ТРУБА ПЛАСТИКОВАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ ДЛЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОТОПЛЕНИЯ

Заявленная пластиковая многослойная труба для систем водоснабжения и отопления относится к устройствам, используемым в промышленности и жилищном хозяйстве, в том числе для водоснабжения и отопления зданий и сооружений, производственных цехов и т.п.
В системах холодного и горячего водоснабжения для транспортировки воды используют трубы, выполненные из полипропилена, полибутилена и т.д. например трубы марок PN10, PN16, PN20 (ГОСТ Р 52134-2003 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия.). Их недостатком является высокий линейный температурный коэффициент расширения Кр=0,15 мм/м. Т (С, гр).
Компенсация температурного расширения достигается использованием в системе компенсаторов различной конструкции: п-образных, кольцевых, сильфонных и т.д. Использование компенсаторов приводит к удорожанию системы холодного (ХВС), горячего (ГВС) водоснабжения и отопления, усложняет работы по их монтажу и обслуживанию, увеличивает массово-габаритные характеристики систем, приводя к невозможности их установки в существующих жилых и промышленных помещениях.
Другой путь борьбы за минимизацию температурного расширения, это снижение Кр, т.е., как вариант, армирование труб. Кр армированной пропиленовой трубы в основном определяется линейным температурным коэффициентом расширения армирующего материала. Соответственно выбор армирующего материала зависит от требуемых физико-механических, экономических, эстетических и гигиенических характеристик трубы.
Так, в системах водоснабжения и отопления применяются пластиковые трубы, армированные алюминиевой фольгой. Фольга размещается вблизи поверхности трубы и поверх нее наносится слой пластика, защищающий фольгу от механических повреждений и придающий изделию эстетичный внешний вид. Коэффициент Кр линейного теплового расширения таких труб в 5 раз ниже, чем у неармированных полипропиленовых труб марок PN10, PN16, PN20, и составляет 0.03 мм/м. Т(гр). Алюминиевая фольга, кроме того, служит барьерным слоем, препятствующем диффузии кислорода из окружающей среды в транспортируемую среду.
Однако алюминиевый армирующий слой полипропиленовых труб усложняет монтаж систем водоснабжения и отопления на основе таких труб. Их перед монтажем приходится зачищать, снимая в месте монтажа алюминиевую фольгу, т.к. монтаж пластиковой, в частном случае полипропиленовой, трубы и фитинга, выполненного из того же пластика, что и труба, осуществляется сваркой. Если в армированных фольгой трубах располагать слой алюминиевой фольги дальше от поверхности, заглубляя его (так выполнена, например, труба Dizayn Oxy Plus), то необходимость зачистки верхнего слоя при монтаже систем водоснабжения и отопления исключается, но зато появляется необходимость зачистки торца трубы от алюминия. Т.е. во всех случаях при монтаже труб армированных алюминиевой фольгой зачистка трубы необходима.
Помимо обязательной операции зачистки для армированных алюминием труб необходимо при производстве трубы нанесение клея на полипропилен для крепления в трубе алюминия, сваривание стыка алюминиевой фольги - эти операции также усложняют технологию производства армированных полипропиленовых труб и повышают возможность получения некачественной продукции.
Технический результат, получение которого обеспечивает настоящая полезная модель, заключается в конструктивном исполнении труб, при котором упрощается технология монтажа и производства, создаваемых на их основе систем водоснабжения и отопления, при выдерживании для данных труб заданных физико-механических параметров, таких как механическая прочность, стойкость к диффузии кислорода, коэффициент линейного теплового расширения труб, и обеспечивается совместимость со стандартными полипропиленовыми фитингами, т.е. соответствующими нормативным размерам по ГОСТ Р 52134-2003 (DIN 8077, 16968).
Достижение этого результата обеспечивает экструзионная труба для систем водоснабжения и отопления, состоящая из трех слоев, в которой внутренний и наружний слои выполнены из полипропилена, а средний - из смеси полипропилена и не менее одной стабилизирующей линейное температурное расширение трубы добавки в виде фиброволокон в соотношении: стабилизирующая линейное температурное расширение добавка 15÷29 масс.%, полипропилен-остальное, при этом толщины среднего слоя к толщине трубы находится в соотношении 0,4÷0,86.
Наличие полипропилена в среднем слое трубы необходимо, т.к. с одной стороны он является наполнителем (несущим, материнским материалом, также как в строительстве для стальной арматуры бетон), он позволяет развернуться волокнам фибры, связывает волокна добавок, образуя в среднем слое материал с единой армированной структурой и постоянными для данного слоя свойствами, а с другой стороны- обеспечивает прочное смыкание (связь) между собой всех трех слоев трубы.
Стабильность и повторяемость коэффициента линейного температурного расширения труб. важна как с точки зрения массового производства продукции, так и с точки зрения ее эксплуатации. Поскольку коэффициент, получаемый при армировании труб алюминиевой фольгой, обеспечивает удовлетворительные с точки зрения эксплуатации характеристики, задачей, которая должна быть решена в рамках заявленной полезной модели, 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 таким образом полипропиленовой трубы, должно быть близко к значению этого коэффициента для труб, армированных алюминиевой фольгой. На фиг.1 представлены графики зависимости линейного расширения для полипропиленовых труб (К3), для труб, армированных алюминиевой лентой (К1) и для труб, армированных волокном, (К2).
Выбор конкретного вида добавки зависит от ее коэффициента линейного температурного расширения, поскольку им будет определяться Кр среднего слоя трубы, а в конечном итоге - трубы в целом. Из известных в настоящее время, минимальными значениями коэффициентов Кр обладают стеклянная /Кр=0,003 мм/м. Т (С, гр)./ и базальтовая /0,004 мм/м. Т (С, гр)./ фибры. Соответственно в качестве добавки, стабилизирующей линейное температурное расширение трубы, и включаемой в ее средний слой, целесообразно использовать фибру из стекловолокна или базальта, или их смесь. При этом монтаж труб, средний слой которых состоит из таких добавок и полипропилена, не требует каких-либо дополнительных операций по сравнению с монтажом труб из полипропилена без добавок.
Используемые в системах водоснабжения, отопления трубы имеют размеры, зафиксированные стандартами (см. ГОСТ Р 52134-2003 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия»). 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 наружнего и внутреннего слоев.
Внутренний и наружный слои трубы не должны содержать добавок из фибры стекловолокна или базальта по следующим причинам.
- для внутреннего слоя это вызвано необходимостью обеспечить гигиеническую безопасность (исключение проникновения фибр стекловолокна или базальта в транспортируемую воду), из химической стойкости, из износостойкости (истираемости) труб, которая должна обеспечивать эксплуатацию системы водоснабжения или отопления в течение эксплуатационного срока. Так, согласно ГОСТ Р 52134-2003: при давлении, соответствующему PN трубы, и температуре 20 гр.С. этот срок составляет 50 лет.
- для внешнего слоя исходя из необходимости проведения монтажа без нарушения целостности срединного слоя, обеспечения прочности сварки полипропиленовой трубы и полипропиленовых фитингов.
На фиг.2 представлен чертеж сечения трехслойной трубы для систем водоснабжения и отопления, армированной фиброволкном, где приняты следующие обозначения:
1 - труба;
2 - внутренний слой трубы;
3 - средний слой трубы;
4 - наружний слой трубы.
Обозначим параметры трубы следующим образом:
ΔХ - толщина стенки трубы;
α - внутренний диаметр трубы 1
β - диаметр трубы 1 (или DN)
γ - толщина внутреннего слоя 2
δ - толщина среднего слоя 3
ε - толщина наружного слоя 4
Из требования регулярности и повторяемости характеристик трубы, в частности, линейного расширения для разных диаметров труб, следует что
δ/(γ+ε)=const=K
Из требования Гост Р 52134-2003
β/ΔX=SDR, причем для PN 25 SDR=5, для PN20 SDR=6, для PN10 SDR=7.4 и т.д.
ΔХ=δ+γ+ε, по определению
Тогда δ=ΔХ×К/(1+К)=β/SDR×K/(1+K)=DN/SDR×К/(1+К)
Определелим граничные условия на толщину внутреннего слоя γ.
Согласно имеющимся данным по испытаниям полипропиленовых труб износ полипропилена для водно-песчаных смесей может составлять менее 0.2 мм за 1000 циклов испытаний. Далее истираемость материала падает и в результате не может составить более 0.5 мм за 50 лет. Ошибка по овальности трубы может составлять 0.5 мм. Полученная минимальная толщина внутреннего слоя 0.9 мм., целесообразно принять толщину внутреннего слоя 1 мм. Эта толщина определена для всех труб разного диаметра и PN.
Определим граничные условия на толщину ε.
Рассмотрим частное решение на примере трубы DN20 PN20
Для трубы DN20 PN20 общая толщина стенки составляет 3.4+0.6 мм. Внутренний диаметр D1 фитинга составляет 19 мм, соответственно толщина наружного слоя должна быть не менее 0.5 мм. Максимальный диаметр трубы DN20 по ГОСТ Р 52134-2003 составляет 20.3 мм. Отсюда следует, что толщина внешнего слоя должна быть не менее 0.65 мм. С учетом возможного значения несоосности (до 3 угловых градусов) фитинга и трубы необходимо задать допустимое отклонение по толщине внешнего слоя- до 0.5 мм. (длина сварочного пояска муфты умноженная на sin3 гр.).
Исходя из сказанного минимальная толщина внешнего слоя для трубы DN20 PN20 составляет 1,15 мм.
По данной методике определим толщину внешнего слоя для труб от 20 до 160 мм (используется Таблица 2 ГОСТ Р 52134 и таблица 3 «Размеры раструба соединительной детали и конца трубы»).
Максимальная толщина среднего слоя
ε=0,28×DN+0,6 и γ=1, тогда
δ=ΔХ-(0,028×DN+0,6)-1=ΔX-0,028×DN-1,6=
DN/SDR-0,028×DN-1,6=DN(1/SDR-0,028)-1.6
Таким образом при постоянном δ/(γ+ε)=const=K и постоянном процентном содержании стекловолокна справедливо
δ=ΔX×K/(1+K)=β/SDR×K/(1+K)=DN/SDR×К/(1+К).
При возможной максимальной толщине среднего слоя получаем уравнение
δ=DN(1/SDR-0,28)-1.6 или (δ+1,6)/ΔХ=1-0.028×SDR, действующее при переменной δ/(γ+ε) и переменном содержании стекловолокна, базальтового волокна, или их смеси.
Определим численные значения границ δ/ΔX. Для SDR=5, наиболее интересного для потребителя, δ/ΔX=0,4, при SDR=0 δ/ΔХ=0,86, таким образом определены границы δ/ΔХ=0.4-0.86. При SDR=7,4 и большем значении, границы δΔ/Х входят в границы указанные выше.
Соотношение в среднем слое армирубщего волокна и полипропилена для производимых экструзионным способом труб зависит от ряда причин. У него есть ограничение сверху, т.к. смесь должна проходить через экструдер. С другой стороны количество добавки должно обеспечивать требуемое значение коэффициента линейного температурного расширения.
На фиг.3 и фиг.4 представлены графики зависимости коэффициента линейного температурного расширения для для трубы, средний слой которой содержит смесь полипропилена и фиброволокна, соответственно, из базальта и стекловолокна, при δ/ΔХ=0.5.
Анализ зависимости, приведенной на фиг.4, показывает, что изменение знака второй производной отображенной на графике функции происходит вблизи точки, соответствующей смеси с содержанием фибры стекловолокна порядка 20%. Дальнейшее уменьшение коэффициента линейного расширения связано с значительным содержанием стекловолокна. В тоже время связь между слоями средним, внутренним и внешним технологически (экструзия) может быть осуществлена только благодаря связи между молекулами полипропилена этих слоев. Прочность этой связи прямо пропорциональна площади полипропилена на поверхности среднего слоя S,
S=S1-k×S2,
где S1 - площадь поверхности сопряжения среднего слоя с внешним или внутренним,
S2 - площадь фибры стекловолокна на поверхности сопряжения,
k - коэффициент отношения прочности связи стекловолокна среднего слоя и полипропилена внешнего или внутреннего слоя, прочности полипропилена с полипропиленом этих слоев.
Для получения максимальной прочности связи между слоями в данном случае решение поставленной задачи должно обеспечивать соответствие следующим условиям: прочность всей трубы должна сохраняться на максимальном уровне, а это означает, что необходимо рассматривать содержание стекловолокна в среднем слое в пределах 15-30%, т.е. в диапазоне значений вблизи точки равенства нулю второй производной функции, отображенной на фиг.4. При таких значениях (15-27%) содержания стекловолокна можно получить коэффициент температурного линейного расширения в пределах 0.03-0.05 мм/м Т(гр.С)
Аналогично, анализ зависимости, приведенной на фиг.3 показывает, что изменение знака второй производной отображенной на графике функции происходит вблизи точки, соответствующей смеси с содержанием фибры базальта порядка 23%. При содержании фибры базальта в пределах от 16% до 29% коэффициент линейного температурного расширения имеет значения 0.03-0,05 мм/м Т (гр.С).
Соответственно добиться требуемого значения коэффициента линейного температурного расширения для трехслойной трубы можно путем варьирования с одной стороны процентного содержания стабилизирующей добавки в среднем слое, а с другой стороны - соотношения толщины среднего слоя (выполненного из полипропилена с добавкой (добавками) с толщиной внутреннего и наружного слоев трубы.
Переложив график фиг.4. в координатные оси δ/ΔХ и процентное содержание в среднем слое добавки, стабилизирующей линейное тепловое расширение, получаем эпюры переменных толщины слоя и содержания стекловолокна при постоянных значениях коэффициента линейного температурного расширения трубы - фиг.5 (в качестве добавки, стабилизирующей линейное температурное расширение использовано стекловолокно), фиг.6 (в качестве добавки, стабилизирующей линейное температурное расширение использовано базальтовое волокно).
Из приведенных на фиг.5, фиг.6 графиков квазиэквипотенциальных кривых следует, что область, в которой коэффициент линейного температурного расширения трубы находится в требуемых границах Кр=0.03-0.05 мм/м×К(гр), соответствуют (как было показано выше) значения δ/ΔХ от 0.4 до 0,86 и содержание в среднем слое добавки, стабилизирующей коэффициент линейного температурного расширения трубы, в диапазоне от 13 до 30 мас.% для стекловолокна и от 15 до 33 мас.% для базальтового волокна.
Таким образом отбрасывая предельные значения (такие как SDR=0) и оптимизируя гланицы рассматриваемой области, можно сказать:
для стабилизирующей добавки может использоваться стекловолокно, причем оптимальный диапазон его содержания в среднем слое 15-27 мас.%, полипропилен-остальное. Для базальтового волокна оптимальный диапазон его содержания в среднем слое 18-29 мас.%, остальное - полипропилен. При использовании в качестве такой стабилизирующей добавки смеси базальтового волокна и стекловолокна ее оптимальное содержание в среднем слое составляет 15-29 мас.%, полипропилен-остальное.
Для повышения срока службы систем водоснабжения и отопления, смонтированных на основе труб из полипропилена, путем предотвращения диффузии в них кислорода из внешней среды, трубы выполняются не менее чем с одним антидиффузионным слоем, выполненным в виде полипропиленового слоя с измененными физико-химическими свойствами за счет взаимодействия полипропилена PP-R с, например, этиленвиниловым спиртом.
Полипропилен, используемый для труб для систем водоснабжения и отопления, это PP-R (тип.3)., т.е. статистический, хаотичный сополимер пропилена с этиленом. При обработке поверхности полипропилевого слоя трубы, либо слоя, состоящего из смеси полипропилена со стабилизирующей линейное расширение слоя трубы добавкой в виде фиброволокон, этиленвиниловый спирт при нанесении его на любой из полученных экструзией и находящийся в разогретом состоянии слоев трубы, взаимодействует с полиэтиленом, содержащимся в полипропилене (PP-R). При этом образуется слой плотность которого превосходит плотность полипропилена, расстояние между атомами в кристаллической решетке которого меньше, чем у полипропилена. Благодаря этим свойствам образованный на поверхности любого из слоев трубы барьерный слой препятствует диффузии кислорода.