Аква-Терм
веллонс
gekon17

Пластик трубы для холодной воды

В последние десятилетия термопластовые, полимерные или пластмассовые трубы все увереннее теснят металлические и керамические аналоги. И если в системах теплоснабжения они пока неконкурентны в высокотемпературных контурах, то в трубопроводах бытового водоснабжения положительные аспекты применения представляются неоспоримыми.

Пластмассовые трубы, как правило, дешевле металлических. Они имеют меньшие гидравлические потери за счет большей гладкости стенок внутри, практически не корродируют (сроки эксплуатации – 50 лет и более) и обычно выдерживают даже неоднократные разморозки (рис. 1). Наконец, системы из них значительно проще монтировать. Но у термопластов есть три существенных недостатка: во-первых, температурные ограничения; во-вторых, возможность диффузии кислорода; в-третьих, меньшая, по сравнению со сталью, прочность.

Рис.1. Термопласты для горячей и холодной воды

Термопласты для горячей и холодной воды

Первые два «минуса» критичны лишь для систем теплоснабжения. И в этой области уже наработан соответствующий практический, технологический и нормативно-технический потенциал. Он раздвинул допустимые границы применения термопластовых труб и фасонных изделий из них.

К «плюсам», которые в то же время являются и «минусами» стальных труб, можно отнести возможность использовать их в сетях как холодного, так и горячего водоснабжения – фактически такие трубы в холодном водоснабжении (ХВС) имеют избыточные прочностные характеристики. Никто, конечно, не запрещает монтировать сети ХВС из армированных полимерных труб. И в ряде случаев это необходимо. Но большинство таких систем не нуждается в повышенной прочности и теплостойкости. Именно в этом сегменте рынка полимерные трубы оказываются предпочтительнее металлических и керамических по целому ряду показателей.

Термопласты, пластмассы или полимеры

Динамика развития рынка полимерных труб за последние 10–12 лет в России показывает, что рост их потребления составляет в среднем около 400 %. При этом для полиэтиленовых (PE) труб – более 350 %, а труб из поливинилхлорида (PVC) – более 250 %. При этом свыше половины полимерных труб используется в сетях водоснабжения.

Свойства полимеров определяются их молекулярной массой и структурным строением и зависят от количества мономерных звеньев, типа и количества радикалов, которые замещаются, и т. д. Увеличение молекулярной массы приводит, с одной стороны, к улучшению механических свойств материала, а с другой – к значительному увеличению вязкости расплава, что усложняет переработку полимера. Основа термопластичных полимеров – 4-валентный углерод и его группы СН2 и СН3. Одним из способов регулирования свойств термопластов и передачи им необходимых характеристик является сополимеризация.

Для изготовления труб и соединительных деталей к ним используют такие термопласты: полиэтилен, в частности высокого и низкого давления, сшитый полиэтилен, полипропилен, полипропилен, армированный алюминием, полибутилен, поливинилхлорид и др. Термопласты хорошо перерабатываются в изделия: трубы – методом экструзии, соединительные детали к трубам – литьем под давлением.

Сшитый полиэтилен (PEX) относят к термопластам условно, так как после завершения процесса сшивки он превращается в материал, который не может быть повторно переработан, однако может свариваться.

В исходное сырье, из которого изготовляют пластиковые трубы и соединения, добавляют различные наполнители, в частности красители, которые придают изделиям цвет: черный (PE), серый (полипропилен (PP)), розово-желтый (PVC).

Цвет труб характеризует также их функциональное назначение: голубой, синий цвет или продольные полосы такого цвета на внешней поверхности труб – для систем ХВС, белый – для систем горячего водоснабжения и отопления, красный — для систем напольного отопления. Желтый цвет применяют лишь для труб и соединений систем газоснабжения.

Привычный необычный полиэтилен

Полиэтилен – получают полимеризацией продуктов переработки нефти. Его (без ответвлений от углеродной цепи) называют линейным.  Степень полимеризации для разных полимеров колеблется в пределах от одной тысячи до сотен тысяч. На основе линейной структуры выпускали полиэтилен PE63.

Видовой ассортимент этилена может быть расширен путем создания его сополимеров с другими мономерами. Ответвление от цепи, которое состоит из двух атомов углерода, образует сополимер этилена с бутиленом, известный как полиэтилен PE80. Ответвление в четыре атома углерода при сополимеризации этилена характерно для полиэтилена PE100, а ответвление в шесть атомов образует полиэтилен торговой марки LPE.

Для замедления старения материала и защиты его от солнечного ульрафиолета, отрицательно влияющего на долговечность полимеров, в  PE добавляют светостабилизаторы, в частности углерод (до 2,5 %). Он придает изделиям традиционный черный цвет.

Изменяя давление и температуру (P ~ 1000–2000 бар, t~ 100–300 °С) при полимеризации получают PE высокого, среднего (P = 50 бар, t = 150–180 °С, низкого (P =10 бар, t = 20–75 °С) давления. Другая классификация полиэтилена связана с его плотностью: низкая – 0,910–0,925 г/см3, средняя – 0,926–0,940 г/см3, высокая – 0,941–0,965 г/см3.

Под РЕХ понимают полиэтилен, у которого высокомолекулярные линейные участки макромолекул по определенной технологии соединяются (сшиваются) между собой поперечными связями с созданием трехмерной сетчатой структуры. При этом РЕ считается единственным из термопластических материалов, способных к сшиванию молекулярных цепочек в сетчатую структуру.

РЕХ, по сравнению с обычным, более стоек к воздействию высоких температур и сохраняет при этом повышенные механические свойства. Он характеризуется более низкой термоусадкой. Благодаря сшиванию, улучшаются такие показатели, как продолжительная прочность, химическая устойчивость, стойкость к растрескиванию, стойкость к ударам и морозоустойчивость. Но в большинстве случаев применение PEX в сетях водоснабжения нерационально.

Полиэтилен LPE разработан компанией Dow Chemіcals (США). Трубы из LPE предназначены для установки в системах холодного и горячего водоснабжения. Предельные температуры применения труб из LPE при давлении 0,6 Мпа – от –40 до 70 °С. Допускается кратковременное повышение температуры транспортируемой среды до 95 °С.

В ряду PE63, 80, 100 происходит увеличение молекулярной массы и плотности, что приводит к улучшению физико-механических свойств полиэтилена: возрастает прочность на разрыв, разрывное удлинение, длительная прочность, теплостойкость, стойкость к растрескиванию под нагрузкой. Трубные полимерные материалы, в частности, характеризуются гидростатической прочностью. 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 при температуре 20 °С в течение 50-ти лет. Такой важнейший для инженерных систем параметр возрастает от PE63 до  PE100 на 60 %.

При монтаже трубы из PE чаще всего соединяются сваркой (с муфтами или встык). Причем PE100 сваривается очень надежно, но для его плавки требуется более высокая температура. Равномерность расплавки и застывания материала с более упорядоченной кристаллической решеткой обеспечивает большую равномерность и прочность сварного шва.

Таблица 1. Физико-химические характеристики полиэтилена высокого давления

        Показатель

   Единица измерения

          Значение

Плотность

кг/м3

910–920

Граница текучести при растяжении

МПа

9–20

Относительное удлинение при разрыве

%

100–800

Модуль упругости

МПа

100–200

Температура плавления

°С

103–110

Коэффициент теплопроводности

Вт/м•К

0,33–0,38

Трубы из PE  имеют и ряд других положительных свойств (табл. 1). Так, трубопроводы на основе труб  из РЕ служат значительно дольше, чем металлические, бетонные или чугунные трубы. Срок эксплуатации для первых может составлять около 50-ти лет. На практике в качестве сырья при производстве труб используется полиэтилен низкого и высокого давлений (рис. 2),

Рис.2. Трубы из PE100

Трубы из PE100

соответственно имеющий и различные физические характеристики (табл. 2).

Таблица 2. Физико-химические характеристики полиэтилена низкого давления

      Показатель

   Единица измерения

         Значение

Плотность

кг/м3

940–960

Граница текучести при растяжении

МПа

Относительное удлинение при разрыве

%

до 1200

Модуль упругости

МПа

400–600

Температура плавления

°С

125–137

Коэффициент теплопроводности

Вт/м•К

0,42–0,52

Трубы из PE при контакте с водой и в агрессивной среде не поддаются коррозии.

Удельный вес 1 пог. м трубы из РЕ в четыре раза меньше, чем металлической, чугунной или керамической, а складирование и транспортировка возможны в бухтах. Стандартный размер труб из PE – Æ 20–110 мм, длина в бухтах– 50–1000 м.

Такая упаковка значительно сокращает время работы при монтаже трубопровода и количество расходного материала.

Сварочные работы проводятся встык, что позволяет значительно сократить затраты на них по сравнению со сварочными работами на трубах из металла. Использование терморезисторных фитингов также упрощает процесс соединения труб из PE.

А обучение сварке полимерных трубопроводов длится значительно меньше, чем подготовка сварщиков по металлу. Стыки на трубах из PE не требуют расхода других материалов (электроды, изоляция и т. д.). Существенно и то, что трубопровод из PE можно многократно перемонтировать без потери качества соединения и общей надежности конструкции. Трубы из PE при необходимости легко перерабатываются и утилизируются. Такой трубопровод может укладываться протягиванием – трубы гибки при плюсовой температуре, эластичны, не разрушаются при возможных подвижках грунта.

Очень важно, что гладкая внутренняя поверхность трубы позволяет при сохранении гидравлических свойств трубопровода использовать меньший диаметр трубы. Это снижает финансовые расходы на прокладку трубопровода.

В трубопроводах из PE уменьшается риск гидравлического удара, который может возникнуть вследствие низкой упругости применяемого материала.

Полипропилен

Трубы из полипропилена (PP) применяются преимущественно в системах холодного и горячего водоснабжения (рис .3),

Рис.3. Трубы и фитинги из полипропилена

Трубы и фитинги из полипропилена

а также водоотведения (табл. 3).

Таблица 3. Физико-химические характеристики полипропилена

       Показатель

   Единица измерения

    Значение

Плотность

кг/м3

910–930

Граница текучести при растяжении

МПа

27–30

Относительное удлинение при разрыве

%

200–800

Модуль упругости

МПа

900–1200

Температура плавления

°С

175–180

Коэффициент теплопроводности

Вт/м•К

0,16–0,22

Для этого полимера характерна высокая устойчивость к многоразовым изгибаниям и стиранию. По сравнению с  PE   PP характеризуется повышенной устойчивостью к поверхностно-активным веществам. Он стоек к отрицательным температурам до –25 °С. Но PP трубы из PP менее гибки по сравнению с трубами из PE,  потому их не удается изгибать до минимальных радиусов при устройстве систем напольного отопления.

Трубопроводы из РР в России начали применять примерно сорок лет назад, а в середине 80-х гг. 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.

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.

Прочны и негорючи

Поливинилхлорид  (PVC) – один из наиболее давно известных полимеров, превосходящий все другие по разнообразию возможностей переработки и применения. К преимуществам PVC относятся широкие возможности его модификации разнообразными добавками. Но в чистом виде этот полимер обычно не используется, так как это крайне нетермостабильный материал, который под действием высоких температур начинает интенсивно деполимеризоваться с выделением хлористого водорода, хлористого винила, окиси углерода и других соединений.

Поэтому PVC в трубах – это  композиция из полимера и разнообразных добавок. Поэтому смеси на его основе обычно классифицируют как жесткий и пластифицированный (эластичный) материал. Жесткий PVC обычно называют непластифицированным. В его составе – стабилизаторы для повышения способности материала к переработке при повышенных температурах, модификаторы для увеличения стойкости к различным нагрузкам при эксплуатации, наполнители, повышающие стойкость к воздействии внешних факторов (атмосферостойкость, морозостойкость и т. д).

В зависимости от способа полимеризации различают суспензионный, эмульсионный PVC. Для производства пластмассовых труб используют суспензионный PVC. Степень полимеризации, молекулярная масса характеризуется константой Фикентчера К, величина которой связана с вязкостью полимера. С ростом К увеличиваются вязкость расплава, теплостойкость и улучшаются физико-механические свойства.

Главные качества PVC в строительстве: износоустойчивость, механическая прочность, жесткость, небольшая масса, устойчивость к коррозии, меньшая чувствительность к УФ излучению. Трубы из PVC имеют высокую длительную прочность, повышенный модуль упругости (до 3000–3500 МПа), низкую проницаемость по отношению к жидкостям, парам и газам. PVC – самозатyхающий материал, поскольку наличие атомов хлора сдерживает процесс горения.

 Такие трубы широко применяется в водосточных и канализационных системах. Но при низких отрицательных температурах PVC хрупок, его ударная прочность невысока. Впрочем, введение в композицию ударопрочных добавок позволяет производить трубу с более высокими физико-механическими показателями.

Армирование

Для повышения прочности, снижения линейного термического расширения пластмассовых труб многие производители сегодня предлагают так называемые армированные трубы (в их число включают и металлопластиковые, но они не рассматриваются в данной статье). Упрочение достигается за счет введения в стенку трубы (или в один из ее слоев) углеродного или стекловолокна.

В углепластиках наполнителем служат углеродные волокна. Их получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и др. Термическая обработка волокна осуществляется обычно в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С). Она приводит к образованию волокон с высоким содержанием (до 99,5 % масс.) углерода.

Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков –  термопластичные полимеры. Основным преимуществом углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и в то же время прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют очень низкий коэффициент линейного расширения.

Когда нельзя клеить или сваривать

Фитинги из термопластов используются для соединения труб, в частности, при необходимости коммутирования несвариваемых (например, из РЕХ) материалов. Но в принципе это лишь один из видов соединений. Ведь и стальные трубы можно соединять по различным технологиям. Причем выбор той или иной обуславливается целым рядом обстоятельств. Наиболее распространены фитинги из PP. Они монтируются с помощью профессионального сварочного инструмента. Всем известно, что трубы из PP не гнутся. Любое изменение направления должно происходить с помощью уголка, тройника либо другого пластикового фитинга. Пайка таких фитингов надежна и долговечна. Трубы с ними можно использовать в системах централизованного отопления и водоснабжения, а так же автономных систем. Пластиковые фитинги могут выдерживать высокое давление, максимальные температуры и плохое качество теплоносителя. Они устойчивы к воздействию ряда химикатов.

Пластиковые фитинги для труб из  PP соединяются путем пайки (сварки). Такое соединение считается надежным. Его недостаток – невозможность «прятать» такие соединения в стяжку пола или стены. Компрессионные фитинги соединяться с помощью зажима ключом. Фитинги с натяжной гильзой считаются самыми надежными, но они и относительно дороги. Часто используются для традиционно несвариваемых труб – из РЕХ и металлопластиковых. Существуют и принципиально новые типы фитингов, позволяющие производить быстрое, надежное и демонтируемое соединение труб в один «клик» – push-фитинги (рис. 4). В них используется, в частности, поливинилсульфон, а их конструкция относительно сложна.

Рис. 4. Push-фитинги на выставке «Аква-Терм»

Push-фитинги на выставке «Аква-Терм»

Статья из журнала "Аква-Терм", № 1/ 2017


Опубликовано: 24 апреля 2017 г.

вернуться назад

gkh
шидель новый
a-t-2018

Вверх