Жук В.М., Мациевская О.О., Хамик В.С., Голойда Р.М.
Национальный университет «Львовская политехника»
Промышленная группа «ІНСТАЛПЛАСТ_ХВ»

Актуальность вопроса
Благодаря своим очевидным преимуществам пластиковые трубы с каждым годом все шире используются в практике водоснабжения. Пластиковые трубы в 3-10 раз легче металлических, устойчивы к коррозии и действию многих агрессивных химических веществ; они обладают черезвычайно гладкой внутренней поверхностью, практически не зарастают со временем, эластичны, имеют низкую теплопроводность, их легко обрабатывать и монтировать.

Основные области применения пластиковых труб — системы внешнего и внутреннего водоснабжения и водоотведения. К 2000 году в Европе пластиковые трубы начали доминировать: в Швейцарии доля их использования в новом строительстве и при капитальном ремонте составляет 70 %, в Финляндии — 51 %, в Германии — 46 % общего объема использованных труб.

С 90-х годов прошлого столетия началось активное продвижение пластиковых водопроводных труб и на украинском рынке. Сегодня в Украине при строительстве водопроводных сетей используются трубы из полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ), полибутилена (ПБ), а также многослойные пластиковые трубы.

Одним из известных в Украине отечественных производителей пластиковых труб и фитингов является Промышленная группа ІНСТАЛПЛАСТ_ХВ (г. Городок Львовской области), лауреат диплома European Qualіty, международной награды Golden Mercury (Оксфорд, 2005 г.), общенационального конкурса «Высшая проба» (Киев, 2004 г.). В 2004 году ПГ ІНСТАЛПЛАСТ_ХВ совместно с научными сотрудниками кафедры гидравлики и сантехники Национального университета «Львовская Политехника» основал издание научно-практического сборника «Советы инсталлятору», в котором рассматривается весь спектр вопросов, связанных с проектированием, монтажом и эксплуатацией инженерных сетей из современных пластиковых материалов. Вашему вниманию представлен материал о пластиковых водопроводных трубах, опубликованный во втором выпуске сборника.

Типы пластиковых труб
Полимеры представляют собой органические высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Полимерные материалы получают преимущественно из продуктов переработкинефти. Их свойства зависят от процентного соотношения аморфной и кристаллической фаз данного полимера.

Свойства полимеров определяются их молекулярной массой и структурным строением и зависят от количества мономерных звеньев, типа и количества радикалов, которые замещаются, и т.д. Увеличение молекулярной массы приводит, с одной стороны, к улучшению механических свойств материала, а сдругой — к значительному увеличению вязкости расплава, что усложняет переработку полимера. Основой термопластичных полимеров (ПЭ, ПП, ПБ, ПВХ), которые используют для изготовления труб и соединительных деталей, является 4- валентный атом углерода С и его группы СН2 и СН3. Одним из способов регулирования свойств термопластов и передачи им необходимых характеристик является сопролимеризация.

Для изготовления труб и соединительных деталей к ним используют такие термопласты: полиэтилен, в частности высокого и низкого давления, сшитый полиэтилен, полипропилен, полипропилен, армированный алюминием, полибутилен, поливинилхлорид и т.д. Термопласты хорошо перерабатываются в изделия: трубы — методом экструзии, соединительные детали к трубам — литьем под давлением.

Сшитый полиэтилен относят к термопластам условно, так как после завершения процесса сшивки он превращается в материал, который не может быть повторно переработан, однако может свариваться.

В исходное сырье, из котрого изготовляют пластиковые трубы и соединения, добавляют различные дополнители, в частности красители, которые придают изделиям цвет: черный (полиэтилен), серый (полипропилен), розовожелтый (поливинилхлорид).

Цвет труб характеризует также их функциональное назначение: голубой, синий цвет труб или продольные полосы такого цвета на внешней поверхности труб — для систем холодного водоснабжения, белый — для систем горячего водоснабжения и отопления, красный — для систем напольного отопления. Желтый цвет применяют лишь для труб и соединений для систем газоснабжения.

Полиэтиленовые трубы
Полиэтилен — это термопластический полимерный материал, который получают путем полимеризации продуктов переработки нефти, в частности газа этилена С2Н4. При этом молекулы этилена полимеризуются в высокомолекулярное соединение полиэтилен


Такой полиэтилен (без ответвлений от углеродной цепи) называют линейным. Показатель «n» называют степенью полимеризации; его величина для разных полимеров колеблется в пределах от одной тысячи до сотен тысяч. На основе линейной структуры выпускают полиэтилен ПЭ 63.

Видовой ассортимент этилена может быть расширен путем создания его сополимеров с другими мономерами. Ответвление от цепи, которое состоит из двух атомов углерода, образует сополимер этилена с бутиленом, известный как полиэтилен ПЭ 80:

Ответвление в четыре атома углерода при сополимеризации этилена характерно для полиэтилена марки ПЭ 100:

Ответвление в шесть атомов углерода при сополимеризации этилена образует полиэтилен, известный под торговой маркой LPE.

Полиэтилен — твердое вещество белого цвета. Он эластичный, хороший диэлектрик, стойкий к действию многих химических реагентов и радиоактивного излучения. Полиэтилен применяют в производстве пленки, труб, емкостей, технических волокон, для изоляции кабелей и т.д.

Для замедления старения материала и защиты его от солнечной радиации, которая отрицательно влияет на долговечность полимеров, в полиэтилен добавляют светостабилизаторы, в частности сажу (до 2,5 %), которая придает полиэтилену и изделиям из него традиционный черный цвет и повышает стойкость материала к солнечным лучам.

Полиэтилен хорошо сваривается.Он практически безвредный — не выделяет в воду и окружающую среду опасные для здоровья человека вещества.

Изменяя параметры технологии полимеризации (давление и температуру), получают:

• полиэтилен высокого давления (ПЭВД); параметры процесса: р = 1000-2000 бар, t = 100-300 °С);
• полиэтилен среднего давления (ПЭСД); параметры процесса: р = 50 бар, t = 150-180 °С;
• полиэтилен низкого давления (ПЭНД); параметры процесса: р =10 бар, t = 20-75 °С).

Другая классификация полиэтилена связана с его удельной массой (плотностью). Соответственно различают:

• полиэтилен низкой плотности ПЭНП (он же ПЭВД): р = 0,910-0,925 г/см3;
• полиэтилен средней плотности ПЭСП (он же полиэтилен среднего давления ПЭСД): р = 0,926-0,940 г/см3;
• полиэтилен высокой плотности ПЭВП (он же ПЭНД): р = 0,941-0,965 г/см3.

Некоторые физико-механические свойства полиэтиленов разных марок приведены в табл. 1-3.

Трубы из ПЭВД отличаются повышенной гибкостью, выпускаются диаметром до 160 мм. По сравнению с ПЭВД, полиэтилен низкого давления характеризуется повышенным интервалом плавления, прочностью при растяжении, химической стойкостью, но пониженной стойкостью к ударам. Трубы из ПЭНД выпускаются диаметром до 1200 мм.

Под термином «сшитый полиэтилен» (РЕХ) понимают полиэтилен, у которого высокомолекулярные линейные участки макромолекул по определенной технологии соединяются (сшиваются) между собой поперечными связями с созданием трехмерной сетчатой структуры. После сшивания материал сохраняет свои свойства пластика. Полиэтилен — единственный из термопластических материалов, способный к сшиванию молекулярных цепочек в сетчатую структуру. Сшивание полиэтилена осуществляется несколькими технологиями. Способ сшивания обозначают в маркировке трубы первыми буквами латинского алфавита: а, b, с:

• пероксидный: полиэтилен РЕХ-а получают с помощью введения в сырье пероксидных соединений; степень сшивания — до 85 %;
• силановый: полиэтилен РЕХ-b получают путем обработки органосилоксанами; степень сшивания — не меньше 65 %;
• радиационный: полиэтилен РЕХ-с получают путем радиационного облучения готовой трубы; степень сшивания — не меньше 60 %.

Утолщенная линия в формуле сшитого полиэтилена — это мостик сшивания двух линейных макромолекул:

Сшитый полиэтилен, по сравнению с обычным, является болем стойким к воздействию высоких температур и сохраняет при этом повышенные механические свойства; характеризуется хорошей термоусадкой. Благодаря сшиванию улучшаются такие показатели, как продолжительная прочность, химическая устойчивость, стойкость к растрескиванию, стойкость к ударам и морозоустойчивость.

Трубы PEX наиболее рентабельно использовать в системах горячего водоснабжения и отопления; они производятся диаметром от 12 до 315 мм.

Новый вид полиэтилена LPE разработан компанией Dow Chemіcals (США). Трубы из LPE предназначены для установки в системах холодного и горячего водоснабжения. Предельные температуры применения труб из LPE при давлении 0,6 Мпа — от -40 до 70 °С. Допускается кратковременное повышение температуры транспортируемой среды до 95 °С. Основные физико-механические свойства полиэтилена LPE приведены в табл. 4.


Полипропиленовые трубы
Полипропилен — это синтетический термопласт, который получают путем полимеризации газа пропилена СН2СНСН3.
Графическая формула полипропилена:

Полипропилен — твердое вещество белого цвета, характеризуется высокой ударной прочностью, стойкостью к многоразовым изгибаниям, износоустойчивостью, низкой пара- и газопроницаемостью, високими диэлектрическими показателями. Применяют полипропилен чаще всего при производстве технического волокна, труб и пленок.

Полипропилен имеет такие модификации:

• гомополимер пропилена (тип 1) —РРН;
• сополимеры пропилена и этилена;
• блок-сополимер (тип 2) — РРВ;
• рандом-сополимер (тип 3) — PPR.

Блок-сополимер PPB получают путем набора 2 или 3 блоков молекул пропилена СН2СНСН3 и этилена С2Н4. Графическая формула:

Рандом-сополимер PPR получают путем набора молекул пропилена и этилена в неупорядоченном их соединении.
Структурная графическая формула:

Физико-механические свойства этих разновидностей полипропиленов отличаются незначительно (табл. 5, 6).

Для полипропилена характерна высокая устойчивость к многоразовым изгибаниям и стиранию. По сравнению с полиэтиленом полипропилен характеризуется повышенной устойчивостью к поверхностно-активным веществам. Он стойкий к отрицательным температурам — до - 25 °С. Полипропиленовые трубы характеризуются меньшей гибкостью по сравнению с трубами из сшитого полиэтилена и полибутилена, потому их не удается изгибать до минимальных радиусов при устройстве систем напольного отопления.

Трубы из полипропилена применяются преимущественно в системах холодного и горячего водоснабжения, а также водоотведения.

Полибутиленовые трубы
Полибутилен — это термопластичний материал, который получают путем полимеризации газа бутилена СН2СНС2Н5. Графическая формула полибутилена:

Полибутилен устойчив к растрескиванию под нагрузкой, имеет низкую ползучесть (в 50 раз меньшую, чем у полиэтилена), очень гибкий. Менее твердый по сравнению с полипропиленом и полиэтиленом низкого давления. Износоустойчивый, морозостойкость — на 20-25 °С больше, чем у полипропилена. Основные физико-механические свойства полибутилена приведены в табл. 7.

По сравнению с другими полиолефиновыми материалами полибутилен характеризуется более высоким сопротивлением к продолжительной постоянно действующей нагрузке. Он обладает очень низкой текучестью даже тогда, когда время нагрузки превышает 10000 ч.

Кроме отличных механических и термических свойств полибутилен стойкий действию многих химических веществ и обеспечивает высокую огнеустойчивость, достаточную для большинства случав его применения.

Поливинилхлоридные трубы
Поливинилхлорид — термопластичный полимерный материал, который получают путем суспензионной или эмульсионной полимеризации винилхлорида СН2СHСl. Графическая формула поливинилхлорида:

Добавлением к поливинилхлориду пластификаторов, наполнителей и разнообразных добавок в зависимости от их соотношения получают непластифицированный, твердый поливинилхлорид (НПВХ) — для изготовления труб и соединительных деталей и пластифицированный, мягкий поливинилхлорид — для изготовления шлангов и гибких трубок.

Поливинилхлорид перерабатывается в изделия путем экструзии, прессованием, литьем под давлением. Основные физикомеханические свойства поливинилхлорида приведены в табл. 8.

Трубы из непластифицированного поливинилхлорида характеризуются высокой прочностью, химической стойкостью, не растрескиваются. ПВХ является самозатyхающим материалом, поскольку наличие атомов хлора сдерживает процесс горения.

Изделия между собой соединяются путем сваривания или склеивания. Трубы из НПВХ по сравнению с трубами из ПЭ более чувствительны к ударам при низких температурах.

Для изготовления труб и фитингов для систем отопления используют хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ). Графическая формула ХПВХ:

Трубы из ХПВХ используют преимущественно в системах водоснабжения и водоотведения. Они негорючие и обладают меньшим коэффициентом линейного теплового расширения по сравнению с другими пластиковыми трубами. Благодаря этому использование данных труб чрезвычайно эффективно при устройстве стояков больших диаметров.

Многослойные трубы
К многослойным относятся металлопластиковые трубы, армированные пластиковые трубы и др.

Металлопластиковой трубой называют многослойную трубную композицию, которая состоит из двух полиэтиленовых оболочек и алюминиевой трубки между ними. Составные части композиции соединяются между собой клеем (рис. 1).

Полиэтиленовые слои в металлопластиковой трубе могут быть неоднородными: линейной или сшитой структуры. Также возможна и их комбинация: внутренний слой из сшитого полиэтилена, а внешний — из обычного полиэтилена.

При перечислении материалов слоев сначала указывают материал внутреннего слоя, а в конце — материал внешнего слоя трубы, например PEX-Al-PE (сшитый полиэтилен — алюминий — полиэтилен).
Расположение алюминиевой оболочки в металлопластиковых трубах в поперечном сечении всегда посередине, т.е. оба полимерных слоя (внутренний и внешний) имеют одинаковую толщину.

Сплошная алюминиевая оболочка, кроме обеспечения механической прочности трубы, обеспечивает антидиффузионную защиту закрытых систем отопления и снижает температурное удлинение трубы.
Металлопластиковые трубы не подвержены коррозии и зарастанию. Трубы диаметром до 25 мм включительно сгибаются вручную и сохраняют приобретенную ими форму. Основные физико-механические характеристики металопластиковых труб приведены в табл. 9.

Производители металопластиковых труб маркируют трубы набором значений диаметров — внутреннего и внешнего: 12-16, 20-25 и т.д. Это связано с тем, что соединение металлопластиковых труб фитингами происходит по двум диаметрам. Сначала труба внутренним диаметром насаживается на посадочное место фитинга, затем закручиванием резьбовой прессмуфты труба соединяется с фитингом по внешнему диаметру. Зажимное соединение также происходит по двум диаметрам трубы: внутренним она надвигается на штуцер фитинга, а по внешнему диаметру проводится обжатие трубы на штуцере фитинга.

Армированные полипропиленовые трубы получают поэтапно: сначала методом экструзии изготовляют однородную полипропиленовую трубу, потом в непрерывном процессе твердую внешнюю поверхность трубы плотно охватывают сплошной или перфорированной алюминиевой лентой внапуск или встык. Края ленты сваривают ультразвуком. Полученную трубную конструкцию снова экструдируют: поверх алюминиевой оболочки наносят новый слой полипропилена. Благодаря устройству внутри термопластичной трубы кольцевой оболочки из металла или другого инертного полимерного материала (армирование трубы) снижается температурное удлинение термопластичной трубы. Коэффициент линейного теплового расширения армированной полипропиленовой трубы равняется 0,03 мм/(м•К), что на порядок меньше, чем соответствующий коэффициент для обычной полипропиленовой трубы.

Армированная оболочка в поперечном сечении трубы смещена к ее внешней поверхности. Такое положение оболочки обусловлено технологией раструбного сваривания, при котором внешний диаметр трубы при нормальной температуре должен приблизительно отвечать внутреннему диаметру фитинга. Поэтому толщина алюминиевой оболочки и внешнего полимерного слоя составляет 2-3 мм.

Алюминиевая перфорированная армирующая оболочка полипропиленовой трубы имеет частую перфорацию — отверстия малого диаметра. В процессе экструдирования полипропиленовой трубы вяжущий материал затекает в отверстия, тем самым обеспечивая сцепление полимера и металла.

Армирование полипропиленовых труб кроме температурной стабилизации выполняет еще одну функцию — создание антидиффузионного барьера против проникновения кислорода в транспортируемую среду. Кроме армированной металлом разработана конструкция полипропиленовой трубы, армированной синтетическими наполнителями. По показателям такие трубы не уступают трубам, армированным алюминием, тем не менее они более легкие, их пропускная способность на 20 % выше. Внешний диаметр трубы отвечает нормальному ряду, потому ее не нужно предварительно очищать от алюминиевой оболочки перед свариванием.

Области применения пластиковых труб
Трубы из термопластов легкие, характеризуются высокими санитарно-гигиеническими, органолептическими и шумопоглощающими свойствами, стойкостью к коррозии и к значительному количеству химических веществ, гладкостью внутренней поверхности стенки трубы, простотой монтажа и ремонтных работ. При соблюдении эксплуатационных условий прогнозируемая долговечность труб — не менее 50 лет.

Несмотря на многочисленные положительные свойства, пластиковые трубы во внутренних системах горячего водоснабжения и отопления не могут применяться. По показателям прочности они не выдерживают одновременных эксплуатационных нагрузок давления и температуры теплоносителя (соответственно свыше 1,0 МПа и 75 °С для систем горячего водоснабжения и свыше 0,6 МПа и 95 °С для систем отопления).

По пожарной классификации полимерные материалы относятся к пожароопасным. При пожаре они характеризуются повышенной горючестью, воспламеняемостью, дымообразованием, токсичностью. Полиэтилен воспламеняется при температуре 310-340 °С. Поливинилхлорид имеет температуру воспламенения 270 °С, температуру самовоспламенения 580 °С. Поливинилхлорид воспламенияется тяжело и только в зоне огня; вне пламени он гаснет; при горении ПВХ выделяет густой дым. При сгорании полиэтилена и поливинилхлорида выделяются токсичные газы: оксид углерода СО, диоксид углерода СО2, хлористый водород Нсl.

Главным качественным показателем термопластичных напорных труб является долговечность (продолжительная прочность), т.е. способность материала трубы сохранять до конца срока службы такой запас прочности трубопровода, чтобы он при соблюдении эксплуатационных условий функционировал должным образом.

Сегодня долговечность пластикових труб определяют эмпирически, путем испытания образцов труб специфическими методами, которые позволяют ускорить процессы разрушения полимеров во времени. Для этого применяется методика искусственного старения полимера под влиянием давления жидкости в трубе и тепловой нагрузки, при которых происходят процессы термодеструкции.
В табл. 10, 11 приведены результаты долгосрочных испытаний труб из полипропилена и сшитого полиэтилена для систем внутреннего холодного и горячего водоснабжения.

Области применения труб из разных материалов приведены в табл. 12.

В ней приняты такие обозначения: ПЭ — полиэтилен, ПЭС — сшитый полиэтилен, ПП- полипропилен, ПП-арм — армированный полипропилен, ПВХ — поливинилхлорид, ХПВХ — хлорированный поливинилхлорид, МП — металлопластик, М — медь, ВЧШГ — высокопрочный чугун с шариковым графитом, Ст — сталь, нжСт — нержавеющая сталь. Предельные рабочие параметры эксплуатации пластиковых и металопластиковых труб устанавливаются при условии их безаварийной работы не менее 50 лет.

Литература
1. ВБН 46/33-2.5-5-96. Відомчі будівельні норми України. Сільськогосподарське водопостачання. Зовнішні мережі і споруди. Норми проектування. — К., 1997. — 153 с.
2. Державні санітарні норми і правила «Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання»: Наказом по Міністерству охорони здоров'я України № 383 від 23.12.1996 р.
3. Правила технічної експлуатації систем водопостачання та каналізації населених пунктів України: Наказ Держжитлокомунгоспу України від 05.07.1995 р. № 30.
4. СНиП 2.04.01-85 Внутренний водопровод и канализация зданий. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. — 56 с.
5. СНиП 2.04.02-85 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. — 64 с.
6. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. — М.: Стройиздат, 1984.- 532 с.
7. Вода в вашем доме / Авт.-сост.: Н.И. Куликов, Е.Н. Куликова, Л.Н. Приходько. — М.: ООО «Издательство АСТ», Донецк: «Сталкер», 2002. — 127 с.
8. Поради інсталятору. Каталог виробів. Інформація. Додатки. Випуск 2 // Укладачі: Хамик В.С., Голойда Р.М., Жук В.М., Мацієвська О.О., Завойко Б.В. — Львів: Промислова група «Інсталпласт_ХВ», Національний університет «Львівська політехніка», 2005. — 56 с.
9. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 2. Водопровод и канализация.: Под общ. Ред. И.Г. Староверова. — М.: Стройиздат, 1990. — 247 с.
10. Справочник проектировщика. Водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий / Под общ. ред. И.А. Назарова.- М.: Издательство литературы по строитель- ству, 1967. — 382 с.
11. Трубопроводы инженерных систем: каталог 2004 / Под ред. С.Е. Беликова. — М.: АкваТерм, 2004. — 248 с.
12. Хоружий П.Д., Ткачук О.А. Водопровідні системи і споруди: Навч. посібник. — К.: Вища шк., 1993. — 230 с.