Соединение полимерных трубопроводов.
Склеивание труб из непластифицированного поливинилхлорида

А. А. Отставнов, почетный строитель Москвы, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ГУП «НИИ Мосстрой»

 

В настоящее время из всего многообразия полимерных труб наибольшее применение во всем мире находят трубы из непластифицированного поливинилхлорида (НПВХ). В Российской Федерации такие трубы выпускаются по Техническим условиям ГОСТ Р 51613-2000 «Трубы из непластифицированного поливинилхлорида». Они предназначены для устройства трубопроводов, транспортирующих воду, в том числе для хозяйственно-питьевого водоснабжения, при температуре от 0 до 45°С. Номинальный наружный диаметр труб из НПВХ 100 (коэффициент запаса 2,5) составляет 10–315 мм и из НПВХ 125 (коэффициент запаса 2,0) – 110–315 мм.

Согласно указанному ГОСТу собирать трубы между собой следует посредством раструбных соединений: при диаметре 63–315 мм с использованием уплотнительных колец, а при диаметре 10–160 мм – клея, выпускаемого по ТУ 2252-049-00203536-98 (клей для соединения труб и соединительных деталей). К сожалению, как выполнять эти соединения в ГОСТе не сообщается.

Некоторые рекомендации по склеиванию имеются в Своде правил по проектированию и монтажу полимерных трубопроводов [1]. Они таковы: «7.3.16. Склеиваемые поверхности должны проходить специальную механическую обработку, обезжириваться, покрываться клеем. 7.3.17. Состав клея или его марка должны соответствовать материалу трубопровода. 7.3.18. Конфигурация и размеры клеевых соединений должны выполняться по специальным регламентам с учетом используемых труб, срока службы и технологии выполнения монтажных работ. 7.3.19. В регламенте должна указываться технология склеивания, включающая технологические процессы подготовки поверхности, а при необходимости приготовление самого клея, собственно самого процесса склеивания, время до испытания соединения с указанием необходимых параметров».

Как видно из приведенной выдержки, в СП 40-102-2000 – обобщенные рекомендации. Они распространяются на различные полимеры как на термопласты (к ним и принадлежит НПВХ), так и на термореактопласты (имелись в виду стеклобазальтопластиковые трубы). И это естественно. Ведь при разработке этого норматива с общими требованиями исходили из того, чтобы конкретные рекомендации приводить в конкретных Сводах правил. Например, в таких, как Свод правил по проектированию и монтажу систем внутреннего холодного водоснабжения из НПВХ труб или Свод правил по проектированию и монтажу внутренних водостоков из НПВХ труб и т. п.

Таблица

Труба, мм Раструб, мм Dн и +sд S и +sр для максимального рабочего давления, МПа (SDR) Dр и -sр р а 0,5 (41) 0,63 (33) 0,8 (26) 1,0 (21) 1,25 (17) 1,6 (13,6) 10 0,3 - - - - - - - - - - 1,5 0,4 10,3 0,2 28 2 12 0,3 - - - - - - - - - - 1,5 0,4 12,3 0,2 28 2 16 0,3 - - - - - - - - - - 1,5 0,4 16,3 0,2 28 2 20 0,3 - - - - - - - - - - 1,5 0,4 20,3 0,2 32 3 25 0,3 - - - - - - - - 1,5 0,4 1,9 0,4 25,3 0,2 32 3 32 0,3 - - - - - - 1,6 0,4 1,9 0,4 2,4 0,5 32,3 0,2 32 3 40 0,3 - - 1,5 0,4 1,6 0,4 1,9 0,4 2,4 0,5 3,0 0,6 40,3 0,2 40 4 50 0,3 - - 1,6 0,4 2,0 0,5 2,4 0,5 3,0 0,6 3,7 0,6 50,3 0,2 50 5 63 0,3 1,6 0,4 2,0 0,5 2,5 0,5 3,0 0,6 3,8 0,6 4,7 0,7 63,3 0,2 63 6 75 0,3 1,9 0,4 2,3 0,5 2,9 0,5 3,6 0,6 4,5 0,7 5,6 0,8 75,3 0,2 70 7 90 0,3 2,2 0,5 2,8 0,5 3,5 0,6 4,3 0,7 5,4 0,8 6,7 0,9 90,3 0,2 79 8 110 0,4 2,7 0,5 3,4 0,6 4,2 0,7 5,3 0,8 6,6 0,9 8,1 1,1 110,3 0,2 91 10 125 0,4 3,1 0,6 3,9 0,6 4,8 0,7 6,0 0,8 7,4 1,0 9,2 1,2 125,3 0,2 100 11 140 0,5 3,5 0,6 4,3 0,7 5,4 0,8 6,7 0,9 8,3 1,1 10,3 1,3 140,3 0,3 109 12 160 0,5 4,0 0,7 4,9 0,7 6,2 0,9 7,7 1,0 9,5 1,2 11,8 1,4 160,3 0,3 121 14

К сожалению, работа над конкретными Сводами правил находится в начальной стадии либо еще не начиналась вообще. Поэтому воспользоваться рекомендациями общего характера при склеивании труб из НПВХ будет весьма непросто. Автор этой работы непосредственно сам склеил и произвел комплексные испытания около 3 000 соединений трубных образцов из эмульсионных и суспензионных марок НПВХ 40, НВПХ 60 и НПВХ 100 диаметром 20–250 мм. Некоторые результаты указанных испытаний нашли свое отражение в справочниках [2, 3].

Рассмотрение некоторых вопросов склеивания с учетом особенностей труб из суспензионного НПВХ 100 и НПВХ 125 (табл.) в этой связи может представить определенный интерес.

Одним из основных требований, которым должны удовлетворять клеевые соединения, является обеспечение ими равнопрочности основному материалу труб при действии на трубопровод осевых нагрузок.

Это требование может быть выполнено при соблюдении условий выражения

K_зкс s_сд ≥ s_м s, (1)

где K_зкс – коэффициент запаса прочности клеевого соединения. Его можно принимать равным 1,00; 0,95; 0,90; 0,85; 0,80 и 0,75 для SDR (отношение наружного диаметра трубы D_н к толщине стенки s труб, см. табл.) – 41, 33, 26, 21, 17 и 13,6 соответственно;

s_сд – разрушающие напряжения сдвига клеевого шва, МПа;

s_м – прочность НПВХ, МПа;

l – длина клеевого шва, м.

Казалось бы, что длина клеевого шва должна равняться монтажной (длине раструба, см. табл.). Однако, к сожалению, это не так. Длина клеевого шва, которая эффективно воспринимает сдвиговые нагрузки, в силу специфики нахлесточных клеевых соединений будет, по-видимому, меньшей. Она может быть представлена в неявном виде следующим выражением:

(2)

где E – прочность и модуль упругости НПВХ, МПа;

G_к и s_к – модуль сдвига, МПа, и толщина клеевой прослойки, м;

ln – знак натурального логарифма;

sh и ch – знаки гиперболических синуса и косинуса.

Значения s_м приводятся в ТУ – кратковременные 49 и длительные 10 (для НПВХ 100) и 12,5 (для НПВХ 125). К сожалению, значений других параметров в ТУ не приводится.

Принятие значения модуля упругости E на уровне инженерной надежности по литературным данным не связано с большими сложностями, т. к. его температурно-временное поведение для НПВХ хорошо изучено.

Что касается разрушающих напряжений s_сд, модуля сдвига G_к и толщины d_к, клеевой прослойки, то их значения зависят от множества факторов.

То что качество клеевого соединения в первую очередь определяется видом используемого клея (типом растворителя, содержанием смолы и наполнителей и т. п.) и его качеством, это очевидно. В ТУ на трубы из НПВХ приводится ссылка на ТУ 2252-049-00203536-98 «Клей для соединения труб и соединительных деталей». К сожалению, клей по указанным ТУ в Российской Федерации в настоящее время серийно не производиться. В этой связи может потребоваться использование для склеивания труб из НПВХ других клеев. Каких именно, в ТУ на трубы таких сведений нет.

Выбор клея имеет важное значение. На прочность склеивания влияет ингредиентный состав клеевой композиции, который вследствие улетучивания растворителя из клея может все время меняться.

Например, если средние показатели s_сд у соединений, выполненных на клеях, имеющих в своем составе перхлорвиниловую смолу (7–25%), практически одинаковые – около 9 МПа (рис. 1, кривая 1), то разброс отдельных показателей s_сд различается.

Так, у соединений, склеенных клеями с М_с = 15%, коэффициенты вариации этих показателей меньше в среднем в 1,4 раза, чем у соединений на клеях с М_с = 7 или 25%. Больший разброс показателей прочности для клеев с меньшими показателями Мс объясняется большей чувствительностью соединений на таких клеях к плотности сопряжения склеиваемых поверхностей. Больший разброс s_сд для больших показателей М_с объясняется увеличением скорости набирания клеем вязкости, когда становится значительно труднее обеспечить равномерный клеевой слой на поверхностях склеивания.

На прочность клеевых соединений существенное влияние оказывает обработка поверхностей с целью придания им определенной шероховатости. Это позволяет увеличить показатели s_сд примерно на 30% по отношению к необработанным (рис. 2).

За счет правильной обработки удается также уменьшить разброс показателей прочности. Наиболее высокие показатели прочности и надежности стыков обеспечиваются при абразивных зернах с №№ 10–16. Влияние шероховатости поверхностей на прочность клеевых соединений объясняется следующими факторами. Шероховатость улучшает условия смачивания поверхностей клеем. При шероховании с поверхностей удаляются посторонние вещества (например, окисная пленка), которые обладают меньшим сцеплением с клеем и с НПВХ, чем сцепление клея с НПВХ. Качество шерохования, форма и размеры неровностей на поверхностях труб и раструбов, определяется в основном крупностью абразивного зерна. Замечено, что профиль у необработанных поверхностей состоит из отдельных, простых по очертанию выступов и впадин. При шероховании же поверхностей прослеживается четкая тенденция к усложнению профиля, возрастанию числа вторичных неровностей, увеличению углов наклона составляющих профиля и высоты неровностей с ростом крупности зерна. Наклон средней линии профиля к поверхности трубы при зернистости до № 16 не превышает 1,5°. Развитие площади поверхности достигает 10,7%. При дальнейшем увеличении крупности зерна начинают появляться, а затем и преобладают участки с первоначальными неровностями. При большей зернистости развитие площади поверхности при этом существенно снижается (при крупности зерна № 40 она составляет 1%), угол увеличивается, что свидетельствует о появлении крупных впадин и выступов. При крупности зерна № 40 и выше появляются неровности, высота которых достигает сотен мкм. Для тонкостенных труб высота неровностей (в виде царапин) может достигать 8–10% от толщины их стенок. При расположении вдоль продольной оси они могут существенно влиять на долговременную прочность напорных труб. Применение абразивов с крупностью зерен № 25 использовать не целесообразно, а с № 40 и выше вообще не допустимо.

На прочность и надежность клеевых соединений влияет обезжиривание склеиваемых поверхностей, т. е. их обработка перед склеиванием ацетоном, метиленхлоридом либо каким-то другим органическим растворителем. Так, обезжиривание в течение 45–50 с позволяет получить клеевое соединение с прочностью на 10% большей, чем у соединения, в котором обезжиривание не производилось, Т_ор = 0 (рис. 3).

Вроде бы, это не существенно для s_сд, зато коэффициент вариации его показателей у соединений с обезжиренными в 2 раза меньше, чем у соединений с необезжиренными поверхностями. Продолжительное обезжиривание идет во вред клеевому соединению. Например, обезжиривание свыше 5 мин. приводит к снижению показателей s_сд до 30%.

Что касается толщины клеевой прослойки d_к, то она практически равна величине зазора

d_з = 0,5 (D_р – D_н), (3)

где D_р и D_н – внутренний и наружный диаметры раструба одной трубы и гладкого конца другой, мм.

Расчеты показывают, что трубы из НВПХ (табл.) будут иметь максимальные зазоры 0,15 мм (для труб с D_н = 10–125 мм) и 0,2 (для труб с D_н = 140–160 мм).

При натяге D_н, т. е. когда D_р < D_н, (D_н = 0,1 мм для труб с D_н = 10–125 мм и 0,15 мм для труб с D_н = 140–160 мм), d_к = 0,1 мм.

Толщина клеевой прослойки существенно влияет на прочность соединения. Так, при склеивании труб из НПВХ диаметром 20 мм 15% раствором перхлорвиниловой смолы в слабых растворителях метиленхлориде или в дихлорэтане получаем разрушающие напряжения сдвига s_сд, при зазоре d_з = 0,3 мм, судя по нижней границе доверительного интервала (рис. 4, кривая 2), в 2 раза меньшие, чем при нулевом зазоре.

Влияние натяга в клеевом соединении значительно меньше. Объясняется это, по-видимому, тем, что более толстые клеевые прослойки имеют большие внутренние напряжения, которые оказывают соответствующее негативное влияние на показатели s_сд.

На прочность клеевых соединений влияет технологическая пауза (промежуток времени между завершением нанесения клея на поверхности и полным их сопряжением). Особенно заметно ее влияние при склеивании соединений клеями на слабых растворителях (рис. 5, кривая 1), когда уже при Т_п = 1,0 мин. происходит снижение прочности в 2 раза по отношению к Т_тп = 0,2 мин.

Влияние продолжительности технологической паузы на клеи с содержанием сильных растворителей менее заметно. Так, при использовании для склеивания клея с 10% содержанием циклогексанона (рис. 5, кривая 3) даже при технологической паузе в 2 раза большей (Т_п = 2 мин.) показатель s_сд снижается всего на 30%. Увеличение содержания циклогексанона в клее приводит к общему понижению показателей прочности (рис. 5, кривая 2).

Род растворителя, как и консистенция клея, слабо влияет на конечную прочность соединений. Это следует из графиков (рис. 6).

Соединения, независимо от того, с помощью какого клея произведено склеивание, через 20–30 сут. приобретают практически одинаковую прочность. Очевидно, что влияние интенсивности реологических процессов, зависящих от рода растворителей и скорости их улетучивания, существенным образом сказываются только в первоначальный период отверждения. Через 8–10 сут. прочность соединений относительно стабилизируется при применении всех типов растворителей, хотя в дальнейшем еще в течение 40–50 сут. происходит некоторое увеличение прочности. Это объясняется тем, что процесс удаления остатков растворителя протекает очень медленно и может продолжаться длительное время с постепенным увеличением прочности соединений, примерно на 15–20% за 5 лет (рис. 7).

Значительное влияние на рост прочности клеевых соединений оказывает характер воздействия на них тепловой энергии не только при склеивании, но и при последующем их отверждении. Это выражается в продолжительности нахождения клеевых соединений при конкретных температурах окружающей среды.

Как видно из графиков (рис. 8 и 9), температура решающим образом сказывается на прочности соединений.

Так, через 2 ч и 1 сут. отверждение образцов при температуре -2°С прочность соединений в 2 раза ниже, а через 8 сут. – на 60% ниже, чем у образцов, отверждавшихся при нормальной температуре. Во всем диапазоне температур наблюдается рост прочности соединений во времени, однако чем ниже температура, тем ниже скорость набирания прочности. Причем в области отрицательных температур различия в показателях прочности весьма незначительны (рис. 8). Уже при небольших плюсовых температурах наблюдается заметное возрастание прочности. Так, при 5°С через сутки отверждения прочность соединений соответствует 5–7 часовой, а через 8 сут. – суточной прочности соединений, отверждавшихся при нормальной температуре. К тому же рост прочности продолжается, благодаря тому что из клеевого шва улетучивается растворитель.

Процесс удаления из клеевой прослойки остатков растворителя и при нормальной температуре протекает достаточно вяло, свидетельством чему является небольшое увеличение прочности соединений при их выдержке даже более 2 недель (рис. 10).

Как видно из графиков, прочность соединений при повышенной температуре их отверждения, при которой ускоряется удаление из клеевого шва остатков растворителя, существенно увеличивается. Причем если скорость увеличения прочности при применении клея на смеси циклогексанона с метиленхлоридом при нормальной температуре ниже, чем для клея на метиленхлориде, то при температуре 55°С прочность для обоих видов соединений выравнивается.

При выдержке соединений, склеенных и отвержденных при отрицательной температуре, в течение определенного времени в условиях термостатирования при нормальной температуре происходит доотверждение клеевых швов (рис. 11).

Причем чем быстрее после склеивания начинается это доотверждение, тем интенсивнее происходит рост прочности и тем выше ее величина. Так, соединения, отверждение которых началось через 3 дня после склеивания при температуре -10–15°С, набрали практически максимальную свою прочность уже через 30 ч доотверждения (рис. 11, кривая 1). В то же время соединения, отверждение которых началось через 80 дней после склеивания при той же температуре, не набрали своей максимальной прочности даже через 450 ч доотверждения (рис. 11, кривая 6).

Доотверждение клеевых соединений происходит и в атмосферных условиях (рис. 12), когда происходит изменение температуры и погоды.

Исследуемые образцы были склеены в середине января при температуре -12°С и затем находились на открытом воздухе вне зоны прямого воздействия осадков и солнечной радиации. Как видно из графиков, прочность нарастала в зимние месяцы весьма медленно, а к началу лета достигла почти 80% (рис. 12, кривая 2) от прочности контрольных образцов (рис. 12, кривая 1).

На прочность соединения влияет то, каковы условия его склеивания. Как видно из графиков (рис. 13, кривая 2), если соединения склеены и находились при нормальной температуре сутки, то в дальнейшем даже их прочность в течение 2 месяцев приближается к прочности соединений, постоянно находящихся в нормальных условиях (рис. 13, кривая 1).

Если такие же соединения находились при нормальной температуре не более 2 ч, то, очевидно, в дальнейшем при отрицательной температуре их прочность (рис. 13, кривая 3) не достигнет прочности соединений, постоянно находящихся в нормальных условиях. Существенно и то, при какой температуре находятся соединения после склеивания. Например, соединения, склеенные и отвержденные в течение 2 ч при температуре 5°С и набравшие прочность s_сд = 4 МПа, в течение последующих 200 ч могут приобрести прочность 10,5 (рис. 14, кривая 1) либо 8 МПа (рис. 14, кривая 2) в зависимости от того, при какой температуре они будут доотверждаться.

На s_сд при температурах выше нормальных (рис. 15), существенное влияние оказывает время (рис.16) как отверждения, так и доотверждения клеевых соединений.

Как видно из графиков (рис. 15), суточная прочность соединений, полученных при нормальных условиях (кривая 1, температура 20°С), достигается практически уже через 15 мин при температуре 60°С (кривая 5).

Суточное нахождение соединений при такой же температуре (65°С) приводит к достижению ими за сутки прочности (рис. 16, кривая 1) в 2 с лишним раза большей, чем у соединений с нормальными условиями склеивания и отверждения (рис. 15, кривая 1, температура 20°С).

В заключение следует отметить, что в отсутствии Сводов правил по использованию труб из НПВХ 100 и НПВХ 125 приведенные данные по клеевым соединениям могут оказаться полезными для выбора клеев и качественного производства работ по склеиванию трубопроводов внутренних санитарно-технических систем.

Литература

1. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования. СП 40-102–2000. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2001. 28 с.

2. Ромейко В. С., Алескер Я. Б., Отставнов А. А. и др. Справочные материалы. Пластмассовые трубы в строительстве. Ч. 1. Трубы и детали трубопроводов. Проектирование трубопроводов. М.: ВАЛАНГ, 1997. 193 с.

3. Ромейко В. С., Алескер Я. Б., Отставнов А. А. и др. Справочные материалы. Пластмассовые трубы в строительстве Ч. 2. Строительство трубопроводов . Эксплуатация и ремонт трубопроводов, М.: ВАЛАНГ, 1997. 188 с.

Рисунок 1. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от содержания перхлорвиниловой смолы в клее Мс: 1 – средние значения, 2 – нижняя граница доверительного интервала при 95% надежности (здесь и далее значения sсд получены при испытании образов длиной 9,5 мм, вырезанных из соединений труб диаметром 20 мм)

Рисунок 2. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от крупности зерна,  № Зр.: 1 – без обработки, 2 – 5, 3 – 8, 4 – 12, 5 – 16, 6 – 25, 7 – 32, 8 – 40. Обозначения: __ ___ ___ – средние значения, - - - - - - - - – среднеквадратические отклонения, _________ – нижняя граница доверительного интервала при 95% надежности.

Рисунок 3. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от времени обработки растворителем Тор поверхностей: 1 – средние значения, 2 – нижняя граница доверительного интервала при 95% надежности

Рисунок 4. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от зазора dз: 1 – средние значения, 2 – нижняя граница доверительного интервала при 95% надежности

Рисунок 5. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от технологической паузы Ттп при различном содержании циклогексанона в 15% растворе перхлорвиниловой смолы в метиленхлориде, %: 1 – 0, 2 – 25, 3 – 10

Рисунок 6. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от продолжительности отверждения Тот в нормальных условиях для разных клеевых композиций: 15 % раствор перхлорвиниловой смолы 1– в метиленхлориде; 2 – в дихлорэтане и 3 – в смеси метиленхлорида (90 %) с циклогексаноном (10 %); 4 – клей ПЭД-Б (отвердитель – полиэтиленполиамин)

Рисунок 7. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от продолжительности отверждения соединений (диаметр труб 110 мм) с длиной нахлестки, мм: 1 – 9,5 и 2 – 5

Рисунок 8. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от температур отверждения tот в течение времени, ч: 1 – 150, 2 – 25, 3 – 2

Рисунок 9. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве в зависимости от продолжительности отверждения Тот при температурах, °С: положительных 1 – 19, 2 – 5 и отрицательных 3 – 2, 4 – 20

Рисунок 10. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве соединений, склеенных 15% перхлорвиниловым раствором в метиленхлориде – а и в смеси метиленхлорида с циклогексаноном (0,83 : 0,17) – б, от продолжительности отверждения Тот при температурах, °С: 1 – 55 и 2 – 20

Рисунок 11. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве соединений, отвержденных при температуре минус 10–15°С в течение, дн.: 3 – 1, 13 – 2, 18 – 3, 30 – 4, 67 – 5 и 80 – 6 от продолжительности доотверждения Тот II при нормальной температуре

Рисунок 12. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве соединений, отверждаемых в нормальных условиях – 1 (контрольные образцы) и в атмосфере – 2, от продолжительности  отверждения Тот (я – январь, ф – февраль, м-т – март, а-л – апрель, м-й – май, ин – июнь, ил- июль и а-т – август месяцы)

Рисунок 13. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от продолжительности доотверждения Тот II при температуре -21°С – 2 и 3 соединений, отвержденных при температуре 19°С в течение 24 (2) и 2 ч (3); 1 – данные для соединений, находящихся в нормальных условиях (контрольные образцы)

Рисунок 14. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве соединений, склеенных и отвержденных при температуре 5°С в течение 2 ч, от продолжительности доотверждения Тот II при температурах, °С: 5 – 1 и -20 – 2

Рисунок 15. Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от температуры отверждения tот в течение времени, ч: 24 – 1, 2 – 2, 1 – 3, 0,5 – 4 и 0,25 – 5

Рисунок 16.  Зависимости разрушающих напряжений сдвига sсд в клеевом шве от продолжительности отверждения Тот при температурах, °С: 65 – 1, 46 – 2, 38 – 3, 18 – 4