Обзор современной продукции полимерных труб

Актуальность задачи по анализу состояния и оценке перспектив использования полимерной трубной продукции подтверждается большим спросом на нее по причине изношенности существующих трубопроводов и роста темпов строительства. В этих условиях наиболее активно используются современные полимерные трубные системы. Ежегодно в мире производится уже более 10 млн. т полимерных труб, применяемых в системах водо- и газоснабжения, отопления, водоотведения, транспортировки газов, жидкостей и других материалов.

Коррозия и зарастание трубопроводов, и как следствие — плохое качество воды, отрицательно сказывающееся на здоровье населения, небольшой срок службы трубопроводов и т. д. — все это вызвано тем, что на территории России сегодня используются в основном стальные трубы (70%), лишь часть которых имеет антикоррозийные покрытия.

При этом срок службы стальных труб не превышает 10–15 лет, тогда как расчетная продолжительность срока службы трубопроводов из полимерных труб в системах холодного водоснабжения составляет не менее 50 лет, а в системах горячего водоснабжения и отопления — не менее 25–30 лет. Плохое состояние системы трубопроводов в РФ спровоцировало рост производства и применения полимерных труб и поставило вопрос о целесообразности использования металлических трубопроводов там, где это не обязательно, например, в сетях холодного водоснабжения и водоотведения.

Необходимо внимательно изучить и зарубежный опыт, но с учетом того, что уровень развития полимерной промышленности там значительно выше, чем в России, и ориентироваться на импорт экономически сложно. В странах Европы полимерные трубы используются в 20% систем холодного и горячего водоснабжения, 13% систем отопления и 92% систем напольного отопления. В основном используются трубы из сшитого полиэтилена (53%), полипропилена (27%), полибутилена (7%), поливинилхлорида (6%), металлополимерные трубы составляют 7%.

В 2007 г. произошло два знаменательных события: исполнилось 50 лет с начала гидростатических испытаний полиэтиленовой трубы и 30 лет со дня начала испытаний при температуре 95 0С труб из молекулярносшитого полиэтилена (PEX) в лаборатории компании «Базель» во Франкфурте-на-Майне. Эти юбилейные даты, говорящие о сроках использовия, подтверждают надежность и долговечность полимерных труб. Кроме того, небольшой вес труб из современных полимерных материалов, простота укладки и соединения, возможность прокладки гибких труб большой длины делают их перспективными для использования при ликвидации чрезвычайных ситуаций, ремонта и восстановления трубопроводов в коммунальной сфере. Но опыт хранения никак пока не обсуждается ни производителями, ни потребителями полимерных труб.

Состояние и перспективы развития полимерной трубной продукции

Широкое применение полимерных труб как взамен металлических, так и самостоятельно, определяется комплексом свойств, присущих полимерным материалам и позволяющих изготавливать трубы, отличающиеся по сочетанию эксплуатационных характеристик от традиционных металлических труб. Чтобы разобраться в положительных и отрицательных свойствах полимерных труб, необходимо начать со свойств материалов для их изготовления.

Вследствие многообразия структурообразующих факторов появилось большое число различных полимеров с разными свойствами, и химики научились «конструировать» материалы с заранее заданными свойствами. Из всего многообразия свойств полимеров следует выделить два: их высокую химическую стойкость и неспособность вступать в электрохимические реакции, благодаря чему исключается опасность появления коррозии, характерная для металлов.

Важнейшие свойства полимеров — разрывная прочность и способность к значительным деформациям без нарушения целостности материала — используются при изготовлении изделий и полуфабрикатов способами экструзии (непрерывного выдавливания), литья под давлением, деформирования (формования) заготовки, а также способом сварки. Производимые методом экструзии, трубы получаются с очень гладкой поверхностью (шероховатость полимерных труб примерно в 10 раз ниже, чем стальных). Благодаря гибкости труба может быть разделена на отрезки заданной длины или смотана в бухты [1].

Массовое применение нашли до 7 наиболее известных полимеров, в том числе и при производстве труб. Безусловными лидерами являются полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и поливинилхлорид (ПВХ).

Специфика полимерных труб заключается в том, что нельзя рассматривать трубы из разных материалов в отрыве от способов их соединения. Основными методами со-
единения полимерных труб являются сварка (в раструб, встык, с помощью деталей с закладными нагревательными элементами) и склейка; используются также разъемные, компрессионные и неразъемные соединения [2].

Разъемным соединением полиэтиленовых и полипропиленовых труб является фланцевое, при этом втулка под фланец соединяется с ПЭ трубой сваркой. Применяются также соединения с помощью условно разъемных фитингов, один конец которых приваривается к ПЭ трубе с помощью закладных нагревательных элементов, а другой имеет внутреннюю или наружную резьбу для соединения со стальной трубой. Для водопроводов питьевого и технического назначения из ПЭ и ПП широко используются компрессионные фитинги. Для канализационных труб из ПП и ПЭ применяют раструбные разъемные соединения с резиновым кольцом или специальными соединительными элементами.

Неразъемные соединения ПЭ и ПП труб и соединительных элементов осуществляются простой сваркой или сваркой при помощи деталей с закладными нагревательными элементами. Простая сварка выполняется двумя способами: в раструб и встык. Сварка в раструб используется для ПЭ и ПП труб диаметром от 16 до 90 мм. Сварка — сложный технологический процесс, требующий высокой квалификации персонала и высококачественного оборудования. В России получило распространение сварочное оборудование фирм Georg Fischer, Rothenberger, Friatec, Fusion, Omicron и др. [3].

Разъемные виды соединений более подходят для безнапорных систем, в каждом частном случае более подходящий способ соединения выбирается исходя из конкретных условий. Сварные и электросварные соединения, используемые для монтажа трубопроводов из полиэтиленовых труб, должны иметь высокую прочность, герметичность и стойкость к внешним разрушающим воздействиям в процессе монтажа и эксплуатации. Скорость монтажа в сравнении с металлическими трубами выше в 2–4 раза, а энергоемкость значительно ниже. Фитинги как соединительная деталь трубопроводов устанавливаются в местах поворотов, переходов и разветвлений.

Основные виды материалов для производства полимерных труб

Проектирование, строительство и эксплуатация трубопроводных систем базируются на утвержденных нормах и правилах. Принятые в 1996–1997 гг. Минстроем России изменения к СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий» и 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» открыли возможность применения труб из полимерных материалов во внутренних системах холодного и горячего водоснабжения и отопления зданий.

Полиэтилен является самым распространенным материалом для труб холодного водоснабжения и газопроводов. Трубы выпускаются для питьевого водоснабжения диаметрами 10–1200 мм (по ГОСТ 18599-2001), для газопроводов — диаметрами 20–400 мм (по ГОСТ Р 50838-95).

В соответствии с международным стандартом ISO 4427:1996 используется классификация труб на основе минимальной длительной прочности полиэтилена MRS и стандартного размерного соотношения SDR. Рабочее давление труб — до 1,25 МПа (12,5 атм.), гарантийный срок службы — 50 лет. Трубы соединяются полипропиленовыми компрессионными фитингами, а также стыковой сваркой.

Для горячего водоснабжения трубопроводы должны быть рассчитаны на максимальную рабочую температуру 75 0С, а для отопления — 90 0С при давлении до 0,6 МПа с учетом не менее чем 25 лет эксплуатации. Из линейного полиэтилена LPE (PERT) — сополимера этилена с октеном, стойким к высокой температуре, — производятся трубы с антидиффузионной защитой диаметрами от 12 до 25 мм для отопления, а также без защиты, диаметрами 18 и 25 мм — для холодного и горячего водоснабжения.

Сшитый полиэтилен (PEX). Трубы применяются в системах отопления и горячего водоснабжения. Большинство систем из сшитого полиэтилена могут выдерживать температуру 95 °С при давлении 1 МПа. Эти трубы имеют хорошую гибкость. Благодаря сшивке свойства исходного полиэтилена существенно изменяются. Улучшаются длительная прочность, химическая стойкость, стойкость к растрескиванию, ударная прочность и морозостойкость. Особенности получения сшитого полиэтилена отражаются в маркировке труб и обозначаются латинскими символами: a — пероксидный способ, b — silane, c — сшивка потоком электронов.

Полипропилен получил распространение для труб в системах холодного и горячего водоснабжения, а также в трубопроводах внутренней канализации. Используется наиболее теплостойкая разновидность полипропилена — сополимер пропилена с этиленом (рандом сополимер). В системах отопления применяется полипропилен, армированный алюминием для антидиффузионной защиты от кислорода. Полипропилен можно сваривать, возможно использовать дешевые полимерные фитинги с гарантией надежности системы в местах соединений.

Для монтажа трубопроводных систем холодного и горячего водоснабжения и отопления чаще всего используются трубы
PN 10 и PN 20.
Области и режимы использования полипропиленовых труб приведены в таблице 1.

Табл.1. Температурные режимы эксплуатации труб из полипропилена [3]

Класс эксплуатации	Tраб (0C)	Время при Тpaб (год)	Tмакс (0C)	Время при Tмакс (год)	Tавар (0C)	Время при Tавар (ч)	Область применения
1	60	49	80 0C	1	95 0C	100	Горячее водоснабжение (60 0С)
2	70	49	80	1	95	100	Горячее водоснабжение (70 0С)
3	30	20	-	-	-	-	Низкотемпературное напольное отопление
	40	25	50	4,5	65	100
	20	2,5	-	-	-	-
	40	20	70	2,5	100	100
	60	25	-	-	-	-
5	20	14	-	-	-	-	Высокотемпературное отопление отопительными приборами
	60	25	90	1	100	100
	80	10	-	-	-	-

Примечание: Tраб — рабочая температура или комбинация температур транспортируемой воды, определяемая областью применения; Tмакс — максимальная рабочая температура, действие которой ограничено по времени; Tавар — аварийная температура, возникающая в аварийных ситуациях при нарушении систем регулирования.

Преимуществом полибутеновых труб является меньшая толщина стенок по сравнению с толщиной стенок других полимерных труб при одинаковых эксплуатационных характеристиках. Трубы из полибутена зарекомендовали себя в сетях горячего водоснабжения и отопления (в частности, для устройства теплых полов). При 70 0С и рабочем давлении в системе 0,3 МПа гарантируется 50-летний срок службы РВ труб. Максимальная температура эксплуатации таких труб — +95 0С. При толщине стенок всего в 2 мм полибутеновые трубы рассчитаны на рабочее давление от 4 до 10 бар (в зависимости от назначения). Их можно сваривать подобно полипропиленовым (при температуре 273 0С), а также использовать для соединения прессовые и резьбовые фитинги.

Поливинилхлорид (ПВХ) и хлорированный поливинилхлорид используются в системах канализации (благодаря жесткости трубы эффективны для стояков больших диаметров), водоснабжения и в технологических трубопроводах (благодаря высокой химической стойкости).

Трубы из ПВХ могут эксплуатироваться при температурах до 45 0С, а из хлорированного ПВХ — до 95 0С. Трубы не горючие и обладают более низким коэффициентом линейного теплового расширения по сравнению с трубами из перечисленных ранее материалов.

Трубы изготавливают следующих видов:
 - без раструба;
 - с раструбом под соединение с эластичным уплотнительным кольцом специального сечения или другие аналогичные;
 - с раструбом под клеевое соединение.

Одной из наиболее успешных модификаций ПВХ стал открытый в 1959 г. хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ). Это современный высококачественный материал для систем горячего и холодного водоснабжения и отопления. Начало применению ХПВХ систем было положено в США аэрокосмическими технологиями, в строительстве же они используются уже больше 46 лет и зарекомендовали себя с наилучшей стороны.

Трубы из ХПВХ применяют для внутридомовой и внутриквартальной прокладки сетей горячего и холодного водоснабжения и отопления. Возможна открытая прокладка трубопроводов без дополнительной защиты от ультрафиолета. Трубопроводные системы из ХПВХ включают весь необходимый спектр для монтажа: трубы, фитинги, специальный клей и запорную арматуру.

Основное достоинство этих пластиков — высокие огнестойкие характеристики, благодаря чему трубы из этого материала находят применение в системах пожаротушения. Хлорированный поливинилхлорид как материал обладает «врожденными» противопожарными свойствами, его относят к «самозатухающим», он не плавится и не образует горящих капель. ХПВХ обладает самой высокой среди термопластов температурой воспламенения — 482 0С. Это, главным образом, объясняется его составом — при производстве ХПВХ используется около 30% углеводородного сырья и около 70% неорганического сырья (поваренная соль). Противопожарные характеристики ХПВХ также включают низкую токсичность продуктов горения и малое выделение дыма (Д1 и Т2 согласно российским нормам).

Одно из главных преимуществ труб из ХПВХ — это самый низкий среди пластиков коэффициент линейного расширения — 0,062 мм/м 0С. Благодаря этому уникальному свойству становится возможна прокладка труб в бетоне и под штукатуркой. Хлорированный поливинилхлорид — это прочный жесткий материал, при использовании которого не происходит «провисания» трубы при работе с горячей водой. Такое свойство важно при прокладке стояков, ведь большинство пластиковых трубопроводов гибкие и требуют большого количества креплений.

Композитные (металлополимерные) трубы объединяют достоинства полимерных и металлических труб в одном материале. Они позволяют снизить кислородопроницаемость в системах отопления до нормативных показателей, а также имеют хорошую прочность на разрыв в сочетании с гибкостью и коррозионной стойкостью. Режим эксплуатации: давление — до 1 МПа, температура — до 90 0С. Большинство композитных трубных систем на рынке представляют собой комбинацию сшитый полиэтилен-алюминий (РЕХ-АL-PEX).

Стеклопластиковые трубы (СП). Конструкция стенок этих труб формируется на основе армированных стекловолокном термореактивных полиэфирных смол и песчаного наполнителя. Трубы используются в коммунальных системах. Их применение при бесканальной прокладке сокращает потери тепла до 1–2% на километр трубопровода вместо 15–20% на трубопроводах в минераловатной изоляции.

Выпускается и еще один вид комбинированных с полимерами труб — футерованных.

Футерованные полиэтиленом стальные трубы и соединительные части трубопроводов (отводы, тройники, переходы) предназначены для перемещения агрессивных сред и воды под давлением до 1,6 МПа.

Максимальная температура эксплуатации футерованных труб — +70 0С, минимальная температура монтажа для труб с фланцами — 0 0С, для бесфланцевых соединений — минус 70 0С. Условный проход — 25–150 мм. Толщина стенки — 2,5–6 мм, толщина футерующего слоя — 2–4 мм. Футерованные трубы отличаются прочностью стали и высокой коррозионной стойкостью.

Выбор труб

Принятый в России ряд наружных диаметров полимерных труб соответствует международному стандарту ISO. Наиболее полный ряд наружных диаметров представлен в сортаментной таблице ГОСТа 18599-2001 на трубы из ПНД. Для полиэтилена высокой плотности допустимое напряжение в стенке трубы (F) составляет 6,3; 8 и 10 МПа (в зависимости от марки), для полиэтилена низкой плотности — 3,2 МПа.

В соответствии со значением F полиэтилены делятся на классы: ПЭ–63, ПЭ–80, ПЭ–100. При подборе диаметров труб из различных материалов следует учитывать разные системы их обозначения.

Стальные водогазопроводные, бесшовные горячедеформированные, электросварные, прямошовные, чугунные трубы обозначают по внутреннему проходному сечению (диаметру условного прохода Dy) — первая группа.

Медные, пластмассовые, стальные бесшовные холоднодеформированные, электросварные холоднодеформированные, бесшовные холодно-теплодеформированные из коррозионностойкой стали обозначают по наружному диаметру трубы — вторая группа. Поэтому при проверке пропускной способности труб второй группы необходимо учитывать толщину их стенок и фактический внутренний диаметр.

Предварительно материал полимерных трубопроводов можно подобрать на основании рабочих давлений и температур в системах (табл. 2).

Таблица 2. Условия эксплуатации полимерных трубопроводов

СНиП	Транспортируемые среды	Температура (0С)	Максимальное рабочее давление (МПа)	Нормативный срок службы (лет)	Материал труб
2.04.01-84* «Внутренний водопровод и канализация зданий»	холодная вода	20	0,6	50	ПЭ, ПП, ПВХ
	горячая вода	75	0,6	25	СПЭ, ППР, ПБ, МП
	бытовые стоки	60 (90)	-	50	ПЭ, ПВХ, ХПВХ, ПП
41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование»	теплоноситель (горячая вода)	95	0,6	25	СПЭ, ПБ, МП
2.04.03-85* «Канализация. Наружные сети и сооружения»	бытовые стоки	40	-	50	ПЭ, ПВХ, ХПВХ, ПП
2.04.02-84* «Водопровод. Наружные сети и сооружения»	холодная вода	20	0,6	50	ПЭ, ПП,ПВХ
2.04.07-86* «Тепловые сети»	горячая вода	95, 150	1,6	25	-

Для систем хозяйственно-питьевого водопровода можно использовать трубы и арматуру только из материалов, допущенных санитарно-эпидемиологическим управлением к применению в питьевом водоснабжении и при наличии гигиенического сертификата.

Запрещается применение полимеров в противопожарных водопроводах зданий, системах, транспортирующих особо опасные, токсичные, взрывоопасные жидкости, сжиженные углеводороды и вещества, к которым у полимерных труб нет стойкости.

При выборе материала труб следует учитывать недостатки полимерных трубопроводов по сравнению с металлическими:
 - низкая прочность, необходимость защиты труб от механических и тепловых воздействий (нельзя использовать трубы как несущие конструкции, арматуру и оборудование, необходимо жестко крепить на строительных конструкциях, чтобы усилия не передавались на трубопроводы);
 - малая жесткость, низкая несущая способность;
 - высокий коэффициент температурного линейного расширения;
 - низкая термостойкость, снижение долговечности и прочности при нагревании;
 - диффузионная проницаемость;
 - хрупкость при отрицательных температурах;
 - горючесть;
 - старение материала, особенно при воздействии механических напряжений, температуры и ультрафиолетового излучения;
 - сложность соединения разнородных материалов;
 - снижение жесткости и провисание труб при повышении температуры.

Расчетная долговечность полимерных труб может быть обеспечена только при учете всех этих особенностей труб.

Существенными, на наш взгляд, являются два специфических аспекта при использовании полимерных труб.

Подавляющее число западных производителей труб имеет многоэтапную и совершенную систему контроля качества, позволяющую выпускать продукцию на уровне мировых стандартов. Такая система охватывает контроль качества как самого сырья, так и технологии производства. В частности, в процессе производства в обязательном порядке осуществляется автоматический контроль геометрии и толщины стенок труб, а также геометрии фитингов. Это служит гарантией совместимости любых соединений. Вместе с тем подобный контроль отсутствует у большинства турецких компаний и, к сожалению, у отечественных производителей, что не дает полной уверенности в надежности соединений таких трубопроводов.

Добавка вторичных материалов в первичное сырье является довольно опасным симптомом. Это приводит к ускоренной деполимеризации труб: они могут начать разрушаться даже раньше, чем металлические трубопроводы, подобно тому, как это имело место ранее при разрушении некачественной оплетки электропроводки.

Многие производители пластиковых труб имеют ограниченный ассортимент выпускаемой продукции, особенно фасонных деталей. В итоге монтажные организации вынуждены приобретать трубы одних производителей, фасонные соединения — других, причем чаще всего нескольких, а монтажное оборудование — третьих. Понятно, что рассчитывать на идеальный результат в данных условиях не приходится. При использовании материалов, различающихся режимами их диффузионного сплавления, добиться полностью однородного (гомогенного), а значит и долговечного соединения весьма проблематично. Подобные проблемы могут иметь место и в тех случаях, когда производители трубопроводов и оборудования имеют весьма ограниченный ассортимент продукции. В данной ситуации монтажные организации просто вынуждены идти на различные, недостаточно оправданные комбинации и замены, т. е. фактически идти на риски на этапе проектирования и монтажа.

На сегодняшний день при восстановлении устаревших систем водоводов и канализации все чаще применяют полиэтиленовые трубы (даже для прокладки под землей). Применение полиэтиленовых труб значительно облегчает монтаж и позволяет использовать бестраншейные технологии, существенно уменьшается аварийность и опасность загрязнения питьевой воды.

Теперь все больше коммунальных служб городов при укладке подземных коммуникаций обращают внимание на возможность быстрого обнаружения дефектов, ремонта и замены тех же канализационных труб при минимальном вскрытии земной поверхности. Полиэтиленовые трубы потеснили стальные не только своей долговечностью, легкостью обслуживания, высокой коррозийной и химической стойкостью, быстротой монтажа, но и возможностью многократного перемонтажа. Довольно значимым для сурового климата нашей страны оказалось снижение вероятности разрушения трубопровода при замерзании жидкости, так как при этом труба не разрушается, а увеличивается в диаметре, приобретая прежний размер при оттаивании жидкости.

Литература
1. «Производство изделий из полимерных материалов». — СПб.: «Профессия», 2004 г.
2. Власов Г. С. «Трубы и соединительные детали для инженерных систем, станций водоподготовки и газовых сетей с гидравлическими характеристиками труб». — М., 2004 г.
3. Жуков А. В. «Сварочные аппараты и крепеж для полимерных труб». // «С.О.К.», № 9, 2002 г.

Автор: В. А. Бобин, Д. В. Соболева
Источник: "СтройПРОФИль"