Чугунные трубы

Чугунные трубы используются в трубопроводах самотечных систем водоотведения и канализации с XIX века наряду с железобетонными и керамическими трубами, а в системах напорного водоснабжения с начала прошлого века и пока продолжают сохранять свои позиции в России, где производство чугунных труб активно развивалось в советское время и во Франции с монополистом напорных чугунных труб для водоснабжения с мировым именем – промышленной группой Saint-Gobain. Хотя в локальных сетях внутренней канализации в нашей стране, а также в системах напорного водоснабжения и наружных подземных сетях канализации и водоотведения ряда стран Европы и в Америке чугунные трубы постепенно заменяются полимерными трубами из полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида (в системах канализации и сточных системах – хлорированными поливинилхлоридными трубами ХПВХ).

Основными причинами перевода самотечных и напорных систем из чугунных труб на полимерные трубопроводы считают:

- склонность к коррозии чугунных труб из-за блуждающих токов в электромагнитных полях, создаваемых кабелями подземной прокладки систем электроснабжения, токоведущими элементами метрополитенов и железных дорог, генераторами тока и электродвигателями;

- повышенную коррозионную активность внутренней поверхности чугунных труб без дополнительной защиты при транспортировке хлорированных вод бытового назначения, слабоагрессивных сред и канализационных стоков с сероводородом, в то время, как наружная поверхность чугунной трубы даже при прокладке в кислых грунтах по данным Американской ассоциации по изучению труб из высокопрочного чугуна (Ductile Iron Pipe Research Association - DIPRA) не имеет сколь значимых изменений на протяжении 150 лет;

- склонность чугунных труб к наслоениям на внутренней поверхности из-за большой шероховатости, что не только сужает условный проход, но и загрязняет транспортируемую среду (в случае систем водоснабжения);

- высокую жесткость чугунных труб, которая позитивна в отношении сопротивляемости разрушению одной трубы, но смещает суммарные нагрузки от грунтов в область стыков, где и происходит нарушения целостности трубопровода (масштабные аварии напорного трубопровода из чугунных труб Мосводоканала зимой 2005-2006 гг. из-за смещения грунтов);

- предельную техническую сложность врезок и ремонта эксплуатируемого трубопровода из чугунных труб;

- изготовление унифицированной и нестандартной фасонины, как литой, так и сварной исключительно на заводах, выпускающих чугунные трубы.

Вместе с тем, эксперты самотечных и напорных систем разных стран, в том числе и российские не склонны к категоричности в преимуществах полипропиленовых труб перед чугунными, поскольку:

- даже выполнение полимерных труб в два и более слоев с наружной гофрой для увеличения кольцевой жесткости не способно полностью решить проблему нарушения целостности гибких трубопроводов из полиэтилена, полипропилена или ПВХ в случаях подземной прокладки в подвижных грунтах, что может стать критичным в условиях предельно высоких давлений, оказываемых на грунт многомиллионным мегаполисом;

- овализация полимерных труб под внешним давлением грунтов далеко не всегда соответствует теоретическим предположениям – тело полимерной трубы вспучивается по мало предсказуемой схеме, что может привести к появлению критических напряжений и нарушениям целостности;

- гофрированные двухслойные полимерные трубы для систем водоотведения и напорного водопровода при подземной прокладке требуют масштабных работ по приготовлению «постели», разных в различных грунтах и засыпки фракциями, не превышающими размер впадины гофры;

- полимерные трубы ограничены по прочности на разрыв, сдвиг и сжатие, зависящей от диаметра, толщины стенки, температуры окружающей среды.

Производство чугунных труб.

Чугунные трубы изготавливают литьевым способом из серого чугуна с различной формой графитовых включений и типом матрицы зерна. В основном это чугуны с ферритным, перлитным и феррито-перлитным зерном и углеродными графитными включениями пластинчатого, хлопьевидного, шаровидного и вермикулярного типа.

Тип графитовых включений в основном определяет механические свойства чугунов – высокую хрупкость при сравнительно невысокой прочности в чугунах с пластинчатым графитом, повышенную пластичность в ковких чугунах с хлопьевидным графитом, высокие прочностные характеристики, приближающиеся по величине к стали 20 в чугунах с шаровидными включениями графита.

Рис. Шаровидный (слева) и пластинчатый (справа) графит в серых и высокопрочных чугунах.

Чугунные трубы для самотечных систем небольших диаметров изготавливают из серого чугуна с пластинчатым графитом, для систем напорного водоснабжения – из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, получаемого модификацией (легированием) магнием или церием по ГОСТ 7293–85.

Устранение эксплуатационных недостатков чугунных труб.

Проблемы больших наслоений на внутренней поверхности чугунных труб и склонности чугуна к коррозии при транспортировке насыщенных ионами хлора или сероводорода сред начали решать еще в начале прошлого века. Внутреннюю поверхность чугунных труб покрывали специальным цементно-песчаным составом, в котором при впитывании воды происходила гидратация непрореагировавшего цементного камня во флоккулах с закупоркой эксплуатационных макро и микротрещин и подщелачиванием среды цементно-песчаного слоя, что дополнительно пассивировало поверхность чугуна.

Улучшение гидравлических характеристик чугунной трубы определялось качеством поверхности защитного цементно-песчаного слоя, но в целом эксплуатационная шероховатость снижалась благодаря отсутствию коррозионных наслоений на инертной к агрессивным средам цементно-песчаной оболочке.

Большинство производителей чугунных труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) для напорных систем водоснабжения продолжает использовать технологию цементации внутренней поверхности труб, дополнительно усиливая коррозионную стойкость наружной поверхности оцинкованной оболочкой из фольги с лаковым слоем на основе эпоксидных смол.

Некоторые чугунные трубы выпускают с внутренним покрытием эпоксидными составами, наносимыми на готовые трубы с помощью распыляющих головок и заметно снижающими шероховатость внутренней поверхности в сравнении с цементно-песчаными растворами.

Как напорные, так и самотечные трубопроводы наземные и подземные для эксплуатации при низких температурах можно выполнять из утепленных чугунных труб, по сути, многослойных из собственно чугунной трубы, внутренней полимерной оболочки (трубы), утепляющей оболочки из вспененного полимера, защитной оболочки из полиэтиленовой, полипропиленовой или поливинилхлоридной трубы.

Типовые соединения в трубопроводах из чугунных труб.

Наибольшее распространение пока имеют раструбные соединения чугунных труб:

- раструбно-стопорные с самоуплотняющимися и уплотнительными кольцами/ манжетами, зачеканкой асбоцементным наполнителем, фланцевого типа с накидным фланцем и болтом;

Рис. Раструбно-стопорные соединения чугунных труб: а – с асбоцементной зачеканкой, б – с резиновым самоуплотняющимся кольцом, в – с резиновым уплотнительным кольцом, г – с упорным шипом, д – с накидным болтом, где:
1 – гладкий конец;
2 – раструб;
3 – просмоленная прядь;
4 – асбоцементный заполнитель;
5 – самоуплотняющееся резиновое кольцо;
6 – уплотнительное резиновое кольцо;
7 – упорное кольцо с резьбой;
8 – упорный шип;
9 – накидной фланец;
10 – накидной болт.

- раструбно-нахлесточные с фиксацией холодной сваркой.

Безраструбные соединения чугунных труб выполняют на соединительных муфтах и используют в основном в магистральных напорных водопроводах больших диаметров.

Сварка чугунных труб в нашей стране пока нашла ограниченное применение, поскольку обычная высокотемпературная сварка с предварительным подогревом возможна только на заводах, где после сварки стыки подвергают отжигу для релаксации остаточных температурных напряжений, а «холодная» сварка в полигонных условиях требует высококвалифицированных сварщиков и дефицитных электродов на никелевой или железоникелевой основе, в основном импортируемых в Россию.

Прокладка трубопроводов из чугунных труб.

На сегодня опробованы и используются следующие виды прокладки трубопроводов из чугунных труб, в основном для магистральных напорных и безнапорных сетей из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом:

- наземная прокладка чугунных труб, как утепленных, так и неутепленных в теплых районах, позволяющая выполнить обслуживание, замену отдельных частей или демонтаж трубопровода с повторным использованием на другом объекте (при раструбно-стопорных или безраструбных соединениях);

- наводная прокладка трубопровода («подача на плаву») из чугунных труб диаметров от DN 250 и выше, при которых плеть труб с герметичными стыками сохраняет плавучесть в морских и пресных водах без поплавков;

- берстлайнинг для прокладки вместо старого трубопровода со статическими или динамическими нагрузками режущих головок, разрушающих заменяемый трубопровод. Вдавливание осколков в окружающий грунт выполняется расширительной головкой, следующей вслед за режущей, и ее диаметр определяет наружный диаметр протягиваемой в сформированное отверстие новой чугунной трубы;

- выдавливание старого трубопровода из грунта с одновременным протягиванием новой плети из чугунных труб;

- «запахивание» плугом в форме ракеты с одновременной укладкой плети трубопровода и уплотнением грунта;

- горизонтальное направленное бурение с радиоуправляемым зондом на головке бура и промывкой шурфа водой;

- релайнинг (протягивание в старой трубе) плети из чугунной трубы, окруженной другими трубами меньшего диаметра в коллекторных трубопроводах;

- релайнинг длинными трубами с протягиванием участков плети или отдельных длинных труб за муфты, защищенные стальным конусом или на специальных транспортировочных зажимах.