Особливості конструкції поліпропіленових ppr труб армованих скловолокном для систем водопостачання та

Особливості конструкції поліпропіленових ppr труб армованих скловолокном для систем водопостачання та

Стаття присвячена аналізу рис поліпропіленової труби, армованої скловолокном, залежно від процентного вмісту фіброволоконний і товщини армованого шару. Метою публікації є запропонувати спецам аспекти, які дозволяють судити про обгрунтованість заяв різних виробників на цю тему. Стаття може бути корисна також інженерам-технологам, які створюють або планують створення такої труби, також спецам в галузі водопостачання та опалення.

У системах холодного і гарячого водопостачання для транспортування води вживають труби, виконані з поліпропілену (ГОСТ Р 52134-2003 «Труби напірні з термопластів та з'єднувальні деталі до них для систем водопостачання та опалення. Загальні технічні умови.). Головні недоліки поліпропіленових труб відомі:

1. Низька температура експлуатації до 90-95гр.С

2. Найвищий лінійний температурний коефіцієнт розширення Кр = 0,15 мм / м. Т (С, гр).

Розглянемо докладніше ці недоліки.

На тлі загальносвітової тенденції збільшення енергоефективності і, відповідно, зниження температури теплоносія низька температура експлуатації поліпропіленових труб (до 90-95 гр.С) в реальний момент вже не є визначальним недоліком.

Друга проблема більш багатопланова. Найвищий лінійний температурний коефіцієнт розширення труби kр визначає загальне подовження труби при зміні температури теплоносія. Наприклад, ми монтували трубу при Т = 20 гр.С, а потім підключили цю трубу до системи опалення з Т теплоносія рівній 90гр.С. Температура самої труби в такому випадку змінилася на 70 гр.С і, відповідно, один метр поліпропіленової труби подовжиться на 10,5 мм (Кр = 0.15 мм / мк).

Для компенсації температурного розширення в системах з PPR труб вживаються компенсатори різної конструкції: п-образні, кільцеві, сильфонні і т. д. Застосування компенсаторів веде до нікому збільшення ціни систем водопостачання і опалювання на базі PPR труб, також ускладнює роботи з їх монтажу та обслуговування . Це також нарощує масово-габаритні характеристики системи, ускладнюючи їх установка в наявних житлових і промислових будівлях.

Животрепетних методом вирішення цієї задачки є зниження коефіцієнта лінійного розширення Кр труб, наприклад, армуванням труб матеріалами з найменшими значеннями коефіцієнта розширення Кр. Застосовуючи в якості бази для армування матеріали з різними фізичними якостями, можна отримати PPR труби з різними коефіцієнтами Кр. У кінцевому підсумку вибір матеріалу для армування труб знаходиться в залежності від необхідних фізико-механічних, економічних, естетичних і гігієнічних чорт готової труби.

Останні десятиліття провідними глобальними виробниками в системах гарячого водопостачання та опалення в якості армуючого матеріалу вживається дюралева фольга (Кр алюмінію = 0.022мм/мК).

Фольга розташовується поблизу поверхні труби, а поверх фольги наноситься шар поліпропілену, що захищає дюралеву фольгу від механічних пошкоджень і додатково привласнює виробом охайний зовнішній вигляд. Коефіцієнт Кр лінійного термічного розширення труб, армованих алюмінієм в 5 разів нижче, ніж у не армованих поліпропіленових труб і становить 0.03 мм / м. Т (гр). Важливим чинником для систем опалення буде те, що дюралева фольга служить додатковим бар'єрним шаром, що перешкоджає дифузії кисню з середовища в теплоносій.

Попри це, дюралевий армуючий шар в поліпропіленових трубах ускладнює встановлення систем водопостачання та опалення. Перед монтажем їх потрібно зачищати, знімаючи з труби частину алюмінієвої фольги. Це пов'язано з тим, що установка поліпропіленової труби і фітинга, виробленого з такого ж матеріалу, що і труба, здійснюється дифузійної зварюванням. Для труб, армованих алюмінієм в центрі, процедура зачистки не потрібна. Але, при монтажі таких труб з'являється необхідність використання спеціального інструменту для запобігання контакту алюмінієвої фольги з теплоносієм. Особливий інструмент це: торцеватели та / або особлива зварювальний насадка. Наприклад: зварювальний насадка за патентом № 96523 від 22.04.10р. «Альтерпласт»)

Розробка виробництва армованих труб така, що в якості скріпляє матеріалу між дюралевій фольгою і поліпропіленом є особливий клей. Цей фактор ускладнює процес виробництва армованих поліпропіленових труб і нарощує можливість отримання поганої продукції при порушенні технології або використанні бракованого клею.

Зовсім не так давно в асортименті більшості провідних виробників поліпропіленових труб з'явилася новенька труба, що складається з трьох шарів. У цій трубі внутрішній і зовнішній шари виконані з поліпропілену, а середній – з консистенції поліпропілену та добавки у вигляді фіброволоконний, стабілізуючою лінійне температурне розширення поліпропіленової труби. Фібра зі скла (або скловолокно) володіє низьким значенням коефіцієнта Кр – 0,009 мм / М.Т (С). Скловолокно застосовується здавна для армування лад сумішей на базі цементу. Скловолокна володіють найвищим межею міцності при різних навантаженнях. Для зіставлення: межа міцності скловолокна при розтягуванні втричі вище, ніж у сталі. Таким макаром, при поєднанні в одному виробі таких параметрів, як пружність поліпропілену і міцність скловолокна забезпечується передача розтягуючих напруг і деформацій від поліпропілену на скловолокну, забезпечуючи тим пониження значення коефіцієнта Кр труби.

Здавалося б, скловолокно є бездоганним складом при використанні його в якості матеріалу для армування PPR труб. Але, воно має один недолік – крихкість. Інженери відшукали хороший метод вирішення цієї проблеми. Армування скловолокном PPR труб вирішили створювати посеред між зовнішнім і внутрішнім шарами поліпропілену. Іншими словами виходить тришарова труба PPR / PPR-GF / PPR (де GF-glass fiber, скловолокно).

Принциповою умовою є також додавання в центральний шар укупі зі скловолокном – поліпропілену. Наявність поліпропілену в середньому шарі труби, з одного боку, є типовим наповнювачем несучим материнським матеріалом (як у будівництві для металевої арматури бетон), який дозволяє розвернутися волокнам фібри, утворюючи в середньому шарі матеріал з єдиною армованої структурою і незмінними для даного шару макросвойствамі. А з іншого боку – забезпечує умови для створення міцної молекулярної зв'язку між собою всіх трьох шарів труби.

Так як коефіцієнт, що отримується при армуванні труб дюралевій фольгою, забезпечує задовільні з точки зору експлуатації властивості, завданням є армування поліпропіленової труби таким чином, щоб наявність армуючого шару не призводило до ускладнення процесу монтажу систем в порівнянні з монтажем на базі труб без армуючого шару. Але при всьому цьому значення коефіцієнта лінійного температурного розширення армованої труби, має бути по можливості мало і близько до значення цього коефіцієнта для труб, армованих алюмінієвою фольгою.

Принциповим завданням при масовому виробництві труб, армованих скловолокном, є дотримання стабільності показника коефіцієнта лінійного температурного розширення труб Kp від партії до партії, від поперечника до поперечнику. Це принципово з точки зору майбутнього впровадження та експлуатації. Але, якщо для всього контрасту труб, армованих алюмінієм, питання стабільності значення коефіцієнта температурного розширення різних виробників і різних діаметрів вирішується сам собою, то для труби армованої скловолокном це не так. Лінійне розширення (Кр) труб різних виробників коливається в спектрі 0.035 – 0,05 мм / мк. При майбутньому застосуванні і експлуатації це досить значущий розкид за значеннями Кр.

Погіршує ситуацію той факт, що жоден виробник не надає достовірних даних за реальними характеристиками значення показника Кр. Давайте хоча б приблизно розберемося в суті цієї задачки.

Параметрами, що визначають значення показника Kp для труб, армованих скловолокном є:

процентний вміст скловолокна в середньому шарі

значення товщини середнього шару.

Якість скловолокна, або точніше, лінійні розміри частинок скловолокна, суворого впливу на значення показника Kp не мають.

Це пов'язано з тим, що типово поперечник простих стекловолокон – 13 мкр., А відповідна довжина волокна зрідка може бути найменш 0.5мм (а це близько 40 калібрів по поперечнику), що цілком припустимо для армування. Значимість цього висновку полягає в тому, що в поточний час, частина виробників вводять нове поняття «армування довгими волокнами», не змінюючи технологію виробництва і не розкриваючи чітких даних довжини цих волокон.

Застосовувані в системах водопостачання і опалювання труби мають розміри, зафіксовані еталонами (див. ГОСТ Р 52134-2003).

Стандартизація розмірів, в тому числі товщини труб, призводить до необхідності вирішення завдання оптимізації змісту стабілізуючої добавки і співвідношення товщини середнього шару труби з шириною її зовнішнього та внутрішнього шарів.

Кількість шарів вибрано з подальшою логіки, внутрішній і зовнішній шари труби не повинні містити добавок з фібри тому що:

для внутрішнього шару – це викликано необхідністю забезпечити гігієнічну безпеку (виняток проникнення фібр в транспортується воду) з зносостійкості (стиранням) труб, яка повинна забезпечувати експлуатацію системи водопостачання або опалення протягом експлуатаційного строку.

для зовнішнього шару – виходячи з необхідності проведення монтажу без порушення цілісності серединного шару, забезпечення міцності зварювання поліпропіленової труби і поліпропіленових фітингів.

На рис. 1 представлений креслення перерізу тришарової труби для систем водопостачання та опалення, армованої скловолокном, де прийняті наступні позначення:

Рис. 1. Креслення перетину тришарової труби для систем водопостачання та опалення, армованої скловолокном.

1-труба, 2 – внутрішній шар труби, 3-середній шар труби, 4 – зовнішній шар труби.

Позначимо характеристики труби подальшим чином:

?Х-товщина стінки труби;

?-внутрішній діаметр труби 1

?-діаметр труби 1 (чи DN)

?-товщина внутрішнього шару 2

?-товщина середнього шару 3

?-товщина зовнішнього шару 4

З вимоги регулярності і повторюваності чорт труби, а саме, лінійного розширення для різних діаметрів труб, слід що

? / (+?) = Const = K

З вимоги ГОСТ Р 52134-2003

? /? Х = SDR, при цьому для PN 25 SDR = 5, для PN20 SDR = 6, для PN10 SDR = 7.4 і т.д.

?Х =? +? +?, За визначенням

Тоді? ==? Х х К / (1 + К) =? / SDR х К / (1 + К) = DN / SDR х К / (1 + К)

Визначимо граничні умови на товщину внутрішнього шару?.

Згідно з наявними даними з випробувань поліпропіленових труб, знос поліпропілену водно-піщаних сумішей може становити найменш 0.2 мм за 1000 циклів. З часом стираність матеріалу падає і в результаті не може скласти більше 0.5 мм за 50 років. Помилку по овальності внутрішнього шару труби визначимо як – 0.5 мм. Придбана мала базисна товщина внутрішнього шару 0.7мм.

Ця товщина визначена для всіх труб різного діаметру і PN.

Визначимо граничні умови на товщину?.

Розглянемо особисте рішення на прикладі труби DN20 PN20

Для труби DN20 PN20 загальна товщина стіни становить 3.4 +0.3 мм., Внутрішній діаметр фітинга становить 19,2 мм., Найбільший поперечник труби DN20 за ГОСТ Р 52134-2003 становить 20.3 мм. Звідси випливає, що товщина зовнішнього шару повинна бути більше 0.5 мм. З урахуванням ймовірного значення не співвісності (до 3 кутових градусів) фітинга і труби потрібно задати допустиме відхилення по товщині зовнішнього шару-до 0.8 мм. (Довжина зварювального паска муфти помножена на sin3гр.). Виходячи зі сказаного мала товщина зовнішнього шару для труби DN20 повинна бути більш 0.8мм.

Визначимо чисельні значення кордонів? /? Х,? = 0.7,? = 0.8. Для SDR = 5,? /? Х = 0.625, при SDR = 6? /? Х = 0,53, SDR = 7.4? /? Х = 0,445. Наприклад, для SDR = 6 (DN20 PN20)? = 1,8 мм.

Процентне співвідношення в середньому шарі армуючого волокна і поліпропілену знаходиться в залежності від декількох обставин. Є обмеження, тому суміш повинна проходити через екструдер, забезпечити доброякісну внутрішню поверхню труби і зваритися із зовнішнім і внутрішнім шаром труби.

З іншого боку, кількість добавки повинно забезпечувати необхідне значення коефіцієнта лінійного температурного розширення.

Вибір виробником процентного вмісту в середньому шарі армуючого волокна і поліпропілену знаходиться в залежності від декількох обставин. З одного боку, суміш повинна бути такою, щоб проходячи через екструдер, вона могла зваритися із зовнішнім і внутрішнім шаром труби. З іншого боку, масова частка добавки зі скловолокна повинна забезпечувати необхідний коефіцієнт лінійного температурного розширення.

На рис.2 представлені графік залежності коефіцієнта лінійного температурного розширення для труби, середній шар якої містить суміш поліпропілену і скловолокна, при? /? Х = 0.5.

Рис. 2. Графік залежності коефіцієнта лінійного температурного розширення для труби, середній шар якої містить суміш поліпропілену і скловолокна, при? /? Х = 0.5.

Перевівши залежність за графіком на рис.2 в координатні осі? /? Х і процентний вміст скловолокна в середньому шарі отримуємо епюри змінних товщини шару й вмісту скловолокна при незмінних значеннях коефіцієнта лінійного температурного розширення труби рис.3.

Рис.3

З наведеного на рис.3 графіка випливає, що область, в який коефіцієнт лінійного температурного розширення труби знаходиться в розрахункових кордонах Кр = 0.03-0.05мм/мхК (гр), і значення? /? Х від 0.3 до 0,6 і вміст в середньому шарі добавки, стабілізуючою коефіцієнт лінійного температурного розширення труби, в спектрі від 15 до 30 мас. % Для скловолокна.

Варто відзначити, що похибка за зовнішнім поперечнику труби PN20 DN20 на 0.2мм. ? / (Х +0.2) = 0,51, призведе до відхилення Кр труби приблизно на 4%. Похибка в товщині середнього шару на цю ж величину 0.2мм 0.2 /? Х = 0.2/3.4 = 0.05 призведе до зміни Кр приблизно на 8%.

За результатами вищесказаного хотілося б відзначити:

Неправильним є твердження, що параметр Кр залежить тільки від кількості скловолокна в армований шар труби.

Принципова також і товщина шару, в якому це скловолокно розподілено. Наведемо приклад. У труби, армованої алюмінієвої фольгою, і в труби, армованої дюралевими тирсою, будуть принципово різні значення коефіцієнта Кр. Розкид значення коефіцієнта Кр для труб, армованих скловолокном, може становити (навіть для одного виробника) більше 10%, не кажучи вже про продукції різних виробників. У зв'язку з цим, при проведенні практичних розрахунків кількості компенсаторів для труби, армованої скловолокном, краще приймати значення коефіцієнта Кр рівним 0.05мм/мК (гр).

Джерело: gradostroitel.com.ua

MAXCACHE: 0.5MB/0.02009 sec