Сравнение свойств полиэтиленовых труб повышенной термостойкости PE-RT и труб из сшитого полиэтилена PEX

 

 

В настоящее время существуют три способа производства труб из сшитого полиэтилена, масштабы промышленного производства которых различны.  Приняты  следующие  условные  обозначения  способов производства труб: РЕХ-а, РЕХ-b и РЕХ-с.
Трубы,  получаемые  посредством  указанных  трех  способов, выпускаются  по  единому  нормативному  документу,  независимо  от  его уровня: международный стандарт ISO15875, европейский стандарт EN 12318 или страны разработчика Германии DIN 16892 и 16893, и полностью воспроизводящий    в    этой    части    ГОСТ    32415.    В    этих    документах температурно-временные  зависимости  прочности  труб  приняты одинаковыми для всех типов труб и, как следствие, одинаковые требования по контрольным параметрам испытания на стойкость к внутреннему давлению. Таким образом, трубы, полученные любым из трех способов, по своим свойствам, и в первую очередь, по длительной прочности должны быть не ниже предписанных требованиями стандартов. Естественно, что трубы, полученные разными способами, отличаются по своим свойствам, например, по реально достигнутой степени сшивки полиэтилена. Так требования по степени сшивки, оцениваемой по содержанию гель-фракции, различны и составляют для РЕХ-а – 75%, для РЕХ-b – 65% и для РЕХ-с – 60% [1,2].

Рассматриваемые способы производства отличаются как по химизму образования поперечных связей, так и по технологическому процессу производства и используемому оборудованию.
 

Краткая информация о способах получения труб из РЕХа, РЕХb, РЕХс, PE-RT и о структуре их материалов 
Теплостойкий высокопрочный полиэтилен РЕХ для производства труб в системах отопления и горячего водоснабжения получен в 1978 году шведским инженером Т. Энгелем. Метод Энгеля основан на поперечном химическом сшивании линейных цепочек полиэтилена с помощью органических пероксидов. Пероксиды, находясь в расплаве полимера, под действием высокой температуры распадаются с образованием активных радикалов. Эти радикалы отрывают часть атомов водорода из линейных макромолекул полиэтилена (-СН2– СН2-)n  с образованием макрорадикалов. Макрорадикалы рекомбинируют с образованием С – С связей между соседними цепочками. Таким образом, образуется химически сшитая пространственная структура с короткими  жесткими  поперечными  связями С – С. Сшитый с помощью пероксидов полиэтилен обозначается РЕХ-а. Степень сшивки у РЕХ-а составляет 70 – 75% [1,2].
Второй химический метод сшивки макромолекул полиэтилена – силанольный.  В  экструдер  подается  полиэтилен,  силанол,  активатор прививки и катализатор сшивки. В расплаве полиэтилена под действием высокой температуры двойные связи силанола раскрываются (H2C=CH)Si(OR)3 и образуются активные радикалы со свободными валентностями у атомов углерода. Эти радикалы отрывают атомы водорода в макромолекулах полиэтилена. Соседние макрорадикалы замыкаются через химические связи: С-Si-O-C, формируя пространственную сетку. После экструзии степень сшивки достигает только 15%. Поэтому проводят дальнейшую обработку трубы водой при высокой температуре (~80оС) в течение 10-12 суток до достижения степени сшивки 65%. Сшитый силанолом полиэтилен обозначается РЕХ-b [2].
Третий вид сшитого полиэтилена РЕХ-c получают воздействием на готовую трубу ускоренных электронов или y-излучения дозой до 20 Мрад. При этом химические связи в макромолекулах полиэтилена разрываются, образовавшиеся свободные макрорадикалы рекомбинируют, создавая пространственную химически сшитую С – С связями сетчатую структуру со степенью сшивки 55 – 60% [1,2].
Наибольшее распространение из сшитых полиэтиленов получил РЕХ-а из-за  относительно  низкой стоимости сырья (по  сравнению с РЕХ-b), высокой степени сшивки, сравнительно высокой производительности экструзии труб, отсутствия в технологических линиях дорогостоящих ускорителей  электронов  и  дорогостоящей защиты персонала  от проникающей радиации [1,2].
Сравнительно недавно, 20  лет назад, специалистами  фирмы Dow Chimical создана новая марка трубного полиэтилена – полиэтилен повышенной термостойкости (далее PE-RT). PE-RT синтезируют методом направленного  пространственного  формирования  боковых  октеновых (восемь атомов углерода) ответвлений от основной макромолекулярной линейной цепи (-СН2  – СН2-)n. Относительно длинные боковые ветви создают вокруг главной цепи области взаимопереплетенных ветвей соседних макромолекул. Таким образом формируется пространственная физическая сетка. Материал приобретает ряд уникальных свойств: долговременную термостойкость,  повышенную  прочность,  удароустойчивость,  стойкость  к УФ-излучению при сохранении эластичности. Трубы из PE-RT, например, из материала Dowlex 2388, имеют улучшенную гидростатическую прочность, повышенную устойчивость к растрескиванию при напряженных состояниях (из-за высокой релаксации напряжений). Из диаграмм долговременной прочности установлено, что трубы из PE-RT могут эксплуатироваться 50 лет в интервале температур 60 – 90оС при давлении 10 атм и кратковременно при 110оС [3].
Считается, что благодаря длительной гидростатической прочности при высоких температурах в сочетании с превосходной гибкостью трубы из Dowlex 2344E и Dowlex 2388 наиболее приемлемы в системах отопления и горячего водоснабжения [3,4].
Поскольку формирование надмолекулярной структуры PE-RT происходит на стадии синтеза полимера, никаких дополнительных технологических  приемов  (добавление  сшивающих  агентов,  радиационное облучение) не требуется. Это позволяет интенсифицировать технологический процесс производства труб, снизить их себестоимость. При этом достигается наивысшая равномерность сетчатой структуры по толщине и длине трубы.

Боковые ответвления    октена (С8Н16), химически соединенные с главными цепями РЕ-RТ, имеют длину, достаточную для взаимного переплетения  с  боковыми  ответвлениями  соседних  главных  цепей.  Эти «ветви» соседних макромолекул, взаимно переплетаясь, образуют пространственную физическую сетку [5]. Эта сетка способна под действием температурно-силовых полей разрушаться и вновь восстанавливаться при охлаждении расплава. При этом главные цепи РЕ-RТ остаются неизменными в процессе переработки.
Поскольку эта структура закладывается непосредственно при полимеризации этилена в присутствии октена, производство труб из РЕ-RТ не отличается по технологии от получения труб из обычных полиэтиленов. Отсутствие дополнительных технологических приемов интенсифицирует технологический процесс получения РЕ-RТ труб по сравнению с производством РЕХ труб [3].
Трубы из PE-RT приобретают ряд уникальных свойств: повышенные теплостойкость и прочность при достаточной   эластичности, высокую ударную прочность при температурах до минус 25оС [3, 4].
Трубы из РЕ-RТ не чувствительны к УФ лучам по сравнению  с трубами РЕХ, т.к. УФ лучи инициируют процесс дальнейшей сшивки РЕХ, что приводит к потере его пластичности.
Срок службы труб РЕ-RТ (Dowlex 2388) при температуре 60оС и рабочем давлении  0,6 МПа составляет 100 лет (согласно  испытаниям «Воdycote Polymer AB) [3,5].
Низкий коэффициент шероховатости поверхности РЕ-RТ труб сводит к минимуму гидравлическое сопротивление движущейся в них жидкости. Максимальная рабочая температура труб РЕ-RТ 95оС, однако температура 110оС  не  является  критической при непродолжительной эксплуатации, допускается работа РЕ-RТ труб в аварийном режиме при температуре 122оС [3], т.к. температура плавления кристаллической фазы равна 132оС. Однако необходимо учитывать, что расчетный срок эксплуатации труб сокращается. Трубы из РЕ-RТ, как и другие полиэтиленовые трубы, практически не подвержены отложениям и коррозии. Их отличает трещиностойкость, возможность использования различных способов соединений – сварное соединение (стыковое, электромуфтовое, раструбное), пресс-фитинговое соединение и др. Свойства материала PE-RT [3]:


Трубы РЕ-RТ рекомендуются для применения в магистральных трубопроводах, трубопроводах открытой прокладки в системах отопления с рабочей температурой теплоносителя 90-95 °С и рабочем давлении 10 бар. Допускается аварийная эксплуатация труб РЕ-RТ при 122оС [3].
РЕ-RТ – это полиэтилен высокой плотности с высоким температурным сопротивлением и устойчивостью к старению.
Исследования, проведенные авторитетной шведской лабораторией Воdycote Polymer (с 2010 г. Exova), показывают, что по долгосрочной термической стойкости трубы из РЕ-RТ превосходят трубы из РЕХ [6] (рисунок 1,2).

Рис. 1 Долгосрочная термическая стойкость полиэтиленовых труб из PE-RT

Рис. 2 Долгосрочная термическая стойкость полиэтиленовых труб из РЕХ-а


Полиэтилены DOWLEX успешно использовались в системах горячего водоснабжения и отопления в течение 20 лет. Длительная гидростатическая прочность труб PE-RT в сочетании с очень высокой гибкостью сделали их предпочтительными в системах отопления [7].
В настоящее время, к сожалению, на территории Республики Беларусь отдельными маркетологами распространяется мнение о том, что трубы PE-RT менее долговечны, чем трубы из РЕХ-а. Поскольку это не соответствует действительности, в настоящей статье мы приводим сравнительные данные по долговечности труб РЕХ-а и PE-RT, полученные в Белорусском государственном технологическом университете при исследовании труб разных производителей за последние 10 лет. Долговечность оценивалась по экспресс-методу, применяемому в Республике Беларусь в соответствие с СТБ 1333.2-2002 [8].

 

Настоящий стандарт распространяется на трубы полимерные для инженерно-технических систем и фасонные части к ним, предназначенные для монтажа систем отопления, горячего и холодного водоснабжения, канализации, газоснабжения, и устанавливает методику определения их долговечности.
Расчетная долговечность т Тэ в годах для труб при конкретном значении температуры эксплуатации (Тэ) определяется по формуле:


где a и b – эмпирические коэффициенты, установленные по данным длительных (более полугода) испытаний на тепловое старение, принимаются по таблице 1 данного СТБ. Для сшитых полиэтиленов и PE-RT a=0,1167, b=0,090;
Eд – энергия активации термоокислительной деструкции – избыток энергии (потенциальный барьер), необходимый для разрушения химическихсвязей, образующих основную цепь полимера, под действием тепла. Рассчитывается  методом  Бройдо  по  данным  динамической термогравеметрии,   проводимой   на   термоаналитических   установках   (см. СТБ 1333.0-2002);
∆Eмв  –  уменьшение  значения  параметра  Ед  при  постоянном воздействии   на   материал   трубы   жидкой   среды    (снижение   энергии межмолекулярных взаимодействий на поверхности труб вследствие эффекта Ребиндера), кДж/моль. Для   труб   из   сшитого   полиэтилена   и   PE-RT∆Eмв=1 кДж/моль (установлено экспериментально);
y – структурно-чувствительный коэффициент материала трубы в уравнении долговечности С.Н. Жукова, равный для сшитых полиэтиленов и PE-RT 2,5 кДж/моль∙МПа;
Qр – расчетное напряжение в стенке трубы;
m – коэффициент перевода долговечности в годы (для сшитых полиэтиленов и PE-RT равный 360).
Расчет напряжения в стенке трубы (Qр) в МПа определяется по формуле Кесселя:

где Pр – рабочее давление среды в трубе, МПа;
d – наружный диаметр трубы, мм;
б – толщина стенки трубы, мм;
SF – коэффициент запаса прочности, принимаемый для    систем отопления равным 2,5; для систем горячего водоснабжения – 1,5.
Расчетная долговечность Тобщ   в годах при переменных температурах эксплуатации систем отопления рассчитывается по формуле:


где mi –  число часов за отопительный период со среднесуточной температурой теплоносителя Ti;
∑mi – суммарное число часов работы тепловой сети;
т Тi – долговечность трубы при температуре Ti.
В Республике Беларусь установлен следующий график качественного регулирования отпуска тепла в подающем трубопроводе в здания и число часов за отопительный период со среднесуточной температурой наружного воздуха от 0 до минус 30оС (СТБ 1333.2-2002).


 В системах внутриквартальной бесканальной подземной прокладки тепловых сетей гибкие предизолированные трубы работают при более высоких температурах, так как даже при хорошей тепловой изоляции неизбежны потери тепла и снижение температуры воды. Если принять запас температуры в 20оС, то предизолированные трубы будут работать в следующем температурно-временном режиме в течении отопительного сезона: 73оС – 1375 часов; 81оС – 696 часов; 89оС – 395 часов; 96 оС – 158 часов; 103оС – 51 час, 110оС–15 часов.
Максимальная температура 110оС воздействует на полимерный материал труб кратковременно.

 

Долговечность труб из РЕХ-а и PE-RT в системах горячего водоснабжения и отопления, определенная по СТБ 1330.0-2002 и СТБ 1333.2-2002 (при давлении 10 атм)

 

Долговечность труб из PE-RT выше долговечности труб из РЕХ-а примерно на 10 – 15%.

Результаты наших долгосрочных системных исследований согласуются с профессиональными данными других исследований. Например, данные авторитетной Шведской лаборатории Bodycote Polymer показывают, что долгосрочная термическая стабильность труб из PE-RT выше, чем труб из РЕХ-а.
Об этом свидетельствует сравнение предельно допустимых кольцевых напряжений в трубах из РЕХ-а и PE-RT [6].


В настоящее    время в РБ применяются для систем горячего водоснабжения и отопления трубы из РЕХ-а и PE-RT.
Гибкие полимерные предварительно изолированные трубы «Изопрофлекс» и «Изопрофлекс-А» из РЕХ-а, транспортирующие воду с максимальным рабочим давлением 0,6 МПа («Изопрофлекс») и 1,0 МПа («Изопрофлекс-А») при постоянной температуре транспортируемой воды до 75оС или переменной температуре (по графику качественного регулирования отпуска теплоты потребителям) до 95оС, предназначены для подземной бесканальной прокладки, а также прокладки в непроходных каналах [9]. Гибкие полимерные предварительно изолированные трубы нового поколения
«СМИТФЛЕКС-П» из полиэтилена повышенной термостойкости PE-RT тип II предназначены для бесканальной подземной прокладки теплосетей с максимальной  рабочей  температурой  теплоносителя  до  95оС,  рабочим давлением до 1,0 МПа (допускается кратковременное повышение температуры до 115оС). По своим физико-механическим характеристикам и долговечности в системах отопления и горячего водоснабжения эти трубы близки и взаимозаменяемы, т.е. являются аналогами друг друга.
Однако, будущее за трубами из PE-RT, так как они более устойчивы к ударным нагрузкам и трещинообразованию    при    отрицательных температурах, имеют равномерную сетчатую структуру по длине и толщине труб, их производство более экономично и, наконец, в отличие от труб из РЕХ-а они соединяются сваркой, а их отходы подлежат рециклингу.
Прокопчук Н.Р. профессор кафедры ТНСиППМ БГТУ, д.х.н., член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь.

 

blog comments powered by Disqus

Вверх