ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ ТРУБ, АРМИРОВАННЫХ СТЕКЛОВОЛОКНОМ, ДЛЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ
О. В. Козлов, руководитель технического отделакомпании «Альтерпласт»
В системах холодногои горячего водоснабжениядля транспортировки воды используюттрубы, выполненные из полипропилена (ГОСТ Р 52134–2003 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия»).Основные недостатки полипропиленовых (PPR)труб известны:
– низкая температура эксплуатации до 90–95 °С;
– высокий линейный температурный коэффициент расширения Кр = 0,15 мм/м °С.
Рассмотрим подробнее эти недостатки. На фоне общемировой тенденции повышения энергоэффективности и, соответственно, снижения температуры теплоносителя низкая температура эксплуатации полипропиленовых труб в настоящий момент уже не является определяющим недостатком.
Втораяпроблема более многоплановая. Высокий линейный температурный коэффициент расширения трубы Kр определяет общее удлинение трубы при изменении температуры теплоносителя. Например, мы монтировали трубу приТ = 20 °С, а затем подключили эту трубу к системе отопления с Т теплоносителя равной 90 °С. Температура самой трубы в таком случае изменилась на 70 °С и, соответственно, один метр полипропиленовой трубы удлинится на 10,5мм (Кр = 0,15 мм/м °С).
Для компенсации температурного расширения в системахиз PPR-трубиспользуются компенсаторы различнойконструкции:п-образные, кольцевые, сильфонные и т. д. Применение компенсаторов ведет к некоторомуповышению стоимостисистемводоснабжения и отопления на базе PPR-труб, а также усложняет работы по их монтажу и обслуживанию. Это также увеличиваетмассово-габаритные характеристики системы, осложняяих монтаж в существующих жилых и промышленных зданиях.
Актуальным путем решения этой задачи является снижение коэффициента линейного расширенияКр труб, например,армированием труб материалами с минимальными значениями коэффициента расширения Кр. Применяя в качестве основы для армирования материалы с разными физическими свойствами, можно получить PPR-трубы с различными коэффициентами Кр. В итоге выборматериала для армирования труб зависит от требуемых физико-механических, экономических, эстетических и гигиеническиххарактеристик готовой трубы.
Последние десятилетия ведущими мировыми производителями в системах горячего водоснабжения и отопления в качестве армировочного материала используется алюминиевая фольга (Кр алюминия = 0,022 мм/мК).
Фольга размещается вблизи поверхности трубы, аповерх фольгинаносится слой полипропилена,защищающийалюминиевую фольгу от механических повреждений и дополнительнопридающий изделиюэстетичныйвнешний вид.Коэффициент Кр линейноготепловогорасширениятруб, армированных алюминием, в 5 раз ниже,чем у не армированныхполипропиленовых труб и составляет0,03 мм/м·°С.Важным фактором для систем отопления является то, что алюминиевая фольга служитдополнительным барьерным слоем, препятствующим диффузии кислорода из окружающей среды в теплоноситель.
Несмотря на это, алюминиевый армирующий слой в полипропиленовых трубах усложняет монтажсистем водоснабжения и отопления.Перед монтажом ихнеобходимозачищать, снимая с трубы часть алюминиевой фольги. Это связано с тем, что монтажполипропиленовой трубы и фитинга, произведенного из того же материала, что и труба,осуществляется диффузионной сваркой. Для труб, армированных алюминием в центре, процедура зачистки не нужна. Однако при монтаже таких труб приходится использовать специальный инструмент для предотвращения контакта алюминиевой фольги с теплоносителем. Это торцеватель и/или специальная сварочная насадка (например, сварочная насадка по патенту № 96523 «Альтерпласт»).
Технология производства армированных труб такова, что в качестве скрепляющего материала между алюминиевой фольгой и полипропиленом применяется специальный клей. Это усложняет процесс производства армированных полипропиленовых труб и увеличивает вероятность получения некачественной продукции при нарушении технологии или использовании бракованного клея.
Совсем недавно в ассортименте большинства ведущих производителей полипропиленовых труб появиласьновая труба, состоящая из трех слоев. В этой трубе внутренний и наружныйслоивыполнены из полипропилена, а средний– из смеси полипропилена и добавки в виде фиброволокон,стабилизирующейлинейноетемпературное расширение полипропиленовой трубы. Фибра из стекла (или стекловолокно) обладает низкимзначением коэффициента Кр – 0,009 мм/м °С.Стекловолокноприменяется давно для армирования строительных растворов на основе цемента. Стекловолокна обладают высоким пределом прочности при различных нагрузках. Для сравнения: предел прочности стекловолокна при растяжении в три раза выше, чем у стали. Таким образом, при сочетании в одном изделии таких свойств, как эластичность полипропилена и прочность стекловолокна,обеспечивается передача растягивающих напряжений и деформаций от полипропилена на стекловолокну, обеспечивая тем самым снижение значения коэффициента Кр трубы.
Казалось бы, стекловолокно является идеальным составом при использовании его в качестве материала для армировки PPR-труб. Однако оно имеет один недостаток – хрупкость. Инженеры нашли отличный способ решения этой проблемы. Армирование стекловолокном PPR-труб решили производить в середине между внешним и внутренним слоями полипропилена. То есть получается трехслойная труба PPR/PPR-GF/PPR(где GF– glassfiber, стекловолокно).
Важным условием является также добавление в центральный слой вместе со стекловолокном полипропилена. Наличие полипропилена в среднем слое трубы, с одной стороны, является своеобразным наполнителем несущим материнским материалом (как бетон для стальной арматуры в строительстве), который позволяет развернуться волокнам фибры, образуя в среднем слое материал с единой армированной структурой и постоянными для данного слоя макросвойствами. А с другой стороны, обеспечивает условия для создания прочной молекулярной связи между собойвсех трех слоев трубы.
Поскольку коэффициент,получаемый при армировании трубалюминиевой фольгой,обеспечивает удовлетворительные с точки зренияэксплуатации характеристики, задачейявляетсяармированиеполипропиленовой трубы таким образом, чтобы наличиеармирующего слоя не приводило к усложнению процесса монтажа систем по сравнению с монтажом на основе труб без армирующего слоя. Но при этом значение коэффициента линейного температурногорасширения армированной трубы должно быть по возможности минимально и близкок значению этого коэффициента для труб, армированных алюминиевой фольгой.
Важной задачей при массовом производстве труб, армированных стекловолокном, является соблюдение стабильности показателя коэффициента линейного температурногорасширения труб Kpот партии к партии, от диаметра к диаметру. Это важно с точки зренияее последующего применения и эксплуатации. Однако, если для всего разнообразия труб, армированных алюминием, вопрос стабильности значения коэффициента температурного расширения различных производителей и разных диаметров решается сам собой, то для трубы армированной стекловолокном это не так. Линейное расширение Кр труб разных производителей колеблется в диапазоне0,035–0,05 мм/м °С. При последующем применении и эксплуатации это достаточно существенный разброс по значениям Кр.
Усугубляет ситуацию тот факт, что ни один производитель не предоставляет достоверных данных о реальных параметрах Кр. Давайте хотя бы ориентировочно разберемся в сути этой задачи.
Параметрами, определяющими значение Kpдля труб, армированных стекловолокном, являются:
– процентное содержание стекловолокна в среднем слое;
– значение толщины среднего слоя.
Качество стекловолокна, или, точнее,линейные размеры частиц стекловолокна, серьезного влияния на значение Kpне имеют. Это связано с тем, что характерный диаметр элементарныхстекловолокон –13 мкр, а характерная длина волокна редко может быть менее 0,5 мм (а это порядка 40 калибров по диаметру), что вполне допустимо для армирования. Между тем настоящее время, часть производителей вводят новое понятие «армирование длинными волокнами», не изменяя технологию производства и не раскрывая точных данных длины этих волокон.
Используемые всистемахводоснабжения и отопления трубыимеютразмеры, зафиксированные стандартами (ГОСТ Р 52134–2003).Стандартизация размеров, в том числе толщины труб, приводит к необходимости решения задачи оптимизации содержания стабилизирующей добавки и соотношения толщины среднего слоя трубы с толщиной ее наружного и внутреннего слоев.
Количество слоев выбрано из следующей логики: внутренний и наружный слои трубы не должны содержать добавок из фибры:
– для внутреннегослоя это вызвано необходимостьюобеспечить гигиеническую безопасность (исключение проникновения фибр втранспортируемую воду)иизносостойкость труб, которая должна обеспечивать эксплуатацию системы водоснабжения или отопления в течение заявленного срока;
– длявнешнего слоя – исходя из необходимостипроведения монтажа без нарушения целостности срединного слоя, обеспечения прочности сварки полипропиленовой трубы и полипропиленовых фитингов.
На рис. 1 представлена конструкция трехслойной трубы для систем водоснабжения и отопления, армированной стекловолокном.
Рис. 1. Сечение трехслойной трубы, армированной стекловолокном, для систем водоснабжения и отопления
1 – труба; 2 – внутренний слой трубы; 3 – средний слой трубы; 4 – наружный слой трубы
Обозначимпараметры трубы следующим образом:
∆Х – толщина стенки трубы;
α– внутренний диаметр трубы 1;
β–диаметр трубы 1 (или DN);
γ – толщина внутреннего слоя 2;
δ – толщина среднего слоя 3;
ε – толщина наружного слоя 4.
Из требования регулярности и повторяемости характеристик трубы, вчастности, линейного расширениядля разных диаметров трубследует:
δ/ (γ+ ε) = const= K.
Из требования ГОСТ Р 52134–2003:
β/∆Х = SDR,
причем для PN25SDR= 5, для PN20 SDR= 6, для PN10 SDR= 7.4 и т. д.
∆Х= δ+ γ+ ε, по определению.
Тогда δ= ∆Х х К/(1 + К) = β/SDRх К/(1 + К) = DN/SDRх К/(1 + К).
Определим граничные условияна толщину внутреннего слоя γ.
Согласно имеющимся данным об испытаниях полипропиленовых труб,износ полипропилена для водно-песчаных смесей может составлятьменее 0,2 мм за 1000 циклов испытаний. С течением времени истираемость материала падает и в результате не может составить более 0,5 мм за 50 лет. Ошибку по овальности внутреннего слоя трубы определим как 0,5 мм. Полученная минимальная базовая толщина внутреннего слоя0,7 мм. Эта толщина определена для всех труб разного диаметра и PN.
Определим граничныеусловия на толщину ε.
Рассмотрим частное решениена примеретрубыDN20 PN20. Для трубы DN20 PN20общая толщина стенки составляет 3,4 ±0,3 мм, внутренний диаметрфитинга составляет 19,2 мм, максимальный диаметр трубыDN20по ГОСТ Р 52134–2003 составляет 20,3 мм.Отсюда следует, что толщина внешнего слоядолжна быть не менее 0,5 мм. С учетомвозможного значения несоосности (до 3 угловых градусов) фитинга и трубы необходимо задать допустимое отклонение по толщине внешнего слоя – до 0,8 мм (длина сварочного пояска муфты, умноженная на sin3°). Исходя из сказанного, минимальная толщина внешнего слоя длятрубы DN20должна быть более 0,8 мм.
Определим численные значенияграниц δ/∆Х, γ = 0,7, ε = 0,8. Для SDR= 5,δ/∆Х = 0,625, при SDR = 6 δ/∆Х = 0,53, SDR = 7,4 δ/∆Х = 0,445. Например, дляSDR = 6 (DN20 PN20)δ = 1,8 мм.
Процентное соотношение в среднем слое армирующего волокнаиполипропиленазависит от нескольких причин. Имеется ограничение, т. к. смесь должна проходить через экструдер, обеспечить качественную внутреннюю поверхность трубы и свариться с внешним и внутренним слоем трубы. С другой стороны,количество добавки должно обеспечивать требуемое значение коэффициента линейного температурного расширения.
На рис. 2 представлен график зависимостикоэффициента линейного температурного расширениядлятрубы, средний слой которой содержит смесь полипропилена истекловолокна, при δ/∆Х = 0,5.
Рис. 2
Переложив зависимость по графику на рис. 2 вкоординатные осиδ/∆Х и процентное содержание стекловолокна в среднем слое получаем эпюры переменных толщины слоя и содержания стекловолокна при постоянных значениях коэффициента линейного температурного расширения трубы рис. 3.
Рис. 3
Изприведенного на рис. 3. графикаследует, что область, в которой коэффициент линейного температурного расширения трубы находится в расчетныхграницах Кр = 0,03…0,05 мм/м °C, значенияδ/∆Х от 0,3 до 0,6и содержание в среднем слое добавки, стабилизирующей коэффициентлинейного температурного расширения трубы,в диапазоне от 15 до 30 % для стекловолокна.
Необходимо отметить, что погрешность по наружному диаметру трубы PN20 DN20 на 0,2 ммδ/(∆Х + 0,2) = 0,51, приведет к отклонению Кр трубы ориентировочно на 4 %. Погрешность в толщине среднего слоя на эту же величину 0,2 мм0,2/∆Х = 0,2/3,4 = 0,05 приведет к изменению Кр ориентировочно на 8 %.
Таким образом, неверным является утверждение о том, что параметр Кр зависит только от количества стекловолокна в армирующем слое трубы. Важна также и толщина слоя, в котором это стекловолокно распределено. Приведем пример. У трубы, армированной алюминиевой фольгой, и у трубы, армированной алюминиевыми опилками, будут принципиально разные значения коэффициента Кр.Разброс значения коэффициента Кр для труб, армированных стекловолокном, может составлять (даже для одного производителя) более 10 %, не говоря уже о продукции разных производителей. В связи с этим при проведении практических расчетов количества компенсаторов для трубы, армированной стекловолокном, лучше принимать значение коэффициента Кр, равным 0,05 мм/м °C.
Вышеприведенный анализ близок по смыслу и данным к патенту № 92931 (RU) «Труба пластиковая многослойная для систем водоснабжения и отопления», патентообладатель ООО «Альтерпласт».
