Для справки: величина температурного линейного расширения трубы определяет выбор и расположение компенсаторов на прямых участках трубопровода. Неправильное применение компенсаторов приводит к авариям или плохому внешнему виду трубной разводки.
Пластиковые трубы широко применяются в системах отопления и водоснабжения зданий. Одним из недостатков пластиковых труб является большое температурное расширение. И если для гибких труб (PEX,PERT, ПЭ малого диаметра), монтируемых скрытно (в грунте, в полу, в штробах, вентиляционных шахтах), это не критично, то для линейных труб, поставляемых штангами (например, стояк изPPRC), это - головная боль для проектировщика и монтажника. В связи с этим для снижения температурного расширения изготавливаются трубы, армированные алюминием или стекловолокном. Как ведут себя трубы с такой структурой при повышенной температуре? Этому и посвящена данная статья.
Принцип снижения удлинения трубы прост: необходимо добавить в конструкцию трубы материал, имеющий более низкое линейное удлинение, чем пластик. Стандартные решения это:
- стекловолокно, добавленное в средний слой трубы (напримерPPRC|GF),
- алюминиевая фольга во внешнем или среднем слое трубы (PPRC|AL).
Теория линейного расширения труб со стекловолокном рассматривалось мной в статье "Оcобенности конструкции полипропиленовых труб, армированных стекловолокном, для систем водоснабжения и отопления" (см. напр.: alterplast.ru/upload/pressa/Alterplast_SAN.pdf). Основной вывод этой статьи: тепловое линейное расширение трубы, армированной стекловолоком или базальтовым волокном, зависит от содержания волокна в среднем слое и отношения толщины последнего к сумме толщин внешнего и внутреннего слоев трубы. В настоящее время Ассоциация производителей трубопроводных систем (АПТС), при поддержке компаний Полипластик и Сибур, провела замер линейного расширения пластиковых труб PPRC|GF некоторых отечественных и зарубежных производителей. Полученный результат отличается от принятых норм и паспортных данных, а именно - коэффициент линейного расширения фактически составляет 0,065÷0,085мм/(м∙К), при декларированных 0,05мм/(м∙К).
Это значительное расхождение в фактических и паспортных данных для труб, армированных стекловолокном, заставило автора рассмотреть теорию линейного расширения труб, армированных алюминием.
Сначала рассмотрим физическую модель для труб разных диаметров с алюминиевой фольгой 0,1мм при разнице температур 70°С (монтаж летом при 20°С, температура эксплуатации Тмах= 90°С).
Основные формулы:
Коэффициент линейного расширения
α=∆l/(l∙ ∆t),
где Δl– измене длины; l0 - начальный размер; Δt – изменение температуры.
Δt = (t1-to); Δl = (l1-l0),
где t1 – температура нагрева, l1 – линейный размер при нагреве
Закон Гука ỽ=E∙ἐ,
где ỽ - напряжение в стенке,E – модуль упругости, а ἐ относительное удлинение.
F= ỽ∙S, гдеS- площадь сечения рассматриваемого материала (алюминия или PPR).
Справочные данные:
α алюминия 20,5∙10-6 (1/K)
αPPR 13∙10-5 (1/K)
Eа(алюминий) = 71000∙106 Па
Еп(PPR)= 900∙106 Па.
Сила, с которой PPR-труба длиной 1м действует на алюминиевый слой, равна:
F= E∙α∙Δt∙S.
S= π∙(D2- d2)/4=0,785∙(δХ)2∙( 2∙SDR-1), где δХ - толщина стенки трубы, SDR=D/δХ, тогда для SDR=6 получим S=8,6∙(δХ)2.
Удлинение алюминия при действии на него этой силы:
Δl= F/(Eа∙Sа), где Sа- площадь поперечного сечения алюминия в трубе.
Для простоты дальнейшего анализа зададим толщину фольги 0,1мм, армирование по внешнему диаметру (труба Штаби). Получим:
S=0,314∙D.
Таким образом, удлинение алюминия под действием силысо стороны слояPPRбудет:
Δl= F/(Eа∙Sа)= 0,5∙δХ.
Однако к этой величине нужно добавить собственное удлинение алюминия при нагреве на 70°С, равное 1,4мм/м.Такимобразом, полное удлинение трубы будет равно:
ΔlƩ= 1,4мм +0,5∙δХ.
Тогда α=∆l/(l∙∆t)= 0,02 + 0,007∙δХ.
Для разных диаметров трубы D при толщине фольги 0,1мм имеем:
D |
20 |
25 |
32 |
40 |
α,мм/(м∙К) |
0,044 |
0,049 |
0,057 |
0,067 |
При толщине фольги 1,5мм имеем:
D |
20 |
25 |
32 |
40 |
α, мм/(м∙К) |
0,029 |
0,032 |
0,038 |
0,044 |
Паспортное значение α для всех диаметров у большинства производителей 0,03 мм/(м∙К), включая трубы с центральным армированием алюминием (при этом утруб с центральным армированием α больше на 15%, чем у труб с внешним армированием).
Есть ограничение: при больших δХ удлинение трубы может быть больше, чем удлинение неармированной PPR трубы. Это - следствие выбранной малой толщины фольги для труб большого диаметра, т.е. когда сила F так велика, что слой алюминия никак не влияет на линейное расширение трубы. Кроме того, мы применили справочные данные, которые могут отличаться от свойств применяемых в производстве материалов, и толщину фольги 0,1мм, поэтому результат может отличаться от фактического. Однако получена точная линейная зависимость удлинения трубы от δХ и показано, как меняется α от диаметра трубы при типовом SDR= 6.
Исследуя паспорта на армированную алюминием полипропиленовую трубу разных производителей, я не смог найти толщину алюминиевого слоя. Поэтому в отсутствие обязательной сертификации и ценовой конкуренции можно предположить что у многих производителей эта толщина 0,10÷0,15мм на всех диаметрах. Соответственно, фактические значения теплового линейного расширения труб, армированных алюминием, могут отличаться от паспортных более чем в два раза.