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.

Статья по теме:

Свойства полиэтилена, применяемого для изготовления труб и фитингов. В данной статье подробно описаны основные свойства полиэтилена  такие, как: плотность, стойкость к температурным и погодным воздействиям, прочность на растяжение, линейное расширение и так далее…

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).

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

Статья по теме:

Гидравлический расчет полиэтиленовых труб – формулы и графики. В данной статье даны формулы расчета потерь напора течения и скорость жидкости.

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.

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.