Полимерные трубы. Классификация и назначение

В России насчитывается более 80 заводов, производящих полимерные трубы. Общие производственные мощности оцениваются на уровне 250–300 тыс. тонн труб в год. Заводы импортируют 20–25 экструзионных линий для производства полимерных труб за это же время. Производители условно поделены на три группы: крупные (их три, на них приходится примерно половина отечественного производства), средние (таких около десяти, объемы 1,5–3 тыс. тонн в год) и около 70 мелких.

Полимерные трубы в России

Ценовой разброс у производителей сократился, и потребители в большей степени стали обращать внимание на качество продукции и уровень обслуживания клиентов. Но ассортимент полимерных труб нуждается в расширении. С этим связано увеличение доли импортной продукции на отечественном рынке. Примерно половину импортируемых труб для водоснабжения и канализации (напорных и ненапорных) составляют трубы большого диаметра.

Сложность их производства не в последнюю очередь связана с повышенными требованиями к качеству, в частности к точности соблюдения геометрических параметров. В России производство таких труб освоили три предприятия: «Климовский трубный завод», входящий в холдинг «Евротрубпласт», «Завод по переработке пластмасс» ОАО «Казаньоргсинтез» (напорные трубы) и ООО «Бородино-пласт» (ненапорные трубы).

Классификация по материалам

Полимерные трубы производятся согласно ГОСТу или в соответствии техническим условиям, утвержденным Госстандартом России. Этими нормативными документами предписана маркировка труб, которая наносится на изделия. Она включает в себя обозначение завода-изготовителя, диаметр и толщину стенки (или отношение диаметра к толщине), в некоторых случаях указана нормативная информация, область применения, рабочие давление и температура.

В первую очередь стоит рассматривать крупнотоннажные производства полимерных труб — из поливинилхлорида (ПВХ), полиэтилена (ПЭ) высокой и средней плотности (из ПЭ низкой плотности производится очень незначительное количество труб) и трубы из полипропилена (ПП). Эти три группы материалов занимают около 90 % в объеме производства всех полимерных труб.

Трубы из сшитого ПЭ, полибутена (ПБ), полиамида (ПА) в силу заданных требований (высокие рабочие температура, давление, устойчивость к химическим средам) и затратной технологии синтеза сырья сравнительно дороги. Эксплуатационные параметры на трубах не пишутся и указываются в технической (паспортной) документации.

Классификация по назначению

Напорные трубы. Применяются для транспортировки воды и газа, в химической промышленности — для продуктов и работы в средах, к которым ПЭ стоек. Этот материал отличается хорошей химической стойкостью: примерно из 200 тыс. химических сред можно найти всего лишь сотню-две, в которых полиэтилен подвержен изменениям.

Существуют каталоги, позволяющие определить, какие полимерные трубы для каких химических сред пригодны. Важно учитывать и температурный режим транспортируемой среды. Трубы для транспортировки воды в России выпускаются диаметром от 10 до 1200 мм. Стандартное давление, на которое они рассчитаны, — 10 бар, но производят и на 16, и на 25 бар. Увеличение диаметра (с сохранением толщины стенки) снижает параметр давления, на которое рассчитана труба.

Максимальная рабочая температура широко применяемых труб из ПЭ и ПВХ — 40–60 °C. Для горячего водоснабжения и отопления требуются полимерные трубы из ПП, ПБ, сшитого ПЭ. Для этих труб стабильная рабочая температура — 75–95 °C. Оптимальным вариантом в этой группе являются трубы из сшитого ПЭ (главным образом — PE-Xb) в сопоставлении «цена/эксплуатационные характеристики».

Они превосходят по свойствам трубы из ПП и уступают трубам из ПБ, но существенно дешевле полибутеновых труб. Существуют особенные полимерные материалы, которые также можно отнести к группе «экзотических», например поливинилфторид (ПВФ). Изготовленные из него трубы выдерживают рабочую температуру 120 °C и выше, но он дорог в сравнении с другими полимерами, используется крайне редко и только там, где трубы должны обладать исключительной химической и термической стойкостью. В мире мало предприятий, которые производят трубы из ПВФ.

Безнапорные трубы. Самая широкая область применения — внутренняя канализация зданий. Используются трубы из ПВХ и ПП, реже — из ПЭ (в силу меньшей пригодности). Для наружной канализации и сливных стоков — безнапорных и напорных канализаций малого давления — применяют трубы из ПЭ и ПВХ большего диаметра, чем трубы для водоснабжения и отопления.

Нормативных документов для труб внешней канализации не существует. Исключение составляет ГОСТ на трубы и соединительные детали для внутренних канализаций зданий, которые в данном случае рассматриваются не отдельно, а в качестве единой системы. Удельная длина труб во внутренней канализации здания не столь значительна. Большее место занимают соединительные «двойники», «тройники». Внутри одного здания применяется около 30 типов соединительных деталей.

Сравнительные свойства труб

Полимерные трубы

1. Высокая коррозийная и химическая стойкость, долговечность (гарантированный срок эксплуатации — от 25 лет). Исключена возможность образования накипи на внутренней поверхности.
2. Низкий коэффициент шероховатости (Кш) — для стали он равен 0,2Кш, а для полимерной трубы в среднем в 20 раз меньше и равен 0,01. Коэффициент шероховатости чугунных труб примерно в 40–50 раз больше, чем Кш полимерных труб. Требуют меньших затрат электроэнергии на перекачку жидкости (это утверждение актуально для горячего и холодного водоснабжения, поскольку там высока скорость потока среды).
3. В пять-семь раз легче стальных, что облегчает монтажные работы, особенно в стесненных условиях, поэтому небольшие перемещения их при монтаже не требуют грузоподъемных механизмов, недорогая доставка.
4. Низкая теплопроводность стенки, снижающая тепловые потери и уменьшающая образование конденсата на наружной поверхности труб.
5. Отсутствие необходимости в обслуживании и катодной защите. Стыковая сварка полиэтиленовых труб дешевле, проще, занимает меньше времени, не требует дополнительных расходных материалов; есть возможность многократного монтажа и демонтажа при низких затратах. Имеет место высокая надежность сварных швов соединений в течение всего срока эксплуатации трубопроводов. Отменная ремонтопригодность труб позволяет быстро ликвидировать механические повреждения.
6. Низкая вероятность физического разрушения трубопровода при замерзании жидкости, так как при этом труба увеличивается в диаметре, а при оттаивании жидкости приобретает прежний размер; практически отсутствует опасность физического разрушения трубопровода от гидроударов (сравнительно низок модуля упругости). Стандартный запас прочности полимерных труб — 50–60 % сверх расчетного рабочего давления.
7. Существует возможность поставки длинномерными отрезками (бухтами), что сокращает сроки и стоимость монтажа и прокладки трубопровода (на 1 км газопровода диаметром 110 мм приходится всего два стыка), гибкость некоторых видов труб позволяет проходить повороты трассы трубопровода без использования фасонных деталей.
8. Можно объединить в одной оболочке до четырех труб, что позволяет максимально оптимизировать схему прокладки в зависимости от назначения и характера трассы.
9. Есть возможность использовать полимеры для ремонта (фактически — для восстановления) стальных трубопроводов: протяжка профилированных полиэтиленовых труб внутри изношенных стальных незначительно изменяет диаметр водопровода, что позволяет сохранить в нем давление. Профилированная труба восстанавливает свою первоначальную форму и плотно прилегает к стенкам трубы под воздействием пара. Протяжка применима для реконструкции водопроводов диаметром от 100 до 500 мм. Существующая труба используется как футляр. Это напрямую уменьшает объем земляных работ, затраты на капитальный ремонт, сокращает сроки работ.
10. Полимерные трубы позволяют получить существенную экономию воды при промывке вводимых в строй трубопроводов — их достаточно промыть один раз, тогда как стальные — минимум три раза.
11. Минимальная звукопередача в помещении, которая достигается за счет высокой упругости стенки. Это позволяет увеличивать скорость транспортируемой жидкости.

Стальные трубы

1. Одно из главных преимуществ стальных труб — прочность. Это имеет значение при перемещении по трубопроводам высоконапорных сред. В жилищно-коммунальной сфере прочностные качества стальных труб во внутренних санитарнотехнических системах используются всего на 2–12 %, а в инженерных — до 30 %.
2. Устойчивость к разрывному давлению позволяет делать толщину стенки у стальной трубы в полтора-три раза меньше, чем у полимерной.
3. Еще одно положительное свойство — низкий показатель теплового расширения. Линейное удлинение стальной трубы примерно в 20 раз меньше, чем трубы из сшитого полиэтилена.
4. Практически 100-процентная газовая и кислородная герметичность. Это свойство прежде всего используется в замкнутых инженерных системах для предотвращения их завоздушивания (например, теплоснабжение).
5. Коррозия — основной недостаток стальных труб, небольшой срок эксплуатации — максимум 10–15 лет. Продукты коррозии ухудшают качество воды и засоряют внутреннюю полость труб, уменьшая их пропускную способность и ухудшая работу арматуры и устройств системы автоматического регулирования. Зарастание внутренней поверхности труб приводит к увеличению стоимости 1 м3 воды до 50 %. Затраты электроэнергии на производство и реализацию 1 м3 воды на 30 % выше среднеевропейского уровня.
6. Пропускная способность стальных труб при прочих равных ниже, потому что внутренняя поверхность шероховатая, что вызывает завихрения в потоке жидкости и затрудняет ее продвижение.
7. Стальные трубы имеют большой вес, монтаж системы из стальных труб — трудоемкое дело, требующее высокой квалификации монтажников.
8. Высокая теплопроводность при транспортировке холодной воды становится недостатком: трубы «отпотевают», корродируют снаружи, увлажняется и разрушается прилегающая к ним стена.
9. Монтаж сетей из стальных труб осуществляется на резьбе или с помощью сварки. Сварной стык — самый уязвимый для коррозии участок. Известковые отложения не позволяют фитингам плотно соединять (обжимать) трубы.
10. Электропроводность, неустойчивость к агрессивной химической среде, высокий процент разрушений при замерзании жидкости.
11. Ограниченная длина поставляемых отрезков (на 1 км газопровода диаметром 110 мм приходится от 84 стыков), гибкость ограничена, требуется большое количество фасонных и соединительных деталей.

Сталь и пластик: практика применения

Несмотря на очевидные преимущества полимерных труб перед металлическими, не стоит забывать о том, что «полимеры» имеют жесткие ограничения по рабочему давлению, напрямую зависящему от средней температуры всего срока эксплуатации, а также максимальному диаметру трубы. И с этими ограничениями, увы, приходится обязательно считаться на практике.

Расчет эксплуатационных характеристик производится в соответствии с требованиями стандарта ISO 13760 «Пластмассовые напорные трубы для транспортировки жидкостей. Правило Майнера. Метод расчета накопленных повреждений». Первое, что сделали немцы после объединения Германии, — переложили в Берлине и в восточной части страны изношенные коммуникации, заменили их более долговечными трубами из полимерных материалов.

При температуре выше 75 °C проявляются преимущества сшитого полиэтилена. Более низкая базовая цена полипропилена не может их компенсировать. Поэтому полипропилен в виде наиболее теплостойкой его разновидности — рандом-сополимера — применяют в основном в системах холодного и горячего водоснабжения. Сшитый полиэтилен PE-X является перспективным материалом для теплоснабжения — без ущерба для своих физических качеств он выдерживает принятую в России температуру теплоносителя 95 °C.

Под сшивкой понимается процесс связки звеньев молекул в широкоячеистую трехмерную сетку за счет образования поперечных связей. приведены его разновидности и принятые обозначения. Производят также трубу с противокислотным диффузным барьером из алюминия — PE-X/AL/PE-X, но это композитная труба и ее нельзя рассматривать рядом с PE-X. Она не имеет расчетного срока службы, поскольку его нельзя посчитать.

Оптимальными прочностными и теплофизическими свойствами обладают трубы из РE-Хb: затраты на их производство сравнительно низки, материал самостоятельно через четыре-шесть месяцев после экструзии приобретает необходимые по ГОСТу 65 % сшивки. Для этого не требуется сложного вспомогательного оборудования — на выходе из экструдера материал имеет уже 20 % сшивки.

Высокой однородности степени сшивки по всей толщине стенки можно добиться и ускоренным методом в течение два-восемь часов под воздействием пароводяной ванны. Прочностные свойства PE-Xb позволяют производить трубы с относительно большим наружным диаметром — до 500 мм.

Выбор полимерной трубы

Специалист всегда исходит из проектной документации. Затем оперирует ГОСТами и ТУ полимерных труб, в которых содержится полная информация о продукте. Осуществлять подбор, опираясь только на маркировку, нанесенную на трубы, нельзя. Продукция отечественных производителей соответствует международным стандартам качества системы ISO и нормам стран Европейского сообщества. Если взять две одинаковые трубы (один и тот же материал, назначение и одна область применения), изготовленные российским или иностранным заводами, то, по утверждениям экспертов, определяющим фактором будет ценовое предложение.

Задержки массового использования пластиковых труб в России

Сталь в Советском Союзе была дешевле полимеров. Этот факт в значительной мере тормозил отечественное производство полимерных труб. В последние годы существования СССР был запланирован общий объем производства полимерных труб 250 тыс. тонн. Реально было произведено 220 тыс. тонн. США за тот же временной отрезок произвели почти 2 млн тонн, Западная Европа — 2 млн тонн.

В это время производство стальных труб в Советском Союзе неуклонно росло, в США и Западной Европе — наоборот, падало с перемещением акцента в сторону увеличения производства полимерных труб. Еще двадцать лет назад в Западной Европе 98 % газораспределительных сетей были выполнены из полимерных труб. В нашей стране сегодня менее 30 % газораспределительных сетей «одеты» в пластик.

Второй серьезной проблемой на пути внедрения полимерных коммуникаций в России выступила неподготовленность строительных организаций: отсутствие оборудования и опыта. Производители же полимерных труб форсированными темпами наладили производство соединительных деталей, количественный недостаток которых также сильно сдерживал строительство пластиковых трубопроводов.

Мировой опыт показывает, что надежность полимерных трубопроводов в эксплуатации существенно выше, чем стальных. В Европе и США полимерные газои водопроводы, пролежав в земле два десятка лет, не претерпели никаких изменений.

Завтрашний день полимерных труб

Мировая практика доказала, что в горячем и холодном водоснабжении альтернативы полимерам уже нет. Стремится нагнать упущенное и Россия. Снизив температурный график горячего водоснабжения с 65 до 55 °C на выходе от источника, государство стремится таким способом стимулировать внедрение полимеров в инженерных коммуникациях, так как температурный порог 60 °C отрицательно влияет на большинство производимых полимерных труб, в три-четыре раза сокращается срок их службы.

Основная работа сосредоточена в лабораториях полимеропроизводящих компаний и направлена на улучшение исходных свойств уже известных полимеров, создание новых. Целью являются высокая прочность, возможность держать высокое давление (армированные трубы из композитных материалов способны выдерживать в качестве рабочего давление 40–70 бар), температуру и изготовление труб максимально большего и малого диаметра. Идет непрерывный поиск путей повышения простоты и надежности соединений.