О высокоэффективных напорных трубах из ПВХ последнего поколения

До последнего времени в мировой практике трубопроводостроения использовалось несколько поколений труб из жёсткого ПВХ — PVC hard (из мягкого / пластифицированного ПВХ — PVC weich изготовляются шланги, в том числе армированные). Вначале (примерно с 1930-х годов) внедрялись трубы из винипласта (полихлорвиниловые, ПХВ). Затем (в 1950-е годы и далее) трубы из непластифицированного поливинилхлорида НПВХ-40, а потом использовались [4] трубы из НПВХ-60. Трубы из НПВХ-100 и НПВХ-125 используются до сих пор для устройства трубопроводов, транспортирующих холодные среды (≤ 40 °C).

Цифры соответствуют растягивающим напряжениям σ [кгс/см²] в стенке трубы e, толщина которой определена по формуле Надаи:

где OD — наружный диаметр трубы; p — внутреннее давление воды, кгс/см². Значения σ, равные 100 и 125 кгс/см², приняты для труб путём деления значения минимальной длительной прочности НПВХ (на конец срока эксплуатации трубопровода 50 лет, транспортирующего непрерывно воду при температуре 20 °C) MRS [кгс/см²] на коэффициенты запаса C = 2,5 и 2,0, соответственно (σ = MRS/C).

Почти одновременно с трубами из НПВХ стали применяться термостойкие (≤ 80 °C) трубы из дополнительно хлорированного поливинилхлорида ПВХ-Х. Трубы последнего поколения стали внедряться в практику начиная с 2010-х годов. С 2014 года на трубы из ПВХ-О распространяются требования международного стандарта [5], с учётом положений которого и разработан ГОСТ Р 56927–2016.

НПВХ представляет собой полимер с аморфной структурой, молекулярные цепочки которого расположены случайным образом. Путём растяжения при определённых значениях давления, температуры и скорости удаётся сориентировать молекулы полимера по направлению растяжения одновременно в радиальном и осевом направлениях, в результате чего получается материал ПВХ-О с лучшими характеристиками, чем у других трубных термопластов (табл. 2, 3).

Трубопроводы из труб из ПВХ-О DN = 90–800 мм обладают сроком службы 50 лет при внутренних давлениях PN до 25 бар, при которых напорные трубы из НПВХ не используются (табл. 4).

Трубы из ПВХ-О достаточно экономичны при производстве благодаря значительной экономии сырья (чистого ПВХ) и безвредны для окружающей среды в течение всего срока эксплуатации (вплоть до 100 лет). При этом с ориентацией молекул в поливинилхлориде связывается класс труб из ПВХ-О. Чем выше степень ориентации полимера, тем выше его механические свойства и, по этой причине, выше класс ПВХ-О, который определяется путём долговременного гидростатического испытания на прочность.

Молекулярная ориентация НПВХ, превращая его в ПВХ-О, улучшает не только прочность, но и некоторые другие свойства (рис. 1).

Наилучшие механические свойства материала, зависящие от молекулярной ориентации, присущи максимальному на сегодня классу ориентации 500 (класс ПВХ-О 500). Класс ориентированного поливинилхлорида обозначается цифрами, соответствующими MRS в [кгс/см²] (рис. 2). Значения свойств (рис. 1), например, ПВХ-О 500 превосходят значения аналогичных свойств НПВХ: прочности — в два раза (шкала A), модуля упругости — на 30 % (шкала B), ударостойкости — в пять раз (шкала C), гибкости — на 35 % (шкала D), сопротивлению усталости — в два раза (шкала E) и распространение трещин — в пять раз (шкала F).

Так как прочность ПВХ-О 500 превосходит значения прочности НПВХ в два раза (шкала A), то у таких труб стенки получаются значительно тоньше, а внутренний диаметр — больше, чем у труб из НПВХ, при одних и тех же наружных диаметрах OD и внутренних давлениях PN. В результате пропускная способность трубопроводов из ПВХ-О 500, как указывают их производители, на 15–40 % выше, чем у трубопроводов из других материалов тех же размеров, например, для DN = 250 мм на 25 %, 35 % и 16 %, соответственно, чем у трубопроводов из труб из НПВХ, ПЭНД, ВЧШГ.

При одинаковых толщинах стенок трубы из ПВХ-О могут воспринимать внутренние давления, существенно превосходящие предельные значения, ограничивающие применение труб из НПВХ. Здесь следует обратить внимание на то, что трубы из ПВХ-О будут несколько уступать трубам из НПВХ по показателю кольцевой жёсткости G (табл. 5), несмотря на то, что модуль упругости ПВХ-О E₀ больше, чем модуль упругости НПВХ (на 30 % — шкала B). Ведь у труб из ПВХ-О будет бóльшим SDR (отношение наружного диаметра OD к толщине стенки e: SDR = OD/e), а вклад указанных показателей в кольцевую жёсткость G таков: E₀ — прямо пропорциональный, а SDR — в третьей степени.

Существенным достоинством труб из ПВХ-О 500 является их ударостойкость (бóльшая в пять раз — шкала C, чем у труб из НПВХ) и гибкость (бóльшая на 35 % — шкала D), что существенно увеличивает диапазон температур, при которых можно качественно и производительно осуществлять сборку трубопроводов из них — например, при более низких температурах, чем это принято для обычных труб из непластифицированного поливинилхлорида.

Бóльшая в два раза сопротивляемость усталости (шкала E) труб из ПВХ-О 500, чем у труб из НПВХ, позволяет использовать их с успехом в напорных трубопроводах, подвергающихся знакопеременным нагрузкам, например, в разнообразных отраслях промышленности.

Также следует обратить внимание на то, что, хотя показатель «распространение трещин» (в пять раз бóльший у ПВХ-О 500, чем у НПВХ, — шкала F) для трубопроводов с раструбными соединениями, уплотняемыми резиновыми кольцами, не является существенным, тем не менее, он позволяет несколько понизить требования к учёту влияния царапин на стенках труб, которые нередко являются причинами преждевременного разрушения трубопроводов.

Высокая устойчивость труб из ПВХ-О 500 к воздействию ультрафиолетового излучения благодаря слоистой структуре, блокирующей распространение трещин, которые остаются только во внешних слоях, позволяет снизить требования к хранению труб — в частности, защиты их от инсоляции в течение относительно короткого времени, что является обязательным для труб из НПВХ. Ведь УФ-излучение вызывает появление микротрещин на поверхности НПВХ и других пластиковых труб, подверженных воздействию солнечного света в течение длительного периода времени. Известно, что трещины могут разрастаться в толще стенок труб и, консолидируясь, приобретают значительные размеры, что впоследствии может привести к преждевременному выходу трубопровода из строя. В течение сравниваемых временных интервалов этого не будет происходить с трубами из ПВХ-О 500, так как их эксплуатационные характеристики остаются практически неизменными. В этом убеждают изготовители труб из ПВХ-О, ссылаясь на положительные результаты проведённых ими сравнительных испытаний, в которых часть труб из ПВХ-О 500, подвергалась воздействию солнечного света в течение одного года, а другая (контрольная) — нет.

Более того, высокая прочность труб из ПВХ-О 500 существенно уменьшает вероятность образования царапин при погрузке/разгрузке и укладке их в траншеи до минимума, практически полностью исключая затраты времени на построечное устранение брака, иногда кратно превосходящее сборку труб из других материалов, в том числе и из НПВХ. Здесь же следует отметить и то, что (по оценке специалистов отделения инженерно-технических проектов Политехнического университета Каталонии, город Барселона) отдельных этапов жизненных циклов (ЖЦ: «проектирование → монтаж → эксплуатация → ремонт → эксплуатация → утилизация») трубы из ПВХ-O 500 OD = 110 мм потребляют энергии в 2,4 и 3,0 раза меньше, чем эквивалентные по пропускной способности трубы из НПВХ DN = 110 мм и ПЭНД OD = 125 мм, а по выбросам СО₂ — на 25 % меньше, чем трубы из ПЭНД OD = 125 мм. К тому же ПВХ-О не требует специального захоронения, так как подлежит 100 %-й переработке в другие изделия, как правило, высокого потребительского качества.

Из труб из ПВХ-О изготовляются фасонные соединительные части: двухраструбные отводы на 22,5° и 45° (табл. 6) и переходы (табл. 7), а также муфты — соединительные и надвижные (табл. 8).

Трубы из ПВХ-О между собой и с фасонными соединительными частями собираются надёжно и водонепроницаемо посредством имеющихся на них удлинённых раструбов с желобками/канавками, в которые устанавливаются специальные уплотнители (рис. 3).

Для сборки труб из ПВХ-О 500 между собой и с соединительными частями также из ПВХ-О 500 и ВЧШГ используются уплотнители Anger-Lock, которые имеют «трёхлепестковое» поперечное сечение и состоят из двух колец (рис. 3), скреплённых вместе. Одно из них — эластичное, изготовляется из синтетического каучука для обеспечения водонепроницаемости соединения при воздействии на него внутреннего давления воды.

Другое кольцо — жёсткое, изготовляется из полипропилена с целью надёжно зафиксироваться (на заводе либо на строительной площадке) на своём посадочном месте (в желобке/канавке раструба). Это предотвращает любые смещения уплотнителя во время хранения, транспортировки и монтажа трубопроводов из труб из ПВХ-О 500. Эластичные (твёрдость эластомера IRHD 60 ± 5 ед.) кольца уплотнителей Anger-Lock производятся из специального EPDM-компаунда, химический состав которого обеспечивает высокое сопротивление к воздействию УФ-излучения, атмосферным воздействиям, окислению и озону, а также данный материал способен противостоять большинству кислых и щелочных растворов. Материал одобрен для контакта с питьевой водой в соответствии с BS 6920-1:2014 «Материалы и изделия неметаллические, используемые в контакте с питьевой водой. Оценка пригодности с учётом влияния на качество воды».

Кроме того, специальные испытания на герметичность, как утверждают специалисты фирмы Molecool, показали, что наличие на входе в раструб соединённых труб первого кольца уплотнителя из полипропилена не допускает проникновений твёрдых частиц — песка, камушков (они задерживаются первым лепестком) в место контакта эластичного второго кольца уплотнителя с поверхностью втулочного конца трубы, находящегося в раструбе. При этом полностью исключается возможность уменьшения площади контакта эластичного второго кольца с трубой при эксплуатации подземного трубопровода из труб из ПВХ-О 500. Заявленный фирмой Molecool срок службы уплотнителей Anger-Lock — более 100 лет.

Подобное раструбное соединение, обладающее высокой компенсирующей способностью, позволяет использовать трубы из ПВХ-О 500 при строительстве трубопроводов в районах с высокой сейсмичностью. Высокая сейсмостойкость трубопроводов обусловлена также слоистой структурой самого полимера ПВХ-О 500, которая обеспечивает трубопроводу гибкость и устойчивость в том числе и к точечным воздействиям.

Трубы из ПВХ-О предназначены в основном для траншейной прокладки трубопроводов. Ширину траншей по дну B [м] рекомендуется принимать с учётом наружного диаметра труб OD [мм] (B = 0,6; 0,85 и 1,1 для OD = 90–225; 315 и 400, соответственно), а также глубины заложения H [м] трубопровода (B = 0,6; 0,8; 0,9 и 1,0 при H < 1; 1 < H < 1,75; 1,75 < H < 4 и H > 4, соответственно).

Трубы из ПВХ-О можно прокладывать в траншеях и с криволинейным очертанием в плане (рис. 4), поскольку благодаря молекулярной ориентации НПВХ существенно улучшается деформационная способность материала, а дополнительные осевые напряжения в стенках труб от изгиба не являются опасными для напорных трубопроводов, и такие трубы можно изгибать «вхолодную» до 12° [8] без снижения их надёжности. Кривизна траншеи должна позволять укладывать трубопроводы из труб из ПВХ-О 500 с допустимыми для них смещениями относительно продольной оси, которые обеспечиваются взаимным поворотом соседних труб в раструбах на угол β = 2°, а также изгибом тел труб (табл. 9).

Качественная и производительная траншейная укладка трубопроводов из труб из ПВХ-О 500 по криволинейным трассам возможна либо при их засыпке грунтом соответствующего класса и группы, а также степени их уплотнения, либо установке на них упоров. Грунт и упоры должны воспринимать усилия N, наводящиеся в трубах при их изгибе и при наличии в трубопроводе внутреннего давления (табл. 10).

Трубы из ПВХ-О 500 весят меньше труб (OD = 250 мм и PN = 16 бар) из: ПВХ и ПЭНД — вдвое и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) — в 6–12 раз. Благодаря малому весу трубами из ПВХ-О 500 можно манипулировать (поднимать и переносить), как правило, без использования строительной техники вплоть до OD = 315 мм, что существенно отражается на стоимости монтажа трубопроводов из них (рис. 5, Ц).

Монтаж трубопроводов из ПВХ-О 500 производится значительно быстрее, по сравнению с монтажом трубопроводов из других труб (рис. 5, τ), поскольку для их сборки (вплоть до диаметра 315 мм), благодаря особой конструкции соединений (рис. 3), можно обходиться без использования средств малой механизации, сварочного, а также другого монтажного оборудования.

Цены (табл. 11 [9]) на трубы из ПВХ-О класса 500 DN 90–315 PN10; 12,5 и 16 бар длиной L = 6 м с учётом длины раструба, соответствующие требованиям действующих норм (ГОСТ Р 56927–2016 «Трубы из ориентированного непластифицированного поливинилхлорида для водоснабжения. Технические условия» и ТУ 2248-00133134879-2016 «Трубы напорные Molecool из ориентированного непластифицированного поливинилхлорида для водоснабжения. Технические условия»), в разы меньше цен (табл. 12) с 23 марта 2015 года [10] на трубы из НПВХ [11].

Здесь же следует отметить тот факт, что при ориентации поливинилхлорид не утрачивает исходные возможности противодействовать агрессивным средам, что позволяет расширить область применения таких труб и на устройство трубопроводов, транспортирующих различные среды (табл. 13).

При проектировании трубопроводных сетей рекомендуется [13] выбирать трубы из ПВХ-О по их внутреннему диаметру D на основании гидравлических расчётов с использованием соответствующих коэффициентов (C = 150, k = 0,000007 м и n = 0,009) в гидравлических формулах, оправдавших себя на практике за рубежом, а именно:

(российский аналог — формула (16) [14]);

Прандтля-Колбрука-Уайта:

(российский аналог — методика советского учёного-гидравлика, к.т.н. А. Я. Добромыслова, СП 40-102–2000);

(российский аналог — методика советского учёного-гидравлика, академика Н. Н. Павловского [15] при n = 0,01),

где V — средняя скорость, причём рекомендуются скорости, позволяющие избежать образования отложений (0,5–2,5 м/с в зависимости от диаметра трубы); С — коэффициент по Хазен-Вильямсу; i — гидравлический уклон, м/м; g — ускорение свободного падения, м/с²; k — коэффициент абсолютной шероховатости, м; ν — коэффициент кинематической вязкости, м²/с; n — коэффициент шероховатости; R_h — гидравлический радиус, м.

В заключение следует отметить, что своевременное знакомство заказчиков и потребителей трубной продукции с особенностями (физическими, прочностными, гидравлическими, монтажно-технологическими, экономическими и др.) труб из жёсткого поливинилхлорида последнего поколения ПВХ-О, рассмотренными в статье, может позитивно повлиять на повышении эффективности вновь устраиваемых трубопроводов, транспортирующих различные жидкие среды.