Полимерные трубы для внутренних инженерных систем/ В. Бухин

Масштабное строительство жилых и административных зданий потребовало применения новых материалов и технологий, обеспечивающих не менее  чем 50-летний срок эксплуатации трубопроводов

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

В современном доме предполагается наличие определенного уровня комфорта, в значительной степени определяемого правильно организованным водо- и теплоснабжением, которые требуют устройства устойчивых к различным видам коррозии трубопроводов.

Занимая второе место в мире после США по протяженности трубопроводных систем, Россия первенствует по степени их изношенности. Одна из главных причин этого – широкое использование труб из обычной стали. Срок их надежной эксплуатации при существующих качестве воды и режимах работы не превышает 10–15 лет.

Такие трубы применялись для внутренних инженерных систем ХВС, ГВС и отопления до последнего времени, и только для гибких подводок к санитарным приборам использовались полиэтилен (ХВС) и  сплавы меди (ГВС). Многолетний опыт эксплуатации показал, что стальные трубы подвержены коррозии и срок их эксплуатации меньше нормативного срока до капитального ремонта здания. При этом продукты коррозии не только ухудшают качество воды, но и засоряют внутреннюю полость труб, уменьшая их пропускную  способность и нарушая работу арматуры, устройств системы автоматического регулирования и сантехнических приборов.

Скорость коррозии стальных труб регламентированы СНиП 41.02.2003 «Тепловые сети» и РД 153-34.20.522-99  «Типовая инструкция по периодическому освидетельствованию тепловых сетей в процессе эксплуатации». В этих документах отмечено, что скорость наружной коррозии не должна превышать 0,03 мм/год. Скорость внутренней коррозии квалифицируется как: слабая – 0,04; средняя – до 0,05; сильная – 0,2; аварийная – более 0,2 мм/год.

Поэтому был необходим поиск альтернативных решений, обеспечивающих работу трубопроводов без коррозионных разрушений в течение всего расчетного срока эксплуатации (не менее 50 лет). Ее сравнительно короткий срок, засоры и зарастания, усложненная технология монтажа и неэстетичный вид внутреннего оборудования систем водо- и теплоснабжения из стали стимулировали повсеместный переход на новые инженерные системы. И сегодня не надо убеждать службы заказчика, проектировщиков, строителей и монтажников в преимуществах применения современных полимерных трубопроводов.

В то же время, практика показывает, что накопленные десятилетиями традиции затрудняют применение новых решений, а при их использовании требуются значительные усилия для обучения проектировщиков, строителей  и эксплуатационников.

Режим эксплуатации и срок службы

Типовые параметры транспортировки горячей воды в системах теплоснабжения нормализованы в ГОСТ Р 52134-2003 с изм.№1 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления», температурно-временные режимы работы трубопроводов приведены в табл.1. Максимальный срок службы трубопровода определяется суммарным временем работы трубопровода при температурах Траб, Тмакс и Тавар (рабочая, максимальная и аварийная температуры) и составляет 50 лет. При меньшем сроке службы все временные характеристики, кроме Тавар, следует пропорционально уменьшить. Могут устанавливаться и другие классы эксплуатации, но значения температур должны быть не более указанных для класса 5.

Таблица 1. Температурно-временные режимы работы трубопроводов горячего водоснабжения и отопления

Обозначения:

Т_раб – рабочая температура или комбинация температур транспортируемой воды, определяемая областью

применения, °С;

Т_макс – максимальная рабочая температура, действие которой ограничено по времени, °С;

Т_авар – температура, возникающая в аварийных ситуациях при нарушении систем регулирования, °С.

*Примечание: Класс эксплуатации 3 в настоящее время не применяется. При необходимости используются

трубы пригодные для классов 1 или 4.

Приведенные в табл. 1 данные  не противоречат нормам СП 30.13330.2010 «Актуализированный СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий», СНиП 2.04.05-91* (41.01-2004) «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и составлены для средней климатической зоны. При проектировании систем для других климатических зон продолжительность воздействия рабочей температуры транспортируемой среды пересчитывается согласно данным этой зоны в соответствии с СП 60.13330.2010 «Актуализированный СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

Трубы из полимерных материалов имеют некоторые особенности по сравнению со стальными трубами. На эти отличия необходимо обращать внимание при выборе типа трубопровода. Рекомендации ГОСТ Р 52134 приводятся в табл.2. Для изготовления труб, согласно этому документу, наиболее часто используют рандом сополимер пропилена (РР-R), сшитый полиэтилен (РЕ-Ха, b, c – последняя литера характеризует тип применявшейся при производстве сшивки), хлорированный поливинилхлорид (PVC-C), теплостойкий полиэтилен (PE-RT) и полибутен (РВ). Два последних материала пока ограниченно представлены на отечественном рынке, но их специфические характеристики позволяют прогнозировать  рост их использования.

Таблица. 2. Рекомендуемые полимерные материалы для классов эксплуатации труб и фитингов

Все перечисленные материалы относятся к группе термопластов, которые при нагревании выше определенной температуры  сохраняют способность перехода в вязкотекучее состояние.

Полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид

В России в основном применяются трубы из РЕ-Х, металлополимерные трубы  (МП) на его основе и трубы из полипропилена. При этом последние 15 лет в странах ЕС объем применения труб из РВ, РР-R, PVC-C и нержавеющей стали существенно не изменяется, а из стали и меди снижается за счет увеличения использования РЕ-Х. Последнее наблюдается также и в России. В докризисный период потребление труб из различных материалов для водоснабжения и отопления в странах ЕС  составляло (% в год): МП – 39; PP-R – 17; PVC-U (НПВХ) и PVC-C – 22; нерж. сталь – 2; сталь – 5; Cu – 15. В России в тот же период было использовано труб (тыс. м): МП – 111200; PP-R – 103000; РЕ-Х – 22900; PVC-C – 2600; сталь – 189300; Cu – 24100 (данные рейтингового агенства KwD International).

Таким образом, сшитый полиэтилен (РЕ-Х) и композитные конструкции на его основе – одни из наиболее распространенных в мире материалов для труб, используемых при транспортировке жидких теплоносителей. В России технические требования к таким трубам регламентированы в ГОСТах Р 52134-2003 и 53630-2009. Различные виды материалов (включая модификации) полимерных труб приведены в табл. 3.

Таблица 3. Полимерные материалы и композитные конструкции, используемые при производстве труб 

*Al – прослойка из алюминия; G – прослойка стеклонаполненного PP-R; R – прослойка из вторичного PVC.

Трубы из сшитого полиэтилена применяются как без кислородного барьера (противодиффузионная прослойка), так и с такой защитой, выполняемой из этиленвинилового спирта (EVOH), например PE-X–EVOH–PE-X, или слоя алюминия толщиной 200–400 мкм (металлополимерные MP-Multilaer PE/Al – PE-X–Al–PE-X, рис. 2). Большинство трубных систем из РЕ-Х может выдерживать температурный режим эксплуатации по классу 5. Выпускаются также трубы только для ХВ и ГВС. Обычно это отражается в их маркировке.

Рис. 2. Конструкция металлопластиковой трубы

Сшитый полиэтилен, как правило, не сваривается и не склеивается, поэтому соединение труб между собой и арматурой осуществляется механическими штуцерными фитингами с обжимом трубы на штуцере цангой с накидной гайкой, надвижной или опрессовочной муфтами (пресс-фитинг) аналогично трубам небольшого диаметра из PB и PE-RT.  Последние два типа соединений более дешевые и применяются при больших объемах монтажа. Трубы из PP-R, PB и PE-RT также сваривают в раструб литыми соединительными деталями, а с d > 50 мм и толщине стенки не менее 5 мм – в стык, из PVC-C и PVC-U – склеивают с помощью раструбных соединительных деталей.     

Соединительные детали и арматура (рис. 3) для труб из РЕ-Х, РЕ-Х–EVOH– РЕ-Х, РЕ-Х–Al–РЕ-Х, а также профессиональный монтажный инструмент в Россию поставляются по импорту, а проектирование и монтаж систем осуществляются по соответствующим СНиПам  и  СП (например, СП 41-102-98 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб»).

Рис. 3. Монтаж металлопластиковых труб

Сшитый полиэтилен в последние несколько лет частично вытесняется теплостойким полиэтиленом (PE-RT – сополимер этилена с октеном) и металлополимерными композитами на его основе. Важные преимущества этого материала перед РЕ-Х – возможность экструзии труб без дополнительной сшивки и выполнение сварных соединений. При этом трубы из PE-RT по сравнению с трубами из РЕ-Х несколько дешевле. Они выпускаются для внутренних сетей ХВС и ГВС, а для отопления – с антидиффузным барьером.

Трубопроводы из полипропилена (РР) в России начали применять с середины 70-х годов прошлого века. В середине 80-х годов было освоено промышленное производство статистического сополимера пропилена с этиленом (PP-R – random copolimer, тип 3), труб и соединительных деталей из него. Особенность PP-R – большая стойкость к воздействию горячей воды, благодаря чему он стал применяться не только в системах ХВС, но и теплоснабжения (рис. 1).

Рис. 1. Армированные полипропиленовые трубы

Технические требования к  таким трубам и деталям регламентированы в ГОСТ Р 52134-2003 и СП 40-101-96 «Проектирование и монтаж трубопроводов из полипропилена «Рандом сополимер». Российскими предприятиями поставляются трубы и детали с наружными диаметрами до 125 мм. Причем в  текущее десятилетие возможно значительное увеличение  производства PP-R.  К основным преимуществам трубопроводов из этого материала относятся: применение сварки для соединения труб и деталей, причем детали для раструбной сварки существенно дешевле механических штуцерных; удобство монтажа в квартирах небольшой площади; возможность повторять трассировку трубопроводов, аналогичную традиционной из стальных труб.

Трубопроводы из PVC-C рекомендуются для транспортировки воды в системах ГВС и теплоносителя в системах отопления. В 2007 г. в России было запущено производство труб из PVC-C Тип II диаметром 16–110 мм, PN 16 и 25. Этот материал был разработан с учетом российских особенностей тепловых нагрузок, а трубы, выполненные из него, соответствуют классам эксплуатации 1–5. Трубопроводы из PVC-C характеризуются высокой прочностью и самым низким коэффициентом линейного теплового расширения среди полимерных труб – 0,066 мм/м °С. Их важная особенность – клеевая технология монтажа. Кроме того, трубы из PVC-C – единственные из полимерных труб имеют группу горючести Г 1 – они не горят, не плавятся и не образуют горящих капель, их температура воспламенения – 482 °С, кислородный индекс – 60 %. В связи с высокой огнестойкостью трубопроводы из этого материала используются в спринклерных системах пожаротушения.

Для транспортировки горячей воды в системах ГВС и отопления в ГОСТ Р 52134-2003 нормализовано применение трубопроводов из полибутена для классов эксплуатации 1–5 (табл.1). Этот материал характеризуется высокой устойчивостью к растрескиванию под напряжением, низкой ползучестью при длительных механических нагрузках, высокой износо- термостойкостью и стойкостью к воздействию ультрафиолетового излучения (рис. 4).

Рис. 4. Максимальное рабочее давление для различных видов труб

В трубах, используемых для отопления, предусматривается противодиффузионный слой из EVOH. Наиболее широко полибутен применяется в Англии, Германии, скандинавских странах и  Северной Америке. Полибутеновые трубы свариваются в раструб, но обычно при лучевом монтаже длинномерных труб применяются механические штуцерные соединения с накидной гайкой или прессованные надвижные муфты.

Характеристики и расчеты

Условный размер, принятый для классификации труб из термопластов и всех составляющих элементов систем трубопроводов, соответствующий минимальному допустимому значению среднего наружного диаметра трубы, называется номинальным наружным диаметром d (мм). Номинальная толщина стенки e (мм) – это условный размер, соответствующий минимальной допустимой толщине стенки трубы в любой точке ее поперечного сечения. Для внутренних трубопроводов обычно используют трубы следующих наружных диаметров: 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 75; 90; 110; 125; 140; 160 мм.

Трубные полимерные материалы, в частности, характеризуются гидростатической прочностью sLPL ,МПа. Эта величина с размерностью механического напряжения является пределом прогнозируемой длительной гидростатической прочности при температуре Т и времени t. Минимальная длительная прочность MRS, МПа – это значение нижнего доверительного предела sLPL при температуре 20 °С в течение 50 лет.

Расчетное напряжение ss ,МПа – это допустимое напряжение в стенке трубы в течение трубы течение 50 лет при температуре 20 °С с учетом коэффициента запаса прочности С:

ss = MRS/ С

Коэффициент запаса прочности – безразмерная величина, имеющая значение больше единицы и учитывающая особенности эксплуатации трубопровода, а также его свойства, отличающиеся от учтенных при расчете MRS.

Серия труб S (номинальная) также представляет собой безразмерную величину, определяемую как отношение расчетного напряжения ss  к максимальному допустимому рабочему давлению РPMS. Еще одна важная и также безразмерная величина – стандартное размерное отношение SDR. Оно численно равно отношению номинального наружного диаметра трубы к номинальной толщине стенки. Значения SDR и S связаны соотношением:

SDR = 2S + 1,

где  S – серия труб.

Номинальное давление PN, бар, является условной величиной и также используется для классификации труб из термопластов. Она  численно равна максимально допустимому рабочему давлению, выраженному в барах (1 бар=0,1 МПа=1,0197 кгс/см2 = 0,98692 атм. При ошибке 0,5 %, 1 бар – 0,98 атм – 1,02 кгс/см2. Если пренебречь разницей между технической атмосферой и баром (стандартной атмосферой), то погрешность составит 2 %, при ошибке в 3 % можно считать физическую и стандартную атмосферу равными друг другу. Прим. ред.).

Максимальное значение постоянного внутреннего давления в трубопроводе в течение срока службы 50 лет МОР рассчитывается по формуле:

MOP=2MRS/C(SDR – 1),

где MRS – минимальная длительная прочность, МПа; С – коэффициент запаса прочности;  SDR – стандартное размерное соотношение.

Максимальное давление воды  в трубе Pmax при заданных условиях эксплуатации (переменный температурный режим) определяется как:

Pmax = sо/S,

где sо – расчетное напряжение стенке трубы, МПа, для заданного класса эксплуатации, определяемое по правилу Майнера, S – серия труб.

Трубы и соединительные детали из термопластов применяют в системах водоснабжения и отопления с максимальным рабочим давлением 0,4; 0,6; 0,8 и 1,0 МПа и  температурными режимами, указанными в табл. 1. Трубы и соединительные детали, предназначенные для классов эксплуатации 1–5, должны быть пригодными для класса «ХВ» при максимальном рабочем давлении 1,0 МПа.

Зависимости времени до разрушения трубы (t, ч.), напряжения в стенке трубы (s, МПа) для используемых температур эксплуатации и эталонные кривые длительной прочности труб из полимерных материалов приведены в ГОСТ Р 52134-2003. Расчетные серии для труб 1–5 классов эксплуатации S¢max , по которым определяют минимально допустимую толщину стенки, рассчитывают по формуле:

S¢max = sо/ Pmax ,

где  sо – расчетное напряжение в стенке трубы, МПа, для классов эксплуатации 1–5, определяемое по правилу Майнера; Pmax – максимальное рабочее давление – 0,4; 0,6; 0,8 или 1,0 МПа.

Расчетные серии для труб класса «ХВ» S¢ХВ определяют по формуле:

S¢хв = MRS/(C× MOP),

где   MRS –  минимальная длительная прочность, МПа; C – коэффициент запаса прочности; MOP – максимальное рабочее давление, МПа, при t = 20 °C.

При расчете S¢max и S¢хв  округление производят в меньшую сторону до ближайшего значения серий S, указанных в табл. 4.

Таблица 4. Стандартное размерное соотношение SDR и соотвествующие серии труб S (SDR = 2S+1)

Значения расчетного напряжения sо ,  s s  ,  и максимальных расчетных серий S¢max и S¢хв  также указаны в  стандарте (ГОСТе) для напорных труб из термопластов. Минимальные значения коэффициента запаса прочности труб при t = 20 °C в течение 50 лет при статическом давлении воды приведены в табл.5.

Таблица 5. Коэффициенты запаса прочности для труб из полимерных материалов

Таким образом, выбор труб для соответствующего класса эксплуатации  проводят при известном максимальном давлении в системе по значениям SDR согласно методикам, приведенным в том же ГОСТе, а значение MRS декларируется поставщиком труб. После выбора SDR определяется толщина стенки трубы и можно произвести гидравлический расчет по методикам, приводимым в СП 40-102-2000 и «Таблицам гидравлического расчета напорных и безнапорных трубопроводов из полимерных материалов» А.Добромыслова.

Обычно на практике используют трубы с SDR 6–13,6. Многослойные трубы выбираются согласно ГОСТ Р 53630-2009 (22010-06-01) и рекомендациям изготовителей. Причем в настоящее время на рынке появились полимерные материалы трубных марок с более высокими значениями MRS. Для полипроипилена PP-R она составляет 8 и 10 МПа, PP-RCT – 11,2 МПа, полибутена РВ – 12,5  и РВ – 14 МПа, РЕ-Х – не менее 8 МПа, полиэтилена с повышенной термостойкостью PE-RT – 8 и 10 МПа. Методика и примеры расчета несущей способности трубопровода из полимерных  материалов приведены в упоминавшихся выше ГОСТах.

При проектировании и выборе вида труб следует учитывать, при каких температурах и давлениях теплоносителя будет работать трубопровод, пределы их колебаний и продолжительность воздействия. Поскольку максимальные температуры и давления в трубопроводах  действуют не постоянно, то это обстоятельство дает некоторый запас длительности эксплуатации трубопровода.

Практика показывает, что возможно поступление во внутреннюю систему трубопроводов теплоносителя с температурой, превышающей приведенную в табл. 1. Это приводит к преждевременном разрушению трубопроводов. Поэтому необходим контроль корректной работы приборов и автоматики терморегулирования в тепловых пунктах.

Особенности полимеров

Одно из требований к материалу труб – стойкость к воздействию хлора, который в последние 100 лет стал одним из самых распространенных, практически универсальным средством обработки питьевых и сточных вод. Причем помимо дезинфекции, благодаря окислительным свойствам и консервирующему эффекту, этот элемент обеспечивает контроль органолептических параметров, предотвращает рост водорослей, удаление железа и марганца и сероводорода.

Схемы очистки  и обеззараживания воды должны обеспечивать соответствие ее критериям, лежащим в основе норм СанПиН 2.14.1074-01, по которым сертифицируются полимерные трубы для транспортировки воды.

Исследования и опыт эксплуатации показали, что воздействие растворенного в ней хлора на такие трубы не  приводит к изменению их физико-химических характеристик, и при этом качество воды соответствует санитарным нормам.

Другая особенность полимерных материалов, делающая их нежелательными прежде всего для трубопроводов закрытых систем теплоснабжения – диффундирование через них компонентов воздуха и, прежде всего, кислорода. Повышение его концентрации в подпиточной и сетевой воде ускоряет коррозию в нагревательной поверхности котлов. Причем именно в закрытых  системах теплоснабжения при рециркуляции происходит постепенный рост концентрации кислорода. Нормативными документами установлена максимальная кислородопроницаемость труб – не более 10-4 кг/(м3 /сут).

Для защиты от диффузии кислорода стенки пластмассовых труб изготавливают многослойными с введением в качестве противодиффузного барьера прослоек из алюминия или полимера – этилвинилового спирта (EVOH).

Слой из алюминия толщиной 2–4 × 10-4 м не только предотвращает проникновение кислорода в транспортируемую по трубам воду, но и значительно уменьшает линейное тепловое  расширение полимерных труб. Например, для труб из PB оно составляет 0,13 мм/м °С; PVC-C – 0,07; PE-X – 0,2; PE-RT – 0,2; PP-R – 0,15. Прослойка из алюминия уменьшает коэффициент линейного теплового расширения до 0025–0,030. Причем для компенсации теплового расширения полимерных труб используют компенсаторы, необходимость в которых отпадает при использовании труб с армирующей прослойкой.

Как хорошо известно, большинство полимерных материалов не только пластичны при сравнительно невысоких, некритичных не только для стали, но и для меди температурах, но и горючи. Причем при их термическом разложении выделяются токсичные газы.

Поэтому требования к пожарной безопасности труб и соединительным деталям из термопластов, используемых в системах водо- и теплоснабжения, должны соответствовать указанным в СНиПах 2.04.01 и 21-01 и детализированы в справочнике «Монтаж внутренних санитарно-технических трубопроводов из полимерных материалов» (В. Ромейко, В. Бухин и др.).

Кислородный индекс составляет для PVC-C – 60; PVC-U – 45 и для PE,  PE-X, PE-RT, PP-R –18. Поэтому с учетом содержания в воздухе 21 % кислорода поливинилхлоридные материалы можно отнести к категории самозатухающих – не плавятся, не образуют горящих капель и не поддерживают горение. При этом температура воспламенения составляет: PE – 300; PP-R –325; PVC – 482 и, сравнительно, 210 °С – дерево.

Трубы из полипропилена и  хлорированного поливинилхлорида относятся к жестким и используются для периметрального монтажа, аналогично стальным. При монтаже трубопроводов из полимерных материалов вне сантехнических шахт используют скрытую прокладку в штробах или полых плинтусах. Трубы из сшитого, термостойкого  полиэтилена, полибутена (рис. 5) и металлопластиковые небольших диаметров – гибкие, и их можно применять для лучевого монтажа и для устройства теплых полов.

Рис. 5. Полибутеновые трубы в системе «теплый пол»

вернуться назад

Читайте также:

Трассопоиск в российских реалиях

Как снизить затраты в системе водоснабжения

Реформа теплоснабжения: фокус на энергоэффективность

Белоснежные стальные панельные радиаторы HITERM с нанокерамическим покрытием