4.25. Лопающиеся трубы

Почему в холодные зимы в домах лопаются водопроводные трубы? Почему чаще лопаются трубы, по которым течет горячая вода?

ОТВЕТ • При постоянной системе водоснабжения трубы рвутся, когда образовавшийся лед закупорит воду в перекрытом вентилем звене трубы. Если лед продолжает намерзать на такую пробку, замерзающая вода расширяется, и закупоренная в звене трубы вода оказывается под давлением. Постепенно давление возрастает настолько, что труба разрывается. Вероятность такого происшествия больше в трубе с горячей водой. Это связано с тем, как в трубе замерзает вода. Теоретически вода замерзает при 0°C, но на практике, чтобы вода замерзла, ее температура должна быть на несколько градусов ниже. Такая жидкость называется переохлажденной.

Холодная вода из-под крана содержит большое число примесей, которые могут служить центрами зародышеобразования. Если вода переохлаждена на несколько градусов, при дальнейшем отводе тепла начинают образовываться кристаллики льда. Сначала образуется напоминающий листья папоротника дендритный лед, растущий в неподвижной воде. После образования льда внутри на стенке трубы образуется ледяное кольцо, постепенно растущее вдоль радиуса внутрь трубы до тех пор, пока ледяная пробка не запрет окончательно трубу. У воды, остающейся между нарастающим льдом и закрытым вентилем, достаточно времени, чтобы стравить давление, обусловленное расширением воды во время роста ледяного кольца.

Горячая вода в трубе замерзает сходным образом, однако образование дендритного льда происходит существенно позже, иногда на несколько дней позже, чем в трубе с холодной водой. Дело в том, что при нагревании из воды удаляются многие примеси, которые могли бы служить центрами зародышеобразования при замерзании. Поэтому горячую воду в трубе можно переохладить до существенно более низкой температуры, чем холодную воду. Когда же наконец вода начинает замерзать, дендритный лед, прорастая вдоль радиуса внутрь трубы, быстро запирает ее. Если затем лед продолжает расти внутри трубы, расширяющаяся при замерзании вода между ледяной пробкой и вентилем оказывается под очень большим давлением. В итоге где-то между пробкой и вентилем труба или сочленение труб лопается, хотя сама труба в этом месте может даже оставаться теплой.

Разрыв позволяет вытечь воде, зажатой на этом участке, что само по себе не обязательно приведет к большим неприятностям. Однако, если его не заделать до того, как ледяная пробка растает, последствия могут оказаться значительными. Чтобы этого избежать, жители стран с очень холодным климатом часто зимой оставляют краны чуть приоткрытыми, чтобы при росте ледяной пробки вода просто вытекала через открытый кран, не приводя к росту давления.

В некоторых ситуациях ледяная пробка может оказаться полезной. Например, она может сыграть роль временного вентиля на нуждающемся в починке участке трубы, который починить надо, но всю систему, как, например, в больнице или в жилом районе, отключить от водоснабжения нельзя.

Иногда требуется пустить воду по холодной трубе, из которой раньше воду слили (например, чтобы починить). Проходя через трубу, первая порция воды может отдать тепло стенкам трубы и охладиться до температуры замерзания. Более вероятно, что это произойдет, если труба закопана в землю, а не проложена поверху: от стенок трубы, окруженной землей, тепло отводится быстрее, чем если трубу окружает воздух. Если температура стенок трубы всего на несколько градусов ниже точки замерзания, вода может переохладиться, а затем быстро появится дендритный лед, который перекроет трубу. Однако если труба существенно холоднее (ниже допустимого значения температуры переохлаждения воды), роста дендритного льда не происходит. На стенках трубы образуется ледяное кольцо, но вода продолжает течь.