Dobór materiałów do budowy sieci wod-kan. Sieci wodociągowe

Do budowy sieci wodociągowych i kanalizacyjnych powinny być wykorzystywane wyroby do tego przeznaczone, posiadające odpowiednie świadectwa dopuszczenia do stosowania w budownictwie. Dokumenty takie określają warunki wykonania, budowy i eksploatacji danego materiału oraz wpływ na użytkownika i inne elementy konstrukcyjne oraz środowisko naturalne. Materiały stosowane w sieciach powinny mieć znak B lub CE oraz świadectwo zgodności z PN lub EN.

W przypadku braku odpowiedniej normy wyrób musi uzyskać aprobatę techniczną (polską lub europejską) określającą jego możliwości zastosowania, potwierdzone odpowiednimi badaniami laboratoryjnymi. Materiały mające kontakt z wodą do picia muszą mieć świadectwo PZH stwierdzające brak negatywnego wpływu na zdrowie człowieka. Systemy sieci wodociągowejSieci wodociągowe służą do ujmowania, uzdatniania i dostarczania wody do odbiorców. Wybierając materiał, z którego ma być zbudowana sieć wodociągowa, należy zwrócić uwagę na:

• właściwości eksploatacyjne rur (np. ich oddziaływanie na wodę do picia),
• wytrzymałość konstrukcyjną na ciśnienie wody w sieci,
• podatność na obciążenia i uszkodzenia,
• łatwość montażu – pracochłonność wykonania połączeń i ciężar rur,
• cenę materiału i złączek oraz zakres oferty techniczno-asortymentowej całego systemu,
• możliwość renowacji, w tym łatwość wymiany elementów.

Trwałość rur wodociągowych wiąże się z ich odpornością na korozję. Naturalnie odporne na korozję są tworzywa sztuczne, natomiast w rurach i kształtkach żeliwnych oraz stalowych stosuje się powłoki ochronne na zewnętrznej i wewnętrznej ściance rury.

Szybka i sprawna budowa odcinka sieci wodociągowej zależy od sposobu połączeń, ciężaru elementów, długości odcinków rur czy zakresu przygotowania podłoża pod rurociąg. Złącza kielichowe z pierścieniem uszczelniającym przyspieszają montaż przewodu, wolniej trwa łączenie metodami tradycyjnymi, np. spawanie, a najdłużej przebiega proces zgrzewania. Długie odcinki i mały ciężar rur umożliwiają szybki montaż, dlatego pod tym względem najlepsze są systemy z tworzyw sztucznych.Jakość wymaganego podłoża zależy głównie od rodzaju gruntu rodzimego, a tylko w niewielkim stopniu od materiału. Rury z żeliwa sferoidalnego i stali mają w tym zakresie mniejsze wymagania niż rury z tworzyw sztucznych.

Ważna jest łatwa eksploatacja sieci. Do rurociągów, bez względu na materiał, z którego są wykonane, trzeba przecież wykonać przyłącza lub poddać je odnowie – naprawie albo renowacji, której zakres może być różny. Odcinki przewodów, które po uszkodzeniu tracą własności konstrukcyjne, muszą zostać wymienione na nowe, a te, które utrzymują jeszcze wytrzymałość, mogą zostać poddane renowacji.

Przepływająca w sieci woda powinna być dobrej jakości, czyli musi odpowiadać wymaganiom stawianym wodzie przeznaczonej do spożycia i na potrzeby gospodarcze. Sieć musi być szczelna, aby do płynącej w niej wody nie przenikały zanieczyszczenia z zewnątrz. Mimo to podczas transportu wody może dojść do jej wtórnego zanieczyszczenia, na przykład produktami korozji rur, które powodują zmętnienie wody, nadają jej barwę i zwiększają zawartość żelaza.

To zjawisko dotyczy rur stalowych, gdyż rury z tworzyw sztucznych nie są podatne na korozję. Pogorszenie jakości wody pod względem bakteriologicznym może nastąpić na skutek przedostawania się do wody substancji organicznych przy jej zbyt długim przebywaniu w sieci, czyli stagnacji.

Rury metalowe

Do produkcji rur do zewnętrznych sieci wodociągowych używa się stopów żelaza: stali, żeliwa szarego i żeliwa sferoidalnego. Ze względu na podatność tych materiałów na korozję (najmniejszą w przypadku żeliwa szarego) rury zabezpieczone są wewnątrz i z zewnątrz powłokami ochronnymi.

Powłokę wewnętrzną wykonuje się najczęściej z cementu, który chroni przed korozją, a przewody mają dzięki niemu w trakcie eksploatacji małą chropowatość. Jako surowiec mineralny pochodzenia naturalnego cement nie oddziałuje negatywnie na jakość wody do picia, a tym samym na zdrowie ludzkie. Wykładzina cementowa jest gładka, dlatego warunki przepływu są w tym wypadku lepsze niż w nowej rurze bez wykładziny.

Z kolei powłoki zewnętrzne chronią rurę przed korozyjnym działaniem gruntu, wód gruntowych oraz prądów błądzących. Rury metalowe są szczelne, nie przepuszczają związków chemicznych i gazów, dlatego można je stosować w różnych gruntach, nawet skażonych.

Rury stalowe

Rury stalowe mają dobre właściwości mechaniczne – dużą wytrzymałość na rozciąganie, zginanie i ściskanie. Oferowane są bez szwu i ze szwem, spawane wzdłużnie lub spiralnie. Powłokę izolacyjną nakłada się na rury stalowe spawane o średnicach od DN 219,1 mm do DN 1420 mm i długości do 18,3 m. Własności nałożonej powłoki muszą być zgodne z wymaganiami normy DIN 30670 (tab. 1).

Technologia wewnętrznego cementowania rur zapewnia ochronę antykorozyjną oraz stałość parametrów hydraulicznych rurociągów do przesyłania wody. Rury i kształtki stalowe z wewnętrzną powłoką cementową mogą być stosowane w budowie rurociągów wody do picia i surowej, a także do ścieków sanitarnych i przemysłowych. Powłokę wewnętrzną z zaprawy cementowej wykonuje się dla rur o średnicach od 159 do 2020 mm i długościach od 6 do 18 m, wg warunków określonych normą DIN 2614 (tab. 2).

Lokalizacja przewodów jest łatwa, jednak konieczność stosowania powłok ochronnych pociąga za sobą wzrost kosztów inwestycji, a ich uszkodzenie powoduje szybką korozję zewnętrzną i wewnętrzną. Powłoki zewnętrzne rur stalowych są asfaltowane lub wykonywane z PE, a podstawowym sposobem łączenia takich rurociągów jest spawanie.

Połączenia powinni wykonywać jedynie wykwalifikowani pracownicy i muszą być one poddawane kontroli. Rury stalowe mogą być również łączone za pomocą kielichów lub kołnierzy jako alternatywne połączenia.

Zaletami rur i kształtek stalowych cementowanych są:

• odporność na korozję, również w przypadku wód agresywnych dzięki zastosowaniu cementu odpornego na siarczany,
• pełna odporność na działanie czynników utleniających, np. ozonu czy chloru,
• brak skłonności do inkrustacji, co wpływa na ekonomikę pracy rurociągu,
• bardzo wysoka odporność na ścieranie umożliwiająca stosowanie dużych prędkości przepływów, co umożlwia zmniejszenie średnic rur,
• pełna wytrzymałość wykładziny cementowej w zakresie odkształceń sprężystych rury stalowej,
• składniki wykładziny, tj. cement oraz piasek kwarcowy, nieoddziałujące negatywnie na zdrowie ludzkie w kontakcie z wodą do picia.

Rury z żeliwa

Rury z żeliwa szarego są odporne na korozję nawet bez specjalnych zabezpieczeń. Jednak ich wadą jest kruchość oraz mała odporność na uderzenia i zginanie. Ścianki rur są więc stosunkowo grube, co zwiększa ich ciężar, a zatem podwyższa koszty transportu i utrudnia montaż. Ciężar rur ogranicza ich długość (3–6 m), co sprawia, że montaż jest pracochłonny. Potrzebna jest także duża ilość złączy, które mogą być przyczyną nieszczelności.

Korzystniejsze parametry eksploatacyjne i wytrzymałościowe mają rury z żeliwa sferoidalnego. Ich właściwości mechaniczne są porównywalne ze stalą, a nawet lepsze. Charakteryzują się większą niż żeliwo szare wytrzymałością na zginanie, ściskanie i rozciąganie, dobrą twardością i odpornością na obciążenia dynamiczne. Są ciężkie, choć lżejsze niż z żeliwa szarego. Nie są tak odporne na korozję jak żeliwo szare, należy więc stosować powłoki ochronne.

Zewnętrzną powłokę stanowi najczęściej cynk i bitum lub PE, a wewnętrzną zaprawa cementowa. Dzięki takiemu nakładaniu cementu hutniczego uzyskuje się gładką i zwartą powierzchnię idealnie przylegającą do ścianki żeliwnej rury (zgodnie z normami ISO 4179, PN-EN 545 oraz PN-EN 598).Nową propozycją konstrukcyjną rur z żeliwa sferoidalnego do budowy sieci wodociągowych o małych średnicach jest np. system Blutop (dla DN 90–125 mm, PN 25 bar). Zewnętrzną powłokę rury stanowi w nim metaliczna mieszanka cynkowo-aluminiowa Zinalium Zn/Al-85/15 (400 g/m³) pokryta ciemnoniebieską żywicą epoksydową, a wewnętrzną – powłoka z tworzywa termoplastycznego Ductan o minimalnej grubości 300 µm. Konstrukcja połączenia blokowanego i nieblokowanego umożliwia odchylenie kątowe do 6°. Średnica zewnętrzna rury jest kompatybilna z rurami PEHD i PVC, ale ma większy przekrój hydrauliczny (tab. 3 i 4).

Rury z tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne są lekkie, co ułatwia układanie rurociągu, a także całkowicie odporne na korozję i prądy błądzące. Mają niską chropowatość ścianki wewnętrznej, dlatego strata ciśnienia przy przepływie wody jest niewielka. Są bardzo elastyczne, co pozwala tłumić uderzenia hydrauliczne. Tworzywa można bez obaw łączyć z innymi materiałami – na styku nie powstają mikroogniwa elektryczne powodujące korozję elektrochemiczną.Rury z tworzyw mają natomiast mniejszą od metalowych wytrzymałość mechaniczną. W temperaturze ujemnej są bardziej kruche, dlatego zaleca się w takim wypadku  ostrożny montaż i transport. Z uwagi na współpracę rur tego typu z gruntem wymaga się przestrzegania warunków dotyczących przygotowania podłoża i zagęszczania gruntu w wykopie. Przewody wodociągowe z tworzyw sztucznych wykonuje się z polichlorku winylu (PVC-U) i polietylenu (PEHD). PEHD do rur sieci wodociągowych jest produkowany w klasach: PE 80, PE 100 i PE 100 RC, które różnią się wytrzymałością.

PE 100 może wytrzymać ciśnienie do 1,6 MPa, a PE 80 – do 1,0 MPa. Polietylen jest lżejszy od innych materiałów (również od PVC). Przy składowaniu rur należy zwrócić uwagę na to, by nie były one narażone na długotrwałe działanie promieni słonecznych, gdyż są one szczególnie wrażliwe na promieniowanie UV.

Rury z polichlorku winylu (PVC-U)

System ciśnieniowy z PVC-U produkowany jest metodą wytłaczania z nieplastyfikowanego polichlorku winylu (PVC) z dodatkiem stabilizatorów, środków smarnych i  pigmentu. W powstających w Polsce kompletnych systemach ciśnieniowych z PVC-U również wykorzystuje się najlepsze rozwiązania techniczne i nowoczesne technologie, co sprawia, że spełniają one wysokie wymagania jakościowe, montażowe i użytkowe.

Rury produkowane są w odcinkach o długości 6 m, z końcem bosym i normalnym oraz z wydłużonym kielichem ze wzmocnionymi ściankami. Wymiary rur z PVC-U podaje tab. 5. PVC ma bardzo dobrą wytrzymałość i udarność, a produkowane z niego rury są sztywniejsze od polietylenowych.

Podstawowym sposobem łączenia rur z PVC jest stosowanie połączeń kielichowych. Na połączeniach z armaturą wykonywane są złącza kielichowe lub kołnierzowe. Montaż złącza kielichowego może być wykonany za pomocą specjalnego urządzenia wciskowego (przy większych średnicach) lub ręcznej dźwigni. Rury i kształtki mają połyskującą ciemnoszarą barwę.

Dostępne są kształtki w pełnym zakresie średnic: łuki, trójniki i redukcje, w tym umożliwiające łączenie ze sobą rur z różnych materiałów (PVC z żeliwem, stalą czy PE). Rury do budowy sieci wodociągowych są łączone za pomocą kielichów i różnego rodzaju uszczelek wielowargowych, wykonanych z coraz lepszych pod względem wytrzymałości i odporności materiałów, np. EPDM.

Technologia wykonywania kielichów w systemie Power-Lock polega głównie na tym, że kielich każdej rury formowany jest indywidualnie wokół uszczelki, dopasowując się dokładnie do jej kształtów. Zastosowana technologia, całkowita automatyzacja procesu produkcyjnego oraz stała kontrola jego przebiegu zmniejszają tolerancję wykonania do minimum, co daje większą szczelność połączenia i pewność, że uszczelka zawsze jest na swoim miejscu. Uszczelka taka składa się z dwóch pierścieni – uszczelniającego i stabilizującego, dzięki czemu spełnia wyjątkowo wysokie wymagania eksploatacyjne.

Systemy ciśnieniowe z PVC przeznaczone są do transportu wody do picia o temperaturze do 45°C, przy założeniu eksploatacji przez minimum 50 lat. Mogą być stosowane przy budowie sieci wodociągowych miejskich i wiejskich.

Przewody takie mają zastosowanie we wszystkich warunkach gruntowych, ale szczególnej uwagi wymagają grunty organiczne, torfowe, dla których wymagane jest specjalne przygotowanie podłoża rurociągu. Za wysoką jakość i wytrzymałość materiałową systemu odpowiadają: surowiec PVC wysokiej klasy, najnowsze technologie wytwarzania oraz stała kontrola jakości wyrobów.

Ciężar PVC jest około 5,5 razy mniejszy niż rur stalowych, dzięki czemu:

• montaż rur może wykonać w krótkim czasie, ręcznie, tylko dwóch pracowników,
• montaż przebiega bez użycia ciężkiego sprzętu budowlanego, co pozwala zaoszczędzić koszty transportu i obsługi,
• eliminuje się konieczność budowy dróg montażowych lub redukuje je do minimum,
• kielichowe zakończenie rur umożliwia ich szybkie łączenie.

Rury z polietylenu (PEHD)

Surowcem do produkcji polietylenowych systemów ciśnieniowych jest granulat polietylenu średniej gęstości (MDPE) i dużej gęstości (HDPE) z dodatkiem środków stabilizujących, pigmentów i antyutleniaczy. Wiele firm produkuje rury z polietylenu PE 80 i PE 100 o minimalnej wymaganej wytrzymałości (MRS) po 50 latach użytkowania.

PE 80 to obecna nazwa materiału, który od wielu lat stosowany jest w sieciach gazowych, wodociągowych, kanalizacyjnych i innych zastosowaniach przemysłowych. Natomiast PE 100 to nazwa używana dla oznaczenia polietylenu o wysokiej wytrzymałości, powstałego w 1989 r. Produkowane z niego wyroby mają intensywniejszy odcień (np. niebieski lub żółty) niż wyprodukowane z PE 80.

W przypadku PE 100 technika zgrzewania jest podobna jak przy PE 80, jednak należy zauważyć, że temperatura płyty grzewczej przy zgrzewaniu doczołowym powinna wynosić ok. 230°C ±5. Zalety rur z PE:

• niski ciężar właściwy w porównaniu ze stalą, żeliwem i PVC,
• odporność na działanie większości związków chemicznych oraz bakterii, grzybów itp.,
• gładkie ściany rur powodują małe opory przepływu oraz nieodkładanie się osadów,
• odporność na prądy błądzące (nie przewodzą prądu),
• duża elastyczność powoduje tłumienie fali uderzenia hydraulicznego,
• możliwość układania rurociągów w gruncie bez stosowania kompensacji,
• mała przewodność cieplna bez konieczności stosowania izolacji termicznej,
• niewielka przepuszczalność,
• trwałość materiału (szacunkowo 50 lat),
• duża trwałość, możliwe łączenie z innymi materiałami za pomocą kształtek i łączników,
• system nie wymaga konserwacji.
•  

Dodatkowe zalety rur z materiału PE 100:

• wysoka odporność na korozję naprężeniową (działanie karbu),
• zwiększona przepustowość hydrauliczna,
• zwiększony zakres ciśnienia roboczego,
• wyższe naprężenia obliczeniowe PE 100 umożliwiają znaczne zredukowanie grubości ścianek rury (mniejszy ciężar),
• odporność na powolny wzrost sprężeń oraz szybką propagację spękań,
• większa odporność na długotrwałe ciśnienia hydrauliczne,
• niższe koszty montażu,
• bardzo wysoki stopień bezawaryjności,
• bardzo szeroki zakres zastosowań, zwłaszcza do renowacji rurociągów.

W ramach systemów z polietylenu PE 80 i PE 100 produkowane są rury o średnicach DN od 20 do 1600 mm i wartościach znormalizowanego stosunku wymiarów SDR od 9 do 41 (tab. 6). Rury o średnicach maksymalnych 110 mm produkowane są w zwojach o długości od 50 do 300 m, średnice 75, 90 i 110 mm produkowane są w zwojach 100 m lub w odcinkach po 12 m, a rury o średnicach powyżej 110 mm w odcinkach o długości 12 m. Rury i kształtki przystosowane są do trzech różnych sposobów łączenia elementów:

• zgrzewania doczołowego – głównej metody,
• zgrzewania elektrooporowego,
• połączeń mechanicznych na styku przewodów z różnych materiałów (głównie stal–polietylen).

Ciśnienie użytkowe (PN) w poszczególnych klasach wymiarowych rur (SDR) zależy od zastosowanego materiału i wymaganej minimalnej wytrzymałości rury oraz od przyjętego projektowego współczynnika bezpieczeństwa (C = 1,25 lub 1,6, w zależności od warunków pracy i średnicy).

Połączenia

Zgrzewanie doczołowe polega na ogrzaniu i uplastycznieniu powierzchni łączonych elementów za pomocą płyty grzejnej, a następnie, po odsunięciu od płyty, na dociśnięciu ich do siebie z odpowiednią siłą i pozostawieniu do powolnego ochłodzenia. Prawidłowe wykonanie połączenia metodą zgrzewania pozwala zachować właściwą dla rury z PE giętkość na całej długości odcinka oraz wytrzymałość połączeń równą wytrzymałości rury.

Zgrzewanie doczołowe można stosować dla rur i kształtek minimalnej średnicy 75 mm i maksymalnej grubości ścianek 56 mm. Natomiast zgrzewanie elektrooporowe polega na łączeniu rury z kształtkami mającymi wtopiony drut elektrooporowy. Szybkie i łatwe w wykonaniu jest z kolei łączenie mechaniczno-zaciskowe z zastosowaniem złączki z tworzywa sztucznego. Połączenie to nie wymaga stosowania narzędzi. Przy większych średnicach do wnętrza rury PE należy włożyć przed połączeniem tuleję ze stali nierdzewnej.

Rury GRP

Technologia produkcji rur z żywic poliestrowych (UP-GF), włókna szklanego ciętego i piasku metodą odlewania odśrodkowego na zimno powstała poprzez powiązanie ze sobą metody odlewania odśrodkowego i metody nawojowej.

Rury kompozytowe GRP mają interesujące i unikalne właściwości – łączą wysoką wytrzymałość z elastycznością i całkowitą odpornością na różnorodne czynniki korozyjne zarówno w transportowanym medium, jak i w gruncie. Zalecane są do zastosowań zarówno w magistralnych przewodach wodociągowych, jak i kanalizacyjnych. Wymiary rur z GRP podaje tab. 7.

Literatura

1. Piechurski F.G., Systemy rurowe z tworzyw sztucznych w kanalizacji, „Wodociągi Kanalizacja” nr 11/2007.
2. Piechurski F.G., Tworzywa sztuczne w sieciach wodociągowych, „Wodociągi Kanalizacja” nr 12/2007.
3. Piechurski F.G., Kamionka i beton w sieciach kanalizacyjnych, „Wodociągi Kanalizacja” nr 1/2008.
4. Piechurski F.G., Żeliwo sferoidalne w systemach wod-kan, „Wodociągi Kanalizacja” nr 2/2008.
5. Piechurski F.G., Rury stalowe w sieciach wodociągowych, „Wodociągi Kanalizacja” nr 3/2008.
6. Kwietniewski M., Aktualny stan rozwoju zastosowań materiałów do budowy sieci kanalizacyjnych w Polsce, Arka Konsorcjum SA, Poznań 1996.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!