УДК 624

Особенности прокладки инженерных коммуникаций в условиях Крайнего Севера

Сметанина Маргарита Владимировна – студент Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Аннотация: В статье была проанализирована научная литература в области водоснабжения Крайнего Севера, преимущественно основанная на проектировании систем жизнеобеспечения, а также проведен анализ статистических и практических российских и зарубежных источников. На основе проведенного анализа были сформулированы особенности прокладки инженерных коммуникаций в условиях Крайнего Севера, среди которых можно выделить преимущественно надземную прокладку трубопроводов, повышенную защиту труб и транспортируемой по ним воды от замерзания, оборудование специальных устройств для обслуживания трубопроводов в условиях низких температур, сильных зимних ветров и полярной ночи, а также специфику выбора источника водоснабжения и материала эксплуатируемых труб. Сделан вывод о необходимости развития исследования особенностей прокладки инженерных коммуникаций в суровых климатических условиях распространения вечномерзлых грунтов.

Ключевые слова: Крайний Север, инженерные коммуникации, водоснабжение, вечная мерзлота, надземная прокладка инженерных коммуникаций, система водоснабжения.

Введение

Прокладка инженерных коммуникаций в северных регионах России имеет свою специфику, обусловленную суровыми климатическими условиями данных территорий. Эти области, занимающие 64% площади всей страны, характеризуются экстремальными температурами от +25 до -40 градусов Цельсия на протяжении года. Из-за наличия значительных слоев сезонного таяния грунта (до 2 метров и глубже), низкой прочности талых почв и активных криогенных процессов, трубопроводы приходится прокладывать либо над землей, либо на глубине более 6 метров.

Трубопровод, который проходит над поверхностью земли, испытывает значительно более сильные температурные колебания, по сравнению с подземной прокладкой, что может вызвать угрозу замерзания воды в трубах в зимние месяцы. В связи с этим, возникает необходимость в дополнительной теплоизоляции труб, строительстве большего числа котельных и обеспечении непрерывного водоснабжения.

Помимо этого, эксплуатация тепловых сетей в районах Крайнего Севера сталкивается с рядом проблем, включая высокие потери тепла, большие затраты на содержание и обслуживание инженерных коммуникаций и высокий уровень износа сетей. Все это создает препятствия для поддержания жизнеобеспечения и развития промышленности в этих регионах.

Обзор литературы

Климат Крайнего Севера является суровым и требовательным для инженера. Он задаёт специфику водоснабжения и требует модернизации и разработки новых решений, конструкций и технологий. В своей работе Анастасьева И.В. и Орехова В.И отмечают, что при разработке технических систем водоснабжения, следует решить несколько сложных задач для обеспечения стабильной работы водопровода:

• Предохранение труб от замерзания во время работы, в случае отклонения от нормы или аварии температурного режима.
• Обеспечение стабильности трубопровода и близлежащих зданий и конструкций.
• Простота строительства, демонтажа, увеличение срока службы систем водоснабжения и водоотведения [1, 2].

Мировая практика создания и эксплуатации систем водоснабжения и удаления сточных вод в условиях вечной мерзлоты показывает необходимость применения комплексных мер для защиты трубопроводов от замерзания и коррозии. А.М. Геселько и И.Г. Ушакова отмечают, что проблемы строительства в условиях вечной мерзлоты вызывают большой интерес, так как строительство в таких условиях – сложный и дорогой процесс, а эксплуатация готовых объектов требует значительных затрат сил и ресурсов [3]. При организации систем водоснабжения на объектах в любом районе Крайнего Севера учитывается реальная опасность замораживания систем водоснабжения, включая сами источники воды. По мнению Г. В. Красавина и  А. И. Матюшенко, для повышения надежности систем водоснабжения в условиях вечной мерзлоты необходимо обеспечить незамерзаемость источников воды и всех элементов водозаборного узла [4, 5].

В своей работе Макарова Ю.Е. и Саньков П.Н. также отмечают, что при планировании водопроводных систем на Севере, необходимо учесть множество факторов, таких как высокая стоимость и ограниченность электроэнергии, дефицит рабочей силы, особенности местного производства, структура поселения, особенности отвода стоков, режим водных источников, образ жизни людей и другие. Неравномерное расположение деревень и промышленных объектов на обширной территории, и, преимущественно, их удаленность от центральных систем водоснабжения и электроснабжения, формируют свои собственные требования и условия для организации водоснабжения. В условиях Крайнего Севера, необходимо также учесть особенности расположения зеленых зон. Роль зеленых насаждений на Севере заключается в защите от ветра и снега, создании препятствий на пути холодного воздуха и регулировании его перемещения [6]. Рассматривая способы прокладки трубопровода в условиях вечной мерзлоты, Ю. Сколюбович и Е. Войтов считают, что, безусловно, нужно учитывать особенности местного рельефа и климата. Самыми распространенными способами прокладки являются подземный, наземный и надземный [7, 8].

В своей работе Семенова Д.П. отмечает, что при подземной прокладке теплых труб вокруг них образуются большие области оттаивания, и грунт под трубами проседает, вызывая их деформацию. Кроме того, оттаивание приводит к оседанию поверхности, что в условиях высокольдистых грунтов или подземного льда может вызвать термокарст. При подземной прокладке холодных труб вокруг них образуется область промерзания. Если под трубами находится талый грунт, трубопровод может разрушиться под действием нормальных сил пучения [9].

Технические решения по прокладке инженерных сетей в условиях крайнего севера зависят от множества специфических технических, климатических и других факторов, что подчеркивает важность исследований в этой области.

Методы исследования

В процессе подготовки данной работы применялись методы сбора информации, изучения и анализа литературы по теме исследования. Проведен обширный анализ существующих литературных источников с целью оценки текущего состояния исследуемой области и выявления ключевых особенностей. Данный метод способствовал формированию теоретической базы для исследования. В работе учитывались действующие в настоящее время нормы и правила для проектирования, строительства и эксплуатации инженерных систем в условиях вечной мерзлоты. Системы водоснабжения и канализации являются важными компонентами, обеспечивающими непрерывную работу промышленных предприятий и предоставление населению бытовых услуг, соответствующих современным стандартам. Водопроводные трубы являются основными элементами этих систем, которые определяют их надежность и экономическую эффективность. Строительство и эксплуатация водопроводных систем на Крайнем Севере имеют свои особенности, связанные с вечной мерзлотой и суровым климатом, а также с дополнительными мерами по предотвращению их замерзания.

Результаты

На основе проведенных исследований можно сделать вывод, что прокладка инженерных коммуникаций на Севере имеет свою специфику и обусловлена климатическими и прочими условиями, влияющими на принятие технических решений. Изучение данной темы важно, так как мировой опыт проектирования и прокладки систем водоснабжения и отвода сточных вод в условиях вечной мерзлоты показал, что необходимо принимать комплексные меры для защиты трубопроводов от замерзания и повреждения.

На основе проведенного анализа можно выделить следующие особенности прокладки инженерных коммуникаций в условиях Крайнего Севера:

1. Из-за интенсивных мерзлотных процессов практически все трубопроводы приходится прокладывать над землей или на глубине более 6 метров под землей. При прокладке труб над землей следует использовать опоры и эстакады, а также конструктивные элементы зданий. Важно предусмотреть специальные приспособления для обслуживания труб с учетом эксплуатации в условиях низких температур, сильных ветров и полярных ночей.

Подземная прокладка труб возможна только в случае невозможности надземной прокладки. При подземной прокладке, трубы должны быть размещены в каналах или тоннелях. Минимальное расстояние между подземными трубами и фундаментами и конструкциями определяется теплотехническим расчетом и должно быть не менее 6 метров.

2. При разработке проектов трубопроводов для предотвращения замерзания транспортируемой воды используются следующие методы:

• тепловая изоляция труб;
• подогрев воды;
• подогрев труб;
• постоянное движение воды в трубах;
• увеличение гидродинамического трения в трубах;
• использование оборудования, устойчивого к замерзанию;
• установка автоматических систем слива воды.

Минимальная температура воды в водопроводах и сетях определяется теплотехническими расчетами. Допускается изменение температуры в диапазоне от долей градуса до нескольких градусов (3-5 °C).

3. При использовании в качестве источника водоснабжения подземных вод следует использовать источники с более высокой температурой воды. При выборе диаметра водозаборных скважин, необходимо учитывать размеры систем их обогрева. На водоисточниках, промерзающих до дна, следует использовать водозаборы из подрусловых вод.
4. При использовании в качестве источника воды поверхностных вод, имеющих постоянный сток и устойчивое русло, тип водозаборных сооружений выбирается с учетом:

• глубины промерзания водоемов;
• формирования зоны оттаивания и связанного с этим изменения качества воды;
• мер защиты воды в приемных и отводных элементах водозабора от замерзания.

4. Выбор материалов для труб и соединительных элементов играет ключевую роль, так как от этого зависит простота, экономичность монтажа и надежность будущей эксплуатации. Важно также учитывать сложность доставки в труднодоступные районы Крайнего Севера. Как в России, так и в других странах, большой популярностью пользуются полиэтиленовые трубы. Об этом можно судить по морозостойкости (до -50℃) и малой теплопроводности (0,25-0,32 ккал/м час). Полиэтиленовые трубы обладают химической устойчивостью и не подвержены воздействию блуждающих токов. Благодаря гладкости своих стенок, они не создают большого сопротивления при движении жидкости, что выгодно отличает их от других видов труб. Они также имеют относительно малый вес, который в 5-10 раз меньше, чем вес металлических труб. Благодаря своей морозоустойчивости и эластичности, полиэтиленовые трубы могут противостоять разрушительному воздействию замерзающей внутри них воды. Их срок службы составляет от 50 до 80 лет.

Полиэтиленовые трубы имеют недостатки: они подвержены старению под воздействием солнечного света, а их прочность снижается при повышении температуры и длительном использовании.

Суровый климат Крайнего Севера налагает особые требования к прокладке инженерных коммуникаций в населенных пунктах. Чтобы обеспечить качественное водоснабжение и водоотведение, необходимо учесть все вышеперечисленные факторы, которые влияют на проектные и технические решения.

Обсуждение

Тема исследования актуальна, так как успешное жизнеобеспечение и развитие промышленности в районах Крайнего Севера невозможно без использования оборудования и инженерных сооружений, приспособленных к суровым климатическим условиям. В ходе анализа водоснабжения на Крайнем Севере основное внимание уделялось особенностям прокладки инженерных сетей в сложных климатических условиях. Рассмотрены способы прокладки трубопроводов, материал труб, защита их от замерзания, а также особенности выбора источников водоснабжения.

В результате анализа научной литературы было выявлено, что особенности прокладки инженерных сетей на Севере широко обсуждаются в российских и международных источниках. Однако, в данном исследовании больше внимания уделяется особенностям, связанным с выбором источников водоснабжения и материалом трубопроводов. Исследование выявляет множество особенностей прокладки и эксплуатации инженерных сооружений в суровых климатических условиях на вечномерзлых грунтах, подтверждая исходную гипотезу. Обоснование особенностей и исходной гипотезы основывается на широком круге литературы, теоретических и практических российских и иностранных источников.

Текущие решения по предохранению трубопроводов и транспортируемой воды от замерзания являются эффективными, но не исключают возможность аварии. На магистральных трубопроводах нередко наблюдается оледенение из-за мелких протечек, которое может привести к сверхнормативной нагрузке и обрушению эстакад и специальных устройств для обслуживания трубопроводов. Например, за 2020 год в районах Крайнего Севера произошло 2755 аварий на водопроводных сетях.

Таблица 1. Число аварий в системе водоснабжения за 2020 год.

Число аварий в системе водоснабжения за 2020 год
		единиц
Регион	Всего	из них:                               на водопроводных сетях
A	1	2
Крайний Север	2 867	2 755
Северо-Западный федеральный округ	743	716
Республика Карелия	174	167
Республика Коми	81	75
Архангельская область (кроме Ненецкого автономного округа)	479	465
Ненецкий автономный округ (Архангельская область)	2	2
Мурманская область	7	7
Уральский федеральный округ	53	51
Ханты-Мансийский автономный округ - Югра (Тюменская область)	51	51
Ямало-Ненецкий автономный округ (Тюменская область)	2	-
Сибирский федеральный округ	1 296	1 233
Республика Тыва	10	10
Красноярский край	436	396
Иркутская область	850	827
Дальневосточный федеральный округ	775	755
Республика Саха (Якутия)	16	15
Хабаровский край	593	577
Магаданская область	9	7
Сахалинская область	146	145
Чукотский автономный округ	11	11

Чтобы сократить число аварий и продлить срок службы прокладываемых коммуникаций, необходимо развивать направление исследования особенностей водоснабжения в условиях Крайнего Севера.

Выводы

Прокладка инженерных коммуникаций в условиях Крайнего Севера должна учитывать множество специфических факторов, таких как вечная мерзлота, низкие температуры, высокая влажность и другие экстремальные природные условия. Особое внимание следует уделять стабильности и долговечности инженерных систем, учитывая проблемы замерзания почвы. Для успешной прокладки и монтажа коммуникаций необходимо использовать специальные материалы и технологии, такие как теплоизоляция, устойчивые к коррозии металлы и другие инновационные решения. Обеспечение надежности и безопасности инженерных систем должно быть приоритетом.

При правильном подходе и использовании современных технологий, прокладка инженерных коммуникаций может быть успешно осуществлена в экстремальных климатических условиях на вечномерзлых грунтах. Однако, для сокращения числа аварий и продления срока службы прокладываемых сетей, необходимо развивать исследование особенностей водоснабжения в условиях Крайнего Севера.

Список литературы

1. Анастасьева И.В., Орехова В.И. Надземный способ прокладки инженерных коммуникаций в условиях крайнего севера // Современные инновации: фундаментальные и прикладные исследования. Сборник научных трудов по материалам VIII Международной научно-практической конференции. Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrarypdf.
2. Иванов В.А., Лось А.А., Сучков С.А., Тимофеев Е.А., Марков С.В. Эксплуатация инженерных коммуникаций в районе крайнего севера // Материалы и технологии XXI века. Сборник статей ХIV Международной научно-технической конференции. 2016. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=26305735.
3. Геселько А.М., Ушакова И.Г. Проектирование систем водоснабжения и водоотведения в суровых климатических условиях Сибири // Вестник Омского Государственного Аграрного Университета. Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrarypdf.
4. Выучейская Д.С., Носков С.Н., Еремин Г.Б. Проблемы водоснабжения и водоотведения в российской Арктике по результатам анализа научно-практических работ // Журнал Здоровье – основа человеческого потенциала: проблемы и пути их решения. 2019. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/problemy-vodosnabzheniya-i-vodootvedeniya-v-rossiyskoy-arktike-po-rezultatam-analiza-nauchno-prakticheskih-rabot.
5. Красавин Г. В., Матюшенко А. И., Реконструкция системы водоснабжения города Игарка Красноярского края // Инженерный журнал Сибирского федерального университета. 2021. Режим доступа:https://www.researchgate.net/publication/350556482_Reconstruction_of_the_Water_Supply_to_the_City_of_Igarka_of_Krasnoyarsk_Region?_sg=koe2jiWltwthYXD8n1g50_IkTJOgmWewMfSpy6jeF3jEG68k5j3awY33xr12phBAEreNT64AHbnlksM&_tp=eyJjb250ZXh0Ijp7ImZpcnN0UGFnZSI6InNpZ251cCIsInBhZ2UiOiJfZGlyZWN0In19.
6. Макарова Ю.Е., Саньков П.Н. Особенности проектирования в условиях Крайнего Севера // IX Международная студенческая научная конференция «Студенческий научный форум – 2017». Режим доступа: https://files.scienceforum.ru/pdf/2017/33197.pdf.
7. Анастасьева И.В., Орехова В.И. Особенности прокладки сетей водоснабжения на Крайнем Севере России // Научное обеспечение агропромышленного комплекса. Сборник статей по материалам 73-й научно-практической конференции студентов по итогам НИР за 2017 год. Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary_35434084_38435037.pdf.
8. Сколубович Ю., Войтов Е., Цыбай А., Балчуго Д. Подготовка питьевой воды для водоснабжения деревень в Арктическом регионе // Серия конференций IOP по материаловедению и инженерии. 2021. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/347197549_Drinking_Water_Preparation_for_Water_Supply_of_Villages_in_the_Arctic_Region.
9. Семенова Д. П. Прокладка трубопроводов в условиях вечной мерзлоты // Журнал «Актуальные исследования». 2020. Режим доступа: https://apni.ru/article/544-prokladka-truboprovodov-v-usloviyakh-vech-merz.