ПНД труба — процесс производства, применение, способы стыковки, монтаж

Можно с уверенностью утверждать, что полимерные трубопроводы с каждым годом все больше вытесняют стальные аналоги в различных сферах народного хозяйства и в быту. Из всех разновидностей пластиковых изделий наибольшее распространение получила ПНД труба.

Полиэтилен низкого давления (ПНД) благодаря своим физико-химическим и эксплуатационным параметрам лучше других материалов подходит для производства различных видов труб. В зависимости от технологии производства, выпускают несколько видов полиэтилена, причем материал последних разработок существенно превосходит по своим характеристикам ранее изготавливаемый.

Рис. 1 ПНД труба — виды и варианты изготовления

Материал трубы ПНД что это такое

Полиэтилен (ПЭ) — это органическое соединение из молекул этилена, полученное в результате процесса полимеризации.

Первичный полиэтилен — полупрозрачный порошок с низкой адгезией, способной размягчаться при нагревании свыше 80 °С. Основной показатель его характеристик — степень кристалличности, то есть отсутствие свободных связей и разветвлений в молекулярной решетке. Чем более она упорядочена структура, тем выше физико-химические характеристики полимера.

Основой технологического процесса производства ПНД-труб является экструзия — процесс выдавливания нагреваемого ПЭ сырья винтовым штоком через трубчатую форму определенного размера.

Рис. 2 Техпроцесс трубного производства экструзионным методом

Виды ПЭ и технологии его производства

Существуют два метода получения трубного полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) — суспензионный и газофазный.

По суспензионной технологии полимеризация проводится в среде органического растворителя (бензин, гексан) с добавлением катализаторов Циглера-Натты (хлористый титан, алкиды алюминия). Этилен подается снизу через барботер в цилиндрический реактор из нержавеющей стали, где происходит его растворение в бензине и превращение в сополимер.

При газофазном методе снизу в рабочую камеру компрессор одновременно нагнетает этилен или его сомономер вместе с водородом, бутиленом и пропиленом. Также в реактор подается катализатор, перемешанный с азотом. Полученный полиэтилен из нижней части резервуара отправляется в отделитель, далее происходит его продувка, стабилизация и грануляция.

Рис. 3 Марки ПНД по ГОСТ 16338-85

При производстве ПЭ наиболее распространенным суспензионным методом используются следующие технологии:

1. Полимеризация этиленового сырья в среде инициатора (кислород или пероксид) при повышенном давлении порядка 1500 — 3500 кгс/см2 и температурах 200 — 300 °С. Полученный ПЭ высокого давления (ПВД) низкой плотности (ПЭНП) из-за наличия в кристаллической решетке боковых углеводородных цепей имеет относительно низкую степень кристалличности в 50 — 60%.
2. Полимеризация этилена при невысоком давлении около 1 — 5 кгс/см2 и температуре 70 — 80 °С в каталитическом растворе. В итоге получают длинные и менее разветвленные макромолекулы со степенью кристалличности 75 — 85%. Полученный материал получил название ПЭ высокой плотности (ПЭВП) и низкого давления (ПЭНД, ПНД).
3. Полимеризация этиленовой массы под давлением в 30 — 40 кгс/см2 и температуре 100 – 120 °С в каталитическом растворе. Полученный компонент имеет степень кристалличности 80 — 90% и получил название полиэтилена высокой плотности среднего давления ПЭСД (ПСД).

Если рассмотреть технологию производства ПНД, становится очевидно, что такое получение ПЭ в сравнении с другими техпроцессами наиболее экономически выгодно и обеспечивает высокие характеристики выпускаемого термопластика. Это в немалой степени повлияло на ее распространение и лидирующее положение.

Рис. 4 Многослойные и однослойные ПЭ гофротрубы

Сферы применения ПЭ труб

Трубы из полиэтилена низкого давления выпускают двух видов — непосредственно из самого полиэтилена и в комбинации с другими пластиками (ПВД, ПП) или сталью. Основные сферы применения ПЭ-трубопроводов:

Подача холодной питьевой воды. Данные трубопроводы широко используют в коммунальном и бытовом хозяйстве. Выпущенные из чистого первичного ПЭ-трубы имеют синюю продольную полоску на маркировке.

Транспортировка газа. Подземные трубопроводы из ПЭ разных диаметров повсеместно используются для газоподачи. Газовые трубы помечают желтой полоской на внешней стороне. Подробнее про газовые ПНД трубы!

Дренаж и безнапорные канализационные сети. В народном и дорожном хозяйстве при укладке безнапорных канализационных и дренажных коммуникаций для значительных объемов транспортируемой среды используют трубопроводы больших диаметров, усиленные кольцевыми ребрами жесткости из стали. Обычно гофротрубы имеют две оболочки, а основным материалом их изготовления служит полиэтилен. Подробнее про дренажные трубы!

Напорные канализационные сети. Также при прокладке канализационных сетей с большим объемом транспортируемой жидкости используют ПНД трубы.

Электрические сети. Здесь, как правило, используют техническую ПНД трубу, как оболочку для защиты кабеля от внешних природных и физических воздействий. Такая труба производится с добавлением вторичного сырья по ТУ, имеет черный цвет и никак не маркируется.

Рис. 5 ПНД труба дренажная с перфорацией

Комбинированные ПЭ-трубы с внутренней полипропиленовой (ПП) оболочкой используются для транспортировки горячих стоков и агрессивных химических сред от предприятий.

В системах горячего водоснабжения, отопительных сетях, незаменимы трубы с низкой теплопроводностью в пенополиуретановой изоляции (ППУ), транспортирующие высокотемпературную рабочую среду. Их внешней оболочкой выступают оцинкованная сталь или полиэтилен.

Гофрированная однослойная и двухслойная труба ПНД используется для прокладки кабельных сетей, ее выпускают красной, черной и синей окраски.

Из двухслойных ПНД-труб большого диаметра со стальным армированием монтируют дренажные и смотровые пластиковые колодцы.

ПНД-трубы незаменимы при реновации, когда взамен или внутрь изношенной трубопроводной магистрали помещают полимерной трубопровод.

Так же полиэтиленовые трубы низкого давления применяют в ряде других сфер — в сельском хозяйстве для орошения земельных участков, в быту для капельного полива, дренажа (зеленые, черные гофрированные ПЭ-трубы).

Читайте также:  Как организовать водоснабжение частного дома из колодца

Рис. 6 Параметры некоторых марок суспензионного ПЭ по ГОСТ 16338-85

Марки ПНД

Производят 10 марок суспензионного и 20 газофазного ПНД, по ГОСТ 16338-85 они обозначаются цифровой символикой, описание которой приведено в указанном документе.

Обозначение марки ПЭ по ГОСТ 16338-85 состоит из ряда цифровых символов и расшифровывается по порядковым номерам следующим образом:

— наименование пластика, полиэтилен;

1 – цифра, 2 — означает, что процесс поляризации осуществлялся при низком давлении на катализаторах;

2, 3 — номер марки;

4 — степень гомогенизации, ставится 0, если ПНД подвергался холодному смешению;

5 — числовой показатель класса плотности:

6) — 0,931-0,939 г/см

7) — 0,940-0,947 г/см

8) — 0,948-0,959 г/см

9) — 0,960-0,970 г/см

цифры после тире означают 10-кратную среднюю текучесть ПЭ.

По степени кристалличности различают марки полиэтилена ПЭ 32, ПЭ 63, ПЭ 80, ПЭ 100. Наилучшими физическими и химическими параметрами обладает ПЭ 100, и соответственно наихудшими характеристиками ПЭ 32.

В наше время все заводы перешли на выпуск ПНД труб только из полиэтилена марки ПЭ100, так как это наиболее качественный полиэтилен, тем более, что многие заводы в своем производстве используют импортное сырье, а за рубежом уже давно перешли на полиэтилен ПЭ100.

Рис. 7 Технические характеристики некоторых марок газофазного ПЭ по ГОСТ 16338-85

ПНД труба — технические и эксплуатационные параметры

Технические условия на напорные трубы из ПНД приведены в ГОСТ 18599-2001, его основные положения:

1. Допустимая температура рабочей среды от 0 до + 40 °С, при этом стандартным считают показатель в + 20 °С.
2. Номинальное давление до 25 бар, соответствует максимальному напору, при котором ПНД-труба может эксплуатироваться полный срок службы при условии транспортирования рабочей среды с температурой + 20 °С.
3. ПНД-трубы выпускают на номинальные давления PN 2,5, 3,2, 4, 5, 6,3, 8, 10, 12,5, 16, 20, 25 бар (атмосфер).
4. Стандарт применим для труб из полиэтилена:
   — с маркировочными полосками;
   — с соэкструзированными слоями изнутри и снаружи;
   — с дополнительной внешней оболочкой.
5.  В госстандарте рассматриваются размерные параметры ПНД-труб, изготовленных из полиэтиленов марок ПЭ-32, ПЭ-63, ПЭ-80, ПЭ-100. Их номинальный диаметр лежит в диапазоне от 10 до 2000 мм.
   Рис. 8 Размерные и напорные параметры ПЭ-труб для некоторых показателей SDR по ГОСТ 18599-2001
6. Толщина стенки зависит от размеров изделия и его напорных характеристик, в трубах диаметром 2000 мм она доходит до 118,5. Минимальная толщина стенки ПЭ-труб — 2 мм.

5. Одна из важных характеристик ПЭ-трубы — размерное соотношение ее диаметра к толщине стенки SDR. Оно лежит в диапазоне от 2,5 до 41 до и напрямую связано с серией труб S по формуле: S = (SDR — 1) / 2.
6. ПНД-трубы выпускают в прямых отрезках (диаметр 180 мм и больше), на катушках и в бухтах. Длина отрезков 5 — 24 м.

Прочие эксплуатационные характеристики ПЭ-труб:

Эксплуатационный срок ПНД-труб — не менее 50 лет.

Благодаря высокой гибкости и эластичности ПНД магистрали в меньшей степени подвержены гидроударам в сравнении со стальными.

Их гладкие внутренние стенки обладает низким гидравлическим сопротивлением, не подвержены процессам гниения и коррозии.

Полиэтилен химически нейтрален и может длительное время эксплуатироваться в агрессивной среде.

Довольно низкий коэффициент теплопроводности ПЭ порядка 0,32 Вт/м·°К препятствует промерзанию ПНД-труб зимой и позволяет уменьшить глубину их залегания.

Нижний температурный порог эксплуатации ПНД-труб составляет – 60 °С, это вместе с их гибкостью и эластичностью препятствует разрыву оболочки при образовании внутри льда.

Первичный ПНД — экологически чистый материал, предназначенный для транспортирования питьевой воды, иных пищевых компонентов.

К недостаткам ПНД-труб помимо низкого верхнего температурного порога следует отнести их слабую устойчивость к солнечному излучению. Это учитывают при эксплуатации, отдавая предпочтение подземной прокладке ПНД трубопроводов.

Для борьбы с ультрафиолетом в состав вводят стабилизаторы, сажу, красители, в результате получают черные и цветные оболочки.

Рис. 9 Стыковая сварка ПНД труб

Методы соединения

ПНД труба благодаря особенностям материала хорошо сваривается между собой за счет взаимной диффузии. Относительно толстые и пластичные стенки труб отлично подходят для компрессионного соединения фитингами. В зависимости от размеров (наружного диаметра и толщины стенки) используют следующие технологии стыковки ПНД трубопроводов:

50 — 2000 мм — торцевая сварка. Для реализации сварки используется специальные крупногабаритные установки, в которых производят выравнивание торцов, обрезая неровные участки, и сварку. Для сваривания используются крупногабаритные диски, которые помещают между сдвинутыми под давлением трубными торцами. После расплавления кромок диск убирают, а расплавленное концы совмещают. Сварке подвергают изделия, толщина стенки которых не менее 5 мм.

Рис. 10 Применение электросварных муфт

16 — 1600 мм — электросварные фитинги, в перечень которых входят муфты, отводы, тройники, седелки,  изготавливают фитинги из полиэтилена марки ПЭ100, внутрь помещается нагревательная спираль. Муфту или отвод одевают на сдвинутые вместе трубы и по специальному электронному прибору подают на нагревательную нить напряжение. Режим работы и сила тока задаются автоматически после считывания прибором штрих-кода на корпусе муфты. Нагретая спираль расплавляет полиэтилен трубы и фитинга, и после его взаимной диффузии образуется прочное и надежное соединение. Подробнее о электросварных фитингах!

110 — 2000 — раструбное, муфтовое. Технология используется для соединения канализационных гофротруб брендов Корсис, Прагма и аналогичных. Для их состыковки применяют уплотнительные резиновые кольца, которые одевают на прямой участок ПЭ-трубы, а затем под давлением загоняют в раструб другой. Если используют безраструбовое соединение, на два трубных конца натягивают стыковочную муфту с уплотнительными кольцевыми прокладками. Раструбное соединение со встроенными уплотнителями применяют также при монтаже безнапорных кабельных и дренажных трубопроводов небольших диаметров в 110 и 160 мм.

Читайте также:  Сварка оцинкованных труб в бытовых условиях — способы и методы

Рис. 11 Примеры раструбного соединения крупногабаритных гофротруб

63 — 1600 — фланцевые соединения. Этот способ монтажа в основном используется при стыковке ПНД труб с запорной арматурой или при переходе с пластиковой трубы на стальную, но иногда отрезки труб больших диаметров выпускают с уже приваренными на заводе буртами (втулками) и заранее установленными прижимными фланцами. При монтаже прижимными фланцами трубные торцы стыкуют между собой и скрепляют болтами с гайками. Подробнее о фланцевом соединении!

20 — 110 мм — компрессионные фитинги или еще их называют обжимные. Такие фитинги прижимаются к трубе специальной накидной гайкой (цангой), которая имеет на своей внутренней стороне специальные риски, которые, при затягивании обжимной гайки, врезаются в трубу и не дают ей выскочить из фитинга при эксплуатации трубопровода.

Компрессионные фитинги нашли широкое применение в индивидуальном водоснабжении. С их помощью монтируют водопроводную магистраль из ПНД-труб от скважинного электронасоса до входа в дом, а также при устройстве систем полива огорода на даче и в частном доме.

Рис. 12 Соединения фланцевое и компрессионное

Прокладка в земле – основные правила

ПНД трубы выпускают двумя способами, диаметром от 20 до 110 мм в бухтах по 100 и 200 метров, трубы диаметром от 110 до 1200 мм в отрезках по 12 — 13 метров (отдельно по согласованию с заводом изготовителем можно заказать трубы диаметром от 63  до 90 мм тоже в отрезках).

В зависимости от диаметра и форме выпуска труб их прокладывают также двумя способами. Если труба в бухте, ее сразу укладывают на подготовленное дно траншеи. Если труба в отрезках, то ее сначала раскладывают вдоль траншеи, затем стыкуют, одним из описанных выше способом, а уже затем кладут готовую плеть на дно траншеи.

За границей для укладки ПЭ магистралей используют специальные передвижные установки. На них помешают бобину с намотанной ПНД-трубой, установку тащит за собой грузовик. Трубоукладчик специальным плугом прорезает в грунте канал, укладывает трубопровод и сразу засыпает землей (принцип работы кабелеукладчика). Понятно, что производительность такой установки в разы превышает другие механические методы, связанные с рытьем канав тяжелой спецтехникой.

При укладке ПНД магистралей рекомендуется соблюдать следующие правила:

Благодаря большой длине, гибкости и эластичности ПНД-труб все операции по их стыковке проводят наверху, после чего трубопровод опускают в траншею. Благодаря этому габаритные размеры канавы не столь велики.

Дно траншей должно быть ровным, без валунов и камней. При очень рыхлых грунтах его утрамбовывают.

Если велика вероятность вымывания почвы из-под магистрали, на дно и стенки канала укладывают геотекстильное полотно.

Рис. 13 Схема траншейной укладки ПЭ-трубопровода

Расстояние между трубной оболочкой и стенками траншеи зависит от ее диаметра и берется равным не менее 200 мм для трубных изделий размером до 225 мм. Для крупногабаритных трубопроводов диаметрами около 1200 мм боковое расстояние принимают равным не менее 500 мм.

Под трубопроводом должна находиться песчаная подушка толщиной 100 — 150 мм и шире его не менее, чем на 200 мм.

Радиус загиба трубы при укладке зависит от SDR и примерно составляет 25 ее диаметров при средней температуре среды, и 35 в условиях низких наружных температур.

Глубина залегания трубопроводной магистрали зависит от условий эксплуатации (наружной нагрузки) и физической прочности труб (напорных параметров).

Рис. 14 Траншейная прокладка ПНД магистрали

Маркировка ПНД труб

По ГОСТ 18599-2001 аббревиатура условного обозначения ПЭ-труб включает в себя следующие символы по порядку:

слово – труба;

марка полиэтилена из ряда ПЭ-32, ПЭ-63, ПЭ-80, ПЭ-100;

размерное соотношение SDR;

после символа тире указывают номинальный внешний диаметр и толщину оболочки;

назначение, пишут слово питьевая или техническая;

госстандарт, обычно ставят ГОСТ 18599-2001.

Пример обозначения, расшифровка которого приведена выше:

Труба ПЭ 63 SDR 17 — 50х2,9 питьевая ГОСТ 18599-2001

Рис. 15 Стоимость 1 погонного метра популярных 32 мм ПНД-труб

ПНД труба благодаря своим физико-химическим параметрам широко применяется при прокладке различного типа трубопроводных магистралей в промышленной сфере и бытовом хозяйстве.

При их монтаже используются как промышленные технологии сварки, фланцы и патрубки с уплотнительными кольцами для соединения трубных участков, так и доступные обычному потребителю легко монтируемые компрессионные фитинги.