К проблеме рейтингования напорных труб для внутренних трубопроводов

Рост числа забот у специалистов связывается авторами с тем, что в советское время для устройства практически всех упомянутых внутренних трубопроводов использовалось всего два вида труб и фитингов. Это стальные (оцинкованные и черные) и, за редким исключением, медные трубы и металлические (стальные / чугунные и бронзовые / латунные) фитинги. К их качеству претензий практически никогда не возникало, ведь поставлялись такие трубы и фитинги Госснабом, и мало кого интересовало — кем, где и когда они изготовлены. В настоящее время ситуация серьезно усложнилась — и горячий, и холодный водопроводы, и трубопроводы водяного отопления и холодоснабжения могут быть устроены из труб и фитингов, по крайней мере, не менее чем нескольких десятков разновидностей, если считать только по материалу [1] и стране-изготовителю. Если же добавить поставщиков и продавцов, то разновидностей труб и фитингов, как-то связанных с качеством, перевалит за несколько сотен.

Поэтому перед вышеупомянутыми специалистами всегда будет стоять вопрос: «Каким трубам и фитингам следует отдавать предпочтение?»

Известны подходы [2], связанные с выбором труб для внутренних напорных трубопроводов (горячего и холодного водоснабжения, водяного отопления и холодоснабжения) на основании, главным образом, вариантного проектирования с обязательным определением экономического фактора Э. Применимость этого подхода на данном этапе разработанности проблемы, к сожалению, ограничена не только тем, что нет соответствующих норм по монтажу и эксплуатации перечисленных трубопроводов, устраиваемых из всего множества труб и фитингов, присутствующих на строительных рынках, но и тем, что придется рассматривать не менее сотни возможных вариантов.

Совершенно очевидно то, что назрела острая необходимость в изыскании каких-то других методов, с помощью которых можно было бы выбрать из более сотни видов напорных трубных изделий три-пять видов с тем, чтобы именно для них и определять экономические факторы Э, на основании чего затем и выбрать искомые трубы.

Один из таких методов, базирующийся на «числовом критерии выбора трубопроводной системы», впервые предложен российскими специалистами в статье «Рейтинг труб для систем отопления и водоснабжения» [3]. Ввиду особой важности рассматриваемой проблемы необходимость в проведении всестороннего и тщательного анализа предлагаемого (пионерного) метода становится совершенно очевидной.

В этой статье авторы проводят рейтингование трубопроводов, устроенных из произвольно выбранных труб семи разновидностей по материалу — стальных (Fe), полипропиленовых (PP-R), армированных стекловолокном полипропиленовых (PP-R/FG/PP-R), полипропиленовых с внутренним алюминиевым слоем (PP-R/Al/PP-R), из сшитого полиэтилена с кислородным барьером из этилвинилового спирта (PE-X/EVOH/ PE-X), из сшитого полиэтилена с внутренним алюминиевым слоем (PE-X/Al/ PE-X) и (PE-RT/Al/PE-RT).

Авторы рассматривают из большого количества характеристик труб (табл. 1) всего несколько, по их мнению, основных. При этом авторы отмечают некоторые несуразности, наблюдаемые ими в трубопроводной отрасли.

«Один из излюбленных мотивов восхваления трубопроводной системы — это завышение температурных и прочностных характеристик труб». Это совершенно справедливо. Ведь практически ни у одного отечественного производителя, например, металлополимерных труб (МПТ), нет набора кривых регрессии в прямоугольных полулогарифмических координатах:

P [МПа] → lg(τ) [час]

по которым можно было бы определить прогнозный срок надежной эксплуатации любого трубопровода. «…Некоторые “проводники достижений китайской промышленности” доходят до абсурда — убеждают покупателей, что их трубы выдерживают 130–135 °C, хотя достаточно посмотреть в справочник по полимерам и убедиться, что практически все термостойкие трубные полимеры при этих температурах просто плавятся (обычный диапазон температур размягчения — 122–130 °C)…». Справедливо! Важность температуры для трубопроводов из полимерных труб весьма велика, ведь с ней связана долговечность любой трубопроводной системы.

«…сравнивать трубопроводные системы по рабочей температуре и рабочему давлению… в XXI веке… бессмысленно. Практически все трубные термостойкие полимеры позволяют изготавливать трубопроводы для рабочих температур в 95 °C, и эти показатели стали безусловными требованиями существующих стандартов: ГОСТ Р 52134–2003 “Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления” и ГОСТ Р 53630– 2009 “Трубы напорные многослойные для систем водоснабжения и отопления”…».

С этим согласиться нельзя. Во-первых, название полимерных труб (термостойкие) следует считать чисто условным. Имеются разные полимерные трубы, которые не считаются «термостойкими», однако они могут прослужить при величине температуры в трубопроводе 95 °C вплоть до 50 лет. Это будет зависеть от растягивающих напряжений в стенках, определяемых геометрией (SDR) труб и внутренним рабочим давлением в трубопроводе, а также степенью непрерывности его действия.

«…основная тенденция развития систем отопления — снижение температуры теплоносителя, и уже совсем скоро температура в 95 °C станет вовсе анахронизмом…».

Это слишком смелая гипотеза! Для малоэтажных зданий с этим можно, с большой натяжкой, согласиться. Для других зданий и сооружений это неприемлемо в принципе.

«…В современных условиях рабочие температура и давление не критерий оценки типа трубопроводной системы, а своего рода “входной билет” в класс труб водоснабжения и отопления…».

С этим также нельзя согласиться. Ведь именно рабочие температура и давление в сочетании с внутренним диаметром являются основными параметрами выбора для любой внутренней напорной трубопроводной системы труб из любого материала. Критерием же оценки правильности принятых к использованию типоразмеров труб из конкретного материала является минимум затрат на все этапы жизненного цикла (ЖЦ):

изготовление труб → проектирование → эксплуатация → ремонт → утилизация трубопроводной системы.

Это в рыночных отношениях (товар — деньги — товар) складывается из капитальных и эксплуатационных расходов, определенных в денежном выражении, как эквиваленте овеществленного труда, затраченного на устройство искомых трубопроводов. К тому же, ранжирование внутренних напорных трубопроводов (холодные и горячие водопроводы и трубопроводы отопления) на пять классов произведено исключительно условно и только касательно экструдированных труб из термопластов со сплошной стенкой (ГОСТ Р 52134– 2003, «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления»). Такое ранжирование по классности внутренних трубопроводов, выполненных из многослойных труб (ГОСТ Р 53630– 2009, «Трубы напорные многослойные для систем водоснабжения и отопления»), естественно, не касается, также как оно не касается внутренних трубопроводов, выполненных из металлических (стальных, медных и др.) труб.

Авторы отмечают, что «…основных существенных показателей трубопроводной системы относительно немного…» и проводят сравнение различных труб по выбранным произвольно показателям, используя для них числовые оценки от 0 до 1 с кратким обоснованием принятых значений:

«…коррозия: нет — 0, есть — 1 балл. Срок службы: до 15 лет — 0 баллов, до 25 — 0,5, до 50 и выше лет — 1 балл. Температурные деформации с учетом коэффициента температурного расширения: выше 0,5 × 10^-4 — 0 баллов; 0,3– 0,5 × 10^-4 — 0,5; ниже 0,3 × 10^-4 — 1 балл. Кислородопроницаемость: есть — 0, нет — 1 балл. Жесткие — 0, гибкие — 1 балл. Соединения: механические — 0, сварные — 1 балл…».

По поводу этих значений нужно отметить следующее. Относительно коррозии труб, то она во многом связана с качеством транспортируемой по трубопроводу среды. Нам известно, что, например, холодный и горячий водопроводы из стальных оцинкованных труб, а также трубопроводы из черных стальных труб эксплуатируются с 1962 года в пятиэтажных жилых домах по адресу: Москва, улица Перекопская, дома №14–20.

Относительно срока службы труб. Как известно, толщины стенок труб из любого материала не рассчитываются на эксплуатацию во внутренних напорных трубопроводах в течение 15 лет. Что касается внутренних трубопроводных систем, то такие сроки службы могут иметь только временные сооружения.

Относительно кислородопроницаемости труб. Согласиться с тем, «…что в системах радиаторного отопления применение кислородопроницаемых труб приводят к быстрому выходу из строя трубопроводной системы из-за возникновения кавитационных процессов разрушающих металлические узлы системы: вентили, насосы и т.п., а в низкотемпературных системах (теплые полы, панельное отопление и кондиционирование) диффузия кислорода провоцирует рост аэробных бактерий, и система довольно быстро заиливается продуктами жизнедеятельности бактерий…» полностью нельзя. Это все гипотезы. Объективных данных, по крайней мере у нас в стране, не имеется, и совсем не известна значимость этого показателя в денежном выражении. Кроме того, трубы используются и для устройства холодных и горячих (подающих и циркуляционных) водопроводов, протяженность которых весьма значительна.

Относительно жестких и гибких труб. «…Гибкие трубы позволяют повысить надежность, снизить стоимость трубопроводной системы, так как требуют меньшего количества соединений, фитингов, и меньших трудозатрат, соответственно. Кроме того, только гибкие трубы применяются в энергоэффективных системах отопления (теплых полах, панельном отоплении и кондиционировании, системах использования геотермального тепла)…».

Так называемые «гибкие трубы» не повышают надежности трубопроводной системы, наоборот, изгибание таких труб «вхолодную» приводит к созданию растягивающих напряжений в стенках как полимерных, так и алюминиевого слоев. Влияние таких растягивающих напряжений в кратковременных испытаниях не обнаруживается. Они непременно сказываются на долговременном поведении трубопровода, включающего изогнутые трубы. К сожалению, данных об этом не имеется. Следует констатировать, что не имеется и методов расчета многослойных труб с целью определения долговечности трубопроводов, смонтированных из них. Данных по энергоэффективным системам нет — априори считать системы «теплый пол», системы панельного отопления и кондиционирования, системы использования геотермального тепла таковыми не совсем правильно. Энергоэффективные системы — это такие системы, которые устроены с минимальными затратами на весь их ЖЦ: расход энергии на производство труб, выраженный, например, в рублях, входит через цену трубы в капитальные затраты, а расход энергии на перекачку воды или теплоносителя по трубопроводу входит через цену электроэнергии в эксплуатационные затраты.

Стальные и медные трубы гнутся также «вхолодную», правда, с использованием специального инструмента. Гнутье труб из термопластов получают с использованием термомеханического изгибания. К тому же согнуть вручную металлопластиковую трубу «вхолодную» не получится не только большего диаметра, чем 16–20 мм, но и с толщинами алюминиевых слоев, указанных, например, в СП на использование МПТ в водопроводах и трубопроводах отопления.

Относительно способов соединения труб. Присваивать такие значения механическим и сварным соединениям, выполняемым на внутренних трубопроводах, не совсем точно. Здесь следовало бы обязательно учесть возможные трудности для выполнения соединений в труднодоступных местах и при демонтаже на случай ремонта трубопровода.

На основании принятых значений технических индексов авторами получен технический рейтинг (табл. 2, строка 9) трубопроводных систем, устраиваемых из рассматриваемых труб.

Используя аналогичный подход, авторы для трубопроводов из рассматриваемых труб принимают экспертные значения ценовых индексов от 0 до 1 с краткими пояснениями: «…стоимость труб: свыше 50 руб/м — 0,3, 50 — 0,5, менее 30 — 1 балл; стоимость фитингов: более 30 руб/шт. — 0, менее 30 руб/шт. — 1; расход фитингов: до 2 шт/м — 0 баллов, до 1,5 — 0,5, до 1,2 — 1 балл; стоимость монтажа: до 200 руб/м — 0 баллов, до 150 — 0,5, до 100 — 1 балл…». На основании принятых значений ценовых индексов авторами получен ценовой рейтинг (табл. 3, строка 7) трубопроводных систем, устраиваемых из рассматриваемых труб.

Идентичным образом авторы производят рейтингование рассматриваемых труб «по универсальности» с учетом областей их применения, приняв экспертно: «1» — используются, «0» — не используются, и на основании этого устанавливается их рейтинг универсальности (табл. 4, строка 7).

В качестве итога для рассматриваемых труб авторы предлагают использовать «…рейтинги цена/качество трубопроводов — сводные индексы…» (рис. 1), получаемые путем суммирования установленных значений индексов в определенных экспертами пропорциях, в данном случае: «…технического — 45 %, ценового — 45 % и универсальности — 10 %…».

Также следует указать и на то, что авторы используют простое суммирование индексов. Однако они, естественно, находятся в какой-то редко заранее известной связи.

Рейтингование вообще, напорных труб применительно к использованию во внутренних трубопроводах — в частности, как вообще задача рейтинговой оценки, может решаться в двух направлениях [4]. Первое — это разработка обобщающего (синтетического) или интегрального показателя, который бы воплотил наиболее весомые стороны труб, используемых на внутренних трубопроводах. Это автоматически решало бы задачу оценки рейтинга напорных труб: первое место занимают трубы с наибольшей или наименьшей величиной показателя, второе — трубы, которые имеют второй результат, и т.д. Такой интегральный показатель пока не найден, а многочисленные исследования показывают трудность его разработки. К тому же, многофакторность характеристик труб пока не позволяет выбрать из числа обобщающих результативных показателей какой-либо один в качестве интегрального. Поэтому обобщающая оценка напорных труб применительно к использованию во внутренних трубопроводах обычно производится по целому комплексу показателей. В связи с этим задача усложняется, поскольку влияние на напорные трубы разных показателей не всегда одинаково. Другое направление комплексной оценки — разработка алгоритмов вычислительных процедур, которые бы на основе комплекса показателей обеспечили однозначную оценку напорных труб применительно к использованию во внутренних трубопроводах. Для решения таких задач широко используются алгоритмы, основанные на методах «суммы мест», геометрической средней и т.д. Но эти методики имеют существенный недостаток — в них не учитываются весомости определенных показателей, например, температура транспортируемой среды (воды) для металлических труб несущественна, а для полимерных труб она имеет определяющее значение в смысле их долговечности.

С полным на то основанием мы считаем, что такое рейтингование следует производить для того, чтобы выбрать из огромного количества i три-пять видов напорных труб и, используя показатели которых, затем определить экономические факторы Э_i в вариантном проектировании устраиваемых из них трубопроводов.

С учетом этого на данном этапе разработанности проблемы предлагается использовать подход, связанный с использованием графово-матричного метода [5]. Согласно данному методу выделяют и качественно-количественно определяют для каждого из конкурирующих между собой видов труб приоритетную базовую или основную характеристику Φ₀ (рис. 2), а также ряд второстепенных Φ_кi, так или иначе оказывающих влияние на основную характеристику и друг на друга, и в результате устанавливают рейтинги труб R.

В качестве основной характеристики принят интегрированный показатель, связанный с функциональной задачей для труб — обеспечивать пропуск расчетных расходов воды (теплоносителя, хладагента) в течение расчетного срока эксплуатации трубопроводной системы, в целом по всему зданию. Параметры устанавливаются в результате совместного проведения гидравлических, прочностных и теплотехнических (при необходимости) расчетов (согласно действующим нормам) с использованием соответствующих подходов и, разумеется, с учетом пожеланий заказчика.

Из возможного количества внешних характеристик (к примеру, см. обозначения в подписи к рис. 2) принято 11 условно объективных (ведь некоторые характеристики труб перекликаются между собой, и вычленить их возможно только с известными допущениями) для выбора оптимальных труб с целью последующего устройства из них внутренних трубопроводов.

Далее для составления семантической и математической моделей и алгоритма решения задачи определения «оптимальных» труб составляется общая структурная схема в виде ориентированного графа (рис. 2) связи основной характеристики и 11 условно объективных внешних характеристик [6, 7]. С учетом этого распределяются характеристики с алгебраической записью в виде матрицы инциденций А_i всех возможных сочленений, как показано в табл. 5.

В матрице на основе установленных связей (рис. 2) каждой из 12 характеристик (элементы матрицы А) присвоены цифровые значения: «1» — доминирование одной характеристики над другой, а «0» — отсутствие доминирования. Численная степень (то есть значимость) доминирования характеристик друг над другом определяется весом строки, равной сумме ее элементов.

Для расширения диапазона численных значений, а также исключения одинакового веса строк, матрица инциденций А преобразовывается в результирующую матрицу S (табл. 6) согласно биквадратному выражению S = А + А₂ + А₄.

Для каждого элемента (внешней характеристики) результирующей матрицы S определяется в баллах вес строк (см. табл. 6, столб. 14 и 15). Наивысший вес имеет Φ_к11(g₁) — изготовитель (81 балл); вторая по весу характеристика Φ_к2(g₂) — стоимость (41 балл), третья характеристика Φ_к10(g₃) — пропускная способность (39 баллов) и т.д. Характеристика Φ_к9(g₁₁) — ремонтопригодность, которая имеет наименьший балл (14).

С учетом веса строки (табл. 7, столб. 1) для каждой характеристики устанавливается свой уровень У_i (см. табл. 7, столб. 2), который представляется интервалом изменения количества баллов. Каждый уровень У_i при этом подразделяется на подуровни y_i–j (табл. 8).

По данным табл. 8 составляется рейтинговая анкета на конкурирующие между собой трубы, выбираемые для проектируемой трубопроводной системы, например, Fe, PP-R/GF/PP-R и PE-RT/Al/ PE-RT (табл. 9). Затем по величине рейтинговых баллов (Σj — вторая снизу строка в табл. 7) присваивается номер рейтинга (R — нижняя строка в табл. 7). Здесь, естественно, не следует считать, что разности рейтинговых баллов могут показывать, насколько труба из одного материала лучше (хуже) трубы из другого материала.

Здесь следует обратить внимание еще на один из выводов авторов анализируемой статьи — о том, что «…полученные с помощью числовых оценок рейтинги отражают существующую ситуацию и тенденции рынка…».

С этим выводом тоже нельзя согласиться. Ведь рейтингование рынков (очевидно, что рынок трубной продукции не будет являться исключением) производится с использованием совершенно других показателей [8, 9]. При этом большое значение уделяется конкурентоспособности рыночного товара [10]. Конкурентоспособность — это характеристика любого товара, отражающая его отличие от товара-конкурента как по степени соответствия конкретной общественной потребности, так и по затратам на ее удовлетворение.

Показатель, выражающий такое отличие, определяет конкурентоспособность анализируемого товара по отношению к товару-конкуренту. В общем случае определяется тремя необходимыми элементами: свойствами данного товара, свойствами конкурирующих товаров, особенностями потребителей.

Конкурентоспособность товара — это такой уровень его экономических, технических и эксплуатационных параметров, который позволяет выдержать соперничество (конкуренцию) с другими аналогичными товарами на рынке. Кроме того, конкурентоспособность — это сравнительная характеристика товара, содержащая комплексную оценку всей совокупности производственных, коммерческих, организационных и экономических показателей относительно выявленных требований рынка (или его определенного сегмента) и относительно свойств товаров конкурентов, в том числе и зарубежных [11].

Не следует забывать также и о том, что порой недобросовестная конкуренция, например, с проведением шумной рекламной кампании, может выдвинуть на передний план рыночных продаж совершенно некачественный товар. Об этом, кстати, авторы упоминают, критикуя китайские трубные изделия.

Очевидно, что проблема рейтингования рынков и конкурентоспособности труб требуют специального рассмотрения. Этому, при необходимости, можно будет посвятить последующие статьи.

В заключение следует указать на то, что рассмотренный метод нельзя считать завершенным применительно к рассматриваемой проблеме, еще имеются вопросы, требующие дальнейшей проработки. Далее должен проводиться сбор, изучение и анализ соответствующего нормативного и фактического материала по различным видам труб и по всем этапам ЖЦ трубопроводов из них в зданиях разного типа и этажности. Особенно это касается высотных зданий и малоэтажных домов, так как практических данных по ним еще не накоплено. Следует уточнить правильность принятия уровней значимости для характеристик с увеличенным их количеством для выбираемых к использованию труб. Необходимо провести сопоставление результатов, получаемых по рассмотренному методу и параллельным проведением ТЭО, для разных внутренних трубопроводных систем.

Соответствующие научно-исследовательские работы по обозначенным вопросам сейчас проводятся в ГУП «НИИ Мосстрой». Об их результатах широкая научно-техническая общественность будет своевременно информироваться в следующих номерах журнала.