Трубы из сшитого полиэтилена для систем водоснабжения и отопления

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

Предел текучести при растяжении, МПа

Относительное удлинение при разрыве, %

Изменение размеров после прогрева при 100 °С, не более, %

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)

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

Высокотемпературное напольное отопление; низкотемпературное отопление отопительными приборами

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

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

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)