Tръби и фитинги за градско водоснабдяване
Новото време диктува нови правила, при които безопасността, практичността и икономичността са на първо място. Това важи за всички системи за изграждащи и поддържащи функционирането на инфраструктурата, включително и за тръбите за градско водоснабдяване. Пластмасовите тръби за водоснабдяване заменят стоманените, стоманобетонните и чугунените. Издръжливостта, ниската цена и лесният монтаж на полимерите позволяват използването им както за полагане на нови, така и за обновяване и подмяна на участъци от стари водопроводни магистрали. В статията ще разкажем за особеностите на съвременните полиетиленовите тръби и техните спецификации, за стандартните изисквания за производството им, както и за свързаните с тях фитинги.
Текст: списание Инфрабилд
Най-конкурентни днес са пластмасовите тръби. Те са изработени от пластмаса, която е материал на основата на полимери. Полимерът е вещество с голямо молекулно тегло със стабилизирана последователност от атоми, свързани в линейни или разклонени вериги. Полимеризацията протича чрез комбиниране на мономери под въздействието на температура, налягане и катализатори. Тя прави възможно получаването на стабилни съединения, които в готова форма имат ясно определени физични свойства. Пластмасите могат да бъдат модифицирани чрез съполимеризация с включване на различни пълнители и материали (стъклени влакна, пластификатори, оцветители, термостабилизатори и други).
Положителните характеристики на пластмасовите тръби се определят от материала на производство. Именно физическата и химичната стабилност на полимера позволява да се гарантира тяхната висока якост и издръжливост, няколко пъти по-добри от техните аналози - стомана, чугун. Сега най-актуалния и използван материал за производство на напорни полимерни тръби за водоснабдяване, е термопластичният полимер на етилена - полиетилен с висока плътност (high density - HDPE/PE100). Нивото на плътността, изразява налягането, на което тръбите могат да издържат. Числата в абревиатурата - PE100, разделени на 10 показват минималната изисквана якост на материала (minimum required strength MRS) в MPa при неговата експлоатация в продължение на 50 години, при температура от 20°С.
За външни водопроводи с трайно високо налягане или натоварвания, като улиците, се използват тръби HDPE/PE100. Според "Наредба № 2 от 22 март 2005г. за проектиране, изграждане и експлоатация на водоснабдителни системи", минималният диаметър на тръбите на водопроводната мрежа в урбанизирани територии с население над 100000 жители е 100mm, а за територии с население под 100000 жители - 80mm. Максималният допустим хидростатичен напор във водопроводната мрежа на населените места е 0,6 МРа.
HDPE/PE100 е полимер от трето поколение, характеризиращ се еластичност и висока якост. Той е бимодален полимер, синтезиран по нова двуреакторна каскадна технология. Той има две големи фракции с различно молекулно тегло - ниско молекулно тегло характеризиращо течливостта и високо молекулно тегло - определящо физичните и механичните характеристики. Състои се от молекули с дълга и къса верига и целенасочено въвеждане на съмономер в частта с високо молекулно тегло. Така се създава еластична обвивка за силна кристална връзка, образувана от верига с ниско молекулно тегло. От него се изработват и части от фитинги за монтаж на полиетиленови тръби. По отношение на цената, PE100 е по-скъп от PE80, тъй като за производството му се използват повече суровини.
Особености на полиетиленови тръби
Водопроводните тръби за изграждане на външни мрежи и сградни отклонения за питейно - битово водоснабдяване от HDPE/PE100 са с черен цвят и са етикетирани със сини линии. Минималната им дълготрайна якост (MRS) е не повече от 10,0 MPa. MRS показва какви са вътрешните напрежения, които тръбата трябва да издържи, без да се разруши вследствие на налягането на водата в нея. Дебелината на стената може да бъде от 2 до 69mm, максималният външен диаметър е 1200mm, а минималният е 16mm. За тези тръби един от основните показатели е стойността на съотношението на външния диаметър към дебелината на стената на тръбата (standart dimension ratio, SDR). То показва максималното работно налягане, което тръбата може да издържи. Връзката между SDR и дебелината на стената е обратно пропорционална. Колкото по-голямо е SDR, толкова по-тънка е стената. Диапазонът на величината, е от 6 до 41.
Увеличаването на MRS на полиетилена , позволява да се произвеждат тръби с по-тънки стени, което на свой ред увеличава светлото сечение на тръбите и подобрява хидравличната им проводимост, както и якостта им при по-високи налягания. Тръбите с дебели стени, винаги имат малък SDR, т.е. те са по-устойчивите напорни тръби. При по-малък SDR устойчивостта на тръбите към механично напрежение ще бъде по-висока, но при постоянен външен диаметър пропускателната им способност намалява. Експлоатационният им срок зависи от такива фактори, като вътрешно налягане и външни натоварвания - например, когато тръбопроводът е покрит със земна маса.
Дългогодишният експлоатационен опит е показал, че освен якостта на полиетилена от налягането на водата в тръбите, също от особено значение е и якостта му на бавно образуване на пукнатини . Причината е образуване на шупли по повърхността от одрасквания и натоварване от по-едри и остри предмети в обратната засипка на тръбата. Образуването на драскотини при полагане на тръбите и нарастването им с времето до пукнатини, намаляват работното сечение на стената на тръбата, което води до увеличаване на вътрешните напрежения в материала. В тези зони с увеличено напрежение най-често възниква пробив в структурата на тръбата, а оттам и авария със загуба на вода. Това е накарало производителите на HDPE/PE100 - тръби в Западноевропейските страни, да положат допълнителен защитен слой от полипропилен или пенообразен полиетилен.
В днешни дни най-популярно е новото производството на полиетиленови тръби - PE100, които са устойчиви на пукнатини PE100 - RC (resistant to crack, RC). Новият клас на напорни полиетиленови тръби - PE100 - RC, на практика е PE100 с добавена повишена устойчивост срещу бавно нарастване на пукнатини по повърхността на тръбата. PE100 - и PE100RC - тръбите, като начини на свързване, полагане, хидравлична проводимост и статическа устойчивост, са идентични. Тръбите PE100RC гарантират, по-малка вероятност за образуване на пукнатини. Ако се е образувала пукнатина по повърхността на PE100RC - тръбата, тя ще нараства много по-бавно при равни други условия, в сравнение с тръбата PE100.
Спецификация на PE100RC тръбите
Появата на марката PE100RC се дължи на много фактори, сред които определящ са очакванията на ВиК операторите на Европейския пазар, нуждаещи се от надеждни тръби за алтернативни методи на полагане. Това включва безизкопни технологии, като хоризонтално насочено сондиране (horizontal directional drilling, HDD), издърпване с разрушаване на аварийната тръба (pipe bursting), издърпване без разрушаване на аварийната тръба (sliplining), полагане в изкопи без пясъчна основа и насипка. Както е известно, действащият европейски стандарт EN 12201:2:2011+A1:2013, IDT и директиви, не определят свойствата, изискванията и процедурите за изпитване на полиетиленови тръби от PE100RC, използващи се за алтернативни методи на полагане.
За да запълни тази регулаторна празнина, отделът за иновации и стандартизация DIN – (Deutsches Institut für Normung eV) е разработил публично достъпната спецификация „Publicly Available Specification - PAS1075:2009 - 04" - „Полиетиленови тръби за алтернативни методи за монтаж. Размери, спецификации и тестове”. Този документ също така описва допълнителни изисквания, по-специално по отношение на избора на суровини. Счита се, че тази обществено достъпна спецификация допълва съществуващите действащи стандарти и наредби.
Тръбите с марка PE100RC/PAS1075, които са описани в съдържанието на документа, са изработени от суровини, чиито свойства осигуряват минимална устойчивост на тръбата срещу напукване под напрежение за 8760 часа (1година), в сравнение с тръби от PE80 и PE100 (съгласно немския индустриален стандарт DIN8075 - Устойчивост на напукване при напрежение). В PAS1075 е направена следната класификация на тръбите PE100RC. Еднослойни тръби от PE100RC (тип 1), с плътна стена от PE100RC (съгласно DIN8074/ISO4065). Двуслойни тръби от PE100RC (тип 2), с допълнително екструдиран в размера вътрешен защитен слой - PE100RC. Трислойни тръби от PE100 или PE100RC, с допълнително екструдиран в размера вътрешен и външен защитен слой от PE100RC (многослойни тръби).
Тръби от PE100RC (тип 3) с размери по DIN8074/ISO4065 - състоящи се от основна тръба PE100RC и външен защитен слой от модифициран полипропилен (РР), т.е конструкцията е „тръба в тръба”. Коекструдираните пластове са неделимо свързани помежду си чрез едновременното им разтопяване и спояване. Тръбите PE100RC/PAS1075 (тип1), показват изключително голяма устойчивост срещу бавно развиване на пукнатини и голямо точково натоварване на външната повърхност. Те не само покриват, но и надграждат основните технически изисквания, на които трябва да отговарят тръбите от материал PE100. Това в голяма степен определя по-дълъг експлоатационен живот - 100 години, в сравнение с тръби произведени само от PE100. При тръбите от PE100RC/PAS1075 (тип3) допълнителното защитно PР - покритие, дава допълнителна сигурност срещу образуване на шупли, а оттам и на пукнатини при складиране, транспорт, разтоварване и полагане. Минималната дебелина на защитното покритие е 0,8mm. То зависи от диаметъра на тръбата.
При по-големите диаметри, дебелината му е по-голяма поради по-големите натоварвания. Якостта на свързване между основната тръба и защитното покритие трябва да е толкова голяма, че при полагането да издържа на възникналите вътрешни сили на приплъзване. Тръбите са с възможност за интегрирана детекторна жица. Вградената детекторна жица спестява време за прокарването на допълнителна детекторна лента над тръбата. Поставянето на последната е възможно само при изкопно полагане с обратна засипка. При безизкопно полагане, водопроводът няма да има детекторна лента и по-трудно ще може да се локализира. Разликата в цените на изходната суровина за PE100 и за PE100RC, е все по-малка в сравнение с допълнителната сигурност, която PE100RC имат срещу нарастването на пукнатини. Това до голяма степен обезсмисля икономисването за сметка на сигурността, което се получава при многослойните тръби от PE100RC. по-доброто и сигурно решение, са еднослойните компактни тръби от PE100RC/PAS1075.
Стандартни изисквания за производство на гранулата
Съгласно производствения стандарт БДС EN 12201 - 1, гранулатът, от който се произвеждат полиетиленовите водопроводни тръби, трябва да е предварително оцветен, в цвета на крайното изделие. Ако тръбите трябва да са черни, гранулатът е черен, ако трябва да са сини, гранулатът е син и т.н. Стандарт БДС EN 12201 - 1 забранява използването на безцветен PE - гранулат, при производството на полиетиленови водопроводни тръби. Причината е, че само предварително оцветеният гранулат гарантира хомогенна структура на произведените тръби, добра дългосрочна устойчивост на налягане и добра еластичност на материала.
При използване на безцветен полиетилен и последващото му оцветяване по време на производството, води до получаване лошо хомогенизиране на материала и влошаване на качеството на тръбата - намаляване на експлоатационния срок, възможно спукване на тръбата. Такива тръби не могат да издържат лабораторните тестове за вътрешно хидростатично налягане и опън. Следователно, напорните водопроводни тръби PE100, трябва да са произведени от предварително оцветен HDPE по ISO 9001 или еквивалент, от водещи фирми на международния пазар. Произвежданите в България еднослойни плътностенни тръби - PE100RC, по БДС EN 12201 - 2 и DIN 8074/ISO4065, DN16 - 1200mm и с PN6 - 32bar, са черни на цвят с надлъжни сини ивици с дължини 6 - 12m.
Предназначени са за прави участъци при изграждането на магистрали за студена вода в населените места. Всеки тръбен продукт отговаря на определени показатели за налягане. Според тези характеристики, се определя предназначението на тръбата в инфраструктурните системи. Възможните приложения на произвежданите в България PE100RC е следното. 6BAR (SDR 26) - за снабдяване с питейна вода на населени места с малка площ. 10 BAR (SDR 17) и 16 BAR (SDR 11) - за полагане на магистрални тръби в населените места с ниско налягане на питейна вода. 20 BAR (SDR 9) и 25BAR (SDR 7,4) - подходящи за снабдяване с питейна вода под високо налягане.
Фитинги HDPE
Бързият и лесен монтаж на полиетиленовите тръбопроводи се извършва с помощта на HDPE - фитинги, които са свързващи елементи с различни конфигурации и предназначения. Такива са, за свързване на тръби с различни или еднакви диаметри, за създаване на разклонения, за инсталиране на тапи, за свързване с арматура. Характеристиките, които притежават HDPE - фитингите, са предварително определени от материала на производство. Като полимер на етилена, полиетиленът има стабилна кристална решетка, която при нормални условия не е изложена на други влияния, освен на температура и UV - лъчение. При избора на фитингите е необходимо да се обърне внимание на вида, предназначението, марката на полиетилена, диаметъра. Техническите характеристики на HDPE - фитингите, трябва да съответстват на параметрите на тръбните изделия и да съответстват на проектните данни.
Фитингите се различават по метода на монтаж на компресовани, заварени и електро - заварени. Всеки вариант има свои собствени характеристики на производство и приложение. Компресованите фитинги са най-простия вид профилни продукти. Те се използват за механично свързване на водопроводи с малък диаметър, изработени от полиетилен с висока плътност, включително PE80, PE100. Максималният диаметър е 110mm. Ако е необходим по-голям диаметър, монтажът се извършва чрез заваряване - челна или електродифузионна технология. За по-малки диаметри е достатъчно завиване на ръка. За повечето HDPE - водопроводи, фитингите са проектирани за налягане от 10MPa. Конструкцията им се състои от корпус с съединителна гайка. Елементите се изработват с външна или вътрешна резба. За тях се използва полипропиленов съполимер, който има висока устойчивост на повреди и ултравиолетови лъчи. Тялото има аксиално подсилване(втвърдяване).
Укрепващият пръстен е изработен от неръждаема стомана. За да се опрости контролът на качеството, на всеки елемент се прилага номер на производствената партида. Монтажът се извършва без използване на нагревателно и друго оборудване, като фиксирането се извършва чрез затягане на гайката. Получените връзки са разглобяеми, могат да бъдат демонтирани без загуба на качество и необходимост от скъсяване на тръбата. Това подобрява използваемостта и намалява оперативните разходи чрез вторично използване на елементите. Заварени (сегментни) фитинги за PE100 - тръбите се използват за свързване на части от тръбопровода на места, където той променя посоката си. Те са получили името си от метода, по който са направени. Първо се изрязват необходимите парчета от тръби PE 80 или PE100, след което се заваряват челно с машини за заваряване на HDPE - тръби. По този начин е възможно да се получи детайл от всякаква сложност. Заварените HDPE - фитинги, се използват във водоснабдяването а именно, при промяна на диаметрите на тръбите, за свързване на тръбопроводна арматура, при изграждане на напорни тръбопроводи.
Произвеждат се HDPE - заварени фитинги от тръби PE100 и PE100 - RC, като колена 30°, 45°, 60°, 90°, тройник, кръст. След монтажа, HDPE сегментните фитинги се бетонират, за да се облекчат допълнителните натоварвания и да се осигури желаната устойчивост на вътрешно налягане. Всички HDPE - сегментни фитинги, трябва да са в съответствие с изискванията на европейските стандарти (EN12201 - 2:2011, EN12201 - 3:2011). Сред предимствата на заварените профилни елементи са отличната химическа устойчивост, устойчивост на температурни промени, устойчивост на химични деформации, ръжда, окисляване и разлагане. Срокът на експлоатация на детайлите е най-малко 50 години.
Електрозаваряваните фитинги (електродифузионно заваряване) за PE100 - тръбите, във вътрешната си част е монтиран нагревателен елемент, който под въздействие на електрически ток, стопява мястото свързване на фитинга с тръбата. След охлаждане се получава висококачествена връзка, равна по характеристики на отлята тръба. Свързването е неразглобяемо, за разлика от свързванията при разглобяемите компресовани фитинги, което създава трудности при необходимост от демонтаж. Участъкът трябва да бъде изрязан и след това отново заварен с помощта на заготовки на тръби. Този метод обаче е приемлив за монтаж на натоварени водоснабдителни системи, работещи под налягане. При всяко натоварване съединението остава непокътнато, с изключение на течове и аварии.