Ремонт дома

Статьяпосвящена системе оценки качестваполипропиленовой трубы, армированнойстекловолокном, на основании такихпараметров как процент содержаниестекловолокна в армированном слое итолщина этого слоя. Целью публикацииявляется показать специалистам основныекритерии, по которым они могут распознатьразличные не обоснованные инсинуациина эту тему. Статья будет полезнаинженерам, работающим на заводах попроизводству данной трубы, а такжеспециалистам в области инженерныхсистем отопления и водоснабжения.

Всистемах холодногоигорячего водоснабжениядлятранспортировки воды используют трубы, выполненные из полипропилена (ГОСТР 52134-2003 «Трубы напорные из термопластови соединительные детали к ним для системводоснабжения и отопления. Общиетехнические условия.). Основныенедостатки полипропиленовых трубизвестны:

1. Низкаятемператураэксплуатации до 90-95гр. С

2. Высокий линейныйтемпературный коэффициент расширенияКр= 0,15 мм/м. Т (С, гр).

Рассмотримподробнее эти недостатки.

На фоне общемировойтенденции повышения энергоэффективностии, соответственно, снижения температурытеплоносителя низкая температураэксплуатации полипропиленовых труб(до 90-95 гр. С) в настоящий момент уже неявляется определяющим недостатком.

Втораяпроблемаболее многоплановая. Высокийлинейный температурный коэффициентрасширения трубы Kропределяет общее удлинение трубы приизменении температуры теплоносителя. Например, мы монтировали трубу приТ=20гр. С, а затем подключили эту трубу ксистеме отопления с Т теплоносителяравной 90гр. С. Температура самой трубыв таком случае изменилась на 70 гр. С и, соответственно, один метр полипропиленовойтрубы удлинится на 10,5мм (Кр = 0.15 мм/мК).

Длякомпенсации температурного расширенияв системахизPPRтрубиспользуютсякомпенсаторы различнойконструкции:п-образные, кольцевые, сильфонные и т. д.Применение компенсаторовведет к некоторомуповышениюстоимостисистемводоснабженияи отопления на базе PPRтруб,а также усложняет работы по их монтажуи обслуживанию. Это также увеличиваетмассово-габаритныехарактеристики системы, осложняяихмонтаж в существующих жилых и промышленныхзданиях.

Актуальнымпутем решения этой задачи являетсяснижение коэффициента линейногорасширенияКртруб, например,армированиемтруб материалами с минимальнымизначениями коэффициента расширенияКр. Применяя в качестве основы дляармирования материалы с разнымифизическими свойствами, можно получитьPPRтрубыс различнымикоэффициентами Кр. В итоге выборматериаладля армирования труб зависит от требуемыхфизико-механических, экономических, эстетических и гигиеническиххарактеристикготовой трубы.

. Последниедесятилетия ведущими мировымипроизводителями в системах горячеговодоснабжения и отопления в качествеармировочного материала используетсяалюминиевая фольга (Кр алюминия=0.022мм/мК).

Фольга размещаетсявблизи поверхности трубы иповерхфольгинаноситсяслой полипропилена,защищающийалюминиевую фольгуот механических повреждений идополнительнопридающийизделиюэстетичныйвнешнийвид.КоэффициентКр линейноготепловогорасширениятруб, армированных алюминием в 5 раз ниже,чему не армированныхполипропиленовыхтруб и составляет0.03мм/м. Т(гр).Важным фактором для систем отопленияявляется то, что алюминиеваяфольга служитдополнительным барьернымслоем, препятствующим диффузии кислородаиз окружающей среды в теплоноситель.

Несмотря наэто, алюминиевый армирующий слой вполипропиленовых трубах несколькоусложняет монтажсистемводоснабжения и отопления.Передмонтажом ихнеобходимозачищать, снимая с трубы часть алюминиевойфольги. Это связано с тем, что монтажполипропиленовойтрубы и фитинга, произведенного из тогоже материала, что и труба,осуществляетсядиффузионной сваркой. Для труб, армированных алюминием в центре междуслоями полипропилена, процедура зачисткине нужна. Однако, с целью обязательногопредотвращения контакта алюминиевойфольги с теплоносителем, при монтажетаких труб не удасться избежатьнеобходимости использования специальногоинструмента. Таким инструментом являетсяторцеватель или специальная сварочнаянасадка, Одна из таких насадокзапатентована компанией «Альтерпласт»патент №96523 от 22.04.10г.

Технологияпроизводства армированных труб такова, что в качестве скрепляющего материаламежду алюминиевой фольгой и полипропиленомявляется специальный клей. Этот факторусложняет процесс производстваармированных полипропиленовых труб иувеличивает вероятность получениянекачественной продукции при нарушениитехнологии или использовании бракованногоклея.

Совсемнедавно в ассортименте большинстваведущих производителей полипропиленовыхтруб появилась новая труба, состоящая из трех слоев. В этой трубевнутренний и наружныйслоивыполнены изполипропилена, а средний— из смесиполипропилена и добавки в видефиброволокон,стабилизирующейлинейноетемпературноерасширение полипропиленовой трубы.Фибраиз стекла ( или стекловолокно)обладаетнизкимзначениемкоэффициентаКр —0,009мм/м. Т(С).Стекловолокноприменяется давно дляармирования строительных растворовна основе цемента. Стекловолокнаобладают высоким пределом прочностипри различных нагрузках. Для сравнения, предел прочности стекловолокна прирастяжении в три раза выше, чем у стали. Таким образом, при сочетании в одномизделии таких свойств, как эластичностьполипропилена и прочность стекловолокнаобеспечиваетсяпередача растягивающих напряжений идеформаций от полипропилена настекловолокно, обеспечивая тем самымснижение значения коэффициента Кртрубы.

Казалосьбы, стекловолокно является идеальнымсоставом при использовании егов качестве материаладля армировки PPRтруб. Однако, оно имеет один недостаток — хрупкость. Инженеры нашли отличныйспособ решения этой проблемы. Армированиестекловолокном PPRтрубрешили производить в середине междувнешним и внутренним слоями полипропилена. То есть получается трехслойная трубаPPR/PPR-GF/PPR(где GF-glass fiber, стекловолокно).

Важным условиемявляется также добавление в центральныйслой вместе со стекловолокном — полипропилена. Наличие полипропиленав среднем слое трубы, с одной стороны, является своеобразным наполнителем — несущим материнским материалом ( какв строительстве для стальной арматурыбетон), который позволяет развернутьсяволокнам фибры, образуя в среднем слоематериал с единой армированной структуройи постоянными для данного слоя макросвойствами. А с другой стороны — обеспечивает условиядля создания прочной молекулярнойсвязи между собойвсех трех слоев трубы.

Поскольку, коэффициент,получаемыйпри армировании трубалюминиевойфольгой,обеспечиваетудовлетворительные с точки зренияэксплуатациихарактеристики, задачейявляетсяармированиеполипропиленовойтрубы таким образом, чтобы наличиеармирующегослоя не приводило к усложнению процессамонтажа систем по сравнению с монтажомна основе труб без армирующего слоя. Но при этом значение коэффициенталинейного температурногорасширенияармированной трубы, должно быть, повозможности, минимально и близкокзначению этого коэффициента для труб, армированных алюминиевой фольгой.

Важнойзадачей при массовом производстветруб, армированных стекловолокном, является соблюдение стабильностипоказателякоэффициента линейного температурногорасширениятруб от партии к партии, от диаметра кдиаметру. Это важно с точки зренияеепоследующего применения и эксплуатации. Однако, если для всего разнообразиятруб, армированных алюминием, вопросстабильности значения коэффициентатемпературного расширения различныхпроизводителей и разных диаметроврешается сам собой, то для трубыармированной стекловолокном это нетак. Линейноерасширение (Кр) труб разных производителейколеблется в диапазоне0.035- 0,05мм/мК. При последующем применениии эксплуатации это достаточно существенныйразброс по значениям Кр.

Усугубляетситуацию тот факт, что ни один производительне предоставляет достоверных данныхпо реальным параметрам значенияпоказателя Кр. Давайте хотя быориентировочно разберемся в сути этойзадачи.

Параметрами, определяющими значение показателя Kpтруб, армированных стекловолокном являются:

—процентное содержаниестекловолокна в среднем слое

• значение толщинысреднего слоя.

Качествостекловолокна, или точнеелинейные размерычастиц стекловолокна, серьезного влияния на значение показателя Kpне имеют. Это связано с тем, что характерныйдиаметр элементарныхстекловолокон—13мкр., а характерная длина волокна редкоможет быть менее 0.5мм (а это порядка 40калибров по диаметру), что вполнедопустимо для армирования.Важность этого заключения состоит втом, что в настоящеевремя, часть производителей вводятновое понятие «армирование длиннымиволокнами», не изменяя технологиюпроизводства и не раскрывая точныхданных длины этих волокон.

Используемыевсистемахводоснабженияи отопления трубыимеютразмеры, зафиксированные стандартами (см.ГОСТ Р 52134-2003).Стандартизацияразмеров, в том числе толщины труб, приводит к необходимости решения задачиоптимизации содержания стабилизирующейдобавки и соотношения толщины среднегослоя трубы с толщиной ее наружного ивнутреннего слоев.

Количествослоев выбрано из следующей логики, внутренний и наружный слои трубы недолжны содержать добавок из фибры так как:

-длявнутреннегослояэто вызвано необходимостьюобеспечитьгигиеническую безопасность (исключениепроникновения фибрвтранспортируемуюводу)изизносостойкости(истираемости)труб, которая должна обеспечивать эксплуатациюсистемы водоснабжения или отопленияв течение эксплуатационногосрока.

-длявнешнегослоя — исходя из необходимостипроведениямонтажа без нарушения целостностисрединного слоя, обеспечения прочностисварки полипропиленовой трубы иполипропиленовых фитингов.

Нарис..1 представлен чертеж сечениятрехслойной трубы для систем водоснабженияи отопления, армированной стекловолокном,где принятыследующие обозначения:

Рис. 1

1-труба;

2- внутреннийслой трубы;

3-средний слойтрубы;

4- наружный слойтрубы.

Обозначимпараметры трубыследующим образом:

&#8710Х-толщинастенки трубы;

α–внутренний диаметр трубы 1

β—диаметр трубы1 (или DN)

γ-толщина внутреннего слоя 2

δ-толщина среднего слоя 3

ε-толщина наружного слоя 4

Изтребования регулярности и повторяемостихарактеристик трубы, вчастности, линейного расширениядля разныхдиаметров труб,следуетчто

δ/(γ+ ε)= const=K

Из требованияГОСТ Р 52134-2003

β/&#8710Х=SDR,причем для PN25 SDR=5, для PN20SDR=6, для PN10SDR=7.4 и т. д.

&#8710Х=δ+ γ+ ε, по определению

Тогдаδ= =&#8710Хх К/(1+К)= β/SDRх К/(1+К)=DN/SDRх К/(1+К)

Определимграничные условиянатолщину внутреннего слоя γ.

Согласно имеющимсяданным по испытаниям полипропиленовыхтрубизносполипропилена для водно-песчаных смесейможет составлятьменее0.2 мм за 1000 циклов испытаний. Далееистираемость материала падает и врезультате не может составить более0.5 мм за 50 лет. Ошибку по овальностивнутреннего слоя трубы определим как — 0.5 мм. Полученная минимальная базоваятолщина внутреннего слоя0.7мм. Эта толщина определена для всех трубразного диаметра и PN.

Определимграничныеусловия натолщину ε.

Рассмотримчастное решение на примеретрубы DN20PN20

Длятрубы DN20 PN20общая толщина стенкисоставляет 3.4 +0.3мм., внутренний диаметрфитинга составляет 19,2 мм.,максимальный диаметр трубыDN20по ГОСТ Р 52134-2003 составляет20.3 мм.Отсюда следует, что толщинавнешнего слоядолжна быть не менее 0.5 мм. С учетомвозможного значения несоосности (до 3 угловых градусов) фитингаи трубы необходимо задать допустимоеотклонение по толщине внешнего слоя-до 0.8 мм. (длина сварочного пояска муфтыумноженная на sin3гр.).Исходяиз сказанного минимальная толщинавнешнего слоя длятрубы DN20должна быть более0.8мм.

Определимчисленные значенияграницδ/&#8710Х, γ=0.7,ε=0.8.Для SDR=5,δ/&#8710Х=0.625, при SDR=6δ/&#8710Х=0,53,SDR=7.4δ/&#8710Х=0,445. Например, дляSDR=6(DN20PN20)δ=1,8мм.

Процентноесоотношение в среднем слое армирующеговолокнаиполипропиленадлятруб зависитот нескольких причин. Имеется ограничение, так. к.ак смесь должна проходить черезэкструдер, обеспечить качественнуювнутреннюю поверхность трубы и сваритьсяс внешним и внутренним слоем трубы. Сдругой стороны,количестводобавки должно обеспечивать требуемоезначение коэффициенталинейного температурного расширения,.

Нарис. 2. 2представленыграфик зависимостикоэффициенталинейного температурного расширениядлятрубы, среднийслой которой содержит смесьполипропилена истекловолокна, при δ/&#8710Х=0.5.

Рис.2

Переложивзависимость по графику на рис.2 вкоординатные осиδ / &#8710Х и процентноесодержание стекловолокна в среднемслое получаем эпюры переменных толщиныслоя и содержания стекловолокна припостоянных значениях коэффициенталинейного температурного расширениятрубы рис.3.

Рис..3

Изприведенногона рис.3. 3 графикаследует, чтообласть, в которой коэффициент линейноготемпературного расширения трубынаходится в расчетныхграницах Кр= 0.03-0.05мм/мхК(гр), и значенияδ/&#8710Х от 0.3до 0,6 исодержание в среднем слое добавки, стабилизирующей коэффициентлинейного температурногорасширения трубы, в диапазоне от 15 до 30 мас.% для стекловолокна.

Необходимоотметить, что погрешность по наружномудиаметру трубы PN20 DN20 на0.2мм.δ/(&#8710Х+0.2)=0,51,приведет к отклонению Кр трубыориентировочно на 4%. Погрешность втолщине среднего слоя на эту же величину0.2мм0.2/&#8710Х=0.2/3.4=0.05приведет к изменению Кр ориентировочнона 8%.

Порезультатам вышесказанного хотелосьбы отметить:

-неверным является утверждение, чтопараметр Кр зависит только от количествастекловолокна в армирующем слое трубы. Важна также и толщина слоя, в которомэто стекловолокно распределено. Приведёмпример. У трубы, армированной алюминиевойфольгой и у трубы, армированнойалюминиевыми опилками из этой фольги, будут принципиально разные значениякоэффициента Кр.Разброс значения коэффициентаКр для труб, армированных стекловолокном, может составлять (даже для одногопроизводителя) более 10%, не говоря ужео продукции разных производителей. Всвязи с этим, при проведении практическихрасчетов количества компенсаторов длятрубы, армированной стекловолокном, лучше принимать значение коэффициентаКр равным 0.05мм/мК(гр).

Вышеприведенныйанализ близок по смыслу и данным кпатенту №92931 (RU)«Труба пластиковая многослойная длясистем водоснабжения и отопления»патентообладатель ООО «Альтерпласт».

Читайте также:  Насосы для систем водоснабжения. Насосное оборудование для скажин - Как сделать самому?