К вопросу долговечности напорных трубопроводов из металлополимерных труб

В Экспертном Заключении (далее — ЭЗ МПТ) [1], не так давно выданном чле- ном-корреспондентом НАН Беларуси, д.х.н., профессором, заведующим кафедрой ТНС и ППМ Белорусского государственного технологического университета (БГТУ) Н. Р. Прокопчуком на металлополимерные трубы производства ООО «Стандарт Полимер» (Республика Беларусь), сделано два вывода.

1. «Труба металлополимерная PE-RT/Al/ PE-RT с наружным диаметром 16 мм и толщиной стенки 2 мм (табл. 1)... имеет долговечность в системах холодного и горячего водоснабжения и отопления свыше 50лет.».

2. «Она (долговечность) может быть рекомендована на все типоразмеры труб (см. табл. 1)... если по качеству полимерного материала они не уступают исследованному образцу».

Такие выводы сделаны экспертом на основании экспресс-оценки долговечности трубы, выполненной в соответствии с СТБ, в которых отражены методы определения долговечностей материалов [2] и труб [3] по энергиям активации термоокислительных деструкций составляющих их полимеров. К сожалению, согласиться с этим нельзя.

Значение энергии активации термоокислительной деструкции Е материала трубы диаметром d_н = 16 мм и толщиной стенки δ = 2 мм рассчитывали методом Бройдо по данным динамической термогравиметрии, выполненной на системе TA-4000 Mettler Toledo (Швейцария) [2].

Экспресс-оценка долговечности трубы выполнена по СТБ, в которых отражены методы определения долговечностей труб по энергиям активации термоокислительных деструкций составляющих их полимеров

Подготовка образцов к испытанию выполнена согласно [3]. Потери массы навесками материала труб при нагревании с заданной скоростью фиксировались в определённом интервале температур. Этот интервал устанавливался экспериментально по аналогичному (рис. 1) графику ДТГ. Начало этого интервала Т_н определяют [5] по пересечению касательных к двум ветвям ДТГ, а конец Т_к — по положению пика на этой же кривой.

В результате проделанных опытов получено значение энергии активации термоокислительной деструкции полиэтилена МПТ Е = 152 кДж/моль.

Расчёт долговечности трубы в системе горячего водоснабжения осуществлён в предположение того, что система ГВС в Республике Беларусь эксплуатируется в весенне-осенний период при температуре Т = 60 °C (постоянно), в зимнее время — при Т = 70 °C (постоянно) и кратковременно при Т = 90 °C. Рабочее давление составляет 6 или 10 атм, в отдельных случаях — 20 атм, причём коэффициент запаса равен 2,0 — для обычных условий эксплуатации систем горячего водоснабжения. С учётом данных показателей определены по формуле (2) [2] напряжение в стенке трубы:

и понижение энергетического барьера химических связей механическим напряжением — γσ_р = 3,2 × 7 = 22 кДж/моль.

Затем нами априори принята величина ΔЕ_мв для сшитого полиэтилена на уровне 1 кДж/моль. С учётом этого расчётное значение энергии активации термоокислительной деструкции, определяющее долговечность, составит:

Е_р = 152 - 22 - 1 = 129 кДж/моль.

Долговечность исследуемого образца металлополимерной трубы 16 × 2 мм рассчитана по формуле (1) [2]:

При этом констатировано, что полученное значение долговечности почти в два раза превышает требования СТБ 1333.2-2002 (не менее 50 лет) при эксплуатации систем горячего водоснабжения в зданиях при постоянной температуре 70 °C и давлении воды в трубопроводах, не превышающих 10 атм.

В этих расчётах абсолютно непонятно, к чему относится коэффициент запаса, равный 2,0: к системам горячего водоснабжения независимо от труб (стальных, медных, полимерных, композиционных, в данном случае — МПТ) или же конкретно к МПТ в системах горячего водоснабжения.

Расчёт долговечности трубы в системе отопления осуществлён с использованием, как указывается в ЭЗ-МПТ, параметров, приведённых в нормах РБ для централизованных систем отопления: Р_mах = 10 атм, T_max = 95 °C, коэффициент запаса прочности — 2,5.

Здесь непонятно, прочность чего учитывает коэффициент запаса, равный 2,5: систем водяного отопления независимо от труб (стальных, медных, полимерных, композиционных, в данном случае — МПТ) или же конкретно МПТ в системах водяного отопления.

С учётом этих параметров для сшитого полиэтилена определены по (2) [2]: напряжение в стенке трубы

и понижение энергетического барьера химических связей механическим напряжением величиной:

γσ_р = 3,2 × 8,75 = 28 кДж/моль.

Затем априори принята величина ΔЕ_мв для сшитого полиэтилена на уровне 1 кДж/моль. С учётом этого установлено расчётное значение энергии активации термоокислительной деструкции, определяющее долговечность (Е_р = 152 - 28 - 1 = 129 кДж/моль), и, наконец, произведены расчёты по формуле (1) [2] долговечности исследуемого образца металлополимерной трубы для температур 57, 63, 72, 80, 87 и 93 °C:

В этих расчётах абсолютно непонятно, к чему относится коэффициент запаса, равный 2,0: к системам горячего водоснабжения независимо от труб (стальных, медных, полимерных, композиционных или МПТ) или же конкретно к МПТ в системах ГВС

Расчётная долговечность образца металлополимерной трубы при указанных значениях переменных температур эксплуатации системы отопления определена по формуле (3) [2]:

где m_i — число часов воздействия конкретных значений температуры эксплуатации; Σ(m_i) — общее число часов воздействия переменных значений температуры эксплуатации; t_Tэ — долговечность [год] образца металлополимерной трубы при конкретном значении температуры эксплуатации изделия:

При этом указывается, что при постоянной температуре 95 °C и давлении воды в трубопроводах отопления, не превышающем 6 атм, долговечность металлополимерной трубы составит:

Никак нельзя согласиться и с произвольным набором расчётных температур, которых в системах горячего водоснабжения и водяного отоплении, обеспечивающих комфортные условия [6] потребителям, быть не должно (табл. 2).

Также никак нельзя согласиться с определением растягивающих напряжений в стенах МПТ 16 × 2 мм по формуле (2), приведённой в [2].

Формулу (2) [3] представим в следующем виде:

σ = 0,5P(SDR - 1) (1)

и заменим в ней σ на ε (относительное удлинение) и E (модуль упругости):

Далее, используя имеющиеся данные (табл. 2) и пренебрегая противодействием внутреннему давлению клеевых слоёв (табл. 3), запишем:

Так как при нагружении МПТ внутренним давлением не должно происходить расслоения слоёв в её стенках, вполне очевидно, что ε₁₊₅ = ε₃ = ε. Отсюда будет следовать, что 0,0045P_1-5 = 0,0035P₃ или P_1-5 / P₃ = 0,78. Дальнейшие расчёты показывают, что из внутреннего давления P в напорном трубопроводе из МПТ диаметром 16 мм с толщиной стенки 2 мм [4] на полиэтиленовые слои будет приходиться 43,8 %, а на алюминиевый слой — 56,2 %.

Здесь следует заметить, что такое соотношение будет соответствовать начальному t ~ 0 нагружению трубопровода холодной t ~ 20 °С водой. В связи с этим будет вполне естественным предполагать, что модуль упругости полиэтилена с повышением температуры и с течением времени будет изменяться. Например, при τ ~ 10 лет Е_п10 может составить ~ 500 МПа, а с учётом t ~ 70 и 90 °С, Е_п10/70 и Е_п10/90 могут составить ~ 350 и 300 МПа, соответственно. В то же время модуль упругости алюминия Е_а0 будет оставаться неизменным, так как в этих температурных и временных интервалах Е_а от τ и t практически не зависит, то есть E_а0 = E_аt = E_а ~ const.

На основании этого будут справедливы следующие выражения:

МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Антон ОДНОВОЛОВ, технический директор компании Henco Industries по России и странам СНГ:

— Выражая свою признательность за проделанную работу авторам исследования, хочется поделиться своим мнением по поднятой теме. Безусловно, вопрос долговечности полимерных труб, в том числе многослойных, является важным

и актуальным. Одно из главных преимуществ полимерных труб состоит в их коррозионной стойкости и отсутствии минерального зарастания. Слабым местом полимерных труб является их низкая температурная стойкость (максимальная допустимая температура в отоплении 90 °C). Рынок полимерных труб в России превышает 400 млн п.м. в год, из них на металлополимерные трубы в 2014 году приходилось 130 млн п.м. Очень важно определить срок эксплуатации полимерных и, в частности, металлополимерных труб при высоких классах эксплуатации. Пальму лидерства здесь занимают металлополимерные трубы из сшитого полиэтилена со структурой PE-X/AL/PE-X. Очень важен вывод авторов о том, что при высоких температурах на металлический слой приходится до 80 % нагрузки!

В Европе расчёт долговечности труб осуществляется по стандарту ISO 9080:2012 [российский аналог — ГОСТ Р 15088-83 (ИСО 9080:2003) «Определение длительной гидростатической прочности на образцах труб методом экстраполяции»]. Немецкий стандарт DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches) требует выдерживать полуторакратное рабочее давление в течение 50 лет при температуре воды 70 °С (см. рис. 2 на стр. 28). По данным немецкой испытательной лаборатории SKZ, при этих параметрах максимальное давление труб Henco Standard составило 28 бар! Столь выдающиеся показатели навели инженеров компании на мысль о сертификации на рабочее давление 16 бар, которое заняло более года и стоило € 200 тыс.

Компания Henco участвовала в разработке ГОСТ Р 54867-2011 (ИСО 17456:2006) «Определение длительной прочности полимерных многослойных труб». Стандарт ISO 17456 взаимосвязан с ISO 9080 и отличается тем, что позволяет исследовать многослойные трубы.

Важно обратить внимание на конструкцию трубы, рассмотренной в статье. Это труба из полиэтилена повышенной термостойкости (PE-RT), который имеет худшие показатели длительной прочности по сравнению со сшитым полиэтиленом (PE-X), что отражено в новом ГОСТ 32415-2013. Ранее в ГОСТ 52134-2003 такого материала не было. Вероятнее всего, в статье рассматривается материал PE-RT тип II, так как материал PE-RT тип I не может эксплуатироваться в высокотемпературных системах отопления (выше 70 °С) из-за значительно худших показателей длительной прочности. То же самое касается полипропилена, кроме нового и редко встречающегося материала PP-RCT (ПП тип 4).

Не стоит забывать, что отечественная добровольная сертификация не равноценна европейской сертификации по разным причинам. По причине «лояльной» сертификации проблемы с качеством сопутствуют азиатской продукции, занимающей более 50 % рынка металлополимерных труб в России. В результате большая часть металлополимерных труб в России не соответствует нормам. Данная проблема осознается нашим государством, и поэтому в 2015 году создана структура «Роскачество», в последние годы в разы сокращено количество сертифицирующих компаний.

По данным НИИ Сантехники, аварии по причине применения некачественных труб и шаровых кранов наиболее распространены. Экономия на трубах несопоставима со стоимостью устранения аварий, особенно если речь идёт о человеческих жизнях. Есть надежда, что в России осознают опасность полипропиленовых труб в отоплении, и продажи данных труб упадут с 60 % до 2-3 % рынка полимерных труб, как в европейских странах.

Со временем металлополимерные трубы (особенно PE-Xc/Al/PE-Xc) наберут популярность, так как они больше всех подходят для высокотемпературного отопления, и не только по причине повышенной прочности, но также из-за низкого температурного удлинения, в семь раз меньшего, чем у труб без армирующего слоя (например, PE-X). •

Из приведённых выражений следует, что: 0,013P_1-5 = 0,0035P₃ или P_1-5 / P₃ = 0,27 и 0,015P_1-5 = 0,0035P₃ или P_1-5/ P₃ = 0,23. То есть соотношение P_1-5 / P₃ будет равняться 0,27 и 0,23 для температур t, равных 70 и 95 °C, соответственно. Это означает то, что из внутреннего давления P в напорном трубопроводе из МПТ диаметром 16 мм с толщиной стенки 2 мм [4] на полиэтиленовые слои будет приходиться 21,3 %, а на алюминиевый слой — 78,7 % при t = 70 °C, а также 18,7 и 81,3 % при t = 95 °C для полиэтиленового и алюминиевого слоёв, соответственно.

С учётом рассмотренного становится вполне очевидным следующее.

Пункт 1. Принятые значения растягивающих напряжений 3,5 МПа в стенках МПТ 16 X 2 мм [4] от действия внутреннего давления P = 1 МПа в горячем водопроводе (без учёта коэффициента запаса 2,0) и в отоплении (без учёта коэффициента запаса 2,5) не соответствуют фактическому НДС (напряжённо-деформированному состоянию) отдельных её слоёв [9]. В действительности в начальный момент нагружения (t = 20 °C) слои будут находиться под действием растягивающих напряжений: полиэтиленовые ~ 2 МПа и алюминиевый ~ 20 МПа. С течением времени, в зависимости от температур, эти показатели растягивающих напряжений будут изменяться для слоёв: полиэтиленовых — уменьшаться, алюминиевых — увеличиваться.

Изложенное в пп. 1-3 позволяет поставить под сомнение правомерность использования для установления долговечности напорных трубопроводов из МПТ методики [2, 3]

Пункт 2. Распространять любые результаты, получаемые на любом одном размере МПТ, на другие их размеры будет некорректно. Ведь соотношения толщин и диаметров всех (от №1 до №5) их слоёв не являются геометрически подобными, как это имеет место у экструдируемых напорных труб из термопластов со сплошными стенками, для которых коэффициентом подобия, SDR являются размерные отношения их наружных диаметров D_o к их толщинам стенок е (см. ГОСТ 18599 с Изм. 1-4).

Пункт 3. В силу специфики НДС [9] МПТ следует иметь в виду ещё один фактор, касающийся их напрямую. В случае восприятия МПТ [4] внутреннего давления в трубопроводе (в данном случае P = 1 МПа) только одними алюминиевыми слоями в них будут создаваться растягивающие напряжения (табл. 4, столб. 6), иногда меньшие, чем прочность алюминия, например, указанная в ASTM International F 1335-04 [10] для алюминиевых слоёв МПТ (табл. 5, столб. 7).

При этом относительная деформация алюминиевого слоя (табл. 4, столб. 7) будет во много раз меньше значений, установленных (табл. 5, столб. 8). для МПТ [10]. Из этого (см. пункт 3) фактора вытекает следующее. Долговечность МПТ будет во многом зависеть не только от толщины алюминиевого слоя, но также и от прочности алюминия.

Всё это (см. пункты 1-3) позволяет ставить под сомнение правомерность использования для установления долговечности напорных трубопроводов из МПТ [4] методики, базирующейся на показателях энергии активации термоокислительной деструкции полимеров [2, 3].

Что касается правомерности использования этой методики для установления долговечности напорных полимерных трубопроводов, то это будет нами рассмотрено, в случае заинтересованности широкой научно-технической общественности, в следующих выпусках журнала. Кроме того, можно будет рассмотреть и другие подходы к определению долговечности напорных трубопроводов из представленных на российском рынке металлополимерных труб, в том числе и белорусских производителей.