ОСОБЕННОСТИ ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ (PPR) ТРУБ, АРМИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕМ

О. В. Козлов, технический директор компании «Альтерпласт»

Мировое производство и потребление пластиковых труб ежегодно возрастает примерно на 20 %. Это обусловлено очевидными преимуществами в монтаже и эксплуатации пластиковых труб по сравнению со стальными.

Полипропилен (PPR) более долговечен, более устойчив к воздействию повышенной температуры и химических веществ, чем другие традиционные материалы, применяемые для производства труб. Ввиду отсутствия ржавчины, коррозии, распада, гниения, грязи, бактерий, известковых отложений внутренний диаметр полипропиленовых труб в процессе эксплуатации не уменьшается, а шероховатость поверхности не возрастает, таким образом, пропускная способность остается стабильной.

Благодаря своим неоспоримым преимуществам, трубопроводы из полипропилена  широко применяются для систем отопления и водоснабжения в сфере строительства и ЖКХ. По сравнению с металлами, полимеры вообще и полипропилен в частности обладают большим тепловым линейным расширением и кислородопроницаемостью.

Для снижения теплового линейного расширения и предотвращения диффузии кислорода в теплоноситель полипропиленовые трубы армируют алюминиевой фольгой. Приведем некоторые характеристики, актуальные в связи с темой данной статьи:

– линейное температурное расширение полипропиленовой трубы К_р = 0,15 мм/мК;

– линейное расширение алюминия К_р = 0,022 мм/мК;

– линейное расширение полипропиленовой трубы, армированной алюминием, К_р = 0,03…0,05 мм/мК;

– кислородопроницаемость полипропиленовых труб – около 2 г/м³·cут. [1];

– полимерные трубы, применяемые в системах отопления совместно с металлическими трубами (в том числе в наружных системах теплоснабжения) или с приборами и оборудованием, имеющим ограничения по содержанию растворенного кислорода в теплоносителе, должны иметь кислородопроницаемость не более 0,1 г/м³∙сут. [2, п. 6.4.1].

Маркировка армированной алюминием трубы

Раньше армирование осуществлялось следующим способом: на стандартную базовую трубу PN20 наносился клей, а на него накладывался слой алюминиевой фольги, края которой заходили друг на друга «внахлест». Поверх алюминиевой фольги вновь наносился слой клея и к нему крепился тонкий слой полипропилена, выполнявшего декоративную функцию. Получавшиеся таким способом трубы позиционировались производителями для монтажа систем низкотемпературного и высокотемпературного отопления (класс эксплуатации 3–5) и маркировались индексом PN20, поскольку такой же номинал имела базовая труба, на которую накладывался слой алюминия.

Необходимой операцией при диффузионной сварке армированных алюминием труб с фитингами является процедура зачистки, в процессе которой с трубы в месте сварки удаляется часть фольги.

Поскольку при монтаже использовались, как правило, фитинги номиналом PN20, а место сварки зачищалось до размеров базовой трубы, вполне логично, что армированная труба маркировалась как PN20 (SDR = 6).

Однако в результате продолжительных теоретических споров, подкрепленных практическими испытаниями, трубу, армированную алюминием, стали маркировать номиналом PN25 (SDR = 5). Такое изменение выглядит логично (и согласуется с ГОСТ Р 52134–2003,п. 5.2.7) – имеется ввиду увеличение суммарной толщины стенки армированной алюминием трубы и изменения таких параметров, как SDR = DN/S, где DN – наружный диаметр трубы; S – толщина стенки трубы; и серии трубы: S = (SDR – 1)/2.

Использование для данной трубы маркировки PN25 справедливо в том случае, если прочность фольги вместе с верхним декоративным слоем полипропилена аналогична материалу базовой трубы PN20, что не вполне очевидно, поскольку, согласно ГОСТ Р 52134–2003, стойкость трубы (испытательное давление) рассчитывается по формуле:

Р= 2S_min · sigma /(D_ср– S_min),

где sigma – начальное напряжение в стенке;

S_min – минимальная толщина стенки;

D_ср – средний наружный диаметр трубы.

Расчет испытательного давления, согласно ГОСТ, производится по размерам базовой трубы, т. е. без учета толщины алюминиевой фольги и защитного полипропиленового слоя. Поэтому при прочностных испытаниях трубы, армированной алюминием, не имеет значения, какая маркировка на нее нанесена – PN20 или PN25.

В настоящее время изготовленная на базе PN20 труба, армированная алюминием, чаще всего маркируется как PN25, и это не вызывает вопросов у потребителя. Однако ряд производителей до сих продолжают маркировать такую трубу индексом PN20.

Считаю, что маркировка PN25 более удобна и понятна. Дело в том, что маркировку PN20 у разных производителей  может иметь армированная алюминием труба, произведенная как на основе базовой трубы PN16, так и на основе базовой трубы PN20. Трубы эти принципиально разные, у нихнеодинаковое рабочее и испытательное давление. Чтобы избежать путаницы, необходимо армированную трубу, произведенную на базе PN20, маркировать как PN25, а трубу, произведенную на базе PN16, – как PN20.

Само собой разумеется, что любой производитель несет прямую ответственность перед потребителем за качество своей продукции и за соответствие ее маркировки реальным характеристикам. Поэтому, заявляя трубу как PN25, производитель фиксирует ряд важных для 5 класса эксплуатации параметров [3, п 5.2, таблица Е.3]: SDR = 5, и, соответственно, серия трубы S = 2; максимальное рабочее давление 8 атм.

Для трубы с маркировкой PN20: SDR = 6; S = 2,5; максимальное рабочее давление 6 атм. (табл. 1).

 

Таблица 1

Максимальное давление теплоносителя в зависимости от серии труб PPR (80) для 5 класса эксплуатации

Максимальное рабочее давление Рм, МПа	Класс 5
0,4	менее 4,8
0,6	менее 3,2
0,8	менее 2,4
1,0

 

Особенности технологии армировки PPR-труб

При армировании полипропиленовых труб алюминиевой фольгой края фольги, как правило, закрепляются на трубе «внахлест». Данная технология применяется для труб PPR большинством производителей, хотя в последнее время развивается технология лазерной сварки краев алюминиевой фольги «встык». Возможность укладки фольги «внахлест» обусловлена необходимостью ее зачистки перед сваркой с фитингом: таким образом, фольга не контактирует с теплоносителем и не влияет на качество сварки трубы и фитинга. Сварка фольги «встык» широко применяется для труб Pex/Al/Pex – это определено конструкцией данного типа трубы (армирующий слой находится в центре) и технологией монтажа.

На ранних этапах развития технологии армирования PPR-труб использовалась сплошная алюминиевая фольга. Она не пропускает кислород в теплоноситель, обеспечивает гладкую внешнюю поверхность трубы. Однако при этом сама фольга обладает абсолютно гладкой поверхностью, и ее надежное соединение со слоями полипропилена затруднительно. Эта особенность фольги предъявляет определенные требования к свойствам клея, а также к температуре и влажности на производстве. Нарушения технологии и отступления от стандартов качества сырья при производстве армированных труб приводят к тому, что молекулы воды проникают сквозь стенку трубы (полипропилен гидроскопичен), однако алюминиевая фольга их не пропускает, и вода скапливается под слоем алюминия, способствуя образованию пузырей на поверхности трубы, вследствие чего изменяется ее внешний вид.

Чтобы избежать образования пузырей на поверхности трубы и разрушения ее верхнего слоя, PPR-трубы в настоящее время армируют перфорированной алюминиевой фольгой, которая имеет равномерно расположенные круглые отверстия (рис. 1). При производстве трубы с перфорированной фольгой полипропилен верхнего декоративного слоя и базовый полипропилен прочно скрепляются между собой по всей поверхности перфорации, как заклепками.

Поскольку перфорированная фольга имеет отверстия, у потребителей нередко возникает законный вопрос: «Какова кислородопроницаемость трубы, армированной перфорированной фольгой?».

Для полипропиленовых труб ТЕВО technics площадь перфорации мала и составляет 2,8 %. Как мы указывали ранее, кислородопроницаемость неармированных полипропиленовых труб ориентировочно равна 2 (г/м³·cут.), а разрешенная проницаемость составляет 0,1 (г/м³·cут.).

Соответственно, армированная перфорированной фольгой PPR-труба имеет ориентировочную кислородопроницаемость 0,056 (г/м³·cут.), что допустимо, согласно СНиП 41-01–2003, п. 6.4.1.

Трубы, центрально армированные

Трубы типа Stabi, о которых шла речь выше, обладали, с точки зрения удобства монтажа, одним недостатком: перед сваркой требовалась зачистка труб, в процессе которой снимались верхний слой алюминия и декоративный слой PPR. Для упрощения процесса монтажа многие производители изготавливают трубу с центральной армировкой алюминиевой фольгой PPR-AL-PPR (рис. 1). При таком способе армирования полностью сохраняются достоинства армированных труб: низкий коэффициент температурного линейного расширения и низкая кислородопроницаемость.

В зависимости от соотношения внешнего диаметра трубы и толщины ее стенки (SDR), труба PPR-AL-PPR может иметь маркировку PN20 или PN25. Если это соотношение равно 5, труба будет иметь маркировку PN25, если SDR = 6 – маркировку PN20.

Недостатком конструкции данных труб является необходимость торцевания краев трубы с целью недопущения контакта алюминиевой фольги с теплоносителем. Результат недобросовестного монтажа показан на примере трубы с центральной армировкой алюминиевой фольгой «внахлест» и проиллюстрирован на рис. 2–4. Монтаж трубы произведен обычной насадкой, торцевание не производилось. В таком случае теплоноситель в процессе эксплуатации под давлением проникает в образовавшееся пространство между слоем армирующего алюминия и полипропиленом (рис. 2), что приводит к образованию пузыря на поверхности трубы. Поскольку верхний слой полипропилена в трубах PPR-AL-PPR тонок, не имеет достаточной прочности и не рассчитан на подобные нагрузки – неизбежно его постепенное разрушение. Через образовавшееся отверстие происходит протечка теплоносителя, что приводит к аварии всего трубопровода (рис. 3, 4).

   

Таким образом, при монтаже труб с центральной армировкой торцевание трубы является обязательной операцией. К сожалению, проверить, была ли осуществлена данная операция, в уже смонтированной системе трубопровода на основе труб c центральной армировкой невозможно – приходится надеяться лишь на добросовестность монтажника. Чаще всего надежды не оправдываются, поскольку большинство монтажников, поверивших некорректным рекламным лозунгам поставщиков и продавцов данной продукции, искренне убеждены, что эта труба не требует зачистки. Заметим, что при использовании трубы типа Stabi осуществить ее сварку с фитингом без зачистки практически невозможно, по крайней мере, качество монтажа легко контролируется визуально. При монтаже труб с центральной армировкой проблема может быть решена путем применения в процессе сварки специальных сварочных насадок – тогда торцевание краев трубы не является обязательным. К тому же специальные насадки могут применяться и при сварке обычных, неармированных PPR-труб – соответственно, отпадает необходимость в стандартных сварочных насадках. А имея при себе только специальные сварочные насадки, монтажник не сможет осуществить неправильный монтаж трубы с центральным армированным слоем.

На рис. 5 показаны внешний вид специальной сварочной насадки и ее принципиальная схема в разрезе. Конструкция насадки разработана таким образом, что прогреваются внешняя и внутренняя поверхность трубы. Без прогрева внутренней поверхности трубы полипропилен может закрыть алюминиевый слой, но с торцевой поверхностью трубы диффузионно он не сварится. Для успешной работы специальной насадки в ее конструкции предусмотрено отверстие для отвода  воздуха находящегося между трубой и насадкой при нагреве трубы. Это отверстие также служит для визуального контроля процесса разогрева трубы.

В результате проведенных в ООО «Альтерпласт» расчетов и исследований, а также тестовых испытаний с различными вариантами геометрии внутренней поверхности и формы сварочных насадок удалось создать оптимальную конструкцию специальной насадки. На рис. 6 показан разрез сварного соединения трубы с центральной армировкой Master pipe и фитинга ТЕВО technics. Сварка произведена специальной сварочной насадкой, запатентованной компанией «Альтерпласт» [4]. Как видно на рис. 6, алюминиевая фольга полностью закрыта полипропиленом. Фитинг надежно прилегает к трубе по всей свариваемой поверхности. Важно отметить, что торцевание или зачистка конца трубы при этом не производились.

Достоинства данной насадки очевидны. Недостатками можно считать незначительное увеличение времени разогрева полипропиленовой трубы, а также необходимость точного (с отклонением не больше 3–5 град.) горизонтального позиционирования трубы внутри насадки в процессе сварки.

Особенности трубы с центральной армировкой

Для монтажа трубы с центральной армировкой используются типовые фитинги, которые применяются для монтажа PPR-труб и выпускаются всеми производителями. Но в связи с тем, что труба с центральной армировкой перед сваркой не зачищается, при одинаковом параметре SDR проходное сечение трубы с центральной армировкой будет меньше на удвоенную толщину зачищаемого слоя. Такое уменьшение может быть принципиальным для труб малых диаметров (DN 20, 25, 32). Например, для трубы DN20 PN25 заужение составляет 20 %. В связи с этим можно порекомендовать проектировщикам и потребителям использовать трубу с центральным армированием номиналом PN20, т. е. SDR = 6, и применять ее по соответствующей серии S = 2,5, сохранив для этой трубы привычные гидравлические характеристики традиционно армированной трубы PN25.

Тепловое линейное расширение

По показателям линейного расширения традиционно и центрально армированные трубы не имеют принципиальных различий. Трубы, армированные перфорированной алюминиевой фольгой, в зависимости от толщины фольги, типа перфорации, а также параметров SDR и DN (независимо от глубины залегания алюминиевого слоя), имеют разные значения коэффициента линейного расширения К_р, которые колеблются в диапазоне 0,03–0,05мм/мК.

Кислородопроницаемость труб с центральной армировкой

Как мы видели, при неправильном монтаже разрушение трубы с центральной армировкой происходит по алюминиевому слою, причем с наибольшей вероятностью в том месте, где края алюминиевой фольги соединены «внахлест». Чтобы избежать подобных дефектов, лучше использовать трубу, при производстве которой края алюминиевой фольги не накладываются друг на друга и между краями остается полоска трубы, не закрытая алюминиевой фольгой (рис. 7).

Соответственно, при расчете кислородопроницаемости к посчитанной нами площади перфорации добавляется площадь данной полоски. Ее ширина (при разрешенной кислородопроницаемости 0,1 г/м³·cут) может составлять для DN20 – 1,5 мм, для DN25 – 1,8 мм.

Кислородопроницаемость и диаметр трубы

Как уже говорилось, показатель кислородопроницаемости полипропиленовых труб принят нами как 2 г/м³·cут. Интересно рассмотреть зависимость этого показателя от диаметра трубы, используя понятие SDR.

Возьмем типовое уравнение переноса. Будем считать, что временной отрезок мал, длина трубы достаточно мала, диффузия кислорода в воде от трубы к центру значительно выше диффузии через стенку, растворенного в воде кислорода нет. Тогда:

Q=DSD_c/dR= D· 3,14L∆cln(SDR/(SDR– 2)),

где Q – поток диффузионного кислорода;

D – кислородопроницаемость;

D_c – величина прироста концентрации кислорода;

L – длина участка трубы;

S – площадь поверхности трубы.

Отнеся диффузионный поток кислорода через стенку к объему воды в трубе (т. е. тому объему, в котором данный кислород растворится), получим:

V = 3,14 / 4 ((DN – 2)DN / SDR)²L = 3.,14 / 4DN² (1 – 2/SDR)²L;

Q / V = 4D∆с/ DN²ln (SDR / (SDR – 2)) / (1 – 2/SDR)².

Преобразуя полученное уравнение и подставляя SDR = 6, получим зависимость диффузии кислорода отнесенной к объему неармированных труб PN20 в зависимости от внешнего диаметра трубы DN:

Q / V = 3,6D∆с / DN².

 

Очевидно, что чем больше диаметр трубы, тем ниже концентрация добавленного кислорода в воде и эта концентрация обратно пропорциональна диметру трубы во второй степени. Данный результат еще раз подтверждает ошибочность распространенного утверждения: «трубы малых диаметров не обязательно армировать или защищать теплоноситель от попадания в него кислорода, т. к. потоком кислорода сквозь стенку таких труб можно пренебречь».

Сторонники этой точки зрения призывают не армировать алюминием и не покрывать слоем AVOH (антидиффузионный слой для труб PEX) и PPR-трубы малого диаметра. Однако именно такие трубы стоят, например, перед стальными панельными радиаторами (толщина стальной стенки 1,2 мм). Поэтому армировать алюминием трубы малого и большого диаметра для систем отопления необходимо.Причем для труб малого диаметра это правило более важно, чем для труб большого диаметра, где необходим расчет и привязка к конкретной схеме применения.

Например, при D = 2 · 10^–11 м²/с (кислородопроницаемость полипропилена) и ∆с_{О2 MAX} = 270 г/м³ (ориентировочное содержание кослорода в атмосфере):

Q / V = 1,9 · 10^–8/DN² г/с·м³, или 1,6 · 10^–3/DN² г/сут.·м³.

Для DN20мм получим в сутки 4 г/м³ кислорода – иначе говоря, возможно образование 30 г ржавчины. В одном метре трубы DN20 PN20 (SDR=6) содержится 2,2·10^–4 м³, соответственно, через этот погонный метр трубы в теплоноситель пройдет максимум 8,8·10^–4 г/сут. кислорода.

Например, если система отопления выполнена из полипропиленовой трубы PN20 (неармированной или армированной стекловолокном), объем системы отопления 100 л, имеются настенный котел с алюминиево-медным теплообменником и температурой нагрева 80 °С и стальные панельные радиаторы, а емкость труб равна 50 л, то в сутки для типового набора труб разного диаметра с SDR = 6 пройдет в теплоноситель около 0,1 г кислорода. В пересчете на в год это составляет 37 г кислорода, или 250 г ржавчины, полученной в стальных панельных радиаторах (которые, весьма вероятно, потекут через год или два эксплуатации).

В задачи данной статьи не входит точный количественный анализ кислородопроницаемости, однако приведенный пример позволяет ответить на часто задаваемый вопрос: «Сколько кислорода пропускает пластиковая труба? Много это или мало?». Думается, нами был дан вполне конкретный ответ. В заключение заметим, что на эту тему написано немало содержательных работ, но выводы читателей или компаний, поставляющих  подобную продукцию на рынок, не всегда соответствуют проведенному в этих статьях анализу.

Литература

1. К вопросу о кислородопроницаемости пластмассовых трубопроводов отопительных систем // Сантехника. 2003. № 4.

2. СНиП 41-01–2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

3. ГОСТ Р 52134–2003. Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия.

4. Пат. № 96523 Российская федерация. Сменный нагреватель / заявл. 10.08.10.