Трубы из сшитого полиэтилена для систем водоснабжения и отопления
Опубликовано: 13 апреля 2009 г.
3140
В. Бухин
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
Согласно статистике, более четверти объёма применяемых труб в системах водоснабжения и отопления изготавливается из сшитого полиэтилена – PEX (рис.)
Технические требования на трубы из сшитого полиэтилена нормализованы в ГОСТ Р 52134-2003. Характеристики труб из сшитого полиэтилена для систем водоснабжения, отопления и технологических трубопроводов (табл. 1) установлены СНиП 2.04.05-91, ГОСТ Р 52134-2003 и СН 550-82.
|
Таблица 1. Свойства сшитого полиэтилена |
|
|
Показатели |
Значения показателей |
|
Плотность материала, г/см3 |
0,93 |
|
Модуль упругости, МПа (Н/мм2) |
600–900 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×°С) |
0,41 |
|
Предел текучести при растяжении, МПа |
18 |
|
Относительное удлинение при разрыве, % |
350 |
|
Изменение размеров после прогрева при 100 °С, не более, % |
3 |
|
Коэффициент линейного теплового расширению, мм/(м×°С):
при 20 °С
при 100 °С |
0,14
0,2 |
|
Кислородопроницаемость, не более, г/(м3×сут) |
0,1 |
Степень сшивки материала PEX-труб в зависимости от типа сшивки должна быть не менее 70 (PEX-a), 65 (PEX-b) и 60 (PEX-c) %.
Отметим, что сшитый полиэтилен, полученный разными способами, в ГОСТ Р 52134-2003 дифференцируется только степенью сшивки. Все остальные показатели одинаковы, в том числе и минимальная длительная прочность (MRS), которая должна быть не менее 8 МПа (PEX-трубы с большим MRS на рынке не декларируются).
Размерные характеристики наиболее часто применяемых PEX-труб для всех типов сшивки, согласно ГОСТ Р 52134-2003, приведены в табл. 2.
|
Таблица 2. Размерные характеристики PEX-труб для серии S= 3,2 (SDR = 7,4) |
|
|
Номинальный наружный
диаметр,
мм |
Номинальная толщина стенки труб,
мм |
|
10 |
1,4 |
|
12 |
1,7 |
|
16 |
2,2 |
|
20 |
2,8 |
|
25 |
3,5 |
|
32 |
4,4 |
|
40 |
5,5 |
|
50 |
6,9 |
|
63 |
8,6 |
Параметры эксплуатации (температура и давление) PEX-труб регламентирует ГОСТ Р 52134-2003. Температурные режимы определяются классом эксплуатации трубопровода (табл. 3).
|
Таблица 3. Определение классов по температурным режимам эксплуатации |
|||||||
|
Класс эксплу-атации |
Траб,
°С |
Время
при
Траб,
год |
Тмакс,
°С |
Время
при
Тмакс,
год |
Тавар,
°С |
Время
при
Тавар, ч |
Область применения |
|
1 |
60 |
49 |
80 |
1 |
95 |
100 |
Горячее водоснабжение (60 °С) |
|
2 |
70 |
49 |
80 |
1 |
95 |
100 |
То же (70 °С) |
|
3 |
30
40 |
20
25 |
50 |
4,5 |
65 |
100 |
Низкотемпературное напольное отопление |
|
4 |
20
40
60 |
2,5
20
25 |
70 |
2,5 |
100 |
100 |
Высокотемпературное напольное отопление; низкотемпературное отопление отопительными приборами |
|
5 |
20
60
80 |
14
25
10 |
90 |
1 |
100 |
100 |
Высокотемпературное отопление отопительными приборами |
|
ХВ |
20 |
50 |
– |
– |
– |
– |
Холодное водоснабжение |
|
Условные обозначения: Траб – рабочая температура или комбинация температур транспортируемой воды, определяемая областью применения; Тмакс – максимальная рабочая температура, действие которой ограничено по времени; Тавар – аварийная температура, возникающая в аварийных ситуациях при нарушении систем регулирования. |
|||||||
Максимальный срок службы трубопровода для каждого класса эксплуатации определяется суммарным временем работы трубопровода при температурах Траб, Тмакс, Тавар и составляет 50 лет.
В системах водоснабжения и отопления применяют (в зависимости от схемы) максимальные рабочие давления: 0,4; 0,6; 0,8; 1 МПа.
Учитывая, что в процессе эксплуатации используются переменный температурный режим и колебания давления, обусловленные суточной и сезонной неравномерностью работы трубопроводных систем, определение максимально допустимого напряжения в стенке трубы производится согласно ГОСТ Р 52134-2003 с помощью правила Майнера.
Номинальное давление для PEX-труб с коэффициентом запаса прочности 1,25 согласно ГОСТ Р 52134-2003 приведено в табл. 4.
|
Таблица 4. Номинальное давление для PEX-труб |
||||
|
SDR |
13,6 |
11 |
9 |
7,4 |
|
S |
6,3 |
5 |
4 |
3,2 |
|
PN, МПа |
10 |
12,5 |
16 |
20 |
При транспортировании горячей воды в системах водоснабжения и отопления коэффициент запаса прочности устанавливается равным 1,5, что вынуждает применять трубы с большей толщиной стенки, чтобы не превысить допустимый уровень напряжений в стенках трубы.
В нормах приведены допускаемые рабочие давления в трубах из сшитого полиэтилена при транспортировании воды (табл. 5).
|
Таблица 5. Допускаемые рабочие давления в трубах из сшитого полиэтилена при транспортировании воды |
|||
|
Темпе-
ратура воды,
°С |
Срок
службы,
лет |
Допускаемое рабочее давление
при номинальном давлении,
бар |
|
|
PN 12,5 |
PN20 |
||
|
10 |
1
5
10
25
50 |
14,8
14,7
14,5
14,4 |
24
23,5
23,3
23,1
22,8 |
|
20 |
1
5
10
25
50 |
15,7
13,3
13,2
13,1
12,5 |
21,7
21,2
21
20,7
20 |
|
30 |
1
5
10
25
50 |
12,3
12
11,9
11,7
11,6 |
19,6
19
18,8
18,6
18,4 |
|
40 |
1
5
10
25
50 |
11
10,8
10,7
10,5
10,4 |
17,5
17,1
16,9
16,7
16,5 |
|
50 |
1
5
10
25
50 |
9,7
9,5
9,3
9,2
9,1 |
15,4
15
14,8
14,6
14,4 |
|
60 |
1
5
10
25
50 |
8,7
8,4
8,3
8,1
8,1 |
13,8
13,3
13,1
12,9
12,8 |
|
70 |
1
5
10
25
50 |
7,7
7,5
7,3
7,2
7,1 |
12,2
11,9
11,6
11,4
11,2 |
|
80 |
1
5
10
25 |
6,5
6,4
6,3
6,3 |
10,4
10,2
10,1
9,9 |
|
90 |
1
5
10 |
5,9
5,8
5,7 |
9,4
9,2
9,1 |
|
95 |
1
5
10 |
5,7
5,5
5,4 |
9
8,8
8,6 |
Свойства полиэтилена с различными способами сшивки
Каждый способ сшивания имеет свои преимущества и недостатки в технологическом оформлении процесса, различается по эксплуатационным характеристикам, областям использования соответствующих изделий и экономическим показателям. Главный критерий – обеспечение надежности и долговечности работы трубопроводов при правильно обоснованных условиях эксплуатации.
Метод сшивания полиэтилена оказывает существенное влияние на степень кристалличности, природу межцепных связей, плотность упаковки в аморфных зонах полиэтилена и весь комплекс физико-механических и релаксационных свойств.
Поперечные связи между линейными молекулами перекисно- и радиационно-сшитого полиэтилена состоят из групп =С-С=, а при силанольной сшивке из связей =Si-O-Si=.
При перекисном сшивании радикалы, образующиеся при распаде перекисей, не входят в состав поперечных связей между макромолекулами, которые определяются С-С-связями.
Процессам термической, механической и термоокислительной деструкции подвержены как цепи, так и поперечные связи, причём эти процессы взаимосвязаны. Тип поперечных связей влияет на устойчивость полимерных цепей, а структура макромолекул – на реакционную способность поперечных связей.
При одном типе поперечных связей для одного полимера способ сшивки оказывает существенное влияние на реакционную способность узлов и мономерных звеньев.
Для всех сшитых полимеров степень кристалличности примерно одинакова; мало изменяется температура максимума плавления (она несколько ниже для радиационно-сшитого полиэтилена).
Различие наблюдается в начале температур плавления. Для PEX-b начало плавления смещается в область более высоких температур, что характерно для разветвленных полимеров, образующихся на стадии «прививки» ненасыщенного силана к полиэтилену.
Заметные различия наблюдаются в температурах начала термоокислительной деструкции. Максимальная термостойкость характерна для силанольно-сшитого полиэтилена (PEX-b). Температура начала окисления PEX-b на 10 и 20 °С выше по сравнению с перекисно- и радиационно-сшитым полиэтиленом соответственно. Это связано с тем, что связь «кремний-углерод» прочнее углерод-углеродной связи.
На процессы плавления и свойства полимера оказывает существенное влияние степень сшивания, а также плотность сетки.
Степень сшивки у перекисно-сшитого полимера примерно на 20 % выше, чем у силанольно- и радиационно-сшитого полимеров. Величина гель-фракции дает лишь общее представление о характере сшивания, но свидетельствует об образовании пространственной сетки различной плотности.
Структурными параметрами, определяющими свойства сшитых полимеров, являются плотность поперечных связей или длина молекулярных цепей между узлами сетки; химический состав и распределение поперечных связей; исходная молекулярная масса полимера; структура полимерной цепи, входящая в сетку.
Более редкая структурная сетка, с большим расстоянием между узлами зацепления, формируется при радиационном сшивании.
Большая плотность сетки наблюдается для PEX-b (примерно на 30 % выше, чем у PEX-a, и в три раза выше по сравнению с PEX-с – несмотря на самые низкие значения гель-фракции).
Повышение плотности сетки приводит к уменьшению газопроницаемости, увеличивает химическую стойкость полимера и его прочность.
Изменения в свойствах полиэтилена в результате сшивания (повышение прочности и деформируемости, снижение температуры хрупкости и увеличение стойкости к растрескиванию) имеют общую причину, которая заключается в увеличении содержания проходных цепей, способствующих диссипации напряжений в аморфно-кристаллическом полимере за счет повышения силы связи между кристаллическими образованиями.
Полиэтилен, сшитый перекисным (PEX-a), силанольным (PEX-b) и радиационным (PEX-c) способами, отличается по приведенным выше параметрам. Это сказывается на его деформационно-прочностных характеристиках, изменении прочности и относительного удлинения при разрыве от температуры испытания. Метод получения и структура сшитого полимера влияют на его прочностные и деформационные характеристики в широком температурном интервале.
Значения прочности при разрыве силанольно- и перекисно-сшитого полиэтилена (PEX-b и PEX-a) примерно одинаковы; практически идентично изменяется прочность этих полимеров с ростом температуры испытания. При повышении температуры от 20 до 110 °С прочность полимеров снижается примерно в 2 раза для всех образцов.
Прочность при разрыве PEX-a и PEX-b при комнатной температуре по сравнению с PEX-c выше примерно на 20 %.
При всех температурах испытания наименьшей прочностью обладает радиационно-сшитый полиэтилен.
Повышенная прочность при разрыве образцов PEX-a по сравнению с PEX-b, связанная с ориентацией макромолекул в процессе растяжения, приводит к замедлению релаксационных процессов и накоплению остаточных деформаций, что, безусловно, сокращает срок службы готового изделия – трубопроводов систем отопления, холодного и горячего водоснабжения. Более того, данное свойство приводит к снижению значения допустимых стрессовых (пиковых) нагрузок.
Наименьшее значение относительного удлинения – у PEX-b. Отметим, что значение относительного удлинения PEX-b мало изменяется с ростом температуры.
Для PEX-a и PEX-c наблюдается рост удлинения при повышении температуры до 70 °C. При более высокой температуре (вплоть до 110 °C) эластичность меняется мало. Деформация PEX-a и PEX-c при комнатной температуре значительно выше, чем у PEX-b. По прочностным показателям и деформационной теплостойкости PEX-b и PEX-a имеют близкие показатели. Самые низкие показатели у труб из PEX-c.
Долговечность труб, помимо прочностных и других свойств, зависит от уровня остаточных напряжений в готовых изделиях, которые в свою очередь определяют скорость протекания релаксационных процессов.
Если сравнивать способ сшивки, то меньшие усилия деформирования требуются для радиационно-сшитого полиэтилена (PEX-c) при всех температурах. Это свидетельствует о меньшей плотности сшивки и большей подвижности макроцепей в межузловом пространстве.
Деформируемость PEX-b изменяется в зависимости от температуры. При 70 °C усилия деформирования значительно превышают необходимые для растяжения PEX-a и PEX-c, что свидетельствует о прочности структурной сетки. Большие значения усилия растяжения при одинаковой величине деформации сохраняются для PEX-b и при других температурах.
Резкое ускорение протекания релаксационных процессов при 110 °C связано не только с повышением подвижности структурных единиц, но и плавлением части полимера, не вошедшего в структурную сетку.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
♦ радиационно-сшитый полиэтилен (PEX-c) имеет меньшие показатели степени и плотности сшивки и, соответственно, наиболее низкие прочностные характеристики, резко снижающиеся с ростом температуры; обладает большей (в два раза) ползучестью под нагрузкой при высоких температурах по сравнению с полиэтиленом, сшитым другими методами. Поэтому данный материал не рекомендуется для использования при температуре выше 70 °С;
♦ PEX-a имеет температуру стеклования на 10 °С меньше, чем PEX-b – то есть размягчение PEX-a под нагрузкой начинается при более низких температурах;
♦ долговременные испытания образцов труб, сшитых перекисным и силанольным способами, путем их кипячения в воде показали, что деформируемость образцов PEX-a выше, чем PEX-b, примерно в 2 раза на протяжении всего срока испытания, что повышает их прочность при разрыве (за счет ориентации макроцепей в процессе растяжения), но ведет к накоплению остаточной деформации и разрыву связей, которые у PEX-a не восстанавливаются. Следовательно, данное качество PEX-a не соответствует требованиям, предъявляемым к трубопроводам высокотемпературных сетей отопления при высоких значениях давления теплоносителя, так как приводит к ощутимому снижению срока службы трубопровода и ограничивает значения температуры и давления;
♦ гидравлические испытания по ГОСТ 52134-2003 труб из PEX-a и PEX-b показали, что трубы из PEX-b выдерживают более высокие гидравлические давления при температуре 95 °C и составляют, соответственно, 22,8 и 17,2 бар;
♦ по предварительным расчетам срок непрерывной эксплуатации труб из PEX-b при температуре 95°C и давлении до 1 МПа превышает 30 лет, тогда как для труб из PEX-a этот срок составляет 8–10 лет (сравните данные, приведённые в табл. 5).
Рис. Тенденции европейского рынка труб для систем водоснабжения и отопления (MP – металлополимерные; PB – полибутеновые; PPR – из статистического сополимера пропилена (тип 3); CPVC – из хлорированного поливинилхлорида; ESt – из нержавеющей стали; Cu – медные; Fe – стальные)