Асбестоцементные трубы
Эффективной возможностью снижения капитальных затрат и металловложений, а также повышения срока эксплуатации и надежности тепловых сетей является заменастальных труб неметаллическими, которые в практике строительства напорных трубопроводов получают все большее распространение. К неметаллическим напорным трубам относятся: железобетонные предварительно напряженные, асбестоцементные, деревянные, стеклянные толстостенные, базальтовые, резиновые, пластмассовые. Однако, по мнению специалистов, из неметаллических труб пока только асбестоцементные могут вполне заменить металлические при строительстве тепловых сетей.
В настоящее время асбестоцементные трубы составляют около 70% всех неметаллических, выпускаемых в нашей стране.
Впервые асбестоцементные трубы появились в Италии, где в 1913 г. обществом «Этернит» было организовано производство их заводским способом. Несколько позднее, к 1921 г., асбестоцементные трубы стали изготовлять во Франции, Бельгии, Англии, Германии и других промышленных странах. В 1929 г. фирма «Джонс-Менвилл» стала выпускать асбестоцементные трубы для подземной прокладки в США и Канаде. В СССР асбестоцементные трубы начали выпускать в 1928 г. на заводе «Красный строитель» в г. Воскресенске Московской обл. Материалами для изготовления асбестоцементных труб служат асбест, цемент и вода.
Для производства асбестоцемента используют главным образом хризотил-асбест. Асбестоцементные волокна наряду с высокой огнеупорностью и химической стойкостью обладают также значительной прочностью на растяжение; ими армируют цементный камень, тем самым упрочняя его. В состав асбестоцементных напорных труб входит примерно 15% асбеста и 85% портландцемента. Трубы изготовляют машинным способом (навивкой под давлением). Стенки труб состоят из отдельных тонких асбестоцементных слоев-пленок, накладываемых на форматную скалку и спрессовываемых в процессе формования в монолит. По достижении заданной толщины стенки формование трубы прекращают, затем снятые с форматной скалки трубы проходят процесс твердения, после чего их концы обрезают и обтачивают на токарных станках.
На напорные трубопроводы, проложенные под землей, действуют силы давления транспортируемой рабочей жид- кости и внешние нагрузки (давление грунта, транспорта). Одним из основных показателей, определяющих возможность применения асбестоцементных труб в напорных трубопроводах, является механическая прочность труб. Результаты исследований показали, что механическая прочность асбестоцементных труб лежит значительно выше, чем требуемая минимальная прочность при применении их в трубопроводном строительстве.
Выпускаемые на асботрубных заводах напорные асбестоцементные трубы в зависимости от марки рассчитаны на определенное давление рабочей жидкости. При испытании асбестоцементных напорных труб на отечественных заводах-изготовителях в соответствии с ГОСТ 539—80 обе- печивается двойной запас при испытании на водонепроницаемость и тройной запас при испытании на разрыв внутренним гидравлическим давлением.
При прокладке асбестоце ентных напорных трубопроводов, особенно в городах, всегда опасаются вредного воздействия нагрузки от транспорта на прочность труб. Исследования, проведенные Высшей технической школой в Гамбурге с целью определения внешних динамических нагрузок на проложенные в земле трубы, показали, что эти опасения не оправдываются.
Многолетний опыт эксплуатации газовых сетей из асбестоцементных труб в Будапеште показал, что даже при частом прохождении по трассе газопроводов транспорта, создающего исключительно тяжелые динамические нагрузки, не было ни одного случая разрушения асбестоцементных труб и стыковых соединений.
Широкое применение асбестоцементных труб во многом зависит от их долговечности в условиях эксплуатации. Асбестоцементные трубы, по сравнению с металлическими, обладают высокой коррозионной стойкостью. Асбестоцемент обладает значительным электрическим сопротивлением, поэтому все электрохимические коррозионные процессы полностью исключаются. Изучение процесса грунтовой коррозии асбестоцементных труб показало, что эти трубы более устойчивы к химическому воздействию, чем бетонные и особенно металлические.
Однако химическая стойкость асбестоцементных труб является хотя и очень высокой, но не безграничной, по- скольку асбестоцементные трубы, кроме стойкого к воз-1 действию агрессивных сред асбеста, содержат также цемент. Они в особо агрессивных грунтах и водах подвержены тем же видам коррозии, что и бетонные трубы. Но происходит это в редких случаях. Чаще всего асбестоцемент, подвергшийся химическому воздействию, представляет вид поверхности, обтянутой тончайшим бархатом. Цемент выщелачен и асбестовые (волокна образуют защитный слой. Химическое воздействие проникает в глубину все медленнее и, наконец, практически совсем прекращается. Результаты других исследований свидетельствуют-также о том, что скорость разрушения асбестоцементных труб со временем резко уменьшается и, наконец, практически совсем прекращается, поскольку указанный войлокоподобный слой выполняет роль буфера.
Таким образом, часто случается, что асбестоцементные трубы хорошо оправдывают себя даже в таких условиях, при которых их не рекомендовали применять. В результате проведенных в полевых и лабораторных условиях испытаний асбестоцементных труб, прослуживших 14 лет в чрезвычайно коррозионном грунте, в Виннипеге, Канаде не было обнаружено никакого ухудшения пропускной способности и физических характеристик труб.
Кроме того, следует заметить, что асбестоцементные трубы благодаря особенностям технологии их изготовления (имеется в виду давление, при котором асбестоцементные волокна наматываются на стальную скалку) получают высокую плотность, способствующую повышению сопротивления труб химическому воздействию. Поскольку поры в асбестоцементе имеют очень малые размеры, проникновение в них агрессивных веществ, растворение и выведение компонентов из асбестоцемента в существенной мере затруднены.
Практика показала, что никогда еще не возникала необходимость замены асбестоцементных труб из-за разрушения агрессивными средами. Состояние асбестоцементных труб при морозе вследствие хорошей теплоемкости асбестоцемента, вполне удовлетворительно. Так, например, участки асбестоцементных напорных труб замораживали и снова опускали в ванну с водой до 30 раз. При этом не было обнаружено никаких повреждений. Асбестоцементные напорные трубы обладают хорошими гидравлическими свойствами. Способы выработки асбестоцементных труб при формовании их на стальных скалках обеспечивают такую ровную и гладкую внутреннюю поверхность, которая из-за малого гидравлического сопротивления создает незначительные потери напора и не способствует образованию отложений на стенках трубопровода и скоплению в них осадков.
Исследования по определению гидравлического сопротивления асбестоцементных труб при движении по ним чистой воды были достаточно глубоко проведены как за рубежом, так и в нашей стране. На основании исследований, проведенных во ВНИИ ВОДГЕО Ф. А. Шевелевым, составлены таблицы для гидравлического расчета асбестоцементных водопроводных труб.
Ё напорных трубах, в результате закрывания и открывания запирающих устройств, возникают гидравлические удары, которые могут в несколько раз превышать рабочее давление. С уменьшением времени закрывания запирающего устройства увеличивается сила гидравлического удара. Последний становится опасным для системы трубопроводов, не обладающей необходимым запасом прочности. Применяемые для соединения асбестоцементных напорных труб асбестоцементные муфты с резиновыми уплотнительными кольцами, работающими по принципу самоуплотнения, смягчают гидравлические удары в асбестоцементном трубопроводе, так как при распространении напорной волны уплотнительные кольца сжимаются сильнее. Кроме того, муфтовые эластичные соединения, соединяющие отдельные асбестоцементные трубы, допускают некоторые угловые отклонения труб от оси. Это в случае просадок грунта не нарушает герметичности трубопровода.
Стоимость асбестоцементных труб ниже стоимости труб металлических, железобетонных и даже керамических, кроме того они обладают и сравнительно небольшой массой. К недостатку асбестоцементных труб следует отнести их хрупкость. Поэтому при монтаже, погрузке и разгрузке, а также при перевозке следует строго соблюдать необходимые меры предосторожности.
Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что асбестоцементные трубы обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью, морозостойкостью, хорошими гидравлическими характеристиками, невысокой стоимостью и небольшой массой. Именно благодаря этим свойствам они получают в последнее время все большее распространение в трубопроводном строительстве как в СССР, так и в других странах. Асбестоцементные трубопроводы нашли широкое применение; в системах водоснабжения и канализагции. Асбестоцементные трубы получают все большое применение при сооружении газопроводов. Исследование свойств асбестоцементных труб для газопроводов, проведенное в нашей стране институтом НИИасбестоцемент совместно с институтами ВНИИСТ и ГипроНИИГАЗ, позволило еще шире рекомендовать их для газопроводов. Кроме того, асбестоцементные трубы работают в качестве ирригационных и промышленных трубопроводов, для дренажа, прокладки телефонных и электрических кабелей, каналов, для кондиционирования воздуха, для вентиляции, дымоходов, дымовых труб и других целей.
Технология строительства перечисленных трубопроводов из асбестоцементных труб достаточно подробно и широко освещена в литературе. В Советском Союзе, благодаря богатейшим в мире месторождениям хризотил-асбеста и развитию цементной промышленности, широкое производство асбестоцементных труб позволяет применять их в народном хозяйстве для- транспортирования жидкостей и газов как экономически выгодные, заменяющие дефицитные и дорогостоящие металлические трубы.
В мировой практике асбестоцементные трубы, если и применялись раньше при строительстве тепловых сетей, то лишь в качестве защитных оболочек, надеваемых на стальные трубы. Применение асбестоцементных труб для изготовления теплоизоляционных оболочек было известно в Советском Союзе и ряде других стран. Применяли следующие способы прокладок стальных теплопроводов в асбестоцементных трубах: прокладка, выполняемая протаскиванием готовых стальных теплопроводов в асбестоцементные трубы, уложенные в траншею; прокладка полностью готовыми звеньями, собранными вне траншеи. Оба вида прокладки предусматривают применение заранее сваренных стальных плетей длиной до 50 м.
В качестве несуще-ограждающей конструкции применение асбестоцементных труб зарубежные авторы обосновывают следующими преимуществами этих труб: большой прочностью на сжатие; значительной стойкостью к химическим воздействиям; большой водо- и газонепроницаемостью оболочки, а следовательно, отсутствием коррозии труб и снижением тепловых потерь теплопроводов; высокими диэлектрическими свойствами; простой и быстрой укладкой труб с незначительным объемом земляных работ; возможностью блочного строительства. Теплопотери при прокладке стальных теплопроводов в асбестоцементных трубах не выше, чем при канальной прокладке. Многолетний опыт эксплуатации стальных теплопроводов, проложенных в асбестоцементных трубах (фирма «Wanit»), подтвердил их работоспособность. Имелись также и отдельные попытки использования асбестоцементных напорных труб непосредственно в качестве теплопроводов.
Первые исследования были проведены С. Ф. Копьевым и М. П. Чувилкиным в 1932—1933 гг. во Всесоюзном теплотехническом институте имени Ф. Э. Дзержинского. Исследовали опытный участок теплопровода длиной 15 м, смонтированный из асбестоцементных труб, изготовленных на воскресенском комбинате «Красный строитель». Трубы имели внутренний диаметр 218 мм и толщину стенки 14—16 мм. Соединение асбестоцементных труб осуществляли с помощью наружных металлических муфт, зачеканенных асбестоцементной массой того же состава, что и трубы. Асбестоцементные трубы были заполнены водой под давлением в течение 3900 ч, в том числе с температурой 50—150°С —- 1400 ч. Во время испытаний замеряли: расход волы, ее температуру, давление, сопротивление труб, утечки из труб и стыков, температурные удлинения и тепловые потери. В результате испытаний трубы и стыковые соединения показали вполне удовлетворительные результаты при всех заданных режимах температур и давлений [до 150°С и до 0,6 МПа (6 кгс/см2)]. В процессе испытания было установлено, что в случае применения жесткой конструкции стыкового соединения, какой является муфта, зачеканенная асбестоцементной массой, необходимо устанавливать компенсирующие устройства.
В 1955 г. во Всесоюзном теплотехническом институте им. Ф. Э. Дзержинского на опытных прокладках асбестоцементных труб А. А. Скворцовым были испытаны три типа стыковых соединений для асбестоцементных теплопроводов:
1) жесткий стык с использованием стандартной асбестоцементной муфты с плотной зачеканкой зазора между муфтой и трубой асбестоцементным или чисто цементным раствором;
2) гибкий стык с использованием асбестоцементной муфты, герметичность соединения которого достигается уплотнением зазора четырьмя резиновыми кольцами (по два с каждой стороны муфты), изготовленными из термостойкой резины, плотно прижимаемыми к муфте металлическими фланцами, стянутыми болтами;
3) стык с металлической муфтой с уплотнением резиновыми манжетами.
Результаты испытаний позволили считать стыковые соединения (типы 2 и 3) пригодными для применения в асбестоцементных теплопроводах, прокладываемых лишь в местах, доступных для осмотра и обслуживания. Жесткий стык (тип I) получил отрицательную оценку.
Н. П. Карягин (Горьковский инженерно-строительный институт) получил положительные результаты проводимых опытов по использованию асбестоцементных труб для изготовления нагревательных приборов в системах центрального отопления и (взамен корродирующих стальных труб в экономайзерах. Асбестоцементные трубы опробовались также для подогрева грунта при теплоснабжении парников и теплиц, однако для этих условий работы трубопроводов требования к прочности и надежности труб и стыковых соединений значительно ниже, чем для тепловых сетей.
Кроме этого, известны отдельные случаи, когда асбестоцементные трубы были успешно применены на курортах для транспортирования термальной минеральной воды от скважин к ванным зданиям. Других каких-либо попыток использования асбестоцементных труб в качестве тепло- проводов, систематизированных разработок конструкций и технологии строительства тепловых сетей из асбестоцементных труб ранее больше не проводилось. Эти отдельные попытки использования асбестоцементных труб в качестве теплопроводов показали лишь принципиальную (возможность такого технического решения, но не дали основания для применения асбестоцементных труб при строительстве тепловых сетей.
Установление возможности применения асбестоцементных труб в качестве подземных теплопроводов потребовало разработку принципиально новых конструкций и элементов сетей, а это в свою очередь меняет технологию строительства асбестоцементных тепловых сетей. Таким образом, выявилась необходимость в систематизированном И комплексном решении всей этой задачи в целом. Исследованиями, проведенными во ВЗИСИ, установлена возможность и целесообразность применения асбестоцементных труб при бесканальной прокладке тепловых сетей, разработаны и исследованы принципиально новые тепловые сети и методы их строительства.
Отечественной промышленностью выпускаются в настоящее время напорные асбестоцементные трубы:
асбестоцементные водопроводные напорные трубы марок ВТ6, ВТ9, ВТ12 и ВТ15, рассчитанные соответственно на рабочее давление 0,6; 0,9; 1,2 и 1,5 МПа (6; 9; 12 и 15 кгс/см2), диаметром условного прохода Z)y = 100— 500 мм длиной 3 и 4 м (ГОСТ 539—80);
асбестоцементные водопроводные напорные трубы марок ВТ9, ВТ12 и ВТ15, рассчитанные соответственно на рабочее давление 0,9; 1,2 и 1,5 МПа (9; 12 и 15 кгс/см2), Лу= 150—500 мм, длиной 6 м (ТУ 21-24-77-76).
Выпуск асбестоцементных труб длиной 6 м начат в 1964 г. воскресенским комбинатом «Красный строитель» на оборудовании итальянской фирмы «РКМ» и осваивается другими асботрубными заводами страны на новых отечественных машинах, разработанных СКВ «Асбоцеммаш» Минстройдормаша. Установлено, что наиболее подходящими для применения в тепловых сетях являются напорные асбестоцементные трубы марок ВТ9, ВТ12 и ВТ15 длиной 3, 4 и 6 м. Проведенные исследования показали, что асбестоцементные трубы обладают достаточной стойкостью при длительном воздействии теплоносителя — горячей и перегретой воды. Их прочностные характеристики не снижаются, состав и структура не меняются. Это дало основание применять асбестоцементные трубы в качестве теплопроводов.
Основными факторами, влияющими на величины линейных деформаций асбестоцементных труб при транспортировке по ним теплоносителя, являются влажность и температура. Величина набухания асбестоцементных труб при увлажнении близка величине набухания цементного камня й колеблется от 0,952 до 1,724 мм на 1 м трубы. Суммарные линейные деформации от воздействия температуры при нагревании в воде с учетом набухания не превышают 2,15 мм на 1 м трубы.
При использовании для стыкования асбестоцементных теплопроводов асбестоцементных муфт с теплостойкими уплотнительными кольцами эти деформации можно компенсировать в самих стыках за счет оставляемого между асбестоцементными трубами монтажного зазора величиной 10—15 мм при длине труб 3—4 м и величиной 15—20 мм при длине труб 6 м. В этом случае отпадает необходимость в устройстве специальных компенсаторов.
Коэффициент теплопроводности асбестоцемента с объемной массой, равной 1,9 г/см3 при естественной влажности и нулевой температуре, равен 0,35 Вт/(м-°С) [0,3 ккал/(ч м-°С)].-Однако при транспортировании по асбестоцементным трубам горячей воды с повышением ее температуры увеличивается и коэффициент теплопроводности. Под воздействием теплоносителя (воды) при температуре до 150°С коэффициент теплопроводности увлажненной стенки асбестоцементных труб в практических расчетах принимают равным 0,9 Вт/(м-°С) [0,8 ккал/(ч-м-°С)]. Стенки асбестоцементных труб вследствие невысокого коэффициента теплопроводности (по сравнению со стальными, коэффициент теплопроводности которых равен 58 Вт/(м-°С) [50 ккал/ /(ч-м-°С)]) имеют термическое сопротивление, которое необходимо учитывать при тепловом расчете асбестоцементных теплопроводов. Это позволяет уменьшить толщину слоя тепловой изоляции.
Учитывая высокую экономическую эффективность использования асбестоцементных труб для горячего водоснабжения, а также отсутствие в литературе сведений, касающихся их гигиенической оценки, Саратовский НИИ сельской гигиены провел комплексные натурные и лабораторные исследования по обоснованию возможности использования напорных трубопроводов для систем горячего водоснабжения.
Гигиеническое изучение последних с применением напорных асбестоцементных труб ВТ9 и ВТ12 включало в себя натурное обследование опытных водопроводов горячего водоснабжения в Люберцах Московской обл. и поселке имени Карла Либкнехта Курской обл. Одновременно в лабораторных условиях на моделях трубопроводов рассматривались физико-химическое и санитарно-токсикологическое свойства водных вытяжек. Для правильной гигиенической интерпретации полученных данных в качестве контрольных были взяты дома, горячая вода к которым поступает по стальным трубам.
Изучение качеств воды проводили по следующим показателям: органолептическим (запах, привкус, прозрачность, цветность), химиче-бактериологическим (коли-индекс, общее микробное число) и другим. Установлено, что ни один из названных показателей не был ухудшен. Это же подтвердили и лабораторные исследования с водными вытяжками из асбестоцементных труб. Опрос по специально разработанным анкетам позволил установить, что горячая вода, поступающая по асбестоцементным трубам, большинством потребителей была оценена как вода, обладающая благоприятными органолептическими характеристиками, вполне пригодная для хозяйственно-бытового употребления. (Большая часть жалоб связана с появлением в воде ржавчины от стальных труб.) Какого-либо специфического воздействия асбестоцементных труб на качество горячей воды выявить не удалось.
На основании результатов исследований, проведенных Саратовским НИИ сельской гигиены как в лабораторных условиях, так и при эксплуатации натурных тепловых сетей из асбестоцементных труб, Министерство здравоохранения СССР разрешило применение асбестоцементных теплопроводов для систем централизованного горячего водоснабжения, что еще больше расширяет область их применения.
Авдолимов Е. М., Шальнов А. П. Водяные тепловые сети. — М.: Стройиздат, 1984.
