Полимерные трубы

Полимерные (пластмассовые, пластиковые) трубы – собирательный термин, обозначающий трубные изделия из полимеров и сополимеров различной конструкции (одно-, двух-, многослойные, в том числе композитные металлопластиковые, армированные, гофрированные, витые и гидротеплоизоляционные), условных диаметров, разного назначения, физико-механических и теплотехнических свойств. 

Некоторые виды полимерных труб по конструкции: 

- однослойные;
- двухслойные гофрированные (а - щелевые дренажные, б – сплошные) ;
- спиральновитые;
- армированные фольгой полипропиленовые;
- армированные сеткой полиэтиленовые;
- гидротеплоизоляционные многослойные.

К первенцам полимерных труб относят поливинилхлоридные PVC трубы, производство которых было начато еще в довоенные годы – из «жесткого» непластифицированного поливинилхлорида (аббревиатура PVC-U, RPVC, U-PVC или UPVC), пластифицированного с целью улучшения технологических свойств (аббревиатура PVC-P или FPVC), хлорированного поливинилхлорида для повышения теплостойкости (аббревиатура CPVC, PVC-C или PVCC) и высокомолекулярного поливинилхлорида (аббревиатура HMW PVC). 

Рис. Структурная решетка поливинилхлорида.

К достоинствам поливинилхлоридных труб относят невысокую чувствительность к УФ излучению, пониженную горючесть в сравнении с другими полимерами и сополимерами, повышенную устойчивость к воздействию агрессивных сред. К недостаткам – разрушающую материал эмиссию НCL при повышении температуры и длительном воздействии света видимой части спектра, что вынуждает производителей вводить в сырьевой состав стабилизаторы, невысокую теплостойкость (для PVC-P или жесткого винилпласта около 75 градусов, для хлорированного ПВХ с 60-65% хлора в CPVC против 57% в RPVC или CPVC – до 90 градусов Цельсия). 

В послевоенные годы разработки Института Макса Планка в части новых катализаторов полимеризации этилена при низком давлении стимулировали возникновение индустрии производства труб из полиэтилена низкой плотности (или полиэтилена высокого давления ПВД), высокой плотности (низкого давления ПНД), а затем и сшитого полиэтилена РЕ-Х, изготавливаемого из ПВД (или PHD) «сшивкой» (связыванием) линейных связей пероксидами (аббревиатура РЕ-Ха), органсилоксанами (РЕ-Хв) или с помощью ионизирующего излучения (РЕ-Хс). 

Рис. Структурная решетка полиэтилена и сшитого полиэтилена.

Связывание молекулярных связей в сшитом полиэтилене позволило повысить прочностные свойства полиэтиленовых труб и их устойчивость к воздействию высоких температур (теплостойкость РЕ-Х до 95 градусов Цельсия). 

Первые полипропиленовые трубы (РР) массового производства появились на европейском рынке в 1959 году, а затем ассортимент полипропиленовых труб расширился благодаря применению сополимеров пропилена (PPR, PPRC), армированию и использованию многослойных конструкций. 

Теплостойкость полипропиленовых труб немного ниже теплостойкости труб из сшитого полиэтилена, но выше, чем у PVC и ПНД/ПВД труб.

Рис. Структурная решетка полипропилена.

В 60-70 годы стали выпускать стеклопластиковые трубы из армированного стекловолокном полиэфирного полимера с рабочими температурами до 150 градусов Цельсия, хотя и в ограниченных количествах из-за технической сложности и дороговизны производства (в 5-6 раз дороже стальных труб), полибутиленовые трубы, сходные по свойствам с трубами из сополимера полипропилена Рандом, но более пластичные. 

В 1979 году английская компания Kitetechnology B.V. первой запатентовала технологию производства металлопластиковых труб из пяти слоев – внутреннего и наружного из РЕ-Х, скрепленных клеевыми слоями со сваренной встык алюминиевой трубой толщины 0,5-2 мм с повышенными прочностными характеристиками и очень малым в сравнении с другими полимерными трубами температурным коэффициентом линейного расширения ТКЛРне более 0,024-0,026 мм/мК. 

К концу прошлого века было налажено производство труб из поливинилиденфторида (PVDF) с диапазоном рабочих температур от -40 до +140 °С, стойких к УФ излучению солнца, что позволяет выполнять их прокладку наземным способом. 

Основные эксплуатационные свойства некоторых полимерных труб

Основные свойства	Сшитый полиэтилен (РЕ-Х)	ПВХ (PVC)	ХПВХ (CPVC)	Полипропилен (РР)	Поливинил-иденфторид (PVDF)	Металло-пластиковые
Плотность, г/см3	0,93-0,95	1,4	1,5-1,6	0,93	1,78	--
ТКЛР, мм/мК	0,12-0,14	0,06	0,062	0,12	0,12	0,26 х 10-4
Удлинение при разрыве, %	200-500	5-10	3-8	800	110	--
Модуль упругости, МПа	550-800	до 4000	до 3000	900	2100	--
Теплопроводность, Вт/мК	0,40-0,41	0,13-0,15	0,16	0,15-0,2	0,19	0,43
Рабочая температура, С /рабочее давление, МПа	95/0,85	75/0,85	93/0,47	75/0,6	145/0,8	95-110/0,8-0,92

Прим.: По европейским, американским и российским стандартам прочностные характеристики металлопластиковых труб принимаются по показателям для полимерного слоя, который может быть выполнен из сшитого и несшитого полиэтилена. 

В сравнении со стальными, чугунными и медными трубами полимерные трубы при производстве очень мало загрязняют атмосферу, требуют сравнительно небольшого количества электроэнергии, при прокладке в земле почти не загрязняют почву, и за исключением хлорированных поливинилхлоридных труб CPVC не оказывают загрязняющего воздействия на транспортируемую воду.

В целом преимущества полимерных труб в сравнении со стальным трубопрокатом показаны в таблице.

Эксплуатационные свойства	Полимерные трубы	Стальные трубы
Средний срок эксплуатации, лет	50 и более	15-20
Устойчивость к абразивному износу	от 0,06 до 0,5 мм в год - в 4 раза выше, чем у стали	Чувствительны к износу при сопутствующей электрохимической коррозии
Морозостойкость	Многократное замораживание/оттаивание без изменения свойств при температуре хрупкости от -50 градусов и ниже	Высокая при транспортировке газа и сыпучих материалов и низкая при передаче жидких сред
Коррозионная устойчивость	Высокая, в том числе к агрессивным средам за исключением металлополимерных, чувствительных к питтинговой коррозии из-за блуждающих токов	Чувствительны к атмосферной, водной, электрохимической и т.д. коррозии, ограничены по устойчивости к коррозии при протекторной защите цинком или цинк-алюминием
Свойства внутренней поверхности	Низкая шероховатость поверхности, нивелирующая риски наслоений и снижающая турбулентность транспортируемого потока	Заметное ухудшение пропускной способности при эксплуатации с повышением гидравлического сопротивления трубопровода
Относительное удлинение	От 100 до 800% для разных типов труб, что увеличивает технологичность материала	20-30%
Теплопроводность	От 0.13 до 0.43 Вт/мК у металлополимерных труб	До 47 Вт/мК, что вызывает запотевание при транспортировке холодной воды
Пластичность	Изгиб без видимых деформаций при радиусах от 20-40 диаметров (в зависимости от материала)	Низкая, что требует выполнение поворотов трубопровода с использованием фитингов
Эластичность	Возможна компенсация теплового расширения/удлинения конструктивными решениями схем прокладки	Необходимы компенсаторы для демпфирования теплового удлинения трубы
Количество стыков	Для полиэтиленовых и полипропиленовых труб малых диаметров возможна поставка в бухтах, что существенно уменьшает число стыков в трубопроводе	Не менее 90 стыков на 1 км трубопровода
Удобство транспортировки и монтажа	Малый удельный вес и возможность сварки (стыковой, электромуфтовой, в раструб) большинства видов труб в различных диаметрах	Для укладки труб больших диаметров требуется спецтехника, соединение стыков на муфтах, автогенной сваркой, фланцевыми соединениями
Способ прокладки	Траншейным способом, протягиванием в старых трубах, наземным способом для труб, устойчивых к УФ лучам солнца	Траншейным или наземным/воздушным с утеплением и защитой от коррозии

Несмотря на ряд явных преимуществ полимерных труб в сравнении с традиционными трубопроводами (стальными, чугунными, керамическими, железобетонными) отношение к ним в различных странах разное, во многом обусловленное влиянием производителей металлопроката на СМИ и правительства стран. Наибольшее сопротивление популяризации полимерных труб оказывают в странах постсоветского пространства, в том числе России, где стальные трубы лидируют на национальном рынке по объемам продаж. 

Рис. Объемы потребления труб в России (слева) и странах ЕС (справа).

Влияние производителей труб на потребление в нашей стране видно и по объемам продаж металлопластиковых труб, которые, например, в Германии реализуются в меньших количествах, чем полиэтиленовые, полипропиленовые, поливинилиденфторидные, стальные, чугунные и стеклопластиковые трубы. 

Рис. Потребление труб из разных материалов в Германии.

В целом эксперты для России прогнозируют увеличение объемов продаж и потребления полимерных труб к 2025 году почти втрое в сравнении с 2010 годом.