Сравнение стандартов, проектирования и характеристик труб ПВХ-Н, ПВХ-УХ, ПВХ-М и ПВХ-О №1 Введение в стандарты на продукцию

Сравнение стандартов, проектирования и характеристик труб ПВХ-Н, ПВХ-УХ, ПВХ-М и ПВХ-О

Введение в стандарты продукции

Трубы из непластифицированного поливинилхлорида (ПВХ-Н), высокопрочные трубы из непластифицированного поливинилхлорида (ПВХ-УХ), модифицированные трубы из поливинилхлорида (ПВХ-М) и ориентированные трубы из поливинилхлорида (ПВХ-О) для водоснабжения представляют собой жёсткие трубы из поливинилхлорида со сплошными стенками. Они применяются главным образом для магистральных и распределительных трубопроводов подземных напорных систем транспортировки воды при температуре воды не выше 45 °C, а также могут использоваться внутри помещений или в трубных галереях. Действующие стандарты и технические условия для четырёх типов труб приведены в таблице 1.

NO.2 Технические требования к компаундным смесям

Компаундная смесь — это однородная смесь основной смолы ПВХ и различных необходимых добавок, которая является сырьем, непосредственно используемым для экструзии труб из ПВХ. Для напорных труб формулировка и показатели качества компаундных смесей ПВХ имеют решающее значение, поскольку напрямую влияют на эксплуатационные характеристики продукции и срок её длительной службы. Влияние смолы ПВХ и различных добавок на эксплуатационные свойства продукции описано в разделе "Проектирование состава ПВХ и переработка изделий". В данной главе в основном рассматриваются показатели свойств, требования к классификации и требования к проектированию состава компаундных смесей.

2.1 Требования к эксплуатационным характеристикам компаундных смесей

Среди труб ПВХ для водоснабжения в Китае трубы ПВХ-УВ определяют требования к физическим и механическим характеристикам компаундных смесей с учетом американского стандарта на трубы ПВХ для водоснабжения AWWA C900, как показано в таблице 2. В настоящее время не существует нормативов по показателям свойств компаундных смесей для других типов труб ПВХ для водоснабжения. Эти требования позволяют лучше контролировать выбор сырья и составов труб, а также контроль качества.

Таблица 2 Требования к физическим и механическим характеристикам компаундных смесей ПВХ, установленные для труб ПВХ-УВ для водоснабжения

2.2 Требования к классификации смесей соединений

Трубы из ПВХ, рассчитанные на срок службы 50 лет. Смеси соединений труб должны проходить испытания на классификацию смесей в соответствии с ISO 9080 или GB/T 18252, то есть испытания на длительную гидростатическую прочность смесей в форме труб, характеризующиеся прочностью классификации при 20 °C и 50 годах, а именно минимально требуемой прочностью (MRS). Требования к классификации смесей для труб из ПВХ-П, ПВХ-ОВ, ПВХ-М и ПВХ-О, используемых для водоснабжения, приведены в таблице 3.

Таблица 3 Требования к классификации смесей соединений для труб из ПВХ для водоснабжения

В стандарте ISO 1452-1:2009 указаны классификации материалов. В соответствии с минимальной требуемой гидростатической прочностью материалов, значение МРП для труб из ПВХ составляет 25 МПа, то есть марка материала — PVC-U 250. Национальный стандарт на трубы PVC-U GB/T 10002.1-2006 не устанавливает класс давления для компаундных смесей для труб. Трубы PVC-UH для водоснабжения предъявляют требование классификации смесей с МРП ≥ 25 МПа. Значение МРП для труб PVC-M составляет ≥ 24,5 МПа.

Значение МРП для труб PVC-O, установленное в стандартах ISO, разделено на 5 типов: 31,5, 35,5, 40, 45 и 50 МПа, что соответствует кодам марок сырья 315, 355, 400, 450 и 500 соответственно. Из них марки 400 и 450 обычно производятся в больших объемах, а остальные используются редко.

2.3 Требования к выбору ключевых материалов в компаундных смесях

Формула ПВХ-труб для подачи воды в основном состоит из смолы ПВХ, стабилизаторов, внутренних и внешних смазок, наполнителей, пигментов, модификаторов ударной вязкости, вспомогательных средств обработки и других компонентов в определённой пропорции. Выбор и соотношение различных сырьевых материалов играют важную роль в эксплуатационных характеристиках и применении труб.

Процесс переработки ПВХ-труб предъявляет высокие требования к текучести расплава смолы ПВХ. На практике при производстве обычно выбирают суспензионную ПВХ-смолу типа SG-5. Методы получения ПВХ делятся на этиленовый и карбидный. В этиленовом методе этилен получают из нефти, затем хлор реагирует с этиленом в реакции замещения, образуя винилхлоридный мономер, который далее полимеризуется с образованием поливинилхлоридной смолы. К представительным производителям относятся Oxy Vinyl LP (США), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd. и другие. Карбидный метод, как правило, широко используется в Китае. Он заключается в том, что карбид кальция (карбидкальций) при взаимодействии с водой образует ацетилен, который затем синтезируется с хлористым водородом, образуя винилхлоридный мономер, а после этого в результате реакции полимеризации получается поливинилхлоридная смола.

ПВХ — один из наиболее термочувствительных полимеров в промышленности, склонный к тепловому разрушению. Теплостабилизаторы являются незаменимыми добавками при переработке ПВХ-труб. В процессе производства ПВХ-труб в настоящее время широко применяются кальциево-цинковые и органооловянные стабилизаторы. Кальциево-цинковые стабилизаторы используются в основном в Европе, органооловянные — широко распространены в США, в Китае применяются оба типа. Кальциево-цинковые стабилизаторы, как правило, представляют собой комплексные составы с относительно высоким содержанием добавки; органооловянные стабилизаторы обычно требуют меньшего количества и обеспечивают хороший стабилизирующий эффект при производстве труб среднего и большого диаметра. Если к трубам предъявляются высокие требования по атмосферостойкости, можно также добавить соответствующее количество антиоксидантов и светостабилизаторов.

При переработке ПВХ-труб внутренние и внешние смазки также являются незаменимыми. Основными используемыми смазками являются стеариновая кислота, парафин, полиэтиленовый воск и стеарат кальция, который одновременно обладает стабилизирующим действием. Дозировка смазочной системы определяется в зависимости от требований оборудования и состава рецептуры изделия. Ключевым является обеспечение хорошего эффекта пластификации компаундной смеси, чтобы температура тепловой деформации и механические свойства труб не были существенно снижены.

Согласно конструкции изделия, в трубы из ПВХ также могут добавляться наполнители на основе карбоната кальция. Основные функции карбоната кальция заключаются в повышении жесткости труб, снижении степени усадки и уменьшении стоимости. Добавление карбоната кальция снижает прочность трубной продукции и увеличивает хрупкость. Поэтому количество наполнителя из карбоната кальция при производстве труб из ПВХ должно строго контролироваться. Карбонат кальция, как правило, делится на тяжелый (микронизированный) и легкий карбонат кальция. Компаундированная смесь с формулой на основе тяжелого карбоната кальция обладает хорошей текучестью и подходит для централизованных систем дозирования и транспортировки, особенно пневматических систем подачи; компаундированная смесь с формулой на основе легкого карбоната кальция имеет относительно худшую текучесть и низкую плотность, однако при небольшом количестве добавления слабо влияет на состав формулы для труб водоснабжения.

Цвет ПВХ-труб, как правило, серый или синий. В качестве используемых красителей обычно применяют диоксид титана, сажу и фталоцианиновый синий. Обычно количество добавляемых красителей небольшое, при этом они должны обладать высокой способностью окрашивания и устойчивостью к атмосферным воздействиям.

Модификаторы ударной вязкости и технологические добавки способствуют повышению ударной прочности и улучшению перерабатываемости ПВХ-труб в процессе производства.

2.4 Требования к проектированию состава смесей

Из пунктов 2.1 «Требования к эксплуатационным характеристикам композитных смесей» и 2.2 «Требования к градации композитных смесей» видно, что требования к композитным смесям четырёх типов труб различаются. Следовательно, существуют определённые различия в разработке состава и стоимости четырёх типов трубной продукции. Подробные требования к разработке состава приведены в таблице 4. Из-за различий в конструкции изделий наблюдаются также различия в показателях эксплуатационных характеристик, которые подробно изложены в разделе 5 настоящей статьи.

Таблица 4 Требования к разработке состава четырёх типов водопроводных труб из ПВХ

NO.3 Допустимое внутреннее давление и сопротивление внешнему давлению

3.1 Допустимое внутреннее давление труб

Расчетное напряжение напорных труб:

σₛ = MRS / C (1)

Где: σₛ — расчетное напряжение напорных труб, МПа; MRS — минимальная требуемая прочность труб, МПа; C — общий коэффициент эксплуатационных условий (расчетный)

ПВХ-трубы предназначены для расчетного срока службы 50 лет. При транспортировке воды при температуре 20 °C максимальные допустимые значения расчетного напряжения для различных отечественных ПВХ-труб водоснабжения приведены в таблице 5. Номинальное давление (расчетное давление) и рабочее давление при длительной эксплуатации в течение 50 лет рассчитываются по формуле (2) и формуле (3) соответственно.

Таблица 5 Максимальные допустимые значения расчетного напряжения для различных отечественных напорных ПВХ-труб

Примечание: Существует множество марок сырья для труб PVC-O, проектирование которых может выполняться с учётом стандартов на продукцию PVC-O; для марок 400 и 450, как правило, общий коэффициент эксплуатационной надёжности C составляет 1,6.

Номинальное давление (расчётное давление) труб:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Где: P — номинальное давление (расчётное давление) труб, МПа; σₛ — расчётное напряжение для напорных труб, МПа; dₙ — номинальный наружный диаметр, мм; eₙ — номинальная толщина стенки, мм

Согласно CJJ 101-2016 «Технический кодекс по проектированию подземных пластиковых водопроводных трубопроводов» пункт 4.1.7, нормативное значение расчётного давления труб равно 1,5 от нормативного значения рабочего давления, то есть:

P = 1,5 × Pwk (3)

Где: Pwk — рабочее давление труб, МПа

Из этого следует, что общий эксплуатационный (расчётный) коэффициент труб PVC-UH выше, чем у труб PVC-M и PVC-O, то есть они обеспечивают более высокую безопасность при длительном использовании.

3.2 Сопротивление труб внешнему давлению

Согласно определению жёсткости кольца в пункте 2.4.2 стандарта GB/T 19278-2018, жёсткость кольца находится в кубической зависимости от толщины стенки трубы. Упрощённая расчётная формула для жёсткости кольца (S) имеет вид:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Где: S — жёсткость кольца, кН/м²; E — модуль упругости материала стенки трубы, который в технической документации задан равным 3000 МПа для труб из ПВХ; dₙ — номинальный наружный диаметр, мм; eₙ — номинальная толщина стенки, мм

Можно видеть, что для труб с одинаковым наружным диаметром чем больше толщина стенки, тем выше кольцевая жесткость и тем выше сопротивление деформации под внешним давлением. Сравнение кольцевой жесткости четырех типов труб показано в таблице 6 (в качестве примера взяты трубы с номинальным давлением 1,0 МПа). Из таблицы 6 видно, что с точки зрения проектных параметров трубы PVC-M и PVC-O могут иметь меньшую толщину стенки для обеспечения требований по рабочему давлению, однако слишком малая толщина стенки может привести к снижению устойчивости к деформации от внешнего давления.

Таблица 6 — Сравнение кольцевой жесткости четырех типов труб

При сравнении по одинаковой кольцевой жесткости трубы PVC-M и PVC-O имеют более высокие номинальные классы давления. Из-за более высокой стоимости материала и затрат на обработку их стоимость также выше, чем у труб PVC-U и PVC-UH.

NO.4 Требования к показателям эффективности

4.1 Трубы водоснабжения из ПВХ-П и ПВХ-ПВ

Существуют определенные различия в показателях эффективности труб из НПВХ, указанных в национальных стандартах, и тех, что указаны в стандартах ISO 1452-2. Требования к сопротивлению давлению снижены, а требования к ударной стойкости улучшены, то есть испытание на удар грузом (TIR) составляет ≤ 5%, что предъявляет более высокие требования к вязкости трубы по сравнению со значением TIR ≤ 10%, установленным в стандартах ISO. Трубы PVC-UH разработаны с учетом стандарта ISO для водопроводных труб из НПВХ и американского стандарта на водопроводные трубы из ПВХ. Требования к физико-механическим характеристикам труб включают испытание на сплющивание и гидравлические испытания всей трубы, что обеспечивает контроль качества продукции для каждой отдельной трубы. Кроме того, требования к ударостойкости выше, чем в стандартах ISO, а требование испытания на удар грузом повышено до значения TIR ≤ 5% по сравнению со стандартами ISO. Сравнение показателей отечественных водопроводных труб из НПВХ и водопроводных труб PVC-UH приведено в таблице 7.

Таблица 7 Сравнение показателей эффективности между трубами ПВХ-У и ПВХ-УН для водоснабжения

Согласно кривой долгосрочного гидростатического стандарта для PVC-U 250, приведённой в ISO 1452-1:2009 (как показано на рисунке 1), можно видеть, что при долгосрочном гидростатическом испытании труб, соответствующих требованию классификации смеси по MRS ≥ 25 МПа, краткосрочные требования по сопротивлению давлению также можно определить из стандартной кривой. Требование к кольцевому напряжению при 20 °C и 1 ч составляет 42 МПа, а требование к кольцевому напряжению при 60 °C и 1000 ч — 10 МПа. Из таблицы 7 видно, что трубы PVC-UH соответствуют требованиям по сопротивлению давлению долгосрочной гидростатической стандартной кривой PVC-U 250, тогда как трубы PVC-U, указанные в национальных стандартах, уступают по показателям краткосрочного сопротивления давлению (20 °C, 1 ч, кольцевое напряжение 38 МПа) и также не соответствуют проектному требованию MRS ≥ 25 МПа для труб PVC-U, установленному национальными стандартами.

4.2 Трубы водоснабжения PVC-M

Таблица 8 показывает стандартные требования к эксплуатационным характеристикам водопроводных труб из ПВХ-М. Можно заметить, что для продукции ПВХ-М предусмотрены нормы по удару падающего груза, гидравлическому испытанию надрезанных труб и вязкости по кольцу С. Для труб с dn ≥ 110 мм указано испытание на высокоскоростной удар при 23 °C и 20 м, которое предъявляет высокие требования к ударной стойкости и вязкости продукции. Трубная продукция, изготовленная в соответствии с национальным стандартом на ПВХ-М, обладает хорошей вязкостью и устойчивостью к ударам.

Таблица 8 Требования к эксплуатационным характеристикам водопроводных труб из ПВХ-М (GB/T 32018.1-2015)

Помимо высоких требований к ударной вязкости и прочности, к трубам из модифицированного ПВХ (PVC-M) также предъявляются требования по стойкости к давлению. Поэтому стоимость рецептуры труб PVC-M, производимых по стандартам, выше, чем у обычных труб PVC-U или PVC-UH, а производительность при переработке относительно ниже; вследствие снижения общего эксплуатационного (расчетного) коэффициента их номинальное давление на одну ступень выше, чем у обычных труб PVC-U или PVC-UH. Таким образом, стоимость погонного метра труб одинакового класса давления практически одинакова или у труб PVC-M немного выше. Для подземных инженерных трубопроводов основным показателем изделия является долгосрочная стойкость к давлению, тогда как ударная вязкость и прочность должны лишь соответствовать требованиям нормальной эксплуатации.

4.3 Напорные трубы ПВХ-О для водоснабжения

Таблица 9 показывает стандартные требования к эксплуатационным характеристикам водопроводных труб из ПВХ-О. Трубы из ПВХ-О — это особый вид труб из поливинилхлорида с молекулярной цепочечной структурой, получаемый путем осевого и радиального растяжения экструдированных труб из НПВХ на вторичном формовочном оборудовании по определённой технологии, в результате чего длинные молекулярные цепи ПВХ в трубе упорядоченно располагаются в двухосном направлении. Производство таких труб отличается высокой сложностью, а требования к составу сырья, оборудованию и технологии очень высоки. В настоящее время максимальный диаметр, который можно произвести как за рубежом, так и в стране, составляет всего 630 мм, выход годной продукции ниже, чем у других трёх типов труб, а состав сырья и себестоимость обработки также высоки.

Таблица 9 Требования к эксплуатационным характеристикам водопроводных труб из ПВХ-О (CJ/T 445-2014)

Примечание: для труб из ПВХ-О не следует использовать конструкцию плоского раструба с клеевым соединением.