Dobór materiałów do budowy sieci wod-kan. Sieci kanalizacyjne (cz. 2)

Termoplastyczne tworzywa sztuczne

Jedną z istotnych cech kanalizacji z rur z tworzyw sztucznych, uwzględniając odpowiednie kształtki i inne obiekty związane z ich budową, jest możliwość uzyskania pełnej szczelności układu kanalizacyjnego. Uzyskanie powyższej właściwości zapewniają:

• elastyczne złącza kielichowe z uszczelnieniem NBR bądź połączenia zgrzewane rur PE,

• długości montażowe rur L = 6 m, ograniczające liczbę połączeń i znacznie upraszczające montaż,

• połączenia wodoszczelne na przejściach rur przez ściany konstrukcji żelbetowych tradycyjnych studzienek kanalizacyjnych,

• studzienki wykonane z PVC-U, PE-HD i PP.

Interesują Cię wymagania jakości powietrza na 2021? Pobierz bezpłatny e- book »

Przewody wykonane z tworzyw sztucznych charakteryzują się istotnymi zaletami, odróżniającymi je od przewodów z innych materiałów, do których należą:

• gładkość wewnętrzna powierzchni rur,

• niepowstawanie osadów na wewnętrznej powierzchni rur,

• niezatykanie przewodów,

• zmniejszenie oporów hydraulicznych przepływających ścieków,

• znaczna odporność na działanie wielu substancji chemicznych,

• całkowita odporność powierzchni rur na korozję ogólną i wżerową,

• znaczne zmniejszenie masy/ciężaru rur w stosunku do rur betonowych, kamionkowych i żeliwnych.

Rury z tworzyw sztucznych mają też jednak określone wymagania przy budowie zewnętrznych sieci kanalizacyjnych, wynikające z ich właściwości fizyczno-mechanicznych, m.in.:

• kruchość tworzywa, w szczególności PVC, przy ujemnych temperaturach wymaga układania i montażu w temperaturze powyżej 0°C,

• konieczne jest poprawne wykonanie i zagęszczenie podsypki i obsypki w bezpośredniej strefie przewodu,

• termoplastyczny charakter tworzywa ogranicza stosowanie rur przy występowaniu trwałej temperatury ścieków w zakresie powyżej 45-60°C (w zależności od rodzaju tworzywa,

• średnicy rury, grubości ścianek, sposobu ułożenia – w gruncie lub w kanałach).

Obecnie coraz częściej do budowy zewnętrznych przewodów kanalizacyjnych stosuje się rury z: polichlorku winylu (PVC-U), polietylenu (PE-HD), polipropylenu (PP) lub ich kombinacji (HDPE/PP).

Systemy kanalizacji zewnętrznej z PVC

Podstawowym surowcem do produkcji rur i kształtek kanalizacyjnych jest, podobnie jak dla rur ciśnieniowych, polichlorek winylu. Rury kanalizacyjne produkowane są metodą wytłaczania PVC z dodatkiem stabilizatorów, środków smarnych i barwnika na komputerowo sterowanych liniach produkcyjnych. Rury kielichowe o krótkim kielichu produkowane są w trzech klasach:

• lekkiej (SN = 2 kPa), DN 110–400 mm,

• średniej (SN = 4 kPa ), DN 110–400 mm,

• ciężkiej (SN = 8 kPa), DN 110–400 mm.

Rury kielichowe o wydłużonych kielichach produkowane są w tych samych trzech klasach. W systemach rur z PVC można spotkać specjalne rodzaje uszczelek: Sewer-Lock i Power-Lock. Konstrukcja i zasada działania obu uszczelek są identyczne jak w systemach ciśnieniowych z PVC. Wysunięta do przodu część wargowa pierścienia uszczelniającego znacznie zmniejsza siłę tarcia podczas montażu.

Pierścień mocujący, naprężony podczas procesu kielichowania, zapobiega ruchom uszczelki, utrzymując ją we właściwym położeniu, oraz uniemożliwia wyjęcie jej z kielicha, przesunięcie się w rowku kielicha, a także podwinięcie. Oba pierścienie, trwale ze sobą połączone, ściśle przylegają zarówno do kielicha, jak i do wsuniętego końca rury. Do specjalnych zastosowań, np. do systemów odprowadzających ścieki o dużej zawartości olejów i tłuszczów, stosuje się olejoodporne uszczelki wykonane z kauczuku nitrylowego NBR. Materiał ten charakteryzuje się wysoką odpornością na oleje roślinne, mineralne, hydrauliczne i transformatorowe.

PVC o ścianach żebrowanych

Rury tego typu lepiej się sprawdzają przy osadzeniu rury w podsypce, zmniejszając stopień przemieszczenia bosego końca w kielichu rury spowodowanego zmianami temperatury. Konstrukcja taka optymalnie zabezpiecza przed przesuwaniem się uszczelek. Dzięki dwóm małym pośrednim żeberkom ułatwione jest cięcie rur prostopadle do ich osi – daje to w efekcie bardziej szczelne złącze uzyskane dzięki komorze z uszczelką między dwoma żebrami na bosym końcu rury (między żebrem 2. i 3.) oraz precyzyjnie skonstruowanemu kielichowi. Rury charakteryzują się większą odpornością na obciążenia punktowe.

PVC o ścianach strukturalnych

Rury te produkowane są z kielichem i łączy się je za pomocą uszczelki elastycznej gwarantującej absolutną szczelność. Zachowują wszystkie zalety gładkich rur PVC w zakresie odporności chemicznej, niskich oporów przepływu i odporności termicznej. Rury dwuścienne mają dodatkowe zalety: wyższą wytrzymałość na nacisk gruntu, o 45% niższą wagę, większy efektywny przekrój wewnętrzny i większą wydajność montażu ze względu na wyeliminowanie ciężkiego sprzętu.

Rury produkuje się (w zależności od producenta) w zakresie średnic:

• DN 200–600 mm przy klasie sztywności: SN 4 dla DN 200 i 300 oraz SN 8 dla DN 400, 500 i 600,

• DN 300–1000 mm przy klasie sztywności: SN 6 dla DN 300 i 400, SN 5 dla DN 600–1000.

Rury dwuścienne produkuje się z kielichem gładkim lub z kielichem o ściance dwuściennej. Można również zamówić rury bez kielichów do łączenia za pomocą złączek dwukielichowych. Porównując rury kanalizacyjne z PVC o różnego typu ściankach, należy stwierdzić, że rury żebrowane i o ściankach strukturalnych przy zmniejszonej masie zachowują klasę sztywności równą rurom PVC gładkościennym.

Biorąc pod uwagę, że wszystkie rury wyprodukowane z PVC mają zbliżone właściwości fizykochemiczne, rury o ściankach strukturalnych i żebrowanych ze względu na ich zalety powinny być chętniej i częściej stosowane. W praktyce jednak rzadko spotyka się na budowie rury tego typu, częściej natomiast stosowane są rury o ściankach gładkich. Jest to związane prawdopodobnie z brakiem doświadczenia i informacji technicznych wśród projektantów i inwestorów. Należy przypuszczać, że proces produkcji rur dwuściennych i rur żebrowanych ze względu na większy stopień skomplikowania pociąga za sobą wyższą cenę metra bieżącego rury.

Rury kanalizacyjne z PP dwuścienne

Rury polipropylenowe dwuścienne mogą być instalowane w ściśle określonych warunkach podanych w projekcie technicznym, na głębokości od 1 do 8 m, na podkładzie i w otoczeniu odpowiednio zagęszczonej zasypki z gruntów dopuszczonych do stosowania w nasypach komunikacyjnych. W uzasadnionych przypadkach głębokość posadowienia rur może być zmieniona, np. przy instalowaniu rur w gruntach ulepszonych mechanicznie lub chemicznie.

Rury strukturalne z PP produkowane są w zakresie średnic 100–1050 mm (średnica wewnętrzna), o długości 6 m (z możliwością cięcia  na odcinki wymaganej długości) i sztywności obwodowej 8 i 12 kN/m². Łączy się je szybko i szczelnie za pomocą specjalnie wyprofilowanych kielichów i uszczelek. Do zalet tych rur należą m.in.: lekka konstrukcja, wysoka odporność na obciążenia dynamiczne, całkowicie gładkie ścianki wewnętrzne czy możliwość układania „na barana” – z podkładkami EPS.

Rury z polietylenu wysokiej gęstości PE-HD

W kanalizacji stosuje się rury z PE-HD karbowane (wewnątrz gładkie) o przekroju kołowym i średnicy od DN 100 do 300 mm jako rury Duo i od DN 300 do 3000 mm jako rury Spiro, w odcinkach o długości 6 i 12 m. Gładkie ścianki rur powodują nieznaczne opory przepływu cieczy, a zewnętrzne karby wpływają na zwiększenie wytrzymałości.

Łączenia rur pomiędzy sobą dokonuje się przy pomocy złączek – nasuwek dwukielichowych dla rur Duo. Przed wykonaniem połączenia rura musi być równo obcięta pomiędzy karbami. Uszczelkę z NBR umieszcza się w pierwszym od końca rury zagłębieniu (karbie). Można je także łączyć między sobą za pomocą specjalnych łączników zaciskowych z uszczelkami z NBR lub połączeń skręcanych. Dla większych średnic możliwe jest zgrzewanie doczołowe za pomocą zgrzewarek do polietylenu (podstawowa metoda połączeń rur Spiro).

Rury można układać przy temperaturach powietrza zewnętrznego od –20 do +50°C. Ze względu na dużą wytrzymałość i twardość stosuje się je w różnych warunkach hydrogeologicznych – można je układać pod zieleńcami, chodnikami, jak również pod jezdniami, a także w rejonach występowania wpływów eksploatacji górniczej. Rury z PE-HD są całkowicie odporne na działanie prądów błądzących – nie podlegają zjawisku korozji elektrolitycznej. Ponadto odporne są na działanie większości znanych substancji chemicznych, takich jak sole, wodorotlenki i kwasy.

Rury profilowe HDPE/PP

Metoda produkcji tych rur opiera się na spiralnym nawijaniu polipropylenowego karbowanego węża oblanego rozgrzaną polietylenową masą na gładki metalowy walec. Całość procesu odbywa się w temperaturze topnienia polipropylenu. W efekcie otrzymuje się rurę o jednolitej konstrukcji ścianki, bez szwów i połączeń. Polipropylenowy wąż pełni dwojaką funkcję w konstrukcji rury: stanowi jej szkielet i jednocześnie wypełnienie. Dzięki temu rura jest wyjątkowo lekka i wytrzymała na zewnętrzne obciążenia mechaniczne. Wewnętrzna warstwa polietylenu stanowi gwarancję odporności chemicznej na agresywne ścieki i odporności rur na korozję. Rury produkowane są w zakresie średnic DN 600-2000 mm, o sztywności obwodowej SN 4 i 8 kN/m². Łączone są kielichowo z uszczelką i zgrzewane.

Kryteria wyboru rur do budowy sieci kanalizacyjnej

Doświadczenia z eksploatacji sieci kanalizacyjnej wymuszają przyjęcie bardzo wysokich wymagań wobec materiałów stosowanych do budowy kanałów. Rury kanalizacyjne, zwłaszcza dla ścieków o swobodnym zwierciadle, muszą sprostać wpływowi bardzo wielu czynników, często zmiennych w czasie i występujących z nieokreśloną częstotliwością. Są to przede wszystkim obciążenia czynnikami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi, działającymi z różną intensywnością i z trudnym do oceny trybem zmienności i równoczesności występowania. Najbardziej rozpowszechnionymi materiałami rur kanalizacyjnych są: kamionka i beton, tworzywa sztuczne, PVC i PE, oraz żeliwo sferoidalne i kompozyty. Wszystkie te materiały mają odmienne właściwości i nie istnieje niestety materiał uniwersalny.

Wymagania stawiane materiałom do budowy kanalizacji określane są jako własności wytrzymałościowe oraz kryteria eksploatacyjne, które nie zawsze mogą być jednoznacznie ocenione empirycznie, są jednak bardzo istotne w eksploatacji. Do tych kryteriów zaliczamy również ścieralność i odporność na płukanie, które obecnie nie są uwzględniane. Analiza wyników ankiety przeprowadzonej w różnych przedsiębiorstwach krajowych (tab. 2) wskazuje, że najbardziej istotnym kryterium doboru materiału do budowy sieci kanalizacyjnych jest trwałość rur. Szczególne znaczenie przy doborze materiału ma również szczelność połączeń i wytrzymałość całości. Kryteria te zostały ocenione na podobnym poziomie ważności (71% ankietowanych uznało je za najważniejsze – otrzymały najwyższą ocenę).

Poza wymienionymi kryteriami decydujące znaczenie przy wyborze materiału miały również: koszty eksploatacji, koszty wykonania przewodu, podatność na uszkodzenie przewodów, odporność na korozję, oddziaływanie ścieków na materiał przewodu. Kryteria te uzyskały najwyższą ocenę w ponad połowie przypadków doboru materiału rur. Natomiast takie kryteria, jak koszty materiału i łatwość montażu przewodów, nie miały decydującego znaczenia przy wyborze materiału rur. Informacje te należy uwzględniać podczas organizowania przetargów na wykonanie sieci kanalizacyjnej.

Trwałość

Od pewnego czasu w niektórych krajach Europy Zachodniej coraz częściej stawia się wymaganie minimum 200-letniej trwałości kanałów. Chociaż w pierwszej chwili podany okres wydaje się pozornie bardzo długi, to jednak patrząc na dawniej stosowane rozwiązania materiałowe, można stwierdzić, że wiele z nich eksploatowanych było i jest znacznie dłużej.

Niektóre rzymskie kolektory budowane z kamienia funkcjonują ponad 2 tys. lat, do chwili obecnej. Wykonane techniką wideo badania niektórych kanałów kamionkowych lub ceglanych kolektorów kanalizacyjnych wybudowanych ponad 150 lat temu wykazały, że w wielu przypadkach wyglądały one jak nowe kanały, dopiero co przekazane do eksploatacji. W świetle tych historycznych danych można uznać, że wymóg 200-letniej trwałości rur kanalizacyjnych wcale nie jest wygórowany. Konieczność ponoszenia w ostatnich latach w Polsce bardzo dużych nakładów finansowych na budowę i odnowę sieci kanalizacyjnych (uszczelnienia, naprawy, renowacje, wymiany) coraz częściej uzmysławia potrzebę stosowania rozwiązań materiałów kanalizacyjnych o możliwie jak największej trwałości.

Szczelność

Powszechnie znane są negatywne skutki infiltracji wód gruntowych do wnętrza nieszczelnych kanałów, przerastania korzeni drzew do wnętrza kanałów czy eksfiltracji ścieków z nieszczelnych kanałów do gruntu. Szczelność rur i ich połączeń jest zatem istotnym czynnikiem poprawnie funkcjonujących sieci kanalizacyjnych. Należy pamiętać, aby zastosowany materiał uszczelniający złącza rur miał trwałość nie krótszą niż rury.

Odporność antykorozyjna ścian wewnętrznych

Korozja wewnętrzna rur kanalizacyjnych wywoływana jest substancjami agresywnymi znajdującymi się w ściekach lub tworzącymi się podczas ich transportu w wyniku zachodzących procesów chemicznych, biologicznych lub biochemicznych. Dlatego materiały do budowy kanałów ściekowych powinny być odporne na działanie wszelkich środków chemicznych w różnych warunkach temperaturowych.

Ścieralność dna kanału

Pojęciem ścieralności przewodów kanalizacyjnych określono zjawisko zmniejszania się grubości dna kanału wywołane wpływem płynących w ściekach cząstek stałych, prowadzące w konsekwencji do zmniejszania nośności konstrukcji kanału. Ścieralność jest funkcją okresu eksploatacji kanału, prędkości przepływu ścieków, gęstości i wielkości cząstek stałych znajdujących się w ściekach, wysokości napełnienia kanału, jego wymiarów geometrycznych oraz rodzaju materiału konstrukcyjnego, z którego został on wykonany. Znajomość tych parametrów umożliwia obliczenie ubytku grubości dna kanału dla dowolnego okresu jego eksploatacji.

Odporność na uderzenia hydrauliczne

Odporność materiałów na płukanie pod wysokim ciśnieniem, jako jedynej metody stosowanej obecnie do czyszczenia kanałów, nie została jeszcze wystarczająco zbadana. Na podstawie obserwacji wydaje się, że odporność na płukanie zależy od rodzaju materiału i jego odporności na ścieranie oraz od rodzaju i wielkości zanieczyszczeń  znajdujących się w osadach ściekowych. Oddziaływanie strumienia wody na rury z różnych materiałów o odmiennych średnicach badane jest m.in. w Zurychu, a wyniki powinny być wkrótce szerzej znane.

Chropowatość ścian

Chropowatość ścian wewnętrznych rur kanalizacyjnych jest istotnym parametrem hydraulicznym, który ma duży wpływ na parametry eksploatacyjne rur z uwagi na możliwości odkładania się w nich osadów, szczególnie w przypadku ułożenia przewodów z niewielkimi spadkami. Analizując chropowatość ścian wewnętrznych rur, należy znać różnice między chropowatością początkową a chropowatością po określonym czasie eksploatacji.

Przykładowo w rurach żeliwnych nieposiadających wewnętrznej powłoki cementowej często dochodzi do zjawiska inkrustacji, w wyniku którego wielokrotnie zwiększa się początkowy współczynnik chropowatości ścian tych rur. Istotne zmiany chropowatości występują także w kanałach wykonanych z betonu o niskiej jakości wskutek występowania w nich zjawisk korozji ścian wewnętrznych oraz ścierania dna.

W podatnych rurach warunki chropowatości zmieniają się w trakcie eksploatacji, również ścieki powodują zmianę tego parametru prawie we wszystkich materiałach. Dlatego kryterium to powinno być uwzględniane nie tylko przy ocenie nowych materiałów.

Podsumowanie

Nie istnieje materiał doskonały, idealny, ale do dyspozycji mamy obecnie bogatą ofertę materiałów, które powinny być dobierane do konkretnego zastosowania i mniej lub bardziej skomplikowanych zadań inwestycyjnych. Wszystkie systemy materiałów dostosowane są do odmiennych wymagań stawianych wyrobom budowlanym do budowy sieci wodociągowych i kanalizacyjnych.

Wyroby poszczególnych producentów różnią się pewnymi cechami, nie powinno to jednak dyskwalifikować materiałów, które tych cech nie mają, ale posiadają znak B lub CE. Różnice te są wynikiem postępu technologicznego i innowacyjności w stosowaniu zmodyfikowanych materiałów oraz technologii produkcji i w zależności od konkurencyjności danych materiałów powinny być one wybierane do konkretnych aplikacji. Cena systemu nie może być jedynym kryterium wyboru – jest to niestety częsty błąd w krajowej praktyce budowy sieci wodociągowych i kanalizacyjnych.

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!