Standard dimension ratio of the polypropylene pipes with the walls reinforced with fiberglass

В материале [2] сообщается, что трубы, армированные стекловолокном, PN20 и PN25 диаметром 20–63 мм производства Pro Aqua, «Политэк», «РВК» (Россия), SPK (Турция) предназначаются для систем горячего водоснабжения (до +75 °C) и отопления (до +95 °C) с номинальным рабочим давлением величиной 2 и 2,5 МПа, соответственно.

Компания ООО «ТД «Эгопласт» предлагает трехслойные полипропиленовые трубы Rubis Fiber Glass, армированные стекловолокном и имеющие две модификации: SDR = 7,4 и SDR = 6. Они характеризуются следующим образом. Пропиленовые армированные трубы Rubis призваны облегчить труд рабочих и значительно ускорить монтаж, поскольку не требуется использование зачистного инструмента, а также обеспечивается экономия материала. Области применения: Rubis SDR = 7,4 — низкотемпературное радиаторное отопление, системы питьевого горячего и холодного водоснабжения, кондиционирование, промышленные трубопроводные сети; Rubis SDR = 6 — радиаторное отопление, системы питьевого горячего и холодного водоснабжения, кондиционирование, промышленные трубопроводные сети.

В качестве основных преимуществ труб Pro Aqua Rubis, армированных стекловолокном, в сравнении со стандартными полипропиленовыми трубами [3] называют:

— коэффициент линейного расширения меньше на 75 % (по сравнению с обычными полипропиленовыми трубами);

— пропиленовая армированная труба не требует обязательной предварительной зачистки (как для труб, армированных алюминиевой фольгой);

— за счет малого линейного расширения — коэффициент линейного расширения равен 0,035 мм/(м⋅K) — увеличивается расстояние между опорами, что позволяет уменьшить общее количество опор и снизить себестоимость монтажа;

— армированная пропиленовая труба обладает увеличенным сроком службы в системах отопления и охлаждения;

— слой стекловолокна обеспечивает прочность труб при меньшей толщине стенки, на 20 % увеличена пропускная способность, теплопроводность ниже, чем у труб, армированных алюминием.

Пропиленовые армированные трубы Rubis призваны облегчить труд рабочих и значительно ускорить монтаж.

В материале [4] сообщается, что полипропиленовые армированные стекловолокном трубы диаметром от 20 до 110 мм, выпускаемые для снижения коэффициента температурного линейного расширения и повышения прочностных характеристик, имеют следующую характерную особенность: стекловолокно толщиной 0,15 мм находится в толстостенной рабочей трубе под защитным слоем полипропилена. Стекловолокно, находящаяся между двумя слоями пластика, снижает способность труб к расширению до уровня, сопоставимого с металлическими трубами.

Полипропиленовые трубы, армированные стекловолокном, PN 25 обладают всеми физическими свойствами полипропиленовых труб PN 20 и могут безопасно использоваться при давлении 10 бар для подачи жидкости или воздуха с температурой 95 °C.

Слой стекловолокна в полипропиленовых армированных трубах, помимо прочего, выполняет «кислородозапирающие» функции. По заявлению автора, его статья [5] посвящена анализу характеристик полипропиленовой тубы, армированной стекловолокном, в зависимости от процентного содержания фиброволокон и толщины армированного слоя.

Полипропилен в среднем слое трубы позволяет развернуться волокнам фибры с образованием материала с единой армированной структурой и постоянными для слоя макросвойствами.

В трубе внутренний и наружный слои выполнены из полипропилена, а средний — из смеси полипропилена и добавки в виде фиброволокон, стабилизирующей линейное температурное расширение полипропиленовой трубы. Фибра из стекла (или стекловолокно) обладает низким значением Kр = 0,009 мм/(м⋅°C).

Армирование стекловолокном PP-R производится в середине между внешним и внутренним слоями полипропилена так, что получается трехслойная труба PP-R/PP-R-GF/PP-R (где GF — glass fiber, стекловолокно). Полипропилен в среднем слое трубы, являющийся несущим материнским материалом, позволяет развернуться волокнам фибры с образованием материала с единой армированной структурой и постоянными для данного слоя макросвойствами и обеспечивает условия для создания прочной молекулярной связи между собой всех трех слоев трубы.

Количество слоев выбрано из следующей логики: внутренний и наружный слои трубы не должны содержать добавок из фибры. Для внутреннего слоя это вызвано необходимостью обеспечить гигиеническую безопасность (исключение проникновения фибр в транспортируемую воду) и износостойкости (истираемости) труб, которая должна обеспечивать эксплуатацию системы водоснабжения или отопления в течение эксплуатационного срока; для внешнего слоя — необходимостью проведения монтажа без нарушения целостности срединного слоя, обеспечения прочности сварки полипропиленовой трубы и полипропиленовых фитингов.

Важная задача при массовом производстве труб, армированных стекловолокном, — это соблюдение стабильности геометрических и физико-механических показателей от партии к партии, от диаметра к диаметру. Параметрами, определяющими значение физико-механических показателей труб, армированных стекловолокном, являются процентное содержание стекловолокна в среднем слое и значение толщины среднего слоя.

Выбор производителем процентного содержания в среднем слое армирующего волокна и полипропилена зависит от нескольких причин. С одной стороны, смесь должна быть такой, чтобы проходя через экструдер, она могла свариться с внешним и внутренним слоем трубы. С другой стороны, массовая доля добавки из стекловолокна должна обеспечивать требуемое значение коэффициента линейного температурного расширения. Важна также и толщина слоя, в котором это стекловолокно распределено.

К сожалению, ни в одной из перечисленных публикаций нет доказательной базы, подтверждающей все позитивные характеристики полипропиленовых труб, армированных стекловолокном. Мало того, практически ни в одной публикации не приводятся какие-либо физико-механические показатели материалов, которые использованы для производства труб. Исключением, пожалуй, являются армированные стекловолокном полипропиленовые трубы (далее АСППТ), производимые по ТУ 2248010-33137731—2012 [6] (далее АСППТ PPRC-GF SSMK). К примеру, в ТУ наряду с некоторыми показателями приводится соотношение слоев, начиная от наружного слоя 2 : 5 : 3, причем толщина среднего слоя не должна превышать 60 % от общей толщины стенки трубы.

АСППТ, производимые по ТУ 2248010-33137731—2012 (табл. 1), ранжируются точно так же, как и трубы из термопластов со сплошной однородной стенкой — по номинальному наружному диаметру dн, по размерному отношению SDR (отношение номинального наружного диаметра к номинальной толщине еn стенки трубы) и по номинальной серии S (отношение расчетного напряжения σs к максимально допустимому рабочему давлению рPMS).

Как следует из ТУ, стенка АСППТ PPRC-GF SSMK состоит из трех слоев (рис. 1). Слои стенок характеризуются собственными значениями толщин (табл. 2) и наружных диаметров (табл. 3) в соответствии с номинальным наружным диаметром АСППТ GPPRC-GF SSMK. Из ТУ пункт 4.6: «...Распределение слоев от наружного к внутреннему слою, включая центральный PPRC-GF-слой, выполняется в пропорциях: 20, 30 и 50 %...».

σ_р = (P(D - e)) / 2e = 0,5P(SDR - 1), (1)

где D и e — наружный диаметр и толщина стенки трубы; SDR — отношение наружного диаметра трубы к толщине стенки. Стенка трубы, находящаяся под действием указанного растягивающего напряжения, деформируется(удлиняется).

Окружное относительное удлинение однородной сплошной стенки трубы, находящейся под действием внутреннего давления:

ε = 0,5(SDR - 1) * (P / E) , (2)

где E — модуль упругости термопласта. Если рассматривать стенки труб (табл. 1) сплошными и однородными, то кратковременные значения растягивающих напряжений в них от внутреннего давления составят 5 МПа. Другое дело, когда стенка трубы состоит из нескольких i слоев, материал которых характеризуется различными величинами физикомеханических показателей, в том числе модулей упругости E_i. Продольные усилия N_i в каждом слое будут наводиться только определенной частью внутреннего давления P_i, приходящейся именно на конкретный слой (наружный P_н, средний P_c и внутренний P_в), причем:

P_н + P_c + P_в = P. (3)

И так как слои являются составным элементом стенки трехслойной трубы АСППТ PPRC-GF SSMK, находящейся под действием внутреннего давления, их относительные удлинения (наружного слоя e_н, среднего e_с и внутреннего слоя e_в) будут одинаковыми:

e_н = e_c = e_в = e. (4)

Их значения определяются как:

— для наружного слоя e_н:

ε_н = 0,5(SDR_н - 1) * (P_н / E_н) , (5)

— для среднего слоя e_c:

ε_c = 0,5(SDR_н - 1) * (P_c / E_c) , (6)

— для внутреннего слоя e_в:

ε_в = 0,5(SDR_в - 1) * (P_в / E_в) , (7)

где SDR_н, SDR_н, SDR_в — отношение наружных диаметров слоев к их толщине (табл. 4); E_н, E_c, E_в — модули упругости материалов наружного, среднего и внутреннего слоев на момент рассмотрения напряженно-деформированного состояния трубопровода. При совместном решении уравнений (4)—(7) удалось определить составные части внутреннего давления и соответствующие характеристики НДС (относительное удлинение и растягивающие напряжения) трехслойной трубы АСППТ PPRC-GF SSMK диаметром 25 мм, находящейся под действием внутреннего рабочего давления (табл. 5). Из табл. 5 видно, что растягивающие напряжения материалов наружного и внутреннего полипропиленовых слоев меньше растягивающих напряжений (5 МПа), которые учитывались при разработке сортаментов АСППТ (табл. 1), в 2,27–2,5 раза, а среднего композитного слоя — больше в 1,6–1,76 раз. Из отмеченного факта вытекает следующий вывод: процессы старения полипропилена и композита, являющихся различными по своей природе материалами и к тому же находящимися под действием растягивающих напряжений, различающихся в четыре раза, будут протекать различно, а не в соответствии с рекомендуемыми к использованию в ТУ на трубы кривыми регрессии для полипропилена (рис. 2). Следует заметить, что стенки АСППТ PPRC-GF SSMK не трехслойные, а пятислойные (рис. 3), ведь, как отмечается в [5], смесь полипропилена со стекловолокном, проходя через экструдер, должна свариться с внешним и внутренним слоями из полипропилена.

Параметрами, определяющими значение физико-механических показателей труб, армированных стекловолокном, являются процентное содержание стекловолокна в среднем слое и значение толщины среднего слоя.

Каковыми могут быть действительные напряженно-деформированные состояния пятислойных АСППТ и каким образом следует прогнозировать их долговременную прочность в трубопроводах горячего/холодного водоснабжения и отопления с учетом температурных нагрузок, нами может быть рассмотрено в следующих статьях.