Съвременни водопроводни системи

Водоснабдяването е единна система, която комбинира мерки, насочени към осигуряване на вода за населените места и различни стопански обекти. Следователно, основното приложение на водопроводите е директното транспортиране на вода до пунктовете за потребление.
В зависимост от източниците-местни или ценрализирани, водопроводите се инсталират по съответния проект.
В статията ще разкажем за общото устройство и предназначение на водопроводите, за видовете водопроводни тръби, за полагането на външни водопроводи.

Водопроводите са инженерни съоръжения за пренасяне на вода за питейно-битови или промишлени нужди, от водоизточника до мястото на нейното потребление. Водоизточници обикновено са извори, езера и реки, от които водата се отвежда по тръби и канали, и се събира в язовири. Оттам след пречистване се разпределя по тръбопроводи до отделните потребители. Дебита на използвана вода се отчита с помощта на водомер. Водопроводите са подземни, но съществуват и надземни водопроводи.

Общо устройство и предназначение на водопроводи
Съвременните водопроводни системи са сложна мрежа, основният компонент на която, е външният тръбопровод. От него се осъществява доставката на вода от сондажни кладенци, водоеми или водохранилища към потребителя. Централният водопровод може да бъде положен както на повърхността, така и под земята. Първият вариант за монтаж е най-евтиния, характеризиращ се с бързо инсталиране. В този случай водопровода е фиксиран върху повдигнати опори и допълнително покрит с изолация. Ако при проектирането на водопровода е предвидено пресичане на пътища, тогава тръбите се полагат в подземни тунели или изкопи. Външната мрежа се състои от съоръжения за пречистване, съхранение на вода и различно помпено оборудване. В същото време филтрирането се извършва не само във водочерпенето, но и в най-външната водоснабдителна система. В зависимост от това къде ще се използва водата, се разграничават няколко вида външно водоснабдяване-техническо, противопожарно, битово.

Техническото(технологичното) водоснабдяване, е предназначено изключително за производствени мощности. Често, за да се спестят пари, в технологичните водопроводи се инсталира само частично очистване, като е възможно повторно използване на обработения ресурс. Противопожарното водоснабдяване, се използва за пожарогасителни системи. Такава мрежа е допълнително оборудвана със специално оборудване и хидранти. Обикновено противопожарния водопровод се прави затворен, което позволява да се комбинира с битовото и техническото водоснабдяване. Битовото водоснабдяване, се използва за пренасяне питейна вода, която се очиства в съответствие с нормативните стандарти.

Вътрешно-сградното водоснабдяване се състои от мрежа на тръби, минаващи вътре в сградите и през водещи комуникации до пунктовете на водочерпене. Тъй като външният тръбопровод може да има различно налягане, вътрешното водоснабдяване се извършва по два начина-без помпи, и с постоянно действащи помпи.

В първия вариант без помпи, водоснабдяването се осъществява поради налягане във външната мрежа, като във водоснабдителната система се включват вход, водомер, тръби, щранг и подаване. Този тип на водоснабдяване е подходящ, както в частна къща, така и в градски апартаменти. Характеризира се с простота, няма допълнителни устройства, с изключение на тръбопровода. Вторият вариант, с постоянно действащи помпи се прилага, когато външната водопроводна мрежа не е осигурена с необходимото налягане за транспортиране на вода или ако е необходимо да се подава към високи и отдалечени точки на водоползване. Водоснабдяване с помпи се инсталира във високи сгради с височина над 50m, хотели, почивни станции и производствени обекти. За да може водата да тече към потребителите без прекъсване, в допълнение към помпените инсталации, системата за водоснабдяване се допълва със специални резервоари, в които се съхранява нейн запас-20% от дневната консумация.

Вътре в сградите водопроводните мрежи са с отворени разклонения. В някои случаи също се използва скрита инсталация на тръби, разположени в шахти и канали в стените. В допълнение, вътрешните водопроводни системи трябва да бъдат положени под наклон 0,002-0,005. Това ще осигури изтеглянето на вода от магистралните тръбопроводи към подходящи тръби и уреди. Ако комуникациите са разположени в долните точки, тогава е препоръчително да се направи устройство за източване. По време на монтажа на вътрешната водоснабдителна система, се обръща внимание и на поставянето на спирателната арматура. Инсталират се връзки към кранове за тоалетни чинии и мивки. Фиксират се инспекционни отвори. При инсталиране на водопроводите, е важно да се обърне внимание на избора на материала, от който са направени тръбите. Това не само ще определи цената на тяхното монтиране, но и експлоатационния им срок. Основните експлоатационни характеристики на водопроводите, са корозионната устойчивост, химическата устойчивост, устойчивостта на различни температурни режими на работа, пропускливостта. За да могат водопроводите надеждно да служат повече от десетина години се препоръчва да се даде предпочитание на траен и надежден материал.

Видове водопроводни тръби
Пластмасите поради сравнително ниската си цена, гъвкавост и устойчивост към водата, се използват за производство на водопроводни тръби. Те заместват широко разпространените продукти във водоснабдителните мрежи, такива като цимент и метали. Използването на пластмасови тръби позволява да се пести метал, да се намалява продължителността на монтаж на тръбопроводите, както и удължаване на техния експлоатационен срок-50 години. Сред многото пластмасови тръби, най-голям интерес за външни водопроводи, представляват полиетиленовите с различна плътност-РЕ, и стъклопластовите-Glass-reinforced thermosetting plastics (GRP) based on unsaturated polyester resin „UP“-Усилени със стъклени влакна термореактивни пластмаси „GRP“ на основата на ненаситени полиестерни смоли „UP“. Стъклопластът е композитен материал, състоящ се най-малко от два различни материала-полиестерна смола, армирани стъклени влакна, и пясък като пълнител. Обединяването на материалите позволява съчетаване на техните предимства в един общ краен продукт. Най-често стъклопластовите тръби се класифицират по номинална коравина в N/m2-SN, по максимално работно налягане на водата в MPa при 20°C на тръбата-PN, по номинален диаметър на тръбата в класове с налягане-DN. Напорните тръби от полиетилен са изработени с „high density“-HDPE-висока, „middle density“-MDPE-средна, и „low density“-LDPE-ниска плътност. Нивото на плътността, изразява налягането, на което тръбите могат да издържат. За външни водопроводи с трайно високо налягане или натоварвания, като улиците, се използват HDPE тръби. В днешни дни най-популярно е производството на полиетиленови тръби-PE100, които са устойчиви на пукнатини-resistant to crack-RC, т. е. PE100RC. Тръбите от PE100RC подобно на тръбите от PE100 могат да бъдат с или без допълнителен защитен слой. Новият клас на напорни полиетиленови тръби-PE100RC, на практика е PE 100 с добавена повишена устойчивост срещу бавно нарастване на пукнатини по повърхността на тръбата.

Полипропиленовите тръби-PP, са най-често използваните при изграждането на тръбопроводна система в обществени сгради и жилища. Материалът, от който са изработени изделията-PP-R-полипропилен тип 3 кополимер Random-сив, допринася за стабилността и предимството на този вид системи. Полипропиленът, в сравнение с полиетилена е по-лек, с по-малко линейно разширение и висока термоустойчивост-температурният му експлоатационен диапазон е от -20 до +110°С. Това негово основно свойство позволява монтаж на този вид тръби при ниски температури, както и експлоатацията на изработените системи от PP-R при високи температури. Полипропиленът е по-удароустойчив материал в сравнение с полиетилена. Издържа до натоварвания от 8кN/m2. Тръбите от полипропилен обикновено се произвеждат по метода на непрекъснатата екструзия, което им позволява, макар и със сравнително малка маса, да издържат големи натоварвания. При правилен подбор на тръба и правилна експлоатация, животът на тръбите е 50 години. PP-R-тръбите, с алуминиево фолио са многослойни тръби. Състоят се от вътрешен полимерен слой придаващ на тръбата устойчивост на корозия и отлагания, както и малко хидравлично съпротивление. Имат неперфорирано алуминиево фолио, както и горен слой от PP-R. Алуминиевият слой се явява защита срещу проникване на кислород. Наличието на дифузна бариера е отлично техническо решение, позволяващо надеждно да се защитят скъпоструващите елементи на водопроводната и отоплителната система-котли, бойлери, радиатори, от агресивното въздействие на кислорода. Така многослойните пропиленови тръби осигуряват по-голяма сигурност на водоснабдителната инсталация, поради по-малките си линейни разширения и високата си усточивост на външни влияния, включително и кислород. Линейното разширение и свиване се явява принципно важна тема за тръбопровода от полипропилен. Алуминиевият слой снижава коефициента на линейно температурно разширение. Напоследък, все по популярна е новата технология „COMPOSITE PPR/GFR PPR“-полипропиленови стъклофибърни тръби, където алуминиевото фолио е заменено от слой със стъкловлакна. Армирането с последните снижава коефициента на линейно температурно разширение-0,035mm/(m°C), придава на тръбата необходимата здравина. Иначе казано стабилност, поради което, при хоризонтален монтаж тръбите не провисват. Алтернативна технология на PP-R-тръбите, е технологията на полипропиленовите тръби-PP-RCT с карбонови нишки-CARBO-CRP. Карбоновите нишки съдържат въглерод в различни модификации. Представляват тънък, продълговат нишков материал с диаметър от 5 до 8 микрометъра състоящ се от карбонови атоми. Карбоновите атоми се свързват заедно, за да образуват микроскопични кристали, ориентирани успоредно на дългата ос на нишката. Специалният процес на образуване на кристални зародиши изменя кристалната структура на статичния кополимер PP-R. Благодарение на този процес материалът придобива много по-добри температурни и якостни свойства. CARBO-CRP-тръбите, са универсални и съвместими със системите PP-R.

Полиетиленовите тръби-РЕ, в сравнение с пропиленовите, притежават по-голяма пластичност и много лесен монтаж. Характеризират се с дълъг експлоатационен срок-до 50 години и се поддържат лесно. Използват се основно за водопроводни и канализационни инсталации. Характеристиките на PE-тръби от различни производители, показват различен възможен температурен диапазон по отношение на приложението. Обикновено той варира между- -20 и +90°C. Тръбите от тази група са устойчиви на ултравиолетови лъчи. В практиката са намерили приложение многослойните полиетиленови тръби. Те се състоят от няколко слоя, като единия от тях е алуминиев с минимална дебелина 0,2 или 0,4mm. Например, такива са полиетиленовите тръби с алуминиева вложка, с обозначението-PEX-AL-PEX. Те се състоят от три основни слоя, като вътрешния и външния са от омрежен полиетилен-PEX, а средния е от алуминий, който не допуска навлизането на кислород. Вътрешният полиетиленов слой, поради своята гладкост, осигурява добра пропускателна способност на тръбата. Този слой е еластичен. Устойчив е на корозия и пропукване причинено от опън, както и на скъсване и химическо въздействие. По този начин се осигурява надеждна защита на алуминиевия слой от влага, кислород и други неблагоприятни фактори. Тези тръби комбинират в себе си преимуществата на метала и полимерните материали, което им дава редица предимства пред останалите видове водопроводни тръби. Притежават изключително добри топлофизични характеристики, като максимална работна температура-95°C, линейно температурно удължение сравнимо с това на металните тръби, коефициент на топлинно разширение-0,026 mm/mК, работно налягане до 10at, изключително висока степен на хигиеничност, ниска топлопроводимост и т. н.

Поливинилхлоридните тръби-PVC, в Западна Европа не се използват в сгради. Една от причините е отделянето на хлороргачнични съединения при пожар. Вътрешно-канализационните тръби с диаметър 50mm в санитарните възли, свързват отделните санитарни прибори с вертикалните канализационни клонове. За целта в България се изпoлзват PVC и PP-канализационни водопроводни тръби. Вертикалните канализационни клонове отвеждат отпадъчните води от санитарните прибори до хоризонталната канализация. Обикновено се изпълняват от тръби с диаметър 110mm-при включени тоалетни, а също и с по-малък диаметър при отвеждане на водите от душове или мивки. Стандартните битови сградни канализационни тръби от PVC са по-евтини. Те могат да пропускат за кратко време-не повече от 1min, гореща вода с температура до 95°С. В същото време те постоянно могат да се използват, ако движещия се през тях канализационен поток не надвишава 60°С.

Полагане на външни водопроводи
При траншейното полагане на външни полиетиленови водопроводи с висока плътност в градски условия, механизирано се прави изкоп с дълбочина-1,50m. По принцип размерите на каналите се определят според диаметъра на тръбите, метода на свързване и типа на почвата. Ширината на изкопа не може да е по-малка от диаметъра на тръбата плюс 60cm за тръби с диаметър по-макък от 500mm и 1m за тръби с диаметър по-голям от 500mm. Преди полагането на тръбите се проверяват дълбочината на полагане, откосите, широчината и състоянието на дъното на изкопа. Дъното на изкопа трябва да бъде равномерно и без камъни и други остри и твърди предмети. Необходимо е то да бъде покрито със слой от пясък с дълбочина 15-20cm. Този слой осигурява равномерна опора на положената полиетиленова тръба. Следва спускане и полагане на полиетиленовата тръба в изкопа и направа на връзките. Ако не съдържа камъни, изкопаната пръст може да бъде използвана като страничен материал и за запълване. Тръбата, странично и поне на 20cm над нея се засипва с пясък или мека почва, а след това със земна маса на пластове с дебелина 20-30cm. Пластовете се тръмбоват. Целта е правилно утъпкване и разпределение на натоварването на земната маса върху тръбата. Днес в градската среда, особено в големите европейски градове, този метод на работа е нежелателен и трябва да се осъществява само в краен случай, когато проблемът не е възможно да се реши по друг начин. По-ефективен е безизкопният метод за полагане на тръбопроводи, който не изисква изкопаване на траншея. За целта под улиците и булевардите, с помощта на специални технологии, първо се поставя предпазен тръбопровод, през който се изтегля работният. Изборът и обосновката на параметрите на машините за безизкопно полагане на водопроводи се определят от изискванията на нормативните документи за подземно строителство, размерите на тръбите за съответния случай и земните условия. Безизкопният метод на полагане може да бъде използван, както за поставяне на нови тръбопроводи, така и за ремонт и подмяна на вече съществуващи. При този метод изкопната работа е с около 95% по-малко в сравнение с изкопния. Сроковете на изпълнение са по-кратки, не се налага разрушаване и възстановяване на пътни настилки, подземни комуникации и др. Избягват се неблагоприятните последствия от класическия изкопен метод на изпълнение в определени ситуации. Над половината от проектите за рехабилитация/реконструкция на водопроводи, се проектират и изпълняват по безизкопни способи. При безизкопния метод на полагане се използват следните технологии. Horizontal Directional Drilling, HDD-Хоризонтално насочено сондиране. Trust boring-Шнеково хоризонтално сондиране. Microtunneling(Микротунелиране).

„HDD“ се използва за прокарване на пластмасови и стоманени тръби под препятствия-пътища, ж. п. линии, инженерно-технически съоръжения, канали, реки и др. Процесът започва с управляем пилотен сондаж с малък диаметър по зададена предварително траектория. Сондажът се извършва от сондажна глава с помощта на разтвор под налягане. Положението на главата се контролира от електронна система, състояща се от предавател, разположен в нея, и приемник на повърхността. След като сондажната глава достигне крайният изкоп тя се демонтира и вместо нея се монтира т. нар. райбер. Машината изтегля райбера с въртеливо-постъпателно движение и увеличава диаметъра на тунела. През райбера се подава бентонитен разтвор, който изнася частиците почва и стабилизира тунела. Този процес се повтаря до достигане на необходимия диаметър на тунела. След това тръбата се изтегля в тунела. Сондажният разтвор запълва пространството между тръбата и стените на тунела, като по този начин ефикасно защитава тръбата.

Сондажните машини за този вид работа имат различни характеристики, като въртящ момент и теглително усилие.

„Trust boring“, е популярна технология за полагане на тръби с шнекови машини. За реализирането є, се използва специална хидравлична инсталация, действаща като крик. Сондирането започва от работнен изкоп до друг приемен, без да се достига до повърхността. При този метод, отстраняването на обработената скална маса от канала, се извършва не с течни вещества, а с шнек. Така се самоукрепва повърхността на сондажния отвор. В процеса на сондиране се използва шнеково длето със спирални и плоски остриета. След монтиране на устройството и започване на сондирането, шнекът се върти с постъпателна сила и постепенно размеква почвата. Скалната маса според степента на разрушаване, се изнася навън и се отстранява механично. Шнековото сондиране се отнася към скоростните видове сондирания, така че има голям брой мобилни машини, които позволяват да се работи дори и при най-неблагоприятни условия.

„Microtunneling“ е изключително точен метод, прилага се за монтаж на тръби с голям диапазон на диаметри и позволява изграждане, например на канализация с голяма дължина. Микротунелната машина се състои от пробивна глава, тласкаща хидравлична преса и лазерна система за контрол и направление на сондажа. Машината се инсталира в стартова шахта, където хидравличната преса тласка пробивната глава и тръбните секции. Пробивната глава е с режещ щит за раздробяване на почвата и оформяне на тунел до приемната шахта. Изкопаната земна маса може да се изнася по различни начини-механични устройства, шнек, промивни системи, вакуум и др. Операторът управлява микротунелната машина с помощта на лазерна насочваща система.