Преимущества полиэтиленовых труб для водоснабжения

182
Фото © shutterstock.com
Фото © shutterstock.com
Иванов М.П.
канд. хим. наук, зав. отделом ГУП «МНКЦ “Интермедбиофизхим”»
Полиэтилен является самым распространенным пластиком. Ежегодно в мире его производят свыше 60 млн т. Широкое применение полиэтилена в водоснабжении обусловлено его физическими и химическими свойствами.

Получение полиэтилена для труб для водоснабжения

Полиэтилен — это термопластичный полимер со структурной формулой — (CH2-CH2)n — . Впервые он был получен в 1899 г. химиком профессором государственного университета в г. Тюбинген (Германия) Г. фон Пехманом. Некоторые специалисты по истории техники считают, что открытие произошло случайно, поскольку Пехман, будучи специалистом в области препаративной органической химии, неожиданно после опыта обнаружил на дне колбы осадок полимера, похожего на воск. Полимер, названный полиметиленом, практического применения в то время не нашел.

В 1931 г. Э. Фосетт и Р. Гибсон, сотрудники из треста Imperial Chemical Industries (Великобритания), получили низкомолекулярный полиэтилен при высоком давлении. В 1933 г. установка для получения полимера была модернизирована, и в 1936 г. М. В. Перрин и Дж. Г. Паттон получили патент на способ получения полиэтилена высокого давления, коммерческое производство которого было начато в 1938 г.

Процесс получения полиэтилена высокого давления, или, как его еще называют, полиэтилена низкой плотности, протекает при температурах 200–260 °С и давлениях 150–300 МПа в присутствии инициаторов: кислорода или органических перекисей.

Это жидкий продукт со средневесовой молекулярной массой 80–500 тыс. Его полимерные цепи имеют боковые ответвления, что способствует образованию рыхлой упаковки макромолекул. Это приводит к понижению плотности полимера и уменьшению его степени кристалличности, которая обычно меняется в пределах 50–60 %.

Примерно в это же время, а именно начиная с 1927 г., профессор химии К. Циглер из университета Гейдельберга исследовал поведение свободных радикалов при синтезе макроциклов под действием катализаторов из металлоорганических соединений. Позднее, в середине 1940-х гг., он начал проводить эксперименты по изучению влияния металлоорганических катализаторов на этилен — дешевый побочный компонент угольного газа. Его целью было получение из этилена высокомолекулярного соединения. В 1952 г. Циглер с коллегами предложил использовать в качестве катализатора смесь TiCl3 и Et2AlCl, которая позволяла осуществлять полимеризацию этилена путем простого пропускания при атмосферном давлении газообразного этилена через раствор, содержащий катализатор. На производстве такой процесс протекает при температурах 120–150 °С и давлении от 1 до 20 атм. Полимеризация проводится в суспензии по ионно-координационному механизму. Получаемый по этому способу полиэтилен имеет средневесовой молекулярный вес 80–300 тыс., а степень кристалличности в большинстве случаев составляет 75–85 %. Высокая степень кристалличности такого полимера обусловлена тем, что его макромолекулы практически не имеют разветвлений, и вследствие этого его плотность высока. Этот вид полиэтилена получил наибольшее коммерческое распространение.

Кроме того, известен способ получения так называемого полиэтилена классификации среднего давления. Полимеризация проводится в растворителе при температуре 100–120 °С, давлении 30–40 атм и также в присутствии катализаторов Циглера-Натта. Полиэтилен выпадает из раствора в виде хлопьев. Он имеет средневесовой молекулярный вес в диапазоне 300–400 тыс., степень кристалличности — 70–80 %.

Следует иметь в виду, что все перечисленные способы получения полиэтилена имеют весьма условное деление. Это касается как величин применяемого давления, так и строения макромолекулы и свойств получаемого полимера. Существуют и другие способы полимеризации этилена, например под влиянием радиоактивного излучения. Однако они пока не получили промышленного распространения.

Классификация полиэтилена

Условия получения полимера и его характерные свойства используются для классификации марок производимого полиэтилена.

Так, полиэтилен низкой плотности (высокого давления) отечественного производства может иметь следующие марки: ПЭНП, ПЭВД, ПВД. Аналогичная продукция зарубежного производства обычно маркируется как LDPE (Low Density Polyethylene). Помимо этого среди зарубежных производителей встречаются марки полимера, которые соответствуют полиэтилену очень низкой плотности VLDPE (Very Low Density Polyethylene) и полиэтилену сверхнизкой плотности ULDPE (Ultra Low Density Polyethylene).

Полиэтилен высокой плотности (низкого давления) обозначается как ПЭВП, ПЭНД, ПНД, HDPE (High Density Polyethylene).

Аналогично маркируется и полиэтилен среднего давления — ПЭСД.

Помимо этого полиэтилен классифицируется по строению макромолекулы и ее размеру. Так, выпускается линейный полиэтилен средней плотности — ПЭСП, MDPE или PEMD, и линейный полимер низкой плотности — ЛПЭНП, LLDPE или PELLD. Известны также высокомолекулярный полиэтилен ВМПЭ, HMWPE или PEHMW, VHMWPE, и сверхвысокомолекулярный полиэтилен UHMWPE.

Полимер с маркой UHMWPE является относительно новой и перспективной разновидностью полиэтилена. Изделия из этого пластика обладают чрезвычайно высокой прочностью и ударной вязкостью в большом диапазоне температур вплоть до 100 °С. Несмотря на то что этот тип полиэтилена по своим физическим свойствам выгодно отличается от ПЭНД и ПЭВД, эта марка полиэтилена относится к малотоннажным производствам. Применяется UHMWPE редко из-за трудности в переработке.

Сшитые модификации для полиэтиленовых труб для водоснабжения

Ассортимент полимеров этилена может быть значительно расширен путем сополимеризации с другими мономерами, а также при получении композиции типа компаундов. Например, совмещается расплав полиэтилена одного типа с полиэтиленом другого типа, либо полипропиленом, или полиизобутиленом и каучуками. Также путем введения в расплав полимера наполнителей неорганической природы (углерода, аэросил, оксидов и сульфидов металлов) получают модифицированне типы полиэтилена. Один из примеров таких наполнителей — канальная сажа, которая вызывает стабилизацию полиэтилена в период термоокислительной деструкции.

Особое место среди возможных модификаций полиэтилена занимают сшитые полимеры. Обычно их маркируют как ПЭ-С или латинскими бувами РЕ-Х. Химическая сущность сшивки заключается в том, что длинные линейные цепи макромолекул соединяются между собой боковыми цепочками относительно короткой длины. За счет этого достаточно сильно изменяются физические свойства полимера, в то время как химические изменяются обычно мало.

По способу осуществления сшивок различают четыре вида сшитого полиэтилена: пероксидный, обозначаемый символом «а», который устанавливается после марки полимера; силановый (b); радиационный (c) и азотный (d).

Пероксидный сшитый полиэтилен получают добавлением в расплавленный готовый полимер органических перекисей (например, перекиси дикумила), которые при данной температуре распадаются на свободные радикалы. Эти радикалы взаимодействуют с атомами углерода макромолекулы, образуя активные центры на главных полимерных цепях. Взаимодействие между радикалами соседних цепей приводит к образованию связей между макромолекулами — получается сшитый полиэтилен.

При проведении силановой сшивки полиэтилена часто используется винилтриэтоксисилан или другие подобные реагенты. Этот способ наиболее быстрый и дешевый и поэтому получил наибольшее распространение.

С учетом особенностей полиэтилена сшивающий реагент вводится на стадии переработки гранулированного полимера в изделие. Однако, как показывают практические наблюдения, при перемешивании расплава с реагентом, вызывающим сшивку, часто не получается однородной массы. В результате в готовых изделиях возникают внутренние напряжения, приводящие к трещинам.

В то же время радиационная сшивка полиэтилена протекает под воздействием облучения полимера, и в этом случае материал получается более однородным. Свойства радиационно модифицированного полиэтилена зависят от условий модификации (вида облучения, энергии излучения, дозы, атмосферы, давления, температуры), а также от содержащихся в полиэтилене добавок.

Преимущества полиэтиленовых труб для водоснабжения

Преимущества полиэтиленовых труб

Широкое применение полиэтилена в водоснабжении обусловлено его физическими и химическими свойствами. Так, полиэтилен устойчив к действию воды, не реагирует со щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже с концентрированной серной кислотой. Но при действии жидкого и газообразного хлора при комнатной температуре он разлагается. В частности, вода, содержащая активный хлор в концентрации 20–25 мг/л, действует разрушительно на этот вид полимерного материала. Однако, как показали научные исследования, содержание хлора в воде при температуре 10 °С в значительно меньших дозах — от 0,5 до 0,7 мг/л — не приводит к заметным последствиям.

Наряду с этим полиэтилену присущи и некоторые другие недостатки. Так, со временем полиэтилен подвергается деструкции с образованием поперечных межцепных связей, что приводит к повышению хрупкости. На воздухе он подвергается термоокислительной деструкции — термостарению. Термостарение полиэтилена проходит по радикальному механизму, сопровождается выделением альдегидов, кетонов, перекиси водорода. Чтобы избежать этого, в полиэтилен добавляют стабилизаторы, например канальную сажу.

Для справки

Условное обозначение труб из РЕ и PVC-U должно включать при необходимости надпись «питьевая».

ГОСТ Р 52134–2003

Рынок полиэтиленовых труб для водоснабжения в России

Несмотря на отмеченные недостатки, объем потребления полиэтилена в России составляет около 2 млн т. При этом около 70 % покрывается за счет отечественной продукции. Одновременно с этим около 300 тыс. т отечественной продукции отправляется на экспорт. Анализ состояния рынка полиэтилена в России показывает, что основная доля производимого в стране полимера — около 60 % — приходится на полиэтилен низкого давления. Следом идет полиэтилен высокого давления — около 30 %. Замыкает основные позиции линейный полиэтилен низкого давления — примерно 10 %.

Для удовлетворения спроса рынка осуществляются поставки полиэтилена из-за рубежа. Свыше 50 % полиэтилена импортного производства расходуется для производства труб. При этом наружное покрытие многослойных труб и производство напорных труб потребляет примерно одинаковое количество импортного полимера. Среди зарубежных производителей преобладает продукция компаний Borealis (Австрия), Korea Petrochemicals (Республика Корея), Dow (США), SABIC (Саудовская Аравия) и ExxonMobil Corporation (США). Эти фирмы в основном поставляют полиэтилен низкого давления и линейный полиэтилен низкого давления.

По мнению специалистов, российский рынок полиэтилена вызывает опасения. Во-первых, суммарный объем промышленных мощностей по выпуску полиэтилена превышает потребности внутреннего рынка. Во-вторых, выпускаемые отечественными производителями марки полиэтилена не вполне отвечают современным требованиям, хотя стоимость полиэтилена на внутреннем рынке держится на уровне цен полимера более высокого качества из стран Западной Европы и Азии. Такое положение вещей способствует тому, что производители для выпуска труб и других видов продукции используют импортный полимер.

Требования к трубам из полиэтилена для водоснабжения

В продажу полиэтилен поступает в виде гранул с размерами 2–5 мм, которые затем перерабатываются в изделия. Для водоснабжения, ГВС и отопления из полиэтилена различных марок преимущественно вырабатываются трубы, фасонные изделия и элементы арматуры. Все марки полиэтилена могут перерабатываться в изделия всеми известными для пластмасс методами, такими как инжекторное литье, экструзия и экструзия с раздувом, выдувание и ротационное литье под давлением.

Инжекторное литье представляет собой залив расплавленной массы полимера под давлением в форму, которая снимается после остывания изделия. Методом инжекторного литья изготовляют преимущественно фасонные части, фитинги и элементы арматуры.

При экструзии гранулы полимера расплавляются, а затем вязко-тягучая масса выдавливается через отверстия в фильере определенной формы. Выдавливание происходит непрерывно, получаемым профильным изделиям дают затвердеть на воздухе, а после охлаждения режут. Таким методом осуществляют выплавку пластиковых труб.

Выдувание и ротационное литье при производстве фасонных частей применяют намного реже.

Необходимо отметить, что качество изделий из полиэтилена существенно зависит от режимов их изготовления — температуры формования, скорости и равномерности охлаждения, а также условий эксплуатации — значений рабочих температур и давлений в сочетании с продолжительностью воздействия нагрузки.

Трубы и изделия из полиэтилена должны соответствовать ГОСТ Р 52134–2003 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления». В соответствии с этим нормативным документом одним из параметров классификации труб принят номинальный наружный диаметр (d, мм). Трубы из полиэтилена выпускаются с d = 10–1600 мм. Внутренняя и наружная поверхность труб должна быть гладкой и иметь равномерную окраску. Кроме того, трубы и другие соединительные элементы характеризуются толщиной стенки (е, мм). В маркировке труб используют стандартное размерное соотношение SDR = d/е. Это одна из самых информативных характеристик трубы.

К сведению

Чем больше значение SDR, тем тоньше стенка полиэтиленовой трубы. И наоборот, с уменьшением SDR растет толщина стенки.

В действительности SDR является стандартной величиной и принимает значения из ряда:

Преимущества полиэтиленовых труб для водоснабжения

В ГОСТ Р 52134–2003 большое внимание уделено требованиям к сохранению прочностных характеристик труб и соединительных деталей в условиях эксплуатации: температура 20 °С в течение 50 лет. Вызвано это тем, что для труб из полиэтилена различных марок при длительном механическом воздействии характерно своеобразное разрушение, называемое растрескиванием. Параметр, характеризующий устойчивость полиэтилена к растрескиванию, — длительная прочность трубы — обозначается как MRS и измеряется в МПа. Эта величина указывает, какое предельное давление способна выдержать стенка трубы без повреждений при требуемых условиях эксплуатации. Однако для безопасной эксплуатации труб этого недостаточно, поэтому вводится такое понятие, как расчетное напряжение — s, которое выражает предел допустимого давления на стенку трубы в тех же условиях, но с учетом коэффициента запаса прочности материала.

Обычно при использовании труб и других фасонных изделий из полиэтилена применяется такая характеристика, как максимальное рабочее давление — pРMS, МПа. С помощью pРMS и s определяют класс трубы (S). Эта величина показывает соотношение предельных нагрузок с учетом запаса прочности к максимальным рабочим нагрузкам:

S = s / pPMS.

Для классификации труб обычно используется параметр PN, являющийся, по сути, максимальным рабочим давлением, но выраженным в барах, а не в МПа, как pPMS.

Для труб, которые эксплуатируются при повышенных температурах, применяется MOP — максимальное рабочее давление при максимальной рабочей температуре.

На основе приведенных параметров в соответствии с ГОСТ производится маркировка труб из полиэтилена. В ней сначала указывается тип использованного полиэтилена — гомополимер или сополимер в соответствии с существующей кодировкой, следом идет значение PN. Затем указывается величина SDR, наружный диаметр и толщина стенки «d x e». Далее идет обозначение класса трубы и значение pРMS. В конце маркировки указывается ГОСТ, в соответствии с которым труба изготовлена.

Для справки

«Пример условного обозначения трубы из полипропилена рандом-сополимера SDR 11, номинальным наружным диаметром 20 мм, номинальной толщиной стенки 1,9 мм, класса эксплуатации 1, максимальным рабочим давлением 1,0 МПа:

Труба PP-R SDR 11 — 20 — 1,9 класс 1/1,0 МПа ГОСТ Р 52134–2003».

ГОСТ Р 52134–2003



Подписка на статьи

Чтобы не пропустить ни одной важной или интересной статьи, подпишитесь на рассылку. Это бесплатно.

Рекомендации по теме

Мероприятия

Школа

Проверь свои знания и приобрети новые

Посмотреть

Самое выгодное предложение

Самое выгодное предложение

Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

Живое общение с редакцией





Электронная система

Можно ли за невыполнение предписания ГЖИ отделаться предупреждением?

Ответы на этот и другие вопросы вы найдете в электронной системе «Управление многоквартирным домом»

Получить доступ
ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ

Рассылка




© МЦФЭР, 2006-2016. Все права защищены.

По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
Москва: 8 (495) 775-48-44 
Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

Получите техническую поддержку: 
по телефону: +7 (495)-937-90-82 
e-mail: sd@mcfr.ru 


  • Мы в соцсетях