Кислородный барьер EVOH в трубах отопления — необходимость или маркетинг ? — Азбука Тепла

Статья посвящена
напорным полипропиленовым трубам – в
частности, трубам армированным
алюминиевой фольгой традиционным
способом (типа Stabi), и трубам с центрально
расположенным по толщине трубы армирующим
слоем.

Мировое производство
и потребление пластиковых труб ежегодно
возрастает примерно на 20%. Это обусловлено
очевидными преимуществами в монтаже
и эксплуатации пластиковых труб по
сравнению со стальными.

Полипропилен
(PPR) более долговечен, более устойчив к
воздействию повышенной температуры и
химических веществ, чем другие
традиционные материалы, применяемые
для производства труб. Ввиду отсутствия
ржавчины, коррозии, распада, гниения,
грязи, бактерий, известковых отложений
внутренний диаметр полипропиленовых
труб в процессе эксплуатации не
уменьшается, а шероховатость поверхности
не возрастает – таким образом, пропускная
способность остается стабильной.

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.

Для снижения
теплового линейного расширения и
предотвращения диффузии кислорода в
теплоноситель полипропиленовые трубы
армируют алюминиевой фольгой.

Приведем некоторые
характеристики, актуальные в связи с
темой данной статьи:

• линейное
  температурное расширение полипропиленовой
  трубы Кр= 0,15 мм/мК;

• линейное расширение
  алюминия Кр=0,022 мм/мК;

• линейное расширение
  полипропиленовой трубы, армированной
  алюминием Кр=0,03-0,05 мм/мК;

• кислородопроницаемость
  полипропиленовых труб – около 2 г/м³*cут.
  (см. статью «К вопросу о кислородопроницаемости
  пластмассовых трубопроводов отопительных
  систем»; журнал «Сантехника», № 3/2003);

• полимерные трубы,
  применяемые в системах отопления
  совместно с металлическими трубами (в
  том числе в наружных системах
  теплоснабжения) или с приборами и
  оборудованием, имеющим ограничения по
  содержанию растворенного кислорода в
  теплоносителе, должны иметь
  кислородопроницаемость не более 0,1
  г/м³∙сут.(СНиП 41-01-2003 п. 6.4.1).

Маркировка
армированной алюминием трубы

Раньше армирование
осуществлялось следующим способом: на
стандартную базовую трубу PN20 наносился
клей, а на него накладывался слой
алюминиевой фольги, края которой
заходили друг на друга «внахлест». В
свою очередь, поверх алюминиевой фольги
вновь наносился слой клея, и к нему
крепился тонкий слой полипропилена,
выполнявшего декоративную функцию.
Получавшиеся таким способом трубы
позиционировались производителями
для монтажа систем низкотемпературного
и высокотемпературного отопления
(класс эксплуатации 3–5) и маркировались
индексом PN20, поскольку такой же номинал
имела базовая труба, на которую
накладывался слой алюминия.

Необходимой
операцией при диффузионной сварке
армированных алюминием труб с фитингами
является процедура зачистки, в процессе
которой с трубы в месте сварки удаляется
часть фольги

Поскольку при
монтаже использовались, как правило,
фитинги номиналом PN20, а место сварки
зачищалось до размеров базовой трубы,
вполне логично, что армированная труба
маркировалась как PN20 (SDR=6).

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
52134-2003п.5.2.7) ввиду увеличения
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.

Использование
для даннойтрубы маркировки PN25
справедливо в том случае, если прочность
фольги вместе с верхним декоративным
слоем полипропилена аналогична материалу
базовой трубы PN20, что не вполне очевидно,
поскольку, согласно ГОСТ Р 52134-2003,
стойкость трубы (испытательное давление)
рассчитывается по формуле:

Р=2Smin х sigma /(Dср -Smin),

где sigma – начальное
напряжение в стенке,

Smin – минимальная
толщина стенки,

Dср – средний
наружный диаметр трубы.

Расчет испытательного
давления, согласно ГОСТ, производится
по размерам базовой трубы, то есть 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.

В настоящее время
изготовленная на базе PN20 труба,
армированная алюминием, чаще всего
маркируется как PN25, и это не вызывает
вопросов у потребителя. Однако ряд
производителей до сих продолжают
маркировать такую трубу индексом PN20.

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
на основе базовой трубы PN16, так и на на
основе базовой трубы PN20. Трубы эти
принципиально разные, у них
неодинаковое 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.

Само собой
разумеется, что любой производитель
несет прямую ответственность перед
потребителем за качество своей продукции
и за соответствие ее маркировки реальным
характеристикам. Поэтому, заявляя трубу
как PN25, производитель фиксирует ряд
важных для 5 класса эксплуатации
параметров («Высокотемпературное
отопление отопительными приборами»,
ГОСТ Р 52134-2003 п 5.2, таблица Е.3):

SDR=5,
и, соответственно, серия трубы S=2;
максимальное рабочее давление – 8 атм.

Для
трубы с маркировкой PN20: SDR=6; S=2,5;
максимальное рабочее давление – 6
атм.(см. табл. 1).

Таблица 1.
Максимальное давление теплоносителя
в зависимости от серии труб PPR (80) для 5
класса эксплуатации

Особенности
технологии армировки PPR-труб

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.

На ранних этапах развития
технологии армирования PPR-труб
использовалась сплошная алюминиевая
фольга. Она не пропускает кислород в
теплоноситель, обеспечивает гладкую
внешнюю поверхность трубы. Однако при
этом сама фольга обладает абсолютно
гладкой поверхностью, и ее надежное
соединение со слоями полипропилена
затруднительно. Эта особенность фольги
предъявляет определенные требования
к свойствам клея, а также к температуре
и влажности на производстве. Нарушения
технологии и отступления от стандартов
качества сырья при производстве
армированных труб приводят к тому, что
молекулы воды проникают сквозь стенку
трубы (полипропилен гидроскопичен),
однако алюминиевая фольга их не
пропускает, и вода скапливается под
слоем алюминия, способствуя образованию
пузырей на поверхности трубы, вследствие
чего нарушается ее эстетический внешний
вид.

Чтобы избежать
образования пузырей на поверхности
трубы и разрушения ее верхнего слоя,
PPR-трубы в настоящее время армируют
перфорированной алюминиевой фольгой,
которая имеет равномерно расположенные
круглые отверстия. При производстве
трубы с перфорированной фольгой
полипропилен верхнего декоративного
слоя и базовый полипропилен прочно
скрепляются между собой по всей
поверхности перфорации, как заклепками.

Поскольку
перфорированная фольга имеет отверстия,
у потребителей нередко
возникает законный вопрос: «Какова
кислородопроницаемость трубы,
армированной перфорированной фольгой?»

Для полипропиленовых труб
ТЕВО technics.площадь перфорации мала и
составляет 2,8%.

Как мы указывали
ранее, кислородопроницаемость
неармированных полипропиленовых труб
ориентировочно равна 2 (г/м³*cут),
а разрешенная проницаемость составляет
0,1 (г/м³*cут).

Соответственно,
армированная перфорированной фольгой
PPR-труба имеет ориентировочную
кислородопроницаемость 0,056 (г/м³*cут),
что допустимо по СНиП 41-01-2003 п. 6.4.1.

Трубы
центрально армированные

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.

В зависимости от
соотношения внешнего диаметра трубы
и толщины ее стенки (SDR), труба PPR-AL-PPR
может иметь маркировку PN20 или PN25. Если
это соотношение равно 5, труба будет
иметь маркировку PN25; если SDR=6 – маркировку
PN20.

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, 3, 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 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 и 4).

Таким образом,
при монтаже труб с центральной армировкой
торцевание трубы является обязательной
операцией. К сожалению, проверить, была
ли осуществлена данная операция, в уже
смонтированной системе трубопровода
на основе труб c центральной армировкой
невозможно – приходится надеяться
лишь на добросовестность монтажника.
Чаще всего надежды не оправдываются,
поскольку большинство монтажников,
поверивших некорректным рекламным
лозунгам поставщиков и продавцов данной
продукции, искренне убеждены, что эта
труба не требует зачистки. Заметим, что
при использовании трубы типа Stabi
осуществить ее сварку с фитингом без
зачистки практически невозможно – по
крайней мере, качество монтажа легко
контролируется визуально. При монтаже
труб с центральной армировкой проблема
может быть решена путем применения в
процессе сварки специальных сварочных
насадок – тогда торцевание краев трубы
не является обязательным. К тому же
специальные насадки могут применяться
и при сварке обычных, неармированных
PPR-труб – соответственно, отпадает
необходимость в стандартных сварочных
насадках . А имея при себе только
специальные сварочные насадки, монтажник
не сможет, осуществить неправильный
монтаж трубы с центральным армированным
слоем.

На рис. 5 показаны
внешний вид специальной сварочной
насадки и ее принципиальное
изображение в разрезе. Конструкция
насадки разработана таким образом, что
прогреваются внешняя и внутренняя
поверхность трубы.
Без прогрева внутренней поверхности
трубы полипропилен может закрыть
алюминиевый слой, но с торцевой
поверхностью трубы диффузионно он не
сварится. Для успешной работы специальной
насадки в ее конструкции предусмотрено
отверстие для отвода воздуха находящегося
между трубой и насадкой при нагреве
трубы. Это отверстие также служит для
визуального контроля процесса разогрева
трубы.

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» (патент № 96 523 от 10.08.2022
г. «Сменный нагреватель»). Как видно из
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.

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

Особенности
трубы с центральной армировкой

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, то есть
SDR=6, и применять ее по соответствующей
серии s=2,5, сохранив для этой трубы
привычные гидравлические характеристики
традиционно армированной трубы PN25.

Тепловое
линейное расширение

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
(Кр), которые колеблются
в диапазоне 0,03–0,05мм/мК.

Кислородопроницаемость
труб с центральной армировкой

Как мы видели, при
неправильном монтаже разрушение трубы
с центральной армировкой происходит
по алюминиевому слою, причем с наибольшей
вероятностью в том месте, где края
алюминиевой фольги соединены «внахлест».
Чтобы избежать подобных дефектов, лучше
использовать трубу, при производстве
которой края алюминиевой фольги не
накладываются друг на друга и между
краями остается полоска трубы, не
закрытая алюминиевой фольгой (рис. 7).

Соответственно,
при расчете кислородопроницаемости к
посчитанной нами площади перфорации
добавляется площадь данной полоски.
Ее ширина (при разрешенной
кислородопроницаемости 0,1 г/м³*cут)
может составлять для DN20 – 1,5 мм, для
DN25 – 1,8 мм.

Кислородопроницаемость
и диаметр трубы

Как уже говорилось,
показатель кислородопроницаемости
полипропиленовых труб принят нами за
2 г/м³*cут..
Интересно рассмотреть зависимость
этого показателя от диаметра трубы,
используя понятие SDR.

Возьмем типовое уравнение
переноса. Будем считать, что временной
отрезок мал, длина трубы достаточно
мала, диффузия кислорода в воде от трубы
к центру значительно выше диффузии
через стенку, растворенного в воде
кислорода нет. Тогда

Q=D٠S٠dc/dR=
D٠3.14٠L
٠∆c
٠ln(SDR/(SDR-2)),

где, Q – поток
диффузионного кислорода,

D – кислородопроницаемость,

Dс – величина прироста
концентрации кислорода,

L –длина участка трубы,

S – площадь поверхности
трубы.

Отнеся диффузионный
поток кислорода через стенку к объему
воды в трубе (т.е. тому объему, в котором
данный кислород растворится), получим:

V=3.14/4 ٠
(DN-2٠
DN/SDR)²
٠L=
3.14/4 ٠DN²
٠(1-2/SDR)²
٠L

Q/V=4٠D٠∆с/DN²
٠ln
(SDR/(SDR-2))/ (1-2/SDR)²

Преобразуя
полученное уравнение и подставляя
SDR=6, получим зависимость диффузии
кислорода отнесенной к объему
неармированных труб PN20 в
зависимости от внешнего диаметра трубы
DN:

Q/V=3.6٠D٠∆с/DN²

Очевидно, что
чем больше диаметр трубы, тем ниже
концентрация добавленного кислорода
в воде и эта концентрация обратно
пропорциональна диметру трубы во второй
степени.

Данный результат еще раз
подтверждает ошибочность распространенного
утверждения: «Трубы малых диаметров
не обязательно армировать или защищать
теплоноситель от попадания в него
кислорода, так как потоком кислорода
сквозь стенку таких труб можно
пренебречь». Сторонники этой точки
зрения призывают не армировать алюминием
и не покрывать слоем AVOH ( антидиффузионный
слой для труб PEX) и PPR трубы малого
диаметра. Однако именно такие трубы,
стоят, например, перед стальными
панельными радиаторами (толщина стальной
стенки – 1,2 мм). Поэтому
армировать алюминием трубы малого и
большого диаметра для систем отопления
необходимо. Причем для
труб малого диаметра это правило более
важно, чем для труб
большого диаметра, где необходим расчет
и привязка к конкретной схеме применения.

Например, при D=2х10^-11
м²/с
(кислородопроницаемость полипропилена)
и ∆с_О2
MAX = 270 г/м³
(ориентировочное
содержание кослорода в атмосфере)

Q/V=1,9٠10^-8/DN²
(г/с٠м³)
или 1,6٠10^-3/DN²
(г/сутки٠м³)

для DN20мм, получим
в сутки 4 г/м³ кислорода
– иначе говоря, возможно образование
30 г ржавчины. В одном метре трубы DN20
PN20 ( SDR=6) содержится 2,2х10^-4
м³;
соответственно, через этот погонный
метр трубы в теплоноситель пройдет по
максимуму 8,8х10^-4 г/сут.
кислорода.

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).

В задачи данной статьи не
входит точный количественный анализ
кислородопроницаемости, однако
приведенный пример позволяет разрешить
часто задаваемый вопрос: «Сколько
кислорода пропускает пластиковая
труба? Много это или мало?» Думается,
нами был дан вполне конкретный ответ.
В заключение заметим, что на эту тему
написано немало содержательных работ,
но выводы
читателей или компаний, поставляющих
подобную продукцию на рынок, не всегда
соответствуют проведенному в этих
статьях анализу.