Почему полипропиленовые трубы пропускают кислород

Подтверждение параметра кислородонепроницаемости

Трубы типа Stabi, о которых шла речь выше, обладали, с точки зрения удобства монтажа, одним недостатком: перед сваркой требовалась зачистка труб, в процессе которой снимались верхний слой алюминия и декоративный слой PPR. Для упрощения процесса монтажа многие производители изготавливают трубу с центральной армировкой алюминиевой фольгой PPR-AL-PPR (рис. 1). При таком способе армирования полностью сохраняются достоинства армированных труб: низкий коэффициент температурного линейного расширения и низкая кислородопроницаемость.

По показателям линейного расширения традиционно и центрально армированные трубы не имеют принципиальных различий. Трубы, армированные перфорированной алюминиевой фольгой, в зависимости от толщины фольги, типа перфорации, а также параметров SDR и DN (независимо от глубины залегания алюминиевого слоя), имеют разные значения коэффициента линейного расширения К_р, которые колеблются в диапазоне 0,03–0,05мм/мК.

Сейчас заслуженно пользуются популярностью стальные панельные радиаторы с толщиной стенки около 1,25 мм. Но так как они выполнены из стали, то являются подверженными кислородной коррозии при использовании труб без «кислородного барьера», в бОльшей степени, чем чугунные радиаторы. На практике, это приводит к значительному сокращению срока службы таких отопительных приборов. Справедливости ради, нужно сказать, что и чугунные радиаторы подвержены этой коррозии также, но из-за более толстых стенок могут выдерживать коррозию бОльшее время. Ведь дело вовсе не в стали или в чугуне, в содержании растворенного кислорода в теплоносителе. Хочу подчеркнуть, что воздух в системе (т.е пузырьки нерастворенных газов) и растворенный кислород – совершенно разные вещи.

Так это или по-другому, оставим разбираться учёным. Но на практике все знают, что например лимонад и пиво теряют свою газированность (насыщенность газом), т.е. газы диффундируют сквозь стенки ПЭТ бутылок. Многие обращали внимание, что упаковка типа ТетраПак (параллепипед или «кирпич») для соков и многих других продуктов, имеет в составе своей бумажной стенки изнутри тонкую алюминиевую фольгу. Делается это как раз с целью, уменьшить диффузное проникновение кислорода из окружающей среды вовнутрь упаковки, и уменьшить окисление (порчу) продукта питания. Т.е. увеличить срок хранения.

К сожалению, многие производители полимерных труб больше внимания уделяют снижению теплового удлинения изделий и при этом забывают о таком важном параметре, как кислородопроницаемость. Ведь минимизировать тепловое расширение можно благодаря использованию компенсаторов, а предотвратить диффузию кислорода можно лишь за счёт конструктивных изменений при изготовлении трубопроводных изделий.

Недостатком конструкции данных труб является необходимость торцевания краев трубы с целью недопущения контакта алюминиевой фольги с теплоносителем. Результат недобросовестного монтажа показан на примере трубы с центральной армировкой алюминиевой фольгой «внахлест» и проиллюстрирован на рис. 2–4. Монтаж трубы произведен обычной насадкой, торцевание не производилось. В таком случае теплоноситель в процессе эксплуатации под давлением проникает в образовавшееся пространство между слоем армирующего алюминия и полипропиленом (рис. 2), что приводит к образованию пузыря на поверхности трубы. Поскольку верхний слой полипропилена в трубах PPR-AL-PPR тонок, не имеет достаточной прочности и не рассчитан на подобные нагрузки – неизбежно его постепенное разрушение. Через образовавшееся отверстие происходит протечка теплоносителя, что приводит к аварии всего трубопровода (рис. 3, 4).

Компания «aquatherm GmbH» на протяжении 40 лет занимается изготовлением трубопроводной продукции из модифицированного пластика. Данный материал является собственной разработкой и запатентован под торговой маркой «Fusiolen». В отличие от многих других полимеров, он обладает однородной структурой и низкой кислородопроницаемостью, поэтому идеально подходит для производства систем отопления. Трубы «aquatherm» соответствуют всем действующим СНиП и DIN.

Благодаря своим неоспоримым преимуществам, трубопроводы из полипропилена широко применяются для систем отопления и водоснабжения в сфере строительства и ЖКХ. По сравнению с металлами, полимеры вообще и полипропилен в частности обладают большим тепловым линейным расширением и кислородопроницаемостью.

Кислородопроницаемость и диаметр трубы

Например, если система отопления выполнена из полипропиленовой трубы PN20 (неармированной или армированной стекловолокном), объем системы отопления 100 л, имеются настенный котел с алюминиево-медным теплообменником и температурой нагрева 80 °С и стальные панельные радиаторы, а емкость труб равна 50 л, то в сутки для типового набора труб разного диаметра с SDR = 6 пройдет в теплоноситель около 0,1 г кислорода. В пересчете на в год это составляет 37 г кислорода, или 250 г ржавчины, полученной в стальных панельных радиаторах (которые, весьма вероятно, потекут через год или два эксплуатации).

Последнее десятилетие стал очень популярен полипропилен (далее ППр) в качестве материала труб для отопления. Поэтому все чаще частного застройщика волнует, какие ППр трубы выбрать. На данный момент выпускаются три вида ППр труб. Неармированные трубы, армированные алюминиевой фольгой, или армированные стекловолокном.

Считаю, что маркировка PN25 более удобна и понятна. Дело в том, что маркировку PN20 у разных производителей может иметь армированная алюминием труба, произведенная как на основе базовой трубы PN16, так и на основе базовой трубы PN20. Трубы эти принципиально разные, у нихнеодинаковое рабочее и испытательное давление. Чтобы избежать путаницы, необходимо армированную трубу, произведенную на базе PN20, маркировать как PN25, а трубу, произведенную на базе PN16, – как PN20.

В результате проведенных в ООО «Альтерпласт» расчетов и исследований, а также тестовых испытаний с различными вариантами геометрии внутренней поверхности и формы сварочных насадок удалось создать оптимальную конструкцию специальной насадки. На рис. 6 показан разрез сварного соединения трубы с центральной армировкой Master pipe и фитинга ТЕВО technics. Сварка произведена специальной сварочной насадкой, запатентованной компанией «Альтерпласт» [4]. Как видно на рис. 6, алюминиевая фольга полностью закрыта полипропиленом. Фитинг надежно прилегает к трубе по всей свариваемой поверхности. Важно отметить, что торцевание или зачистка конца трубы при этом не производились.

Как кислород из окружающего воздуха при давлении 0 атм. проникает в отопительную систему, в которой поддерживается давление 1,5 атм. и больше? В этом случае имеется ввиду парциальное давление, которое не зависит от абсолютного. Проникновение газа через поверхность труб без антидиффузного слоя будет происходить в том случае, если давление кислорода, который растворён в теплоносителе, будет ниже, чем во внешней среде.

Для монтажа трубы с центральной армировкой используются типовые фитинги, которые применяются для монтажа PPR-труб и выпускаются всеми производителями. Но в связи с тем, что труба с центральной армировкой перед сваркой не зачищается, при одинаковом параметре SDR проходное сечение трубы с центральной армировкой будет меньше на удвоенную толщину зачищаемого слоя. Такое уменьшение может быть принципиальным для труб малых диаметров (DN 20, 25, 32). Например, для трубы DN20 PN25 заужение составляет 20 %. В связи с этим можно порекомендовать проектировщикам и потребителям использовать трубу с центральным армированием номиналом PN20, т. е. SDR = 6, и применять ее по соответствующей серии S = 2,5, сохранив для этой трубы привычные гидравлические характеристики традиционно армированной трубы PN25.

Например, если для создания отопительной системы используются трубы с высокой кислородопроницаемостью, то кислород проникает сквозь стенки трубопровода и насыщает горячий теплоноситель. Рабочая среда с пузырьками кислорода, проходит через металлические элементы трубопровода и способствует развитию в них кавитационных процессов, усиливающих образование слабых кислот. При высокой кислородной проницаемости полимерных трубопроводов наблюдается быстрое разрушение металлических деталей, которые в этом случае смогут прослужить не более 3-5 лет, а замена их несет за собой финансовые затраты.

Если же в системе применены кислородоНЕпроницаемые трубы, и не производится постоянная подпитка неподготовленной водой, содержание растворенного в воде кислорода уменьшается в прогрессии, и происходит «частичное» «недоокисление» с образование магнитного железняка (Fe3O4) чёрного цвета, который покрывает изнутри систему отопления тонкой плёнкой (могущей защищать системы от разрушительной коррозии). 3Fe + 2O2 = Fe3O4 (четырехокись железа, магнитный железняк).

Преимущества использования труб с низкой кислородной проницаемостью

Как показывает практика, в России для монтажа систем отопления используются самые разные трубы и комплектующие к ним. Но создать по-настоящему надёжную систему можно только с помощью труб, характеризующихся кислородной непроницаемостью и термической стабильностью. Всем этим требованиям отвечают трубопроводные системы «aquatherm».

При армировании полипропиленовых труб алюминиевой фольгой края фольги, как правило, закрепляются на трубе «внахлест». Данная технология применяется для труб PPR большинством производителей, хотя в последнее время развивается технология лазерной сварки краев алюминиевой фольги «встык». Возможность укладки фольги «внахлест» обусловлена необходимостью ее зачистки перед сваркой с фитингом: таким образом, фольга не контактирует с теплоносителем и не влияет на качество сварки трубы и фитинга. Сварка фольги «встык» широко применяется для труб Pex/Al/Pex – это определено конструкцией данного типа трубы (армирующий слой находится в центре) и технологией монтажа.

Другой вариант, если теплосеть изготовлена из труб с низкой кислородопроницаемостью, а для подпитки используется подготовленная вода. В этом случае концентрация газа, растворённого в ней, постепенно уменьшается, при этом наблюдается частичное «недоокисление» и на поверхности внутренних стенок появляется плёнка, представляющая собой магнитный железняк и защищающая трубы от коррозии.

Достоинства данной насадки очевидны. Недостатками можно считать незначительное увеличение времени разогрева полипропиленовой трубы, а также необходимость точного (с отклонением не больше 3–5 град.) горизонтального позиционирования трубы внутри насадки в процессе сварки.

Расчет испытательного давления, согласно ГОСТ, производится по размерам базовой трубы, т. е. без учета толщины алюминиевой фольги и защитного полипропиленового слоя. Поэтому при прочностных испытаниях трубы, армированной алюминием, не имеет значения, какая маркировка на нее нанесена – PN20 или PN25.

Для DN20мм получим в сутки 4 г/м 3 кислорода – иначе говоря, возможно образование 30 г ржавчины. В одном метре трубы DN20 PN20 (SDR=6) содержится 2,2·10 –4 м 3 , соответственно, через этот погонный метр трубы в теплоноситель пройдет максимум 8,8·10 –4 г/сут. кислорода.

Согласно нормативному документу DIN 4726, показатель кислородной герметичности не может быть ниже, чем 0,1 г/м3 в сутки. Газ, проникающий в отопительную сеть на участках трубопровода без антидиффузионного слоя, попадает в теплоноситель и при контакте с металлическими узлами приводит к образованию ржавчины. В результате этого ускоряется износ металлического оборудования (элементов насоса, радиаторов и т.д.).

Однако в результате продолжительных теоретических споров, подкрепленных практическими испытаниями, трубу, армированную алюминием, стали маркировать номиналом PN25 (SDR = 5). Такое изменение выглядит логично (и согласуется с ГОСТ Р 52134–2003,п. 5.2.7) – имеется ввиду увеличение суммарной толщины стенки армированной алюминием трубы и изменения таких параметров, как SDR = DN/S, где DN – наружный диаметр трубы; S – толщина стенки трубы; и серии трубы: S = (SDR – 1)/2.