К проблеме долговечности внутренней канализации из термопластов

Согласно требованиям актуализированных СНиП [1], внутренние системы канализации устраивать из труб из термопластов (полиэтилена низкого давления ПЭНД, непластифицированного поливинилхлорида НПВХ и полипропилена ПП) необходимо с учётом требований прочности, коррозионной стойкости, экономии расходуемых материалов и денежных ресурсов на протяжении всего их жизненного цикла ЖЦ. С позиции минимизации затрат на всём ЖЦ («проектирование → монтаж → эксплуатация → ремонт → утилизация») важнейшим показателем внутренней канализации из термопластов является её срок службы. Сейчас срок службы внутренней канализации, как и других трубопроводных систем, связывается с расчётной долговечностью труб, из которых она смонтирована.

Для устройства систем внутренней канализации применяются [2], как правило, трубы из термопластов диаметром 40, 50, 110 и 160 мм. Это (рис. 1) отводки 12 диаметром 40 мм, отводящие стоки от гидрозатворов (сифонов) в этажные сборные трубопроводы; этажные сборные трубопроводы 13 диаметром 50-110 мм, принимающие стоки от отводок и отводящие их в канализационный стояк; канализационный стояк 3 диаметром 110-160 мм, принимающий стоки от этажных сборных трубопроводов и отводящий их в канализационный выпуск; канализационный выпуск 2 диаметром 110-160 мм, принимающий стоки от канализационного стояка и отводящий их в канализационный смотровой колодец 1; вытяжка 5 диаметром 110-160 мм, обеспечивающая отвод образующихся в водоотводящей (внутренней и наружной канализации) системе газов в атмосферу.

Первые трубы в России (в СССР) стали производиться из полиэтилена высокой плотности ПВП (табл. 1) с 1963 года.

С этого же времени из них и начали монтироваться системы внутренней канализация [3], большинство из которых успешно эксплуатируются до сих пор. То есть опыт показывает, что долговечность внутренней канализации из труб из термопластов может быть более 50 лет.

Для устройства систем внутренней канализации применяются, как правило, трубы из термопластов диаметром 40, 50, 110 и 160 мм. Это отводки, этажные сборные трубопроводы, канализационный стояк, канализационный выпуск, вытяжка

В российско-беларусском межгосударственном стандарте ГОСТ 32415-2013 «Трубы напорные из термопластов и соединительные части к ним для систем водоснабжения, горячего водоснабжения, отопления. ТУ» [4] регламентируются параметры, определяющие срок службы трубопровода в системах холодного водоснабжения, горячего водоснабжения, отопления, в том числе длительную гидростатическую прочность материалов в виде функции зависимости «время — напряжение в стенке трубы — температура» и приводятся соответствующие эталонные графики длительной прочности. Получается так, что долговечность труб из термопластов, эксплуатируемых в напорных трубопроводах указанных диаметров, можно определять с использованием эталонных графиков, приведённых для различных температур T [°C], питьевой воды в декартовых полулогарифмических координатах — на оси ординат указаны растягивающие напряжения σ[МПа] в стенках труб, а на оси абсцисс — время τ[ч].

Однако воспользоваться этими эталонными кривыми для определения долговечности труб из термопластов, эксплуатируемых в безнапорных трубопроводах, каковыми являются системы внутренней канализации, не представляется возможным.

Видимо, по этой причине в России, да и в остальном мире нет норм, используя которые можно было бы определить долговечность внутренней канализации из термопластов. Показательным в этом отношении можно считать, например, межгосударственный стандарт ГОСТ 32412-2013 «Трубы и фасонные части из непластифицированного поливинилхлорида для систем внутренней канализации. Технические условия» [5], в котором, к сожалению, ни каких регламентирующих параметров, определяющих срок службы трубопровода из НПВХ в системах внутренней канализации, не приводится.

Объясняется это тем, что растягивающие напряжения в стенках труб таких систем практически отсутствуют.

И всё же, исключением здесь является проголосовавшая за вышеуказанные стандарты [4, 5] Республика Беларусь [6, 7], которая наряду с Казахстаном, Киргизией, Арменией и, естественно,

Россией является членом ЕАЭС. В этой связи несомненный интерес представляет подход белорусских специалистов к вынесенной в заголовок проблеме.

Расчётная долговечность t_Тэ [годы] для канализационных труб из термопластов определяется [6] по формуле

где Е_д — энергия активации, определяющая уровень долговечности изделий [кДж/моль] (по мнению авторов [6, 7], для каждого термопласта должна приводиться в стандартах на методы определения долговечности конкретных трубных изделий); Т_э — температура эксплуатации трубного изделия, К; С — коэффициент, характеризующий скорость процесса деструкции [ч] (по мнению авторов [6, 7], для каждого термопласта должен приводится в стандартах на методы определения долговечности конкретных трубных изделий); m — коэффициент перевода долговечности в годы (365 для ПЭНД и ПП, 8760 для ПВХ — вызывает недоумение такое расхождение в значениях; очевидно, что подразумевается 365 — в сутках, а 8760 — в часах).

Путём подстановки

в формулу (1) расчётная долговечность Т [годы] определяется по формуле

где α и β — эмпирические коэффициенты для различных полимеров (табл. 2); Е — энергия активации, кДж/моль.

Значение энергии активации Е определяют расчётным путём по методу Бройдо (точность около 5 %) с использованием результатов термического анализа предварительно проводимых опытов, в которых устанавливают потери массы навесками полимеров при их нагревании с заданной скоростью в определённом интервале температур (рис. 2). Опыты проводят на дериватографах. Дериватограф — это такой прибор, который позволяет при изменении температуры Т с заданной скоростью одновременно регистрировать температуру подъёма Т_д вещества, его массу, скорость изменения массы и разность температур в испытуемом материале и в инертном эталоне.

В частности, например, дериватограф типа ОД-109 и Q-1500Д (завод-изготовитель — венгерская фирма «МОМ», Будапешт) обеспечивает нагревание навески материала в диапазоне температур от 20 до 500 °С со скоростью подъёма температуры от 5 до 10 °С в минуту и взвешивание навески материала массой до 500 мг с погрешностью ± 1 мг.

Имеющиеся в дериватографе аналитические весы с воздушным успокоителем и автоматическим устройством для установки гирь характеризуются чувствительностью — 20 мг на 0-100 деление ± 0,2 мг и пределами измерения — 0-10 г навесками и гирьками — 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000 мг — с точностью ± 1 % (20 мг), 0,5 % (50-100) и ± 0,2 % (200-2000).

Также используются аналитические весы (ГОСТ 24104) с точностью взвешивания < 0,2 мг и тигли (платиновые для контроля точности прибора и керамические для проведения испытаний) объёмом от 0,5 до 1,0 см³. При записи ДТА (дифференциальный термический анализ — определение направления и величины изменения энтальпии, связанной с физическими превращениями и химическими реакциями, происходящими в испытуемом материале под действием тепла) в качестве эталона применяется порошок химически чистого оксида алюминия (Al₂O₃). Опытов проводят с соблюдением определённых требований. Температура воздуха в помещении, в котором проводят испытания, должна быть 20 ± 5 °C, а его относительная влажность — 65 ± 5 %. Напряжение переменного тока в сети 220 ± 22 В, частота 50 ± 1 Гц. Время выдержки образцов перед испытанием при температуре 20 ± 5 °С и относительной влажности 65 ± 5 % не менее 15 ч. При испытаниях используемые навески испытуемого и эталонного материалов массой по 200 ± 1 мг помещают в тигли (керамические тигли предварительно прокаливают при температуре 600 °С в течение 1 ч, а затем выдерживают при комнатной температуре в течение 2 ч) и затем взвешивают. Устанавливают тигли с испытуемым и эталонным материалами в дериватограф и проводят настройку дериватографа в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Устанавливают выбранные режимы работы дериватографа. Чувствительности по определению массы 200 мг и температуры 500 °С на 100 делений, сигнала ДТА — 1/5, а сигнала ДТГ (дифференциальная термогравиметрия — определение скорости изменения массы вещества, связанного с химическими реакциями, происходящими

в испытуемом материале под действием тепла) — 1/10. Время записи диаграммы составляет 100 минут. Скорость нагревания — 5 °C в минуту. Включают дериватограф и нагревают навеску до температуры 500 °C. Одновременно, в соответствии с инструкцией по эксплуатации к дериватографу, производят запись дериватограммы.

При обработке результатов на полученной дериватограмме отмечают значения потерь массы навески (Δm) в процентах с точностью до 0,1 % с шагом 10 °С в интервале температур [ °C], соответствующем исследуемому полимеру. Для полипропилена — 260-320, сшитого полиэтилена высокого давления и средней плотности — 360-410, полиэтилена низкого давления — 350-410, полиэтилена высокого давления — 340-410) и поливинилхлорида — 240-290. Вычисляют значение двойного логарифма ln{ln[100/ (100 - Δm)]} для каждой температуры. Затем строят график прямолинейной зависимости ln{ln[100/(100 - Am)]} от обратного значения температуры, применяя аппроксимацию по методу наименьших квадратов (рис. 3).

При этом на оси абсцисс откладывают значения (10³/Т_д), где Т_д — значения температуры при испытании в К, а на оси ординат — величины ln{ln[100/ (100 - Δm)]}. Вычисляют с точностью до 0,1 тангенс угла наклона ср построенной прямой линии к оси ординат.

Значение энергии активации Е [кДж/ моль] вычисляют по формуле

E = Rtg(φ), (3)

где R — универсальная газовая постоянная, 10³R = 8,31 кДж/(моль·К); Е_м.в — уменьшение энергии активации испытываемого материала при постоянном воздействии жидкой среды (уменьшение энергии межмолекулярных взаимодействий на поверхности труб вследствие эффекта Ребиндера) [кДж/моль], для систем канализации из ПЭНД — 3, ПВХ — 6 и ПП — 4; γ — структурночувствительный коэффициент [кДж/ (моль·МПа)], для ПЭНД — 1,6; ПВХ — 2,2 и ПП — 2,25; σ_р — расчётное напряжение в стенке трубы [МПа], которое определяют по формуле

с учётом особенностей прочностного поведения труб из термопластов эту формулу представляем в более удобном для анализа виде

σ_р = 0,5Р_р(SDR – 1)SF, (41)

где Р_р — рабочее давление канализационных стоков в трубопроводе, МПа; d — наружный диаметр трубы, мм; s — толщина стенки трубы, мм; SDR — отношение наружного диаметра к толщине стенки трубы; SF — коэффициент запаса прочности, принимаемый для систем канализации 1.

На данном этапе разработанности проблемы ни подтвердить, ни опровергнуть приводимые белорусскими «нормотворцами» значения долговечностей внутренней канализации из труб из термопластов не представляется возможным

Расчётная долговечность трубного изделия в годах τ_общ при переменных значениях температур эксплуатации системы внутренней канализации определяется по формуле

где m_i — число часов воздействия конкретных значений температур эксплуатации; Σ(m_i) — общее число часов воздействия переменных значений температур эксплуатации; t_Тэ — долговечность изделия в годах при конкретном значении температуры эксплуатации изделия.

Приводимые в [6] долговечности внутренней канализации из труб из термопластов увязываются только с температурами стоков (табл. 3).

К сожалению, каким образом получены эти значения, не показано. Следует отметить, что влияние Ор (4) на долговечность канализационных труб будет весьма несущественно. Ведь растягивающие напряжения, могущие возникнуть при засорах в стенках труб, будут весьма кратковременными, не более одной-пяти суток за всё время службы, да и величина их будет незначительна, всего лишь от внутреннего давления 2,5-5,0 м вод. ст. Другие же факторы, как перечисленные в методике [6, 7], так и влияющие, по нашему мнению, на долговечность внутренней канализации из труб из термопластов (табл. 4, столб. 4; табл. 5, строки 1 и 2), в [7] также не приводятся.

Несмотря на это, на данном этапе разработанности проблемы ни подтвердить, ни опровергнуть приводимые [6] белорусскими «нормотворцами» значения (табл. 3) долговечностей внутренней канализации из труб из термопластов не представляется возможным.

Работы в направлении решения обозначенной в заглавии статьи проблемы проводятся в ОАО «НИИМосстрой». Об их результатах широкая научно-техническая общественность будет своевременно информироваться в следующих публикациях журнала.