Рис. 1
Рис. 2
Фото 1
Фото 2
Так, в пункте 6.1.2 СНиП 41-01–2003 «Отопление, водопровод, канализация» категорически утверждалось, что для трубопроводов из полимерных материалов «…параметры теплоносителя (температура, давление) не должны превышать 90 °C…». В пункте 1.1 СП 41-102–98 «Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб» также предписывалось, что «…металлополимерные трубы (далее — трубы) применяют при проектировании и монтаже систем отопления, расчетная температура которых не превышает 90 °C…». В то же время, согласно ГОСТ Р 52134–2003 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления» в табл. 26 написано следующее: «…для класса 5 (высокотемпературное отопление) допускается аварийная температура 100 °C в течение 100 часов…».
Таким образом, выполнить одновременно оба требования по соблюдению температурного режима невозможно. В действующем с 1 января 2013 года СП 60.13330.2012 (актуализированной версии СНиП 41-01–2003) введена существенная коррекция для области применения пластиковых труб: «…трубопроводы из полимерных труб следует выбирать с учетом изменяющихся в течение отопительного периода параметров теплоносителя (температуры, давления) и соответствующего им срока службы согласно ГОСТ Р 52134 (п. 6.3.1)…». Высокую максимальную температуру теплоносителя (95 °C) указывают практически все производители труб с внутренним слоем из сшитого полиэтилена PE-X. Многолетняя практика показывает, что металлопластиковые трубы PE-X/Al/PE-X, действительно прошедшие сертификационные испытания в течение 1000 ч при температуре воды 95 °C, при предписанном нормативом избыточном давлении, и также имеющие требуемую степень сшивки, успешно эксплуатируются в высокотемпературных централизованных отопительных системах, в которых температурный режим выходит за предписанные ранее рамки 90 °C.
Однако требуемая степень сшивки полиэтилена не всегда достигнута у труб, считающихся готовой продукцией. Так у трубы типа PE-Xb (силановая сшивка) должны после экструдера обрабатываться несколько часов в водяной бане. Эта технология не всегда соблюдается, особенно китайскими производителями, и степень сшивки поставляемых на реализацию труб составляет часто 20–40 % вместо требуемых 60–70 %.
Полную гарантию требуемого уровня сшивки дает радиационный метод, при котором получается полиэтилен типа PE-Xc, и сшивка происходит непосредственно в экструдере. К такому типу труб относится металлопластиковая труба FAR типа PE-Xc/Al/PE-Xc.
Стойкость труб с течением времени эксплуатации характеризуют диаграммы долговременной прочности, которые из-за высокой стоимости испытаний есть далеко не у всех производителей. Долговременная прочность металлопластиковых труб марки FAR с толщиной алюминиевого слоя 0,2 мм типа PE-Xc/ Al/PE-Xc, полученная в немецком центре исследований полимеров SKZ, приведена на рис. 1 в виде зависимости испытательного давления p [бар] от времени до разрушения трубы. Сравнение с опубликованными в разных источниках, в частности ГОСТ Р 52134–2003, данными для труб типа PE-X показывает, что при одинаковом времени разрушения начальное напряжение на стенке труб FAR может быть в полтора-два раза больше, чем у труб PE-X. Это обусловлено тем, что нагрузки на отдельные слои перераспределяются таким образом, что внутреннее давление на полимерный слой на порядок меньше, чем на алюминиевый, и полимерные составляющие металлопластиковой трубы находятся в значительно менее нагруженном состоянии, чем в однослойных трубах.
Диаграммы длительной прочности позволяют уточнить рабочее давление для определенного срока службы трубы. Были проведены такие расчеты для указанной выше трубы FAR для 5-го класса эксплуатации (высокотемпературное отопление) согласно ГОСТ Р 52134–2003 при сроке службы 50 лет.
ГОСТ Р 52134–2003 декларирует, что: «…трубопровод должен выдерживать температуру 20 °C в течение 14 лет, 60 °C в течение 25 лет, 80 °C в течение 10 лет, 90 °C в течение одного года и в аварийном режиме 100 °C — 100 часов…».
По методике, основанной на применении правила Майнера, срок эксплуатации в годах равен:
где ai — доля действия i-й температуры в течение года, в %; ti — расчетное время непрерывного действия i-й температуры при расчетном напряжении в стенке для данного режима работы, лет.
Максимальное допустимое напряжение σ0 на стенке трубы при переменном температурном режиме в течение заданного срока эксплуатации находится последовательными приближениями. Задаются начальные приближения σ0 и, с использованием диаграммы длительной прочности рис. 1 и данной формулы, добиваются достижения в вычислениях заданного срока службы.
В итоге расчетная величина предельного начального напряжения в стенке составляет σ0 = 4,5 МПа. Рабочее давление рраб связано напряжением на стенке следующей формулой:
где d и s — внешний диаметр и толщина стенки трубы, соответственно.
При σ = σ0 рабочее давление составляет pраб = 1,29 МПа. Таким образом, металлопластиковая труба FAR PE-Xc/Al/ PE-Xc имеет дополнительный 30 % запас прочности по отношению к заявленному производителем рабочему давлению (1,0 МПа). Надежность трубопроводной системы необходимо рассматривать в сочетании с соединительными элементами. Фитинги для металлопластиковых труб на соединительных ниппелях имеют кольцевые (типа O-ring) уплотнения.
От качества их материала существенно зависит стойкость соединений при переменном температурном режиме. Российскими нормативами испытания по этим вопросам не предусмотрены. По зарубежным требованиям, например, стандартам ASTM D395-03, DVGW W534, KIWA BRL 5611, проводятся испытания в деформации прокладки O-ring под воздействием высокой температуры и проверке размеров после снятия нагрузки. Степень остаточной деформации уплотнительной прокладки O-ring (разница размеров перед и после испытаний) является показателем качественности:
где h0 — начальная высота прокладки; h1 — высота в состоянии деформации (под нагрузкой); h2 — высота после снятия напряжения (после снятия нагрузки), как это показано на рис. 2.
Параметры испытания: температура (в зависимости от материала) для EPDM составляет 150 °C; значение предварительного сжатия (деформации) — 25 %.
Желательно, чтобы остаточная деформация была наименьшей, по нормативам для длительности испытаний: 24 ч — менее 30 %; для 70 ч — 45 %. Пример протокола таких испытаний уплотнительных колец, устанавливаемых на фитингах FAR, показан на фото 1.
Проведенные испытания серии фитингов китайских производителей показали, что их O-ring уплотнения далеко не соответствуют вышеуказанным нормам и создадут проблемы при длительном сроке эксплуатации.
Российские нормативные требования к испытаниям фитингов для металлопластиковых труб в настоящее время отсутствуют. Ориентиром является СП 60.13330.2012, в п. 6.3.1 которых указано, что «…В системах с полимерными трубами рекомендуется применять, как правило, соединительные детали и изделия одного производителя…». Поэтому в ОАО «НИИ сантехники» металлопластиковая труба FAR PE-Xc/Al/ PE-Xc прошла цикл испытаний с латунными компрессионными и прессфитингами производства завода FAR Rubinetterie S.p.A. Испытания проводились на соответствие требованиям ГОСТ Р 52134–2003 к соединениям труб из термопластов по пунктам: 5.1.25 и 8.28 (95 °C, 1,4 МПа, 1000 ч); 5.1.27 и 8.23 (10 тыс. циклов переменного давления 1,5 МПа, 23 °C); 5.1.28 и 8.24 (растягивающая нагрузка); 5.1.29 и 8.25 (постоянное давление 3,71 МПа, 20 °C, один час при изгибе трубы); 5.1.10 и 8.16 (степень сшивки 69 %). Результаты испытаний представлены выдержками из заключения НИИ (фото 2).
