Главная Написать письмо Карта сайта

Content on this page requires a newer version of Adobe Flash Player.

Get Adobe Flash player

 
Котлы
 
Трубы
 
Теплоизоляция
 
Водонагреватели
 
Горелки
 
Насосы
 
Радиаторы
 
Конвекторы


Новости Новости
20.06.13 Консольные насосы WILO российского производства
18.06.13 Vaillant: Новая сервисная стратегия - новые возможности.
17.06.13 Обновление насосов Grundfos MAGNA 3
16.06.13 Cтальные водогрейные котлы De Dietrich
20.05.13 Новый каталог по продукции Vaillant - апрель 2013 года


Посетителей на сайте: 35

Поведение трубопроводов из PEX в хлорированной воде

C.O.K. N 1 | 2010г. Рубрика: САНТЕХНИКА И ВОДОСНАБЖЕНИЕ
А.А. ОТСТАВНОВ, к.т.н., ведущий научный сотрудник; В.А. УСТЮГОВ, к.т.н., директор ГУП «НИИ Мосстрой»; О.В. УСТЮГОВА, генеральный директор НПО «Стройполимер»

С 2005 г. в стране действует российский свод правил СП 41-109–2005 Проектирование и монтаж внутренних систем водоснабжения и отопления зданий с использованием труб из сшитого полиэтилена, основным разработчиком которого является «Научно-исследовательский институт московского строительства» (ГУП «НИИМосстрой»).

   Трубы из сшитого полиэтилена применяются за рубежом многие десятилетия для устройства внутренних напорных систем водоснабжения и отопления [1, 2]. С полным основанием можно утверждать, что в эксплуатации уже весьма длительное время, в т.ч. и в России, находятся сотни километров труб из сшитого полиэтилена. При этом нигде в широкой печати не обсуждаются крупные аварийные ситуации, которые бы связывались непосредственно с этими трубами. Тем не менее, до сих пор задаются вопросы о том, трубы из полиэтилена какого способа сшивки лучше применять, а также вопросы, касающиеся некоторых свойств труб из сшитого полиэтилена, например, их отношения к хлорированной воде [3].Для того, чтобы вода могла быть пригодной для питья, она обрабатывается дезинфицирующим средством — хлором. Известно, что хлор является сильным окислителем даже в сравнительно небольших количествах, используемых для обработки питьевой воды. Вода, содержащая хлор, всегда оказывает негативное воздействие на срок службы труб из почти всех материалов в трубопроводных системах для подачи воды в здания, как новых, так и традиционных. Базовый полимер PEX, как и другие полиолефины (полипропилен, полибутен и др.), без каких-либо добавок не обладает достаточной сопротивляемостью окислению и окисляется в присутствии обычной хлорированной питьевой воды. По этой причине все производители PEX применяют специальные добавки, содержащие антиоксиданты, которые служат для защиты PEX-полимера от окисления. В результате ускоренных испытаний на определение срока службы труб из сшитого полиэтилена выявлены композиции, которые способны длительное время сохранять хорошие характеристики в среде хлорированной питьевой воды.
   
   В этой связи американскими учеными проведены специальные исследования [4]. Испытывались образцы PEX-труб в питьевой воде с четырьмя уровнями содержания в ней хлора (табл. 1). Показатель ORP (Oxidation Reduction Potential) — это окислительно-восстановительный потенциал [мВ], характеризующий окислительную способность среды. Показатель непосредственно связан с концентрацией, активностью и крепостью окислительного средства: чем выше окислительная способность или агрессивность раствора, тем больше ORP. Во всех испытаниях использовалась пресная хлорированная вода с показателем рН = 6,5. Для ускорения разрушения труб испытания проводились при температуре 115 °C.
   
   Испытания показали, что концентрация хлора в воде существенно влияет на прочность труб из сшитого полиэтилена (табл. 1, последний столбец). Результаты испытаний убедили в том, что хлорированная вода существенно ускоряет хрупкое разрушение PEX-труб (рис. 1), причем высокое содержание хлора в воде, например, 5 мг/л, снижает время до разрушения по сравнению с вариантом «вода без хлора» примерно в 5,5 раз.
   
   Эти исследования убедили экспериментаторов еще раз в том, что необходимо применять композиции PEX, параметры которых задаются с учетом конкретного применения, например, с учетом требований американских стандартов NSF и ASTM, касающихся устойчивости PEX-труб к хлору. Американскими учеными были также испытаны [4] серийно производимые PEX-трубы (ASTM F 876/F 877), которые, по данным изготовителей, обладает повышенной устойчивостью к хлору и предназначены для использования в сетях подачи горячей и холодной питьевой воды.
   
   Испытания [4] проводились на отрезках труб длиной около 400 мм согласно протоколу NSF P171 и стандарту ASTM F2023, при восьми различных наборах температуры и давления. По трубам из сшитого полиэтилена непрерывно пропускали при постоянном внутреннем давлении р воду с показателем рН = 6,8, содержанием хлора 4,3 мг/л и окислительно-восстановительным потенциалом (ORP) 860 мВ. За испытаниями велось непрерывное наблюдение, регулярно производились контроль температуры, давления, содержания хлора и значения рН. Разрушение образцов труб фиксировалось компьютером при любой утечке воды сквозь стенку трубы путем контроля и регистрации показаний датчиков влажности в испытательных камерах с горячим воздухом. Во время испытаний образцы труб периодически вынимались для отслеживания хода процесса разрушения. В результате испытаний было выявлено 16 точек разрушения. Последующая экстраполяция результатов экспериментов на реальные условия (60 °C, p = 6 МПа) для системы с постоянной рециркуляцией горячей воды (наихудший вариант для труб) позволила принять срок службы горячего трубопровода из PEX, равный 93 годам! Такая оценка срока службы горячего трубопровода из PEX-трубы основана на результатах испытаний в условиях применения воды с высоким содержанием хлора (высокой разъедающей способностью). В реальных водопроводах содержание хлора значительно меньше. Следовательно, при правильном выборе показателей PEX-труб можно рассчитывать на высокий срок их службы в питьевых водопроводах (табл. 2).К сожалению, в работе американских исследователей не указывается, о трубах с каким способом сшивки полиэтилена идет речь. А ведь от способа сшивки полиэтилена во многом зависят свойства труб, применяемых во внутренних напорных трубопроводах [5].Метод сшивания ПЭ оказывает существенное влияние на степень кристалличности, природу сцепных связей, плотность упаковки в аморфных зонах ПЭ и, соответственно, на весь комплекс физико-механических и релаксационных свойств [6]. Для всех сшитых полиэтиленов — пероксидный (РЕХa), силанольный (РЕХb) или радиационный (РЕХc) — степень кристалличности примерно одинакова (табл. 3).
   
   Для PEXb начало плавления смещается в область более высоких температур, что характерно для разветвленных полимеров, образующихся на стадии прививки ненасыщенного силана к ПЭ. Заметные различия наблюдаются в температурах начала термоокислительной деструкции. Максимальная термостойкость характерна для силанольносшитого полиэтилена (PEXb). Температура начала окисления на 10 и 20 °C выше по сравнению с пероксидно и радиационносшитым ПЭ, соответственно.
   
   Структурными параметрами, определяющими свойства сшитых полимеров, являются: плотность поперечных связей или длина молекулярных цепей между узлами сетки; химический состав и распределение поперечных связей; исходная молекулярная масса полимера; структура полимерной цепи, входящая в сетку (табл. 4).Степень сшивки выше у пероксидносшитого ПЭ (примерно на 20 %), чем у силанольно и радиационносшитого полимера. Большая плотность сетки наблюдается для PEXb — примерно на 30 % выше, чем у РЕХа и в три раза выше, чем у РЕХс, несмотря на самые низкие значения гельфракции. Повышение плотности сетки приводит к уменьшению газопроницаемости в результате снижения гибкости цепных молекул и обеднения конфигурационного набора, влияющих на энтропию активации диффузионного переноса, повышает химическую стойкость полимера и его прочность.
   
   Полиэтилены, сшитые различными способами, имеют различные деформационнопрочностные показатели. Значения прочности при разрыве образцов силанольно и пероксидносшитого ПЭ (PEXb и РЕХа) примерно одинаковы (рис. 2).Практически идентично изменяется также прочность образцов из этих полимеров с ростом температуры. Прочность при повышении температуры от 20 до 110 °C снижается примерно в два раза для всех образцов. Прочность при разрыве образцов РЕХа и PEXb при комнатной температуре по сравнению с РЕХс выше примерно на 20 %. При всех температурах испытания прочность образцов ниже для радиационносшитого ПЭ. Повышенная прочность при разрыве образцов PEXa по сравнению с PEXb, связанная с ориентацией макромолекул в процессе растяжения, приводит к замедлению релаксационных процессов и накоплению остаточных деформаций, что, безусловно, может сокращать срок службы готового изделия — трубопровода систем холодного и горячего водоснабжения, отопления. Более того, данное свойство сопряжено с возможным снижением способности воспринимать пиковые нагрузки.
   
   Величина относительного удлинения наименьшая для PEXb мало изменяется с ростом температуры (рис. 3).Для образцов РЕХа и РЕХс наблюдается рост удлинения при повышении температуры до 70 °C, а затем эластичность мало меняется вплоть до 110 °C, причем деформация образцов РЕХа и РЕХс при комнатной температуре значительно выше, чем PEXb. Отличительной особенностью пероксидно и радиационносшитого полиэтиленов является резкое повышение деформируемости уже при 70 °C, тогда как для силанольносшитого ПЭ наблюдаются стабильные характеристики этого показателя в интервале температур 20–110 °C.
   
   Ползучесть полиэтиленов под нагрузкой при различных температурах носит также различный характер (рис. 4).Образцы РЕХа и PEXb обладают примерно одинаковой ползучестью под нагрузкой, которая мало изменяется в интервале температур 120–150 °C; при 180 °C наблюдается рост удлинения примерно в 1,5 раза. Значения ползучести образцов РЕХс в 1,6 раза выше при 180 °C, чем для образцов РЕХа и PEXb; резкий ее рост наблюдается уже при 150 °C. По прочностным показателям и деформационной теплостойкости образцы из труб PEXb и РЕХа имеют близкие значения. Самыми низкими показателями характеризуются трубы из РЕХс.
   
   Длительная прочность σ [МПа] труб из полиэтилена любого способа сшивки не должна быть меньше величины, получаемой по формуле ГОСТ Р 52134–2003 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления», представляемой в преобразованном виде: где t — температура, K; τ — время, ч. Долговечность труб существенно зависит от уровня остаточных напряжений в готовых изделиях, которые определяют скорость протекания релаксационных процессов. В растянутом образце при релаксации напряжений происходит перегруппировка структурных элементов, скорость которой увеличивается с повышением температуры. Требуются различные напряжения и время при деформировании на одну и ту же величину при одной и той же температуре образцов из полиэтилена, сшитого различными способами (табл. 5).Меньшие усилия деформирования требуются для радиационносшитого ПЭ (РЕХс) при всех температурах. Это свидетельствует о меньшей плотности сшивки и большей подвижности макроцепей в межузловом пространстве. Для PEXb при 70 °C усилия деформирования значительно превышают необходимые для растяжения РЕХа и РЕХс, что свидетельствует о прочности структурной сетки ПЭ. Большие значения усилия растяжения при одинаковой величине деформации сохраняются для PEXb и при других температурах. Резкое ускорение протекания релаксационных процессов при 110 °C связано не только с повышением подвижности структурных единиц для всех образцов, но и с плавлением части полимера, не вошедшего в структурную сетку. Скорость релаксации напряжений выше для PEXb. Это, вероятно, определяется меньшей степенью сшивки (68 %) по сравнению с РЕХа и РЕХс (83 % и 78 % соответственно) и особенностями межмолекулярных связей в силанольносшитом полиэтилене. Более низкие скорости релаксации наблюдаются для пероксидносшитого ПЭ, что, вероятно, объясняется большей степенью сшивки данного полимера при высокой плотности структурной сетки.
   
   На физикохимические и технические свойства также влияет и взаимодействие макромолекул за счет водородных связей, возникающих в полимере вследствие наличия полярных групп и активных атомов, а также образование ассоциатов в результате взаимодействия самих поперечных связей. Это в первую очередь характерно для силанольносшитого полимера, где имеется большое число силанольных групп, способных образовывать дополнительные узлы зацепления в аморфных областях, повышающие плотность структурной сетки (которая на 30 % больше, чем при пероксидном, и в 2,5 раза — чем при радиационном сшивании) и уменьшающие деформируемость при высоких температурах. Силанольносшитый полиэтилен, в отличии от радиационного и пероксидного, сохраняет способность к образованию новых связей в результате разрыва существующих в процессе эксплуатации.
   
   Радиационносшитый полиэтилен имеет меньшие показатели плотности сшивки и, соответственно, наиболее низкие прочностные характеристики, резко снижающиеся с ростом температуры. Его деформируемость, в частности, в два раза ниже уже при 70 °C. Образцы обладают вдвое большей ползучестью под нагрузкой при температурах 120–180 °C по сравнению с полиэтиленами, сшитыми другими способами. Перекисно и силанольносшитый полиэтилены обладают близкими значениями деформационной теплостойкости и прочности, однако РЕХа имеет значительную деформируемость уже при 70 °C (величина относительного удлинения возрастает более чем в 2,5 раза), в то время как для образцов PEXb величина относительного удлинения практически сохраняется постоянной вплоть до 90 °C, а затем даже снижается.
   
   Стендовые испытания [6] труб из сшитых полиэтиленов показывают некоторое преимущество силанольного сшивания. Так, при температуре испытания 90 °C для труб диаметром 25 мм и длиной 400 мм давление разрушения труб из РЕХа, PEXb и РЕХс составило 1,72; 2,28 и 1,55 МПа, соответственно.
   
   Что касается влияния хлорированной воды на трубы из сшитого полиэтилена, то в последнее время российские ученые осуществили экспериментальные исследования на трубах РЕХа [7].Испытания проводились на серийных трубах, изготовленных из ПЭ Lupolen 5261 Z Q456 (Basell Polyolefins) по стандартной рецептуре, включающей смесь пероксида, антиоксидантов и светостабилизатора (изделия ЗАО «АНД Газтрубпласт»): 1-й образец — диаметр 75 мм и толщина стенки 4,6 мм, 2-й образец — диаметр 20 мм и толщина стенки 3 мм. Образцы труб 1 и 2 подвергали термообработке в дистиллированной воде, а также в растворах гипохлорита натрия в дистиллированной воде с концентрациями 1,5; 3; 15 и 30 мг/л при температуре 80 °C. Экспозиции составляли от 0 до 60 суток. Замену растворов осуществляли каждые 10 суток (для поддержания постоянной концентрации активного хлора). После термообработки для проведения дальнейших исследований с поверхности образцов делались срезы толщиной 0,5 мм.
   
   Образцы испытывались на термоокислительную стабильность следующими методами:
    индукционного периода окисления (ИПО) в соответствии с [23] на приборе ДСК Pyris 6 DSC фирмы PerkinElmer (США) при 210 °C в среде кислорода (расход 20 мл/мин);
    ТГДТА для определения термоокислительной стабильности согласно [25] на установке Pyris Diamond TG/DTA фирмы PerkinElmer при скорости нагрева 10 °C/мин в среде воздуха (расход 50 мл/мин).
   
   Для идентификации химических изменений в структуре полимерной основы образцов модельных труб использовался метод электроннозондового рентгеноспектрального микроанализа. Термообработка 1го образца проводилась в хлорированной воде с концентрациями гипохлорита натрия 1,5 и 3,0 мг/л.
   
   В результате визуального наблюдения было отмечено, что в процессе старения в хлорированной воде наблюдается изменение цвета образцов (легкое пожелтение), интенсивность которого усугубляется по мере увеличения экспозиции. Пожелтение также коррелирует с увеличением концентрации гипохлорита натрия в растворе. Анализ термостабильности по ИПО при 210 °C показал, что термостабильность трубы по мере выдержки в хлорированной воде снижается незначительно. Например, если до испытания ИПО = 23 мин., то при максимальной экспозиции (60 суток) ИПО = 18–20 мин. Судя по данным ТГА, изменение термостабильности образцов после старения в хлорированной воде также несущественно. Например, если для исходного образца температура начала разложения составила 267 °C, то при термообработке в хлорированной воде (концентрация гипохлорита натрия 1,5–3,5 мг/л) это значение снизилось менее чем на 5 °C для максимальных экспозиций (60 сут). Было установлено, что термообработка образцов в хлорированной воде не сказалась на температуре плавления и степени кристалличности образцов. В ИК-спектрах образцов после старения не отмечается каких-либо изменений в сравнении со спектром исходного образца. Это означает, что в пределах чувствительности данного метода в процессе термообработки в хлорированной воде с концентрациями гипохлорита натрия NaClO 1,5 и 3,0 мг/л химическая структура образцов не меняется. В этом эксперименте не было обнаружено каких-либо изменений в физико-химических свойствах в процессе термообработки образцов в хлорированной воде с концентрациями гипохлорита натрия 1,5 и 3,0 мг/л. Термообработка труб во втором эксперименте проводилась в дистиллированной и хлорированной воде с концентрациями гипохлорита натрия 15 и 30 мг/л. В результате визуального наблюдения было отмечено, что в процессе старения в хлорированной воде наблюдается постепенное пожелтение образцов, интенсивность окраски нарастает с увеличением экспозиции и концентрации гипохлорита натрия в растворе. В процессе старения образцов в воде изменение их окраски не наблюдается. В этом эксперименте было установлено, что по мере увеличения времени термообработки и увеличения концентрации гипохлорита натрия в растворе индукционный период окисления образцов уменьшается (табл. 6). По данным ТГА, существенных изменений термостабильности образцов после обработки в дистиллированной или хлорированной воде не обнаружено.
   
   Произведенная термообработка образцов в хлорированной воде даже с повышенной концентрацией гипохлорита натрия не оказала влияния ни на температуры плавления, ни на степень кристалличности образцов. В ИК-спектрах образцов после старения в дистиллированной воде не отмечается каких-либо изменений в сравнении со спектром исходного образца. В ИК-спектрах образцов, подвергнутых термообработке в растворах гипохлорита натрия повышенной концентрации (15 и 30 мг/л), изменения обнаружены в экспозициях свыше 45 суток. В ИК-спектрах образцов экспозиций 60 суток при обеих концентрациях наблюдается появление новых полос. Интенсивность этих полос выше в спектре образца, выдержанного в растворе с большей концентрацией гипохлорита натрия (30 мг/л). Элементный состав образцов труб на поверхности и во внутренних слоях исследовался методом рентгеноструктурного анализа (РСА). Полученные результаты показали, что для всех режимов обработки образцов не обнаруживается присутствие хлора ни в составе поверхностных слоев, ни в центре образца.
   
   Данные исследования показали, что при термообработке образцов трубы РЕХа в дистиллированной воде и хлорированной воде с концентрацией гипохлорита натрия, соответствующей нормам, принятым для питьевого водоснабжения, изменений морфологии, химической структуры и термоокислительной стабильности за время эксперимента не происходит. Значения температуры плавления и степени кристалличности остаются на прежнем уровне. При термообработке образцов РЕХа в воде с повышенной концентрацией активного хлора (с увеличенной концентрацией гипохлорита натрия в 10–20 раз по сравнению с нормами, принятыми для питьевого водоснабжения) происходит изменение окраски образцов, снижение термостабильности, а также появление в структуре материала кислородсодержащих групп. Однако даже при таких жестких условиях испытания, судя по величине индукционного периода окисления (12 мин.), образец трубы сохраняет достаточно высокую термостабильность, что свидетельствует о том, что даже в поверхностном слое (толщиной 0,5 мм) содержание антиоксидантов остается достаточно высоким. Даже в жесточайших условиях обработки дезинфектантом прямого хлорирования (взаимодействия полиэтилена с хлором) труб РЕХа не происходит. Результаты проведенных исследований убедили авторов в том, что трубы РЕХа сохранят работоспособность на протяжении всего нормативного срока службы.
   
   В заключение следует отметить, что рассмотренные в статье существующие подходы к оценке температурно-временного поведения труб из сшитого полиэтилена, в т.ч. с учетом влияния хлорированной воды, еще раз убедили в том, что установленные в СНиП 2.04.01–85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» сроки службы трубопроводных систем (50 лет — холодного и 25 лет — горячего водоснабжения), включающих трубы PEX, будут вполне обеспечены при их правильном (в соответствии с требованиями СП 41109–2005) проектировании, монтаже, промывке и эксплуатации.
   
   1. Пукемо Н.М., Отставнов А.А. Применение новых материалов для систем водоснабжения и отопления в Швеции. Оперативная инф. «Современное состояние и тенденции развития больших городов в СССР и за рубежом». — М.: ГОСИНТИ, №10(61)/1973.
   2. Пукемо Н.М., Отставнов А.А. Новые системы центрального отопления жилых зданий в Швеции. Оперативная инф. «Современное состояние и тенденции развития больших городов в СССР и за рубежом». — М.: ГОСИНТИ, №1/1974.
   3. Ионов В.С. Комментарий на статью о воздействии хлора на трубы PEX. www.coppertube.ru.
   4. Frank R (техн. редактор Отставнов А.А.) Об устойчивости к хлорированной воде труб из сшитого полиэтилена // Сантехника, №2/2005.
   5. Бухин В. Трубы из сшитого полиэтилена для систем водоснабжения и отопления. — М.: ИД «Аква-Терм».
   6. Осипчик В.С., Лебедева Е.Д. Сравнительный анализ структуры и свойств сшитого различными методами полиэтиленов. www.byrpex.com.
   7. Горбунова Т.Л., Гаевой Н.В., Алиев А.Д., Чалых А.Е., Калугина Е.В. Влияние хлорированной воды на пероксидно-сшитый полиэтилен PEXa // Полимерные трубы, №3(25)/10.2009.

Назад

Для постоянных клиентов Для постоянных клиентов
E-mail
Пароль
Забыли пароль?
Регистрация

Ваш заказ Ваш заказ
ВАШ ЗАКАЗ

еще ничего не заказано


Новинки Новинки
Листовая изоляция Thermasheet FR Thermaflex
Листовая изоляция Thermasheet FR
430 руб.

Контакты Контакты
т.    (xxx) xxx-xx-xx
email   info@tepel.ru
    Внимание! Сайт находится на обновлении. Все цены уточняются при запросе.

 


Спецпредложения Спецпредложения



 

© 2010 фирма "ТЕПЕЛЬ"


наверх


 
Яндекс.Метрика