Пластиковые трубопроводы в системе теплоснабжения

Размещено на http://allbest.ru

Пластиковые трубопроводы в системе теплоснабжения

Тепловые и водопроводные сети поистине являются ахиллесовой пятой в отечественных системах тепловодоснабжения, из-за их изношенности, низкого качества водоподготовки и многих других, хорошо известных факторов. Давно стало ясным, что прежние технические решения себя исчерпали и требуются новые, передовые технологии. Пластиковые трубопроводы, как альтернатива стальным - один из таких путей, прекрасно зарекомендовавший себя во многих странах.

Ясно, что для внедрения этой технологии требуется понимание специфических проблем, связанных именно с применением пластика в условиях высокого давления и повышенных температур.

Так, известно, что применение обычного полиэтилена в качестве материала для труб возможно лишь для холодного водоснабжения, но никак не для теплоснабжения из-за низкой долговременной прочности полиэтилена.

Альтернативой обычному полиэтилену может служить такой материал, как «сшитый» полиэтилен, обладающий прочностными свойствами, позволяющими его применение в производстве труб для теплоснабжения.

Различают несколько видов полиэтилена - продукта, полученного полимеризацией этилена:

низкой плотности (LDPE);

средней плотности (MDPE);

высокой плотности (HDPE);

сверх высокой молекулярной плотности (UHMWPE);

сшитый (PEX).

В обычном (сыром или не сшитом) полиэтилене (РЕ) длинные молекулы не сцеплены друг с другом в полимерной матрице. В то же время такие механические свойства как жесткость, прочность на разрыв и т.п. решительным образом зависят от взаимного расположения, «запутанности» молекул. Поэтому не удивительно, что возможность принудительной сцепки молекул друг с другом вызывает огромный интерес. Химическая сцепка молекул, известная как «сшивка», настолько меняет свойства сырого полиэтилена, что становится возможным применение материала для изготовления труб в теплоснабжении. (Заметим, что возможна и физическая сшивка за счет присутствия мелких частиц-вкраплений; здесь она не рассматривается).

Однако интерес к сшивке привел и к изрядной путанице, касательно методов производства и выгод той или иной технологии.

1.Что такое PEX?

полиэтилен сшитый тепловой сеть

РЕХ - обозначение сшитого полиэтилена. (Р - поли, Е - этилен, Х - символ крестообразности сшивки). Выделяются три технологии производства PEX:

пероксидная (нагрев в присутствии пероксидов);

силановая (обработка влагой HDPE, в который предварительно был имплантирован силан + катализатор);

3.радиационная (облучение электронами).В европейских стандартах приняты обозначения соответственно: PEX-A, PEX-B, PEX-C.

Все три технологии сшивают отдельные молекулы полиэтилена друг с другом в разных местах так, что получается сеть. Соответственно вводится понятие степень или плотность сшивки (доля геля) в %, которое отражает долю числа связей между молекулами полиэтилена. Рекомендуемое значение - 65-80%.

Основная цель сшивки - получить тепловую стабильность материала, находящегося под давлением. Например, для труб из полиэтилена высокой плотности (HDPE), возможность реализации продолжительных нагрузок при температуре 60 ОС - крайне редка. После сшивки рабочая температура может достигать 100-120 ОС. Конкретный предел зависит от начальной плотности, степени и типа сшивки. ESCR (сопротивление трещинообразованию) также существенно повышается. Напряжение на разрыв остается тем же или чуть больше, а вот удлинение на разрыв становится меньше. Сшивка делает полиэтилен жестче.

Сшитый полиэтилен характеризуется такими параметрами как:

доля сшивки;

доля материала в форме кристаллита;

напряжение на разрыв;

удлинение на разрыв.

2.Технологии

1. Пероксидная. Пероксиды - некие химикалии, активирующиеся при повышенной температуре, порождающие свободные радикалы. Радикал отрывает атом водорода от атома углерода в цепи полиэтилена, оставляя РЕ-радикал. Такая активная молекула может соединиться с аналогичной и образовать связь - т.е. сшивку.

Самый популярный пероксид - 2,5-dimethyl-2,5-di-(butylperoxy) hexane. При комнатной температуре - в жидкой фазе, он может адсорбироваться на большом разнообразии поверхностей. При высокой (180-220 ОС) температуре разлагается, образуя свободные радикалы.

Только данная технология - пероксидная - осуществляет сшивку в расплавленной фазе. Благодаря этому гарантируется случайное распределение «стежков» сшивки по объему расплава. Следствием является также более низкая плотность отвердевшего материала. Здесь принципиально важен температурный контроль. Обычно поставщики пероксида берут на себя труд снабдить производителя необходимыми температурно-временными зависимостями.

2.Силановая. Эта технология родилась в конце 60-х годов XX в. Имеется две ее разновидности:monosil и sioplas.

Сшивка происходит в твердой фазе.

Имеется возможность производства по этой технологии труб большого сечения, выдерживающих температуру до 110 ОС.

3.Радиационная. Облучение электронами полиэтилена при умеренной температуре, не требует добавки каких-либо веществ. На практике труба много раз проходит через линейный ускоритель. Чем больше доза (обычно выражаемая в мегарадах) - тем больше доля сшивки, происходящая также в твердой фазе.

3.Что лучше?

Получающиеся структуры сшитого полиэтилена и термомеханические свойства отличаются друг от друга при разных технологиях. Чтобы ответить на вопрос «какая из технологий лучше» - было проведено сравнение [1]; в качестве испытуемого образца использовался один и тот же материал -HDPE с имплантированным винил-силаном без катализатора.

Условия процессов для трех технологий - пероксидной, радиационной и силановой (далее на рис. 1,2,3 обозначены как 1, 2 и 3 соответственно) были следующими:

смесь сырья с пероксидами обрабатывалась при 170 ОС;

сырье облучалось излучением 1 МЭВ;

смесь сырья (95%) и ускорителя (5%) подвергалась воздействию влаги во влажном воздухе (90% влажность) при 40 ОС.

Измерения в ходе экспериментов проводились касательно:

доли сшивки;

поведения материала при кристаллизации;

свойств расплава (при 190 ОС);

сопротивляемости (при 150 ОС);

удлинений на разрыв (при 150 ОС). Силановая технология сохраняет кристалличность - один из основных параметров полимера.

Что касается механических свойств, то из рис. 4, 5 можно сделать вывод о более однородной сшивке в случае пероксидной технологии (кривая 1). В целом же разница не значительна.

С потребительской точки зрения любая из технологий дает похожие результаты при соблюдении всех условий процесса.

Силановая технология - менее требовательна, по сравнению с пероксидной технологией, и может выполняться практически на любом экструзионном оборудовании. Единственный недостаток - необходимость работы паровой бани в строгом согласии со скоростью процесса. Силановая технология в целом позволяет получить более гибкий и экономичный процесс сшивки. В противоположность другим методам полиэтилен сшивается силан-кислород-силан радикалами, а не углерод-углерод радикалами. К недостаткам радиационного метода следует отнести дороговизну. Его используют чаще в производстве термоусаживающихся муфт или изоляционного материала для кабелей. Его преимущество перед пероксидной технологией (такое же, впрочем, как и силановой) - сшивка происходит в готовом по форме предмете. Несмотря на недостатки этого метода, число его приверженцев неуклонно растет.

3.Сравнение РЕХ с полипропиленом

Полипропилен получается полимеризацией пропилена. Его разновидности следующие:

гомополимер (РР-Н);

блок-сополимер (РР-В);

рандом сополимер (РР-RC).

Один из главных показателей качества труб -это сопротивляемость долговременным нагрузкам, как со стороны давления, так и температуры. Надо отметить ярко выраженную температурно-временную зависимость прочности полимерных труб.

На рис. 6 приведены зависимости «допустимое окружное напряжение в зависимости от срока службы» для сшитого полиэтилена (РЕХ) и полипропилена (РР-С) при рабочей температуре 95 ОС.

Видно, что темп снижения прочности с ростом температуры у труб из полипропилена значительно больше, чем у сшитого полиэтилена. Сравним, далее PEX и PPRC, взяв в обоих случаях трубы типа PN20 (тип PN40, например, означает, по определению, что данная труба выдерживает давление 40 ат при 20 ОС в течение 50 лет) с разными наружными диаметрами 20 и 110 мм и сравним толщины стенок:

Толщины стенок PEX труб меньше, чем для РР труб.

Сравним теперь для труб PN20 допустимые рабочие давления при разных температурах, но при одном общем условии: срок эксплуатации -50 лет:

Из этого сравнения видно, что трубы PEX способны выдерживать большие давления при высоких температурах, чем трубы PPRC. Монтаж полипропиленовых труб в условиях бесканальной прокладки осуществляется прямыми участками, требующими специальных технологий для соединения (сварка, пайка, клей). Сильные напряжения, возникающие в PPRC-трубах, требуют установки компенсационных устройств. Всех этих недостатков лишены трубопроводы из PEX - ибо они представляют собой гибкие и самокомпенсирующиеся трассы, монтаж которых осуществляется с применением бухт. Замена стальных труб на PEX в условиях города выигрывает перед заменой на пропиленовые, т.к. именно в этом случае требуется особенно виртуозная прокладка трассы, сохраняющая без изменений сложившуюся структуру других коммуникаций.

Если рассмотреть тенденции применения разных пластиковых труб в Европе, то PEX лидирует (рис. 7).

Надо отметить, что в ряде регионов России имеется опыт практического применения пластиковых трубопроводов в ППУ изоляции и гидрозащитной оболочке из полиэтилена. Интересно отметить пример замены изношенной теплотрассы, проложенной канальным методом, в городе Великий Новгород. Пришедшие в негодность трубы были демонтированы, и вместо них был уложен пластиковый трубопровод длиной 50 м и диаметром несущей трубы 110 мм в существующий железобетонный короб Z-образной формы. В ходе гидравлических испытаний он находился в незасыпанном состоянии. В момент подачи давления и температуры (7 ат, 50 ОС) трубопровод не выказал никаких признаков деформации

Размещено на Allbest.ru