5, 16]. Трубы вводят в ремонтируемый старый  трубопровод  через колодец  или отрытый на сети приямок.       На горловине приёмного колодца устанавливают лебёдку,  трос от которой подсоединяют к устройству  для    захвата и подтягивания новой трубы.  Схема процесса втягивания нового трубопровода в старый показана на рис. 29.                                Полиэтиленовую трубу поставляют на строительную площадку либо хлыстами по 12…15 м в зависимости от диаметра трубы и имеющегося  транспорта, либо на специальном барабане. По длине санируемого участка готовят плеть из полиэтиленовых труб нужного размера с помощью полуавтоматических аппаратов стыковой сварки. Предварительно подготавливают рабочий и приемный котлованы. Размеры рабочего котлована определяют в зависимости от диаметра полиэтиленовой трубы и глубины заложения существующего трубопровода. Размеры приемного котлована, как правило, зависят только от конфигурации узла, который будет собран в котловане после окончания работ по протаскиванию полиэтиленовой трубы.     Перед  началом санации ремонтируемый участок проверяют на «проходимость». Для  этого через трубопровод протаскивают «шаблон» из куска стальной трубы, диаметр которой немного превышает диаметр  пластмассового трубопровода. При успешном результате проверки начинают протаскивание полиэтиленовой трубы в старый трубопровод.

Рис. 29. Санация  старого трубопровода путем  протаскивания  через него пластмассового трубопровода (сваренного в  плеть)

Вид протаскиваемого пластмассового трубопровода со стороны входного котлована,  показан на рис.30.

Рис. 30. Вид входного котлована  при ремонте способом протаскивания нового пластмассового трубопровода

Недостатком  данной технологии является  значительное уменьше­ние живого сечения трубопровода, прежде всего  за счет кольцевого зазора между стенками старой и новой труб.  Например,  при санации  стальной трубы диаметром 400 мм   внутренний диаметр  новой трубы уменьшается до  315 мм.

Чтобы уменьшить  указанный  недостаток способа санации используют специальные методы: пластмассовый трубопровод предварительно деформируют для  уменьшения его поперечного сечения. Эти методы  основаны на  эластичных свойствах полиэтиленовых труб  и их способности после деформации (в  определенных пределах)  восстанавливать прежнюю форму без потери прочности.

Получили  распространение  методы  предварительной деформации пластмассового трубопровода путем  уменьшения диаметра пластмассового трубопровода и путем изменением формы поперечного сечения трубы. Эти методы  применяют при бестраншейном ремонте трубопроводов.

         В первом случае (метод «Свейдж-лайнинг») перед вводом в старый трубопровод новую полиэтиленовую трубу нагревают  и протягивают через сужающее устройство таким образом, что ее диаметр уменьшается примерно на 15%. Это облегчает  последующее протаскивание ее внутрь старой трубы. После размещения новой трубы в требуемом положении внутрь ее подают горячий воздух или воду, она расширяется до прежних размеров путем. Этот метод используют  для ремонта трубопроводов от 75 до 600 мм [5, 16].

         Во втором случае  (метод «U-лайнер», «Compact-pipe») новая труба из высокопрочного полиэтилена предварительно в базовых условиях сильно деформируется в процессе термомеханической обработки, с целью уменьшения ее поперечного сечения (рис. 31 а). В таком виде она наматывается на барабан и транспортируется к месту производства работ (рис. 31 б). Внутрь реконструируемого трубопровода трубу протягивают с помощью обычной лебедки. После установки на место новую трубу обрезают, закрывают с обоих концов и подают внутрь паро-воздушную смесь. В результате восстанавливается круглая форма трубы, и она плотно примыкает к стенкам старого трубопровода.          Последовательность технологических операций показана на рис. 32 [5, 16]. За один цикл можно отремонтировать участок водопровода до 800 м с диаметром от 100 до 500 мм.

Рис. 31.  Метод  протаскивание предварительно профилированной  полиэтиленовой  трубы  «U-лайнер»:  а – вид профилированных труб; б – барабан с трубой на месте производства работ

Рис. 32. Последовательность основных операций  при  ремонте старых трубопроводов методом «U-лайнер» [32]  

Данные технологии не применимы для санации  трубопроводов с одним или несколькими углами поворота, а также с местными сужениями. Кроме того, если  вводимая пластмассовая  труба подобрана недостаточно точно, в частности, ее наружный диаметр после восстановления первоначальной формы несколько больше внутреннего диаметра старого трубопровода, на новой трубе образуется складка. Это ухудшает гидравлические характеристики трубопровода, вызывает отложение осадков.

 

 

  3.3. Сплошные полимерные рукава

 

         Сущность данного метода санации трубопроводов («Инситуформ», «Феникс» и др.) заключается в армировании внутренней поверхности трубопровода специальным мягким рукавом, изготовленным (по размеру санируемого участка трубопровода) из кислотоупорного полиэфирного волокна, пропитанного эпоксидной смолой [5, 16].  

Бесшовный полимерный рукав в подготовленном к укладке виде доставляют к месту производства работ.  Рукав пропускают через шахту  и крепят к началу ремонтируемого участка трубопровода.  Шахту заполняют водой,  под  давлением которой  рукав выворачивается наизнанку и проходит в полость санируемой трубы на всю длину ремонтного участка.    

Подачу рукава в старый трубопровод можно осуществлять с помощью сжатого воздуха.  Воздушный или водный поток и обеспечивают продвижение оболочки по длине трубопровода с плотной фиксацией его внутренней оболочки к внутренней поверхности трубопровода с помощью предварительно нанесённых клеевых составов (эпоксидной смолы).                                            Следующей стадией является полимеризация, в результате которой происходит  отвердение клеевых составов и всей оболочки. Для интенсификации отвердения рукава производят его термообработку,   заполняя трубопровод паром или горячей водой.

         Полимерный рукав имеет толщину 2 мм (при эксплуатации трубопровода под давлением воды до 3 МПа) или 3…10 мм при необходимости противодействия значительным внешним нагрузкам, а также достижения устойчивости и прочности, сравнимой с аналогичными показателями  нового стального или чугунного трубопровода. 

         Область применения метода нанесения сплошного полимерного покрытия – стальные и чугунные трубы диаметром   150 … 900 мм. Длину ремонтного участка должна определяют в зависимости от диаметра восстанавливаемого трубопровода: при диаметре 150 мм она составляет 500 м, при диаметре 300 мм – 300 м, при диаметре 900 мм – 100 м.

Метод используется при любой глубине заложения труб  и не зависит от типа грунтов, окружающих трубопровод. Исключение составляют водонасыщенные  подвижные грунты, плывуны, где данный метод не рекомендуется применять, ввиду возможности проникновения грунта внутрь трубы через открытые при прочистке  трещины и дефекты трубопровода.

Метод эффективен при следующих видах повреждений: трещины (продольные, поперечные, винтообразные), абразивный износ, свищи (при отсутствии инфильтрации воды в трубу). При других повреждениях (раскрытых стыках, смещении труб в стыках) необходима предварительная подготовка, обеспечивающая соосность труб в местах дефектов.

Внутреннюю поверхность трубопровода перед санацией очищают  в соответствии с ГОСТ 9.402–80 «Изоляция подземных трубопроводов», путем многократного протаскивания скребкового снаряда, а также использования гидравлической очистки.

Санацию проводят  при температуре наружного воздуха не ниже 0° С. Основное  требование к нанесённым полимерным покрытиям – отсутствие видимых дефектов. В случае обнаружения дефектов (разрыва рукава, вздутия плёнки и т.д.) рукав извлекают  из трубы и процесс санации повторяют. Достоинствами метода является высокая производительность, сохранение пропускной способности трубопровода, возможность прохождения поворотов, опусков  и подъемов по трассе ремонтируемого трубопровода.

         Для изготовления рукава применяют и другие виды материалов, например высокопрочную оболочку  «Санлайн» [38].  Это многослойное покрытие представляет собой нетканый синтетический материал, пропитанный полиэфирными, эпоксидными, полиуретановыми или другими составами. После проходки и полимеризации внутри трубопровода образуется самонесущее покрытие,   которое полностью герметизирует все возможные дефекты трубопровода (свищи, трещины, раскрытые стыки и др.). Толщина покрытия  в зависимости от диаметра трубопровода и глубины его заложения  составляет 6,5 … 18 мм для напорных трубопроводов, и  5 … 24 мм для самотечных. Диаметр восстанавливаемых трубопроводов составляет 100…1 200 мм, длина прокладки – до 200 м.

         Схема ввода рукава в ремонтируемый трубопровод приведена на рис. 33, а вид протаскиваемого рукава в  трубопроводе – на рис. 34. 

Применяемые в процессе санации материалы, а также защитное покрытие должны соответствовать санитарным требованиям и  должны иметь сертификат соответствия Госстандарта РФ.

Рис. 33. Схема ввода рукава в трубопровод:

 1 – устройство для ввода рукава; 2 – рабочая площадка; 3 – ролик; 4 – пирамида; 5 – шахта;  6 – хомут; 7 – резервуар с водой; 8 – подающий шланг; 9 – контейнер с рукавом; 10 – рукав; 11 – санируемый трубопровод; 12 – шахта с  водой

4. Трубы напорные из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита

        Чугунные трубы производятся двух марок: ЧН  –  чугунные напорные из серого чугуна,   ВЧШГ –  напорные из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита в структуре чугуна.

         Трубы чугунные напорные из чугуна с шаровидным графитом отличаются от труб марки ЧН тем, что изготавливаются из высокопрочного чугуна, имеют меньшую плотность – 7,05 г/см³, более высокую твердость (до 260 НВ) и ударостойкость при гораздо меньшей толщине стенки и меньшем весе трубы.

Трубы чугунные напорные высокопрочные изготовляют центробежным способом литья из чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) и предназначены для водонапорных систем, в том числе для хозяйственно-питьевого водоснабжения. максимальным давлением воды до 1,6 МПа       .

Трубы ВЧШГ рекомендуется применять в соответствии с требованиями СНиП 2.04.02, СНиП 3.05.04, как правило, при подземной траншейной прокладке. Допускается также их применение при прокладке трубопроводов хозяйственно-питьевого водоснабжения в коммуникационных коллекторах, тоннелях и каналах при соответствующем технико-экономическом обосновании [20–22].

На рис. 35 показана структура  различных форм графита. Шаровидный графит (рис.35 в) в   меньшей степени, чем пластинчатый ослабляет сечение металлической матрицы и, главное, не является таким сильным концентратором напряжений.   При производстве этого  чугуна перед разливкой,  вводят добавки  магния или цезия, при этом  графит кристаллизуется в шаровидной форме. Это обстоятельство, в сочетании с возможностью формировать необходимую структуру металлической матрицы, позволяет придавать чугунам высокую прочность, пластичность и повышенную ударную вязкость.

Трубопроводы и трубы ВЧШГ могут испытывать большие диаметральные прогибы при эксплуатации, сохраняя все функциональные характеристики, что позволяет им выдерживать большую толщину почвенного покрытия и большие дорожные нагрузки.

Испытаниями  труб из высокопрочного чугуна установлено, что коррозионная стойкость труб из  ВЧШГ в несколько  раз превышает стойкость стальных  труб (из нелегированных сталей), и в ряде случаев выше, чем у труб из серого чугуна [21].        

         Электрическое сопротивление чугунных труб, как правило,  выше, чем у стальных, а  применение  резиновых манжет в раструбных  стыках делает трубопроводы практически не электропроводящими, и поэтому трубы ВЧШГ, как правило, не подвергаются электрической коррозии. Однако  в особо коррозионных грунтах и в местах электрических блуждающих токов высокой плотности им может потребоваться дополнительная защита в виде полиэтиленовой оболочки (полиэтиленового «чулка», надеваемого на трубу в процессе укладки), наружного покрытия металлическим цинком или катодной защиты.

         На рис.36 показана конструкция раструбной чугунной трубы из ВГШГ с защитными покрытиями [22]. Параметры труб  из ВЧШГ диаметром до 300 мм и длиной 5,8 и  6,0 метров принимаются по ТУ 1461-037-50254094 и ТУ 14-161-183. Для трубопроводов диаметром от 400 до 1000 мм показатели следует принимать по данным предприятия-изготовителя. Трубы из ВЧШГ имеют  длину от 5,5м до 6,0 м и должны выдерживать испытательное гидравлическое давление не менее 5 МПа.

Рис.  36. Раструбная труба из ВЧШГ с внутренним и наружным защитными покрытиями: 1 – труба из ВЧШГ; 2 – внутреннее цементно-песчаное покрытие; 3 – уплотнительная манжета; 4 - цинковое покрытие; 5 - поверхностное битумное покрытие

 

Правила проектирования и строительства подземных трубопроводов водоснабжения  с использованием труб из высокопрочного чугуна с шаровым графитом изложены в  [20]. При проектировании, производстве и приемке работ по строительству, реконструкции и ремонту трубопроводов должны учитываться требования СНиП 2.04.02, СНиП 3.05.04, СНиП III-4 и других глав СНиП по организации строительства, соответствующих государственных стандартов и нормативных документов по экологической и пожарной безопасности при производстве работ.

         Выбор труб ВЧШГ по диаметру должен осуществляться на основании гидравлического расчета, а по толщине стенки — на основании прочностного расчета с учетом конкретных условий для проектируемого водопровода.