Статья посвящена анализу характеристик полипропиленовой трубы, армированной стекловолокном, в зависимости от процентного содержания фиброволокон и толщины армированного слоя. Целью публикации является предложить специалистам критерии, которые позволяют судить об обоснованности заявлений различных производителей на данную тему. Статья может быть полезна также инженерам-технологам, производящим или планирующим производство такой трубы, а также специалистам в области водоснабжения и отопления.
В системах холодного и горячего водоснабжения для транспортировки воды используют трубы, выполненные из полипропилена (ГОСТ Р 52134-2003 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия.). Основные недостатки полипропиленовых труб известны:
1. Низкая температура эксплуатации до 90-95гр.С
2. Высокий линейный температурный коэффициент расширения Кр= 0,15 мм/м. Т (С, гр).
Рассмотрим подробнее эти недостатки.
На фоне общемировой тенденции повышения энергоэффективности и, соответственно, снижения температуры теплоносителя низкая температура эксплуатации полипропиленовых труб (до 90-95 гр.С) в настоящий момент уже не является определяющим недостатком.
Вторая проблема более многоплановая. Высокий линейный температурный коэффициент расширения трубы Kр определяет общее удлинение трубы при изменении температуры теплоносителя.
Например, мы монтировали трубу при Т=20 гр.С, а затем подключили эту трубу к системе отопления с Т теплоносителя равной 90гр.С. Температура самой трубы в таком случае изменилась на 70 гр.С и, соответственно, один метр полипропиленовой трубы удлинится на 10,5мм (Кр = 0.15 мм/мК).
Для компенсации температурного расширения в системах из PPR труб используются компенсаторы различной конструкции: п-образные, кольцевые, сильфонные и т. д. Применение компенсаторов ведет к некоторому повышению стоимости систем водоснабжения и отопления на базе PPR труб, а также усложняет работы по их монтажу и обслуживанию. Это также увеличивает массово-габаритные характеристики системы, осложняя их монтаж в существующих жилых и промышленных зданиях.
Актуальным путем решения этой задачи является снижение коэффициента линейного расширения Кр труб, например, армированием труб материалами с минимальными значениями коэффициента расширения Кр. Применяя в качестве основы для армирования материалы с разными физическими свойствами, можно получить PPR трубы с различными коэффициентами Кр. В итоге выбор материала для армирования труб зависит от требуемых физико-механических, экономических, эстетических и гигиенических характеристик готовой трубы.
Последние десятилетия ведущими мировыми производителями в системах горячего водоснабжения и отопления в качестве армировочного материала используется алюминиевая фольга (Кр алюминия =0.022мм/мК).
Фольга размещается вблизи поверхности трубы, а поверх фольги наносится слой полипропилена, защищающий алюминиевую фольгу от механических повреждений и дополнительно придающий изделию эстетичный внешний вид. Коэффициент Кр линейного теплового расширения труб, армированных алюминием в 5 раз ниже, чем у не армированных полипропиленовых труб и составляет 0.03 мм/м.
Т(гр). Важным фактором для систем отопления является то, что алюминиевая фольга служит дополнительным барьерным слоем, препятствующим диффузии кислорода из окружающей среды в теплоноситель.
Несмотря на это, алюминиевый армирующий слой в полипропиленовых трубах усложняет монтаж систем водоснабжения и отопления. Перед монтажом их необходимо зачищать, снимая с трубы часть алюминиевой фольги.
Это связано с тем, что монтаж полипропиленовой трубы и фитинга, произведенного из того же материала, что и труба, осуществляется диффузионной сваркой. Для труб, армированных алюминием в центре, процедура зачистки не нужна.
Однако, при монтаже таких труб возникает необходимость использования специального инструмента для предотвращения контакта алюминиевой фольги с теплоносителем. Специальный инструмент это: торцеватель и/или специальная сварочная насадка. Например: сварочная насадка по патенту №96523 от 22.04.10г. «Альтерпласт»)
Технология производства армированных труб такова, что в качестве скрепляющего материала между алюминиевой фольгой и полипропиленом является специальный клей. Этот фактор усложняет процесс производства армированных полипропиленовых труб и увеличивает вероятность получения некачественной продукции при нарушении технологии или использовании бракованного клея.
Совсем недавно в ассортименте большинства ведущих производителей полипропиленовых труб появилась новая труба, состоящая из трех слоев. В этой трубе внутренний и наружный слои выполнены из полипропилена, а средний – из смеси полипропилена и добавки в виде фиброволокон, стабилизирующей линейное температурное расширение полипропиленовой трубы.
Фибра из стекла (или стекловолокно) обладает низким значением коэффициента Кр – 0,009 мм/м.Т(С). Стекловолокно применяется давно для армирования строительных растворов на основе цемента. Стекловолокна обладают высоким пределом прочности при различных нагрузках.
Для сравнения: предел прочности стекловолокна при растяжении в три раза выше, чем у стали. Таким образом, при сочетании в одном изделии таких свойств, как эластичность полипропилена и прочность стекловолокна обеспечивается передача растягивающих напряжений и деформаций от полипропилена на стекловолокну, обеспечивая тем самым снижение значения коэффициента Кр трубы.
Казалось бы, стекловолокно является идеальным составом при использовании его в качестве материала для армировки PPR труб. Однако, оно имеет один недостаток — хрупкость. Инженеры нашли отличный способ решения этой проблемы.
Армирование стекловолокном PPR труб решили производить в середине между внешним и внутренним слоями полипропилена. То есть получается трехслойная труба PPR/PPR-GF/PPR (где GF- glass fiber, стекловолокно).
Важным условием является также добавление в центральный слой вместе со стекловолокном — полипропилена. Наличие полипропилена в среднем слое трубы, с одной стороны, является своеобразным наполнителем несущим материнским материалом ( как в строительстве для стальной арматуры бетон), который позволяет развернуться волокнам фибры, образуя в среднем слое материал с единой армированной структурой и постоянными для данного слоя макросвойствами. А с другой стороны – обеспечивает условия для создания прочной молекулярной связи между собой всех трех слоев трубы.
Поскольку, коэффициент, получаемый при армировании труб алюминиевой фольгой, обеспечивает удовлетворительные с точки зрения эксплуатации характеристики, задачей является армирование полипропиленовой трубы таким образом, чтобы наличие армирующего слоя не приводило к усложнению процесса монтажа систем по сравнению с монтажом на основе труб без армирующего слоя. Но при этом значение коэффициента линейного температурного расширения армированной трубы, должно быть по возможности минимально и близко к значению этого коэффициента для труб, армированных алюминиевой фольгой.
Важной задачей при массовом производстве труб, армированных стекловолокном, является соблюдение стабильности показателя коэффициента линейного температурного расширения труб Kp от партии к партии, от диаметра к диаметру. Это важно с точки зрения ее последующего применения и эксплуатации.
Однако, если для всего разнообразия труб, армированных алюминием, вопрос стабильности значения коэффициента температурного расширения различных производителей и разных диаметров решается сам собой, то для трубы армированной стекловолокном это не так. Линейное расширение (Кр) труб разных производителей колеблется в диапазоне 0.035 – 0,05мм/мК. При последующем применении и эксплуатации это достаточно существенный разброс по значениям Кр.
Усугубляет ситуацию тот факт, что ни один производитель не предоставляет достоверных данных по реальным параметрам значения показателя Кр. Давайте хотя бы ориентировочно разберемся в сути этой задачи.
Параметрами, определяющими значение показателя Kp для труб, армированных стекловолокном являются:
- процентное содержание стекловолокна в среднем слое
- значение толщины среднего слоя.
Качество стекловолокна, или точнее, линейные размеры частиц стекловолокна, серьезного влияния на значение показателя Kp не имеют.
Это связано с тем, что характерный диаметр элементарных стекловолокон — 13 мкр., а характерная длина волокна редко может быть менее 0.5мм (а это порядка 40 калибров по диаметру), что вполне допустимо для армирования. Важность этого заключения состоит в том, что в настоящее время, часть производителей вводят новое понятие «армирование длинными волокнами», не изменяя технологию производства и не раскрывая точных данных длины этих волокон.
Используемые в системах водоснабжения и отопления трубы имеют размеры, зафиксированные стандартами (см. ГОСТ Р 52134-2003).
Стандартизация размеров, в том числе толщины труб, приводит к необходимости решения задачи оптимизации содержания стабилизирующей добавки и соотношения толщины среднего слоя трубы с толщиной ее наружного и внутреннего слоев.
Количество слоев выбрано из следующей логики, внутренний и наружный слои трубы не должны содержать добавок из фибры так как:
- для внутреннего слоя – это вызвано необходимостью обеспечить гигиеническую безопасность (исключение проникновения фибр в транспортируемую воду) из износостойкости (истираемости) труб, которая должна обеспечивать эксплуатацию системы водоснабжения или отопления в течение эксплуатационного срока.
- для внешнего слоя – исходя из необходимости проведения монтажа без нарушения целостности срединного слоя, обеспечения прочности сварки полипропиленовой трубы и полипропиленовых фитингов.
На рис. 1 представлен чертеж сечения трехслойной трубы для систем водоснабжения и отопления, армированной стекловолокном, где приняты следующие обозначения:
Рис. 1. Чертеж сечения трехслойной трубы для систем водоснабжения и отопления, армированной стекловолокном.
1-труба; 2- внутренний слой трубы; 3-средний слой трубы; 4- наружный слой трубы.
Обозначим параметры трубы следующим образом:
?Х-толщина стенки трубы;
? –внутренний диаметр трубы 1
?- диаметр трубы 1 (или DN)
?- толщина внутреннего слоя 2
?- толщина среднего слоя 3
?- толщина наружного слоя 4
Из требования регулярности и повторяемости характеристик трубы, в частности, линейного расширения для разных диаметров труб, следует что
?/ (?+ ?)= const=K
Из требования ГОСТ Р 52134-2003
?/?Х=SDR, причем для PN 25 SDR =5, для PN20 SDR =6, для PN10 SDR= 7.4 и т.д.
?Х= ?+ ?+ ?, по определению
Тогда ?= =?Х х К/(1+К)= ?/SDR х К/(1+К)=DN/SDR х К/(1+К)
Определим граничные условия на толщину внутреннего слоя ?.
Согласно имеющимся данным по испытаниям полипропиленовых труб, износ полипропилена для водно-песчаных смесей может составлять менее 0.2 мм за 1000 циклов испытаний. С течением времени истираемость материала падает и в результате не может составить более 0.5 мм за 50 лет.
Ошибку по овальности внутреннего слоя трубы определим как – 0.5 мм. Полученная минимальная базовая толщина внутреннего слоя 0.7мм.
Эта толщина определена для всех труб разного диаметра и PN.
Определим граничные условия на толщину ?.
Рассмотрим частное решение на примере трубы DN20 PN20
Для трубы DN20 PN20 общая толщина стенки составляет 3.4 +0.3мм., внутренний диаметр фитинга составляет 19,2 мм., максимальный диаметр трубы DN20 по ГОСТ Р 52134-2003 составляет 20.3 мм. Отсюда следует, что толщина внешнего слоя должна быть не менее 0.5 мм. С учетом возможного значения не соосности (до 3 угловых градусов) фитинга и трубы необходимо задать допустимое отклонение по толщине внешнего слоя- до 0.8 мм. (длина сварочного пояска муфты умноженная на sin3гр.).Исходя из сказанного минимальная толщина внешнего слоя для трубы DN20 должна быть более 0.8мм.
Определим численные значения границ ?/?Х, ?=0.7, ?=0.8. Для SDR=5, ?/?Х =0.625, при SDR=6 ?/?Х=0,53, SDR=7.4 ?/?Х=0,445. Например, для SDR=6 (DN20 PN20) ?=1,8мм.
Процентное соотношение в среднем слое армирующего волокна и полипропилена зависит от нескольких причин. Имеется ограничение , т.к. смесь должна проходить через экструдер, обеспечить качественную внутреннюю поверхность трубы и свариться с внешним и внутренним слоем трубы.
С другой стороны, количество добавки должно обеспечивать требуемое значение коэффициента линейного температурного расширения.
Выбор производителем процентного содержания в среднем слое армирующего волокна и полипропилена зависит от нескольких причин. С одной стороны, смесь должна быть такой, чтобы проходя через экструдер, она могла свариться с внешним и внутренним слоем трубы. С другой стороны, массовая доля добавки из стекловолокна должна обеспечивать требуемое значение коэффициента линейного температурного расширения.
На рис.2 представлены график зависимости коэффициента линейного температурного расширения для трубы, средний слой которой содержит смесь полипропилена и стекловолокна, при ?/?Х=0.5.
Рис. 2. График зависимости коэффициента линейного температурного расширения для трубы, средний слой которой содержит смесь полипропилена и стекловолокна, при ?/?Х=0.5.
Переложив зависимость по графику на рис.2 в координатные оси ? / ?Х и процентное содержание стекловолокна в среднем слое получаем эпюры переменных толщины слоя и содержания стекловолокна при постоянных значениях коэффициента линейного температурного расширения трубы рис.3.
Рис.3
Из приведенного на рис.3 графика следует, что область, в которой коэффициент линейного температурного расширения трубы находится в расчетных границах Кр= 0.03-0.05мм/мхК(гр), и значения ?/?Х от 0.3 до 0,6 и содержание в среднем слое добавки, стабилизирующей коэффициент линейного температурного расширения трубы, в диапазоне от 15 до 30 мас. % для стекловолокна.
Необходимо отметить, что погрешность по наружному диаметру трубы PN20 DN20 на 0.2мм. ?/(?Х+0.2)=0,51, приведет к отклонению Кр трубы ориентировочно на 4%. Погрешность в толщине среднего слоя на эту же величину 0.2мм 0.2/?Х=0.2/3.4=0.05 приведет к изменению Кр ориентировочно на 8%.
По результатам вышесказанного хотелось бы отметить:
Неверным является утверждение, что параметр Кр зависит только от количества стекловолокна в армирующем слое трубы.
Важна также и толщина слоя, в котором это стекловолокно распределено. Приведём пример. У трубы, армированной алюминиевой фольгой, и у трубы, армированной алюминиевыми опилками, будут принципиально разные значения коэффициента Кр.
Разброс значения коэффициента Кр для труб, армированных стекловолокном, может составлять (даже для одного производителя) более 10%, не говоря уже о продукции разных производителей. В связи с этим, при проведении практических расчетов количества компенсаторов для трубы, армированной стекловолокном, лучше принимать значение коэффициента Кр равным 0.05мм/мК(гр).
Вышеприведенный анализ близок по смыслу и данным к патенту №92931 (RU) «Труба пластиковая многослойная для систем водоснабжения и отопления», патентообладатель ООО «Альтерпласт».
