Что такое промышленные трубы из ПВХ и как они производятся?

Промышленные трубы ПВХ представляют собой жесткие термопластичные трубы, изготовленные из непластифицированного поливинилхлорида, разновидности ПВХ, не содержащей пластифицирующих добавок. Отсутствие пластификаторов отличает PVC-U от гибких ПВХ-материалов и придает ему стабильность размеров, химическую стойкость и механическую жесткость, необходимые для требовательных промышленных трубопроводов. Компаунд PVC-U производится путем смешивания смолы ПВХ с термостабилизаторами, модификаторами ударной вязкости, технологическими добавками, пигментами и наполнителями в точно контролируемых рецептурах, которые определяют конечные свойства трубы. Затем соединение обрабатывается с помощью двухшнековых экструдеров, которые плавят, гомогенизируют и проталкивают материал через трубную головку, образуя непрерывную трубку, которая затем калибруется, охлаждается в калибровочной ванне, разрезается на нужную длину и проверяется перед отправкой.

Параметры процесса экструзии — температура расплава, скорость шнека, геометрия матрицы и скорость охлаждения — тщательно контролируются, чтобы обеспечить постоянную толщину стенки, округлость и качество внутренней поверхности по всей длине трубы. Современные промышленные экструзионные линии для производства труб из ПВХ включают в себя поточное измерение толщины стенок с помощью ультразвуковых датчиков, системы автоматического контроля диаметра и программное обеспечение для статистического управления процессом, которое непрерывно контролирует параметры размеров и предупреждает операторов об отклонениях, прежде чем они приведут к получению продукта, не соответствующего техническим характеристикам. В результате получается труба с строго контролируемыми размерами, гладким внутренним отверстием, которое сводит к минимуму сопротивление потоку, а также стабильными свойствами механической и химической стойкости, что позволяет инженерам проектировать трубопроводные системы с уверенностью в долговременной эксплуатации материала.

Основные физико-механические свойства труб ПВХ-Н

Эксплуатационные характеристики промышленных труб из ПВХ в эксплуатации определяются набором физико-механических свойств, присущих непластифицированному ПВХ-материалу и процессу производства труб. Эти свойства должны быть поняты и оценены в соответствии с требованиями предполагаемого применения, прежде чем PVC-U будет выбран в качестве материала для труб.

• Прочность и жесткость: ПВХ-У имеет прочность на разрыв примерно от 50 до 60 МПа и относительно высокий модуль упругости около 3000 МПа, что делает его жестким материалом, устойчивым к деформации под внутренним давлением и внешними механическими нагрузками. Такая жесткость полезна для заглубленных труб, где трубы должны противостоять перекрывающим слоям почвы и нагрузкам от дорожного движения без значительных прогибов.
• Плотность и легкая конструкция: ПВХ-У имеет плотность примерно от 1400 до 1460 кг/м³ — примерно одну пятую плотности углеродистой стали. Этот малый вес значительно снижает затраты на установку, позволяя вручную перемещать трубы и фитинги во многих диапазонах размеров, где для стальных труб требуется механическое подъемное оборудование.
• Термические свойства и температурные ограничения: Температура стеклования ПВХ-У составляет около 80°С, при температуре, приближающейся к этому значению, материал начинает размягчаться и терять структурную целостность. Промышленные трубы из ПВХ обычно рассчитаны на непрерывную эксплуатацию при температуре жидкости до 60°C, при этом при повышенных температурах требуется снижение номинального давления. С другой стороны, PVC-U становится все более хрупким при температуре ниже 0°C, что необходимо учитывать при установке на открытом воздухе в условиях замерзания.
• Тепловое расширение: Коэффициент теплового расширения ПВХ-У составляет примерно 70 × 10⁻⁶/°C — примерно в шесть раз выше, чем у углеродистой стали. Это относительно высокое тепловое расширение означает, что надземные системы трубопроводов из ПВХ должны включать компенсационные петли, компенсаторы или фиксированные и направляемые опорные устройства, чтобы компенсировать изменения размеров, вызванные изменениями температуры в процессе эксплуатации.
• Гидравлические характеристики и характеристики потока: Гладкая внутренняя поверхность трубы из ПВХ-U имеет коэффициент шероховатости Мэннинга примерно 0,009 и коэффициент С Хазена-Вильямса 150, что является одним из лучших значений для любого материала трубы. Эта гидравлическая плавность приводит к меньшим потерям на трение, более высоким скоростям потока для заданного диаметра трубы и снижению затрат на энергию для перекачки по сравнению с системами трубопроводов из бетона, чугуна или корродированной стали эквивалентного диаметра.
• Электрические свойства: ПВХ-У — превосходный электроизолятор с высокой диэлектрической прочностью и объемным сопротивлением. Это свойство ценно в тех случаях, когда электролитическая коррозия металлических труб может вызывать беспокойство, а также означает, что трубы из ПВХ-U не требуют катодной защиты при подземной эксплуатации, что является значительным преимуществом в стоимости жизненного цикла по сравнению с заглубленными системами трубопроводов из стали или ковкого чугуна.

Химическая стойкость промышленных труб из ПВХ

Одной из наиболее убедительных причин для использования ПВХ в промышленных трубопроводах является его широкая устойчивость к широкому спектру агрессивных химикатов. ПВХ-У устойчив к большинству неорганических кислот, включая соляную кислоту, серную кислоту, фосфорную кислоту и азотную кислоту в умеренных концентрациях, а также к щелочам, солям, окислителям и многим органическим соединениям. Эта стойкость делает его пригодным для транспортировки технологических химикатов, кислотных стоков, соляных растворов и потоков промышленных сточных вод, которые могут быстро разъедать системы трубопроводов из углеродистой стали или даже из нержавеющей стали.

Однако PVC-U не является абсолютно химически стойким, и его ограничения должны быть тщательно проверены перед спецификацией. Он подвергается воздействию концентрированной серной кислоты с концентрацией выше примерно 70%, ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол и ксилол, хлорированных растворителей, включая метиленхлорид и трихлорэтилен, а также кетонов, таких как ацетон и МЭК. Эфиры, эфиры и некоторые полярные органические растворители также могут вызывать набухание или размягчение ПВХ-У. Для любого применения, включающего химические вещества, выходящие за рамки стандартного профиля стойкости, удельную химическую стойкость рассматриваемой марки ПВХ-U следует сверить с подробной таблицей химической стойкости, предоставленной производителем труб, с учетом концентрации, температуры и времени контакта химического вещества в эксплуатации.

Номинальные давления и стандарты размеров

Промышленные трубы из ПВХ классифицируются по номинальному давлению, которое определяет максимально допустимое рабочее давление воды при температуре 20°C, которое труба может выдерживать непрерывно и без сбоев. Номинальное давление определяется наружным диаметром трубы, толщиной стенки и долгосрочной гидростатической прочностью материала ПВХ-У. Взаимосвязь между этими параметрами выражается коэффициентом стандартных размеров (SDR), который представляет собой отношение наружного диаметра трубы к толщине ее стенки. Более низкие значения SDR указывают на более толстые стенки и более высокие номинальные значения давления для данного диаметра трубы.

В таблице ниже приведены наиболее распространенные классы SDR, используемые в промышленных системах труб из ПВХ, и соответствующие им номинальные значения давления при 20 °C:

Важно отметить, что номинальное давление труб из ПВХ значительно снижается при повышении температуры жидкости выше 20°C. При 40°C допустимое давление обычно снижается примерно до 75% от номинального значения 20°C, а при 60°C оно падает примерно до 50%. Эти коэффициенты снижения характеристик необходимо применять при проектировании систем, транспортирующих горячие технологические жидкости или работающих в условиях высокой температуры окружающей среды, чтобы гарантировать, что выбранная толщина стенки трубы обеспечивает достаточный запас прочности при фактической рабочей температуре.

Применимые международные стандарты для промышленных труб из ПВХ.

Промышленные трубы из ПВХ производятся и поставляются в соответствии с рядом национальных и международных стандартов на продукцию, которые определяют химический состав, механические свойства, допуски на размеры, испытания под давлением и требования к маркировке. Соблюдение применимого стандарта имеет важное значение для обеспечения того, чтобы труба работала так, как задумано, и отвечала требованиям проектных спецификаций, страховых полисов и нормативной базы. Наиболее широко упоминаемые стандарты включают в себя следующие:

• ИСО 1452: Основной международный стандарт для напорных труб из ПВХ для водоснабжения и общего промышленного использования. Он охватывает трубы диаметром от 12 мм до 630 мм и определяет требования к материалам, размерам, механическим свойствам и методам испытаний, включая испытания на гидростатическое давление и ударопрочность.
• EN 1329/EN 1401: Европейские стандарты, охватывающие трубы и фитинги из ПВХ-U для дренажа почвы, отходов и дождевой воды внутри зданий (EN 1329) и для подземного дренажа снаружи зданий (EN 1401). Эти стандарты определяют требования к материалам, размерам и характеристикам систем гравитационного дренажа.
• АСТМ Д1785: Американский стандарт для пластиковых труб из ПВХ классов 40, 80 и 120, охватывающий трубы для работы под давлением в системах водоснабжения и промышленных трубопроводных системах. ASTM D2241 охватывает трубы из ПВХ, рассчитанные на давление, с рейтингом SDR для эквивалентных применений в соответствии с американскими стандартами.
• БС 3505/БС 4346: Британские стандарты для напорных труб и фитингов из ПВХ, которые, хотя и были в значительной степени заменены стандартами EN и ISO на рынке Великобритании после гармонизации, по-прежнему используются во многих устаревших спецификациях проектов и на экспортных рынках, где британские инженерные стандарты все еще используются.
• ГБ/Т 10002: Китайский национальный стандарт для труб из ПВХ для водоснабжения, широко используемый во внутренних проектах Китая и все чаще упоминаемый в проектах на азиатских и африканских рынках, где применяются китайские стандарты проектирования и закупок.

Промышленное применение труб ПВХ-U

Сочетание химической стойкости, устойчивости к давлению, гидравлических характеристик, малого веса и конкурентоспособной стоимости делает промышленные трубы из ПВХ пригодными для широкого спектра технологических и инфраструктурных применений во многих отраслях.

Химическая обработка и производство

Химические заводы широко используют трубы из ПВХ для транспортировки разбавленных кислот, щелочей, растворов солей и водных технологических потоков между реакторами, резервуарами для хранения, скрубберами и установками очистки. Устойчивость материала к коррозии в этих средах устраняет необходимость в дорогостоящих трубах из стали или нержавеющей стали с футеровкой во многих условиях эксплуатации, а его гладкий канал сводит к минимуму риск загрязнения продукта продуктами коррозии труб. PVC-U особенно распространен на хлор-щелочных заводах, предприятиях по производству удобрений, гальванических цехах, а также в системах хранения и распределения кислоты, где агрессивный характер технологических химикатов может быстро уничтожить металлические альтернативы.

Очистка и распределение воды

ПВХ-У является одним из доминирующих материалов труб для водопроводов питьевой воды, систем промышленного водоснабжения и технологических трубопроводов водоочистных сооружений во всем мире. Его инертность к воде, отсутствие проблем с коррозией и образованием бугорков, от которых страдают стареющие металлические водопроводы, а также соответствие стандартам одобрения контакта с питьевой водой, таким как NSF/ANSI 61, делают его надежным долгосрочным выбором для инфраструктуры водоснабжения. На водоочистных станциях ПВХ-У используется в линиях дозирования химикатов, транспортирующих коагулянты, дезинфицирующие средства и химикаты для регулирования pH, а также в трубопроводах обратной промывки фильтров, линиях передачи осадка и распределительных коллекторах очищенной воды.

Системы промышленных сточных вод и сточных вод

Системы очистки промышленных сточных вод создают самые разнообразные потоки коррозионно-активных сточных вод, которые необходимо собирать, транспортировать и очищать перед сбросом. Трубы из ПВХ-U перекачивают кислотные сточные воды от операций по отделке металлов, потоки едких отходов от пищевой промышленности и операций по очистке, солевые сточные воды от опреснения и ионообменной регенерации, а также общие промышленные сточные воды, содержащие растворенные соли, тяжелые металлы и органические соединения. Устойчивость материала к биологическому загрязнению также делает его хорошо подходящим для долгосрочной эксплуатации в средах со сточными водами, где рост органических веществ на внутренних поверхностях труб увеличивает сопротивление потоку и требует периодической очистки.

Методы соединения промышленных трубных систем из ПВХ

Выбор метода соединения промышленных систем труб из ПВХ имеет существенное значение для целостности системы, скорости установки, доступа для технического обслуживания и долговечности. Основными доступными вариантами соединения являются соединение на основе растворителя, соединение с эластомерным уплотнением (нажимной посадкой), резьбовые соединения и фланцевые соединения.

Соединение цементом на основе растворителя, при котором клей на основе растворителя растворяется и соединяет поверхности труб и фитингов вместе, образуя однородное соединение, является наиболее распространенным методом для промышленных систем труб из ПВХ малого диаметра (до примерно 160 мм). При правильном изготовлении соединение достигает полного номинального давления в трубе и подходит для большинства условий эксплуатации в промышленных химикатах, хотя химическая стойкость самого клея на основе растворителя должна быть проверена для агрессивных химических применений. Эластомерное уплотнительное соединение с использованием резинового кольца, размещенного в раструбе фитинга или патрубка трубы, обеспечивает гибкое, герметичное соединение, компенсирующее незначительное угловое отклонение и тепловое перемещение, что является преимуществом при длинных заглубленных участках трубопровода и в системах, подверженных значительным колебаниям температуры. Фланцевые соединения используются в соединениях оборудования, клапанных станциях и там, где система требует периодической разборки для технического обслуживания или проверки, с использованием заглушек из ПВХ-U, опирающихся на стальные опорные кольца, чтобы обеспечить распределение нагрузки на болты, которое сами по себе фланцы из ПВХ-U не могут надежно выдержать при полном давлении в системе.