Особенности полипропиленовых (PPR) труб, армированных алюминием — Как сделать самому?
Статья посвященанапорным полипропиленовым трубам – вчастности, трубам армированнымалюминиевой фольгой традиционнымспособом (типа Stabi), и трубам с центральнорасположенным по толщине трубы армирующимслоем.
Мировое производствои потребление пластиковых труб ежегодновозрастает примерно на 20%. Это обусловленоочевидными преимуществами в монтажеи эксплуатации пластиковых труб посравнению со стальными.
Полипропилен(PPR) более долговечен, более устойчив квоздействию повышенной температуры ихимических веществ, чем другиетрадиционные материалы, применяемыедля производства труб. Ввиду отсутствияржавчины, коррозии, распада, гниения, грязи, бактерий, известковых отложенийвнутренний диаметр полипропиленовыхтруб в процессе эксплуатации неуменьшается, а шероховатость поверхностине возрастает – таким образом, пропускнаяспособность остается стабильной.
Благодарясвоим неоспоримым преимуществам,
трубопроводыиз полипропилена широко применяютсядля систем отопления и водоснабженияв сфере строительства и ЖКХ.
По сравнению сметаллами, полимеры вообще и полипропиленв частности обладают большим тепловымлинейным расширением и кислородопроницаемостью.
Для снижениятеплового линейного расширения ипредотвращения диффузии кислорода втеплоноситель полипропиленовые трубыармируют алюминиевой фольгой.
Приведем некоторыехарактеристики, актуальные в связи стемой данной статьи:
-
линейноетемпературное расширение полипропиленовойтрубы Кр= 0,15 мм/мК;
-
линейное расширениеалюминия Кр=0,022 мм/мК;
-
линейное расширениеполипропиленовой трубы, армированнойалюминием Кр=0,03-0,05 мм/мК;
-
кислородопроницаемостьполипропиленовых труб – около 2 г/м3*cут.(см. статью «К вопросу о кислородопроницаемостипластмассовых трубопроводов отопительныхсистем»; журнал «Сантехника», № 3/2003);
-
полимерные трубы, применяемые в системах отоплениясовместно с металлическими трубами (втом числе в наружных системахтеплоснабжения) или с приборами иоборудованием, имеющим ограничения посодержанию растворенного кислорода втеплоносителе, должны иметькислородопроницаемость не более 0,1г/м3∙сут.(СНиП 41-01-2003 п. 6.4.1).
Маркировкаармированной алюминием трубы
Раньше армированиеосуществлялось следующим способом: настандартную базовую трубу PN20 наносилсяклей, а на него накладывался слойалюминиевой фольги, края которойзаходили друг на друга «внахлест». Всвою очередь, поверх алюминиевой фольгивновь наносился слой клея, и к немукрепился тонкий слой полипропилена, выполнявшего декоративную функцию. Получавшиеся таким способом трубыпозиционировались производителямидля монтажа систем низкотемпературногои высокотемпературного отопления(класс эксплуатации 3–5) и маркировалисьиндексом PN20, поскольку такой же номиналимела базовая труба, на которуюнакладывался слой алюминия.
Необходимойоперацией при диффузионной сваркеармированных алюминием труб с фитингамиявляется процедура зачистки, в процессекоторой с трубы в месте сварки удаляетсячасть фольги
Поскольку примонтаже использовались, как правило, фитинги номиналом PN20, а место сваркизачищалось до размеров базовой трубы, вполне логично, что армированная трубамаркировалась как PN20 (SDR=6).
Однако в результатепродолжительных теоретических споров, подкрепленных практическими испытаниями, трубу, армированную алюминием, сталимаркировать номиналом PN25 (SDR=5). Такоеизменение выглядит логично (и согласуетсяс ГОСТ Р52134-2003п.5.2.7) ввиду увеличениясуммарной толщины стенки армированнойалюминием трубы и изменения такихпараметров, как:
SDR=DN/S , где DN – наружный диаметртрубы, S – толщина стенки трубы,
и серии трубы:
S = (SDR-1)/2.
Использованиедля даннойтрубы маркировки PN25справедливо в том случае, если прочностьфольги вместе с верхним декоративнымслоем полипропилена аналогична материалубазовой трубы PN20, что не вполне очевидно, поскольку, согласно ГОСТ Р 52134-2003,стойкость трубы (испытательное давление)рассчитывается по формуле:
Р=2Smin х sigma /(Dср — Smin),
где sigma – начальноенапряжение в стенке,
Smin – минимальнаятолщина стенки,
Dср – среднийнаружный диаметр трубы.
Расчет испытательногодавления, согласно ГОСТ, производитсяпо размерам базовой трубы, то есть безучета толщины алюминиевой фольги изащитного полипропиленового слоя. Поэтому при прочностных испытанияхтрубы, армированной алюминием, не имеетзначения, какая маркировка на неенанесена – PN20 или PN25.
В настоящее времяизготовленная на базе PN20 труба, армированная алюминием, чаще всегомаркируется как PN25, и это не вызываетвопросов у потребителя. Однако рядпроизводителей до сих продолжаютмаркировать такую трубу индексом PN20.
Считаю, чтомаркировка PN25 более удобна и понятна.Дело в том, что маркировку PN20 у разныхпроизводителей может иметь армированнаяалюминием труба, произведенная как нана основе базовой трубы PN16, так и на наоснове базовой трубы PN20. Трубы этипринципиально разные, у нихнеодинаковое рабочее и испытательноедавление. Чтобы избежатьпутаницы, необходимо армированнуютрубу, произведенную на базе PN20,маркировать как PN25, а трубу, произведеннуюна базе PN16, – как PN20.
Само собойразумеется, что любой производительнесет прямую ответственность передпотребителем за качество своей продукциии за соответствие ее маркировки реальнымхарактеристикам. Поэтому, заявляя трубукак PN25, производитель фиксирует рядважных для 5 класса эксплуатациипараметров («Высокотемпературноеотопление отопительными приборами»,ГОСТ Р 52134-2003 п 5.2, таблица Е.3):
SDR=5,и, соответственно, серия трубы S=2;максимальное рабочее давление – 8 атм.
Длятрубы с маркировкой PN20: SDR=6; S=2,5;максимальное рабочее давление – 6атм.(см. табл. 1).
Таблица 1.Максимальное давление теплоносителяв зависимости от серии труб PPR (80) для 5класса эксплуатации
Максимальноерабочее давление Рм, МПа
Класс5
0,4
менее 4,8
0,6
менее 3,2
0,8
менее 2,4
1,0
менее 1,9
Особенноститехнологии армировки PPR-труб
При армированииполипропиленовых труб алюминиевойфольгой края фольги, как правило, закрепляются на трубе «внахлест».Данная технология применяется для трубPPR большинством производителей, хотяв последнее время развивается технологиялазерной сварки краев алюминиевойфольги «встык». Возможность укладкифольги «внахлест» обусловленанеобходимостью ее зачистки передсваркой с фитингом: таким образом, фольга не контактирует с теплоносителеми не влияет на качество сварки трубы ифитинга. Сварка фольги «встык» широкоприменяется для труб Pex /Al /Pex – этоопределено конструкцией данного типатрубы (армирующий слой находится вцентре) и технологией монтажа.
На ранних этапах развитиятехнологии армирования PPR-трубиспользовалась сплошная алюминиеваяфольга. Она не пропускает кислород втеплоноситель, обеспечивает гладкуювнешнюю поверхность трубы. Однако приэтом сама фольга обладает абсолютногладкой поверхностью, и ее надежноесоединение со слоями полипропиленазатруднительно. Эта особенность фольгипредъявляет определенные требованияк свойствам клея, а также к температуреи влажности на производстве. Нарушениятехнологии и отступления от стандартовкачества сырья при производствеармированных труб приводят к тому, чтомолекулы воды проникают сквозь стенкутрубы (полипропилен гидроскопичен),однако алюминиевая фольга их непропускает, и вода скапливается подслоем алюминия, способствуя образованиюпузырей на поверхности трубы, вследствиечего нарушается ее эстетический внешнийвид.
Чтобы избежатьобразования пузырей на поверхноститрубы и разрушения ее верхнего слоя, PPR-трубы в настоящее время армируютперфорированной алюминиевой фольгой, которая имеет равномерно расположенныекруглые отверстия. При производстветрубы с перфорированной фольгойполипропилен верхнего декоративногослоя и базовый полипропилен прочноскрепляются между собой по всейповерхности перфорации, как заклепками.
Посколькуперфорированная фольга имеет отверстия,у потребителей нередковозникает законный вопрос: «Каковакислородопроницаемость трубы, армированной перфорированной фольгой?»
Для полипропиленовых трубТЕВО technics. площадь перфорации мала исоставляет 2,8%.
Как мы указывалиранее, кислородопроницаемостьнеармированных полипропиленовых трубориентировочно равна 2 (г/м3*cут),а разрешенная проницаемость составляет0,1 (г/м3*cут).
Соответственно, армированная перфорированной фольгойPPR-труба имеет ориентировочнуюкислородопроницаемость 0,056 (г/м3*cут),что допустимо по СНиП 41-01-2003 п. 6.4.1.
Трубыцентрально армированные
Трубы типа Stabi, окоторых шла речь выше, обладали, с точкизрения удобства монтажа, однимнедостатком: перед сваркой требоваласьзачистка труб, в процессе которойснимались верхний слой алюминия идекоративный слой PPR. Для упрощенияпроцесса монтажа многие производителиизготавливают трубу с центральнойармировкой алюминиевой фольгойPPR-AL-PPR (рис. 1). При таком способе армированияполностью сохраняются достоинстваармированных труб: низкий коэффициенттемпературного линейного расширенияи низкая кислородопроницаемость.
Рис. 1
В зависимости отсоотношения внешнего диаметра трубыи толщины ее стенки (SDR), труба PPR-AL-PPRможет иметь маркировку PN20 или PN25. Еслиэто соотношение равно 5, труба будетиметь маркировку PN25; если SDR=6 – маркировкуPN20.
Недостаткомконструкции данных труб являетсянеобходимость торцевания краев трубыс целью недопущения контакта алюминиевойфольги с теплоносителем. Результатнедобросовестного монтажа показан напримере трубы с центральной армировкойалюминиевой фольгой «внахлест» ипроиллюстрирован на рис. 2, 3, 4. Монтажтрубы произведен обычной насадкой, торцевание не производилось. В такомслучае теплоноситель в процессеэксплуатации под давлением проникаетв образовавшееся пространство междуслоем армирующего алюминия и полипропиленом(рис. 2), что приводит к образованиюпузыря на на поверхности трубы. Посколькуверхний слой полипропилена в трубахPPR-AL-PPR тонок, не имеет достаточнойпрочности и не рассчитан на подобныенагрузки – неизбежно его постепенноеразрушение. Через образовавшеесяотверстие происходит протечкатеплоносителя, что приводит к авариивсего трубопровода (рис. 3 и 4).
Рис. 2 Рис. 3
Рис. 4
Таким образом, при монтаже труб с центральной армировкойторцевание трубы является обязательнойоперацией. К сожалению, проверить, былали осуществлена данная операция, в ужесмонтированной системе трубопроводана основе труб c центральной армировкойневозможно – приходится надеятьсялишь на добросовестность монтажника. Чаще всего надежды не оправдываются, поскольку большинство монтажников, поверивших некорректным рекламнымлозунгам поставщиков и продавцов даннойпродукции, искренне убеждены, что этатруба не требует зачистки. Заметим, чтопри использовании трубы типа Stabiосуществить ее сварку с фитингом беззачистки практически невозможно – покрайней мере, качество монтажа легкоконтролируется визуально. При монтажетруб с центральной армировкой проблемаможет быть решена путем применения впроцессе сварки специальных сварочныхнасадок – тогда торцевание краев трубыне является обязательным. К тому же специальные насадки могут применятьсяи при сварке обычных, неармированныхPPR-труб – соответственно, отпадаетнеобходимость в стандартных сварочныхнасадках . А имея при себе толькоспециальные сварочные насадки, монтажникне сможет, осуществить неправильныймонтаж трубы с центральным армированнымслоем.
На рис. 5 показанывнешний вид специальной сварочнойнасадки и ее принципиальноеизображение в разрезе. Конструкциянасадки разработана таким образом, чтопрогреваются внешняя и внутренняяповерхность трубы.Без прогрева внутренней поверхноститрубы полипропилен может закрытьалюминиевый слой, но с торцевойповерхностью трубы диффузионно он несварится. Для успешной работы специальнойнасадки в ее конструкции предусмотреноотверстие для отвода воздуха находящегосямежду трубой и насадкой при нагреветрубы. Это отверстие также служит длявизуального контроля процесса разогреватрубы.
Рис. 5
В результатепроведенных в ООО «Альтерпласт» расчетови исследований, а также тестовыхиспытаний с различными вариантамигеометрии внутренней поверхности иформы сварочных насадок удалось создатьоптимальную конструкцию специальнойнасадки. На рис. 6 показан разрез сварногосоединения трубы с центральной армировкойMaster pipe и фитинга ТЕВО technics. Сваркапроизведена специальной сварочнойнасадкой, запатентованной компанией«Альтерпласт» (патент № 96 523 от 10.08.2010г. «Сменный нагреватель»). Как видно изрис. 6, алюминиевая фольга полностьюзакрыта полипропиленом. Фитинг надежноприлегает к трубе по всей свариваемойповерхности. Важноотметить, что торцевание или зачисткаконца трубы при этом не производились.
Рис. 6
Достоинства даннойнасадки очевидны. Недостатками можносчитать незначительное увеличениевремени разогрева полипропиленовойтрубы, а также необходимость точного(с отклонением не больше 3–5 градусов)горизонтального позиционированиятрубы внутри насадки в процессе сварки.
Особенноститрубы с центральной армировкой
Для монтажа трубыс центральной армировкой используютсятиповые фитинги, которые применяютсядля монтажа PPR-труб и выпускаются всемипроизводителями. Но, в связи с тем, чтотруба с центральной армировкой передсваркой не зачищается, при одинаковомпараметре SDR проходное сечение трубыс центральной армировкой будет меньшена удвоенную толщину зачищаемого слоя. Такое уменьшение может быть принципиальнымдля труб малых диаметров (DN 20, 25, 32).Например, для трубы DN20 PN25 заужениесоставляет 20%. В связис этим можно порекомендоватьпроектировщикам и потребителямиспользовать трубу с центральнымармированием номиналом PN20, то естьSDR=6, и применять ее по соответствующейсерии s=2,5, сохранив для этой трубыпривычные гидравлические характеристикитрадиционно армированной трубы PN25.
Тепловоелинейное расширение
По показателямлинейного расширения традиционно ицентрально армированные трубы не имеютпринципиальных различий. Трубы, армированные перфорированной алюминиевойфольгой, в зависимости от толщиныфольги, типа перфорации а также параметровSDR и DN (независимо от глубины залеганияалюминиевого слоя), имеют разные значениякоэффициента линейного расширения(Кр), которые колеблютсяв диапазоне 0,03–0,05мм/мК.
Кислородопроницаемостьтруб с центральной армировкой
Как мы видели, принеправильном монтаже разрушение трубыс центральной армировкой происходитпо алюминиевому слою, причем с наибольшейвероятностью в том месте, где краяалюминиевой фольги соединены «внахлест».Чтобы избежать подобных дефектов, лучшеиспользовать трубу, при производствекоторой края алюминиевой фольги ненакладываются друг на друга и междукраями остается полоска трубы, незакрытая алюминиевой фольгой (рис. 7).
Соответственно, при расчете кислородопроницаемости кпосчитанной нами площади перфорациидобавляется площадь данной полоски. Ее ширина (при разрешеннойкислородопроницаемости 0,1 г/м3*cут)может составлять для DN20 – 1,5 мм, дляDN25 – 1,8 мм.
Кислородопроницаемостьи диаметр трубы
Как уже говорилось, показатель кислородопроницаемостиполипропиленовых труб принят нами за2 г/м3*cут..Интересно рассмотреть зависимостьэтого показателя от диаметра трубы, используя понятие SDR.
Возьмем типовое уравнениепереноса. Будем считать, что временнойотрезок мал, длина трубы достаточномала, диффузия кислорода в воде от трубык центру значительно выше диффузиичерез стенку, растворенного в водекислорода нет. Тогда
Q=D٠S٠dc/dR=D٠3.14٠L٠∆c٠ln(SDR/(SDR-2)),
где, Q – потокдиффузионного кислорода,
D – кислородопроницаемость,
Dс – величина приростаконцентрации кислорода,
L – длина участка трубы,
S – площадь поверхноститрубы.
Отнеся диффузионныйпоток кислорода через стенку к объемуводы в трубе (т. е. тому объему, в которомданный кислород растворится), получим:
V=3.14/4 ٠(DN-2٠DN/SDR)2٠L=3.14/4 ٠DN2٠(1-2/SDR)2٠L
Q/V=4٠D٠∆с/DN2٠ln(SDR/(SDR-2))/ (1-2/SDR)2
Преобразуяполученное уравнение и подставляяSDR=6, получим зависимость диффузиикислорода отнесенной к объему неармированных труб PN20 взависимости от внешнего диаметра трубыDN:
Q/V=3.6٠D٠∆с/DN2
Очевидно, чточем больше диаметр трубы, тем нижеконцентрация добавленного кислородав воде и эта концентрация обратнопропорциональна диметру трубы во второйстепени.
Данный результат еще разподтверждает ошибочность распространенногоутверждения: «Трубы малых диаметровне обязательно армировать или защищатьтеплоноситель от попадания в негокислорода, так как потоком кислородасквозь стенку таких труб можнопренебречь». Сторонники этой точкизрения призывают не армировать алюминиеми не покрывать слоем AVOH ( антидиффузионныйслой для труб PEX) и PPR трубы малогодиаметра. Однако именно такие трубы, стоят, например, перед стальнымипанельными радиаторами (толщина стальнойстенки – 1,2 мм). Поэтомуармировать алюминием трубы малого ибольшого диаметра для систем отоплениянеобходимо. Причем длятруб малого диаметра это правило болееважно, чем для труббольшого диаметра, где необходим расчети привязка к конкретной схеме применения.
Например, при D=2х10-11м2/с(кислородопроницаемость полипропилена)и ∆сО2MAX = 270 г/м3(ориентировочноесодержание кослорода в атмосфере)
Q/V=1,9٠10-8/DN2(г/с٠м3)или 1,6٠10-3/DN2(г/сутки٠м3)
для DN20мм, получимв сутки 4 г/м3 кислорода – иначе говоря, возможно образование30 г ржавчины. В одном метре трубы DN20PN20 ( SDR=6) содержится 2,2х10-4м3;соответственно, через этот погонныйметр трубы в теплоноситель пройдет помаксимуму 8,8х10-4 г/сут. кислорода.
Например, если системаотопления выполнена из полипропиленовойтрубы PN20 (неармированной или армированнойстекловолокном), объем системы отопления100 л, имеются настенный котел салюминиево-медным теплообменником итемпературой нагрева 80 С° и стальныепанельные радиаторы, а емкость трубравна 50 л, то в сутки для типового наборатруб разного диаметра с SDR=6 пройдет втеплоноситель около 0,1 г кислорода; впересчете на в год это составляет 37 гкислорода, или 250 г ржавчины, полученнойв стальных панельных радиаторах(которые, весьма вероятно, потекут черезгод или два эксплуатации).
В задачи данной статьи невходит точный количественный анализкислородопроницаемости, однакоприведенный пример позволяет разрешитьчасто задаваемый вопрос: «Сколькокислорода пропускает пластиковаятруба? Много это или мало?» Думается, нами был дан вполне конкретный ответ. В заключение заметим, что на эту темунаписано немало содержательных работ, но выводычитателей или компаний, поставляющих подобную продукцию на рынок, не всегдасоответствуют проведенному в этихстатьях анализу.
