производство и применение полимерных (пластиковых) труб

Пластиковые трубы приходят на смену стальным и чугунным системам, отличаясь долговечностью, простотой монтажа, небольшим весом и невысокой стоимостью. Пластиковые трубы изготавливаются из различных материалов: полипропилен (PPRC), поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен низкого давления (ПНД), полиэтилен высокого давления (ПВД), сшитый полиэтилен (PEX), а так же многослойные трубы PE-X или PE-RT. Пластиковые трубы активно используются в системах водоснабжения, отопления, канализации и технологических трубопроводах.

Весь цивилизованный мир уже более 50 лет тому назад практически полностью отказался от применения стальных труб в строительстве и перешел на современные надежные и экологически чистые материалы и технологии. Сегодня эта тенденция стала доминирующей.

Одна из основных особенностей современного отечественного рынка пластиковых трубопроводов состоит в том, что на нем имеется чрезвычайно широкий спектр, предложений, которые появились практически одновременно и всего 5–10 лет тому назад, причем в основном с Запада (пластиковые трубы: полипропиленовые трубы, полиэтиленовые трубы и металлопластиковые трубы). Все они существенно отличаются по новизне, качеству и ценам. Наряду с действительно новейшими, на рынке присутствуют и такие, которые известны на Западе уже многие десятилетия. Ведь история пластиковых трубопроводов насчитывает более 65 лет.

Основная эксплуатационная и качественная характеристика полимеров и пластиков – однородная гладкая структура, благодаря чему в процессе производства полимерных труб получается ровная и гладкая поверхность трубы, что не препятствует течению по ней жидкостей. Дополнительным фактором пластичности и гладкости трубных полимеров является крайне низкая вероятность образования на внутренней поверхности отложений, солей и бактерий даже при длительной эксплуатации полимерной трубопроводной системы.

Полимерные трубы не нуждаются в защите от коррозии и электрокоррозии, в результате срок их службы увеличивается. К тому же полимерные конструкции весьма устойчивы к различным химическим соединениям. Благодаря ровному цвету по всей поверхности материала трубы из пластика выглядят эстетично, при этом возможно изготовление полимерных труб практически любого цвета, что удобно и с практической точки зрения – трубы из полимеров в зависимости от сферы применения (газ, холодная или горячая вода, полимеры и прочее) могут иметь свой идентификационный цвет. Изделия из этого материала легки и удобны в транспортировке.

Пластиковые трубы в очень широком диапазоне использования трубных систем стали технологической альтернативой трубам стальным и трубам чугунным (так, в Европе более 80 процентов трубопроводов сегодня полимерные). В последнее десятилетие в нашей стране развитие отрасли, включая сырьевую базу производства полимеров, оборудование технологических экструзионных линий, а также сфера монтажно-строительных работ интенсивно развивается, увеличиваясь ежегодно от 12 до 25 процентов ежегодно. Интенсивный рост производства полимерных трубопроводов объясняется высокой степенью изношенности трубопроводных систем в стране, инвестиционной привлекательностью данной сферы производства, интенсификацией коммерческих отношений отечественных производителей с ведущими мировыми лидерами в области производства разнообразного трубного экструзионного оборудования.

Основные преимущества полимерных труб (краткий обзор)

Перечень полимеров, используемых сегодня для производства трубных систем весьма разнообразен и широк. Помимо этого, практически ежегодно происходят важнейшие научные открытия и осуществляются технологические инновации в отрасли в сфере получения материалов с качественно новыми, более современными характеристиками по долговечности материала, его устойчивости к разнообразным воздействиям в процессе эксплуатации полимерных трубопроводов, стойкость к высоким температурам. Благодаря своим уникальным свойствам (легкость, пластичность, стойкость и пр.) полимеры находят широкое применение в наиболее передовых и перспективных разработках в таких сложных отраслях, как космос или ВПК, что так же способствует интенсивному внедрению в развитых странах технологических инноваций в получении материалов с новыми качественными эксплуатационными характеристиками.

Классическим преимуществом полимера перед сталью (в определенных сферах применения) является то, что полимерные (пластиковые) трубы не боятся основного врага стальных труб – коррозии металла. Кроме того, они стойки к биологическим воздействиям, а также инертны по отношению к воде, не оставляют привкуса, поэтому могут быть использованы для подачи питьевой воды.

Помимо этого, замерзшая вода не разрушает пластиковый трубопровод, так как его высокая упругость выдерживает расширение жидкости в трубах при отрицательных температурах. Такие черты полимеров, как вязкость и упругость, одновременно обеспечивают надежность данных труб при механических перегрузках. Шум воды, протекающей по ним, существенно снижается благодаря хорошим звукопоглощающим свойствам.

В итоге эффективность устройства трубопроводов из полимеров на 50-75% выше, чем у металлических трубопроводов. Правда у пластика есть один недостаток – способность пропускать кислород, минимальные пары которого, проникая сквозь стенки трубы, могут нарушить работы отопительной системы. Кроме того, полимерные конструкции (за исключением ПВХ) боятся воздействия солнечных лучей и внешних повреждений.

Трубы ПВХ, кроме всего прочего, не боятся воздействия солнечного света и могут прокладываться вне помещений. Хотя ПВХ не отличается температурной стойкостью, этот его недостаток способны восполнить полиэтиленовые трубы. Трубы из полиолефинов способны пережить замерзание воды при отрицательных температурах, а также за счет большей эластичности и гибкости, чем традиционные металлические.

Трубы из полиолефинов и трубы ПВХ, обладая хорошей прочностью, остаются достаточно гибкими, что облегчает их проводку внутри зданий. В последнее время все более популярными становятся PEX (полиэтилен с перекрестной структурой). Он трещестоек, обладает термической и абразивной стойкостью, гибок, стоек к воздействию большинства агрессивных химических веществ.

Для продления срока эксплуатации трубопроводов из полимеров и повышения уровня рабочей температуры для внутренних систем горячего водоснабжения и отопления (а теперь и систем наружных трубопроводов, трубы изопрофлекс) трубы РЕХ-а изготавливают из полиэтилена высокой плотности с очень высоким молекулярным весом. В процессе экструзии в присутствии специального катализатора производится химическая сшивка молекул полиэтилена, приводящая к формированию трехмерной сетчатой структуры, в результате чего саму трубу можно рассматривать как одну большую молекулу. Благодаря такому молекулярному строению труба РЕХ обладает рядом уникальных свойств:

• теплостойкость,
• долговечность,
• стойкость к механическому и гидравлическому удару,
• стойкость к ползучести при высоких давлениях и температуре,
• стойкость к растрескиванию благодаря отсутствию усталостных напряжений,
• отличные гидравлические свойства,
• высокая стойкость к истиранию,
• стойкость к окислению,
• уникальная химическая стойкость.

Указанные свойства труб РЕХ расширяют возможности их применения по сравнению с трубами из других полимерных материалов, не имеющих сетчатой структуры.

Сшитый полиэтилен (PEX) получают из обычного полиэтилена высокой плотности (пенд) путем сшивки его молекул. Сшитый полиэтилен в отличие от типичных термопластов – полипропилена и поливинилхлорида – при нагреве не течет, а ведет себя как термоэластичный материал.

Сшитый полиэтилен, сохранив все преимущества объемного полиэтилена, приобрел существенно большую прочность и теплостойкость; верхний предел рабочей температуры, при которой PEX способен длительно работать, - +95 градусов.

Полиэтиленовые трубы при малом весе обеспечивают коммуникациям достаточную прочность, ударостойкость. Небольшой вес предполагает меньшие затраты на транспортировку и монтаж. К тому же полиэтиленовые трубы могут состыковываться с металлическими посредством специального клея, либо с помощью традиционных резьбовых соединений.

Кроме того, при производстве полиэтиленовых труб можно использовать переработанные пластики. Для этого трубы изготавливаются двух-, трехслойными. Вторичный материал экструдируется в средний слой, либо в нефункциональный поддерживающий слой при двухкомпонентной соэкструзии. В целях экономии материала и снижения удельного веса изделия можно изготавливать пластиковые трубы со вспененным средним слоем.

В производстве пластиковые трубы технологичны, так как существующее оборудование позволяет в рамках единой линии получать полностью готовые к монтажу изделия – можно при отрезке нарезать фаску, на конечной стадии формировать соединительный раструб и вставлять уплотнительное или самоблокирующееся кольцо. Есть решения, когда в раструб труб внедряется нагревательный элемент, который при соединении труб сваривает их вместе, обеспечивая высокую герметичность и способность выдерживать высокое давление со стороны транспортируемой среды. Встроенный в экструзионную линию гофратор позволяет получать гибкие трубы с сохранением достаточной кольцевой прочности.

Одно и двух шнековые экструдеры для производства полимерных труб

Процесс изготовления полимерных труб осуществляется на специализированных экструзионных линиях разной комплектации и мощности, состоящих из множества модулей. Комплектация линии может быть различной в соответствии с видом готовой трубной продукции. Однако экономически целесообразнее придерживаться жесткой специализации, а для расширения номенклатуры постепенно расширять производство до нескольких узкоспециализированных линий, в рамках каждой из которых возможен выпуск труб разного диаметра (из дискретного диапазона типоразмеров) – модули нижнего потока позволяют переходить с диаметра на диаметр без замены основных блоков модулей. При этом с учетом ассортимента выпускаемых труб производитель обычно закупает определенный набор сменных запасных узлов модулей линии.

Сердцем линии для производства полимерных труб является червячный экструдер. Для изготовления труб из полиолефинов (полиэтилен различной плотности, линейный, низкой плотности, PEX, полипропилен, полибутен) применяются одночервячные экструдеры с диаметром шнека от 45 до 150 мм. Для ПВХ, а также насыщенных смесей, используются двухчервячные экструдеры с коническими или параллельными шнеками в зависимости от производительности.

Для высокоплотных полиэтиленов на одночервячных экструдерах достигается максимальная производительность – свыше 1300 кг/час. Двухшнековые экструдеры способны перерабатывать ПВХ с производительностью свыше 1900 кг/час (для труб). Для переработки полимерных материалов (включая и ПВХ) с малой производительностью многие крупные производители предлагают эконом-решения в виде стандартных моделей одночервячных экструдеров с диаметрами шнека 45 или 60 мм. Производительность таких машин по недорогим пластикам (полиэтилен, полипропилен, ПВХ) не превышает 130 кг/час. Однако и стоят они относительно недорого – от 45 тыс.евро, так как изготавливаются из стандартных деталей по поточной технологии. Они вполне подходят в качестве основного оборудования для малых трубных линий (диаметр: 10 – 63 мм), либо в качестве соэкструдеров, которые традиционно имеют меньшую производительность, чем у главных экструдеров.

Для большей производительности линии подбирается уже более мощный экструдер из стандартного типоряда производителя. Такой экструдер выполняется строго по заказу, комплектуется опционами по требованию заказчика и имеет особое исполнение цилиндра шнека с уникальной геометрией самого шнека с учетом специфики перерабатываемого материала и производительности процесса. В зависимости от типа и производительности стоить такой экструдер может в несколько раз (а то и на порядок) дороже. В зависимости от стоящих перед ним задач экструдер комплектуется объемным или гравиметрическим (весовым) дозатором, сушильным оборудованием.

Модульные конструкции для изготовления полимерных труб

Для формирования кольцевого профиля расплав проходит через так называемую трубную головку. Чтобы было легче обслуживать головку, а также переходить на новый размер выпускаемых труб, трубная головка имеет модульную конструкцию – она собрана из основных модулей (собственно головки и распределителя расплава) и из размерных адаптеров под определенный диаметр. Основание трубной головки выполнено заодно с распределителем расплава, крепиться и центрируется относительно выходного фланца экструдера.

Для полиолефинов используется спиральный распределитель, в котором расплав из центрального канала головки по нескольким каналам подается радиально на его внешнюю поверхность, где закручивается по спирали, незначительно теряя давление и отдавая температуру, что способствует оптимальным условиям переработки полиолефинов и материалов, чувствительных к перегреву.

Для ПВХ используется прямоточный распределитель расплава, скорее его даже нет вовсе, так как специальные делящие поток лопасти еще и крепят центральную торпеду, рассекающую поток расплава от центра на периферию, тем самым формируя кольцевой канал течения расплава.

К распределителю на одной оси крепится дорн, который осуществляет предварительное форообразование внутренних стенок трубы. Дорн, как и вся головка в целом, имеет сборную конструкцию и состоит из набора направляющих и проставочных дисков для формирования заданного внутреннего диаметра трубы.

Наружный диаметр полимерной трубы формируется наборной дюзой, состоящей также из нескольких колец с плавными перепадами внутренних диаметров. За счет замены разных адаптеров дюзы и дорна можно менять диаметр производимых пластиковых труб в определенном дискретном диапазоне (например, 75, 90, 110 мм).

Головка в сборе обычно закреплена на мобильной сварной раме для облегчения монтажа. Трубные головки проще в изготовлении, чем инструмент для экструзии профиля, поэтому и стоят они дешевле – от 15 тыс.долларов.

Соэкструдеры

Трубы могут быть многослойными (от 2 до 4) в зависимости от своего предназначения, а также иметь дифференцирующие полосы. Обычно производительность соэкструдеров меньше, чем основного экструдера, так, на практике наружные слои по объему не превышают 20%. Например, у трубы с вспененным средним слоем и диаметром свыше 100 мм наружные слои могут не превышать 0,5 мм. Все это достигается использованием одного или двух соэкструдеров, которые подсоединяются к трубной головке через соэкструзионный адаптер. Расплав от соэкструдера проходит через уменьшенную копию основного распределителя трубной головки, направляясь по каналам в кольцевые зоны слияния с основным расплавом. При встрече расплавы полимеров не смешиваются, а следуют параллельными курсами в направлении экструзии. В процессе переработки соприкасающиеся слои расплавов разных компонентов адгезируют друг с другом, образуя в результате прочную суммарную структуру.

Калибровка и охлаждение полимерных труб

Из экструзионной головки выходит пластичный горячий рукав, которому необходимо придать окончательную форму сечения и охладить. Процесс охлаждения горячей трубной полимерной заготовки осуществляется в оросительных или погружных ваннах. После исхода из трубной головки рукав трубы входит в калибровочный блок, интегрированный в вакуумированную ванну. В зависимости от типа и адгезионных свойств расплава применяются самые разные конструкции калибровочных блоков, например, в виде медных гильз с водяной пленкой, либо калибровальной втулки с водяной пленкой и набором калибрующих дисков, либо другие комбинации функциональных элементов – производители используют самые разные решения, опираясь на собственные и заимствованные разработки. В зависимости от типа материала может применяться ваакумированная охлаждающая ванна со сплошным орошением, либо разделенная на две части: малая секция с погружным охлаждением (полностью заполнена водой) калибрующего блока, оставшаяся более протяженная секция с обычным орошением из форсунок.

За счет разрежения в ванне стенки трубы плотно прилегают к калибрующим и уплотнительным поверхностям, не давая возможности влаге покидать ванну вместе с движущимся через нее рукавом трубы. Проходя калибратор, рукав полиэтиленовой трубы приобретает окончательные геометрические параметры наружной поверхности и должен плавно сбросить температуру.

Колибровка внутренней поверхности полиэтиленовой трубы осуществляется еще в трубной головке дорном и вакуумной системой. В качестве уплотнения на выходе могут использоваться медные и стальные (нержавеющая сталь) уплотнительные кольца.

На выходе из вакуумированной ванны в целях более систематического контроля за равнотолщинностью стенок полиэтиленовой трубы может быть установлен ультразвуковой измеритель толщины стенки либо с фиксированной точной замера, либо круговой для 100- процентных замеров геометрических параметров кольца. Толщиномер связан с пультом числового управления экструдером, который, в свою очередь, осуществляет контроль за температурными зонами и секторами трубной головки, что позволяет в автоматическом режиме корректировать термическую центровку трубной головки при изменении равнотолщинности стенок профиля. Такая мера позволяет достигать лучших характеристик прочности изделий при экономии материала.

Из вакуумированной ванны охлаждения труба попадает в обычную оросительную ванну, где труба орошается форсунками нескольких оросительных магистралей. Стекающая на дно ванны вода либо возвращается в охладительные магистрали, либо направляется термостатом в кулер для охлаждения.

Учитывая, что оросительные ванны имеют протяженность от 3 до 10 метров в зависимости от интенсивности охлаждения, в охладительных ваннах предусмотрены поддерживающие ролики, предупреждающие провисание трубного рукава полиэтиленовой трубы в самой ванне.

Тянущее устройство экструзионной линии

Непрерывное протаскивание трубного рукава полиэтиленовой трубы через все агрегаты линии осуществляет тянущее устройство. Оно представляет собой сварную раму с установленными на нем приводами и исполнительными механизмами. Частотно-регулируемый привод, синхронизированный с пультом числового контроллера экструдера, поддерживает постоянную скорость движения специальных гусениц, которые как раз и протаскивают между собой рукав. В зависимости от толщины стенок и диаметра трубы тянущее устройство может быть оснащено одной или несколькими парами диаметрально расположенных гусениц. Верхняя гусеница (либо все гусеницы, кроме нижней, в случае многопарного тянущего устройства) имеет пневмоприжим, регулируемый в зависимости от диаметра производимой полимерной трубы.

Маркировка полимерных труб

В качестве опциона трубная линия может быть оснащена струйным или матричным маркировочным устройством, которое может оснащаться собственным измерителем скорости движения рукава, что дает возможность производителю полиэтиленовых труб придавать изделию более конкурентный товарный вид, нанося на трубы свой логотип и маркировку.

Нарезка, раструбирование и упаковка полимерных труб

Трубы малого диаметра из полиолефинов на заключительной стадии производственного процесса могут не нарезаться, а наматываться на бобину. Для этих целей в конце линии устанавливается намоточное устройство. В других случаях бесконечный трубный рукав нарезается отрезками заданной длины и отправляется на участок раструбирования либо сразу на упаковочный участок.

Для резки труб в линию встраивается отрезное устройство, которое располагается сразу после тянущего устройства. Наиболее распространенными являются отрезные устройства двух типов: поперечно-отрезные и планетарно-пильные. В первом случае на подвижной режущей каретке установлена дисковая пила, которая осуществляет поперечный рез. Перед осуществлением реза подвижная каретка с приводами пилы приходит в движение синхронно со скоростью движения рукава и пока каретка провожает трубу, привод поперечного движения дисковой пилы осуществляет рабочий ход и возврат в исходное положение. Каретка также возвращается в исходное положение в ожидании следующего реза полиэтиленовой трубы. Контроллер отрезной установки управляется от датчика скорости движения трубного рукава.

Отрез трубы проталкивается из отрезного устройства на роликовый приемный стол, где концевой датчик дает команду опрокидывателям, которые сталкивают трубу вниз в накопитель. Для формирования раструба и при необходимости вложения в него уплотнительного или самоклинящего кольца параллельно линии устанавливаются раструбирующая установка и вкладчик колец. В этом случае трубы поступают в раструбирующую установку поперечным движением толкателей приемного стола.

Раструбирование осуществляется путем повторного нагрева конца трубы и термоформирования раструба. В раструбирующей установке конец трубы сначала вводится в нагреватель, а затем, нагретый до состояние термопластичности, поступает на позицию формовки раструбирования агрегата. Здесь нагретый конец трубы вводится в зону формовки и нанизывается на формирующий шток, который формует внутреннюю поверхность раструба. Снизу и сверху штока расположены смыкаемые штампы, формующие и охлаждающие наружную поверхность раструба. С этого момента трубы либо вручную собираются в стопку и обвязываются, либо автоматически заданными порциями поступают в автоматический палетайзер, который самостоятельно собирает трубы заданными рядами и перегружает из в кипу. Трубы малого диаметра сначала опрокидывателем сваливаются в накопительный лоток и по мере накопления заданного количества продвигаются в приемный бункер упаковочной машины, где собираются в связки для автоматизированной обвязки с двух сторон пластиковыми жгутами с самозапорными замками.

Производители и цены оборудования для производства полимерных труб

Лидеров в производстве комплектов для формирования трубных линий не так уж и много. Их имена известны всем: Krauss-Maffei, Battenfeld (Германия), Cincinnati Extrusion, Theysohn (Австрия), Luigi Bandera, Bausana Group (Италия). Эти компании производят и экструзионные установки и калибраторы, ванны охлаждения и почти весь список оборудования конечных участков для производства полиэтиленовых труб (пластиковых труб).

Стоимость трубных линий за счет более дешевого инструмента существенно меньше, чем линий для производства профиля. Вполне реально приобрести линию небольшой производительности за 300 тыс.евро. Однако в редких случаях производители труб ограничиваются лишь одной линией и в целях расширения ассортимента сразу или поэтапно устанавливают несколько линий для разных диаметров и толщин труб. Оптимальная по соотношению производительных возможностей и цены линия будет стоить в районе 600 тыс.евро. Очень интересными в плане соотношения цены и производительности являются многоручейные линии. Стоимость модулей, обрабатывающих сразу несколько труб, в несколько раз дешевле комплектации кратного количества отдельных трубных линий и незначительно дороже «одинарных» линий. Наилучшие решения в каждом конкретном случае подскажут производители оборудования.

Производство полимерных трубопроводов в России и странах ближнего зарубежья

Производство полимерных труб в России активно развивается. При этом, в производстве происходят изменения как качественного, так и количественного характера.

Объем производства за 8 месяцев 2006 года составил 110 тыс. тонн полимерных труб, что на 20% больше аналогичного периода 2005 года.

Основные объемы производства труб приходятся на трубы из ПЭ (около 75%), доли труб из ПП и ПВХ приблизительно одинаковы (по 10%), а наименьшая доля приходится на металлопластиковые трубы.

В настоящее время в России полимерные трубы производят около ста предприятий. Их число увеличивается с каждым годом из-за растущего спроса на данную продукцию. В основной массе это предприятия с небольшими производственными мощностями, продукция которых распространяется на локальных рынках. На их долю приходится более 35% от всего объема производства.

Как и в России, в Украине производство полимерных труб активно развивается. Одной из характерных черт украинского производства труб является тот факт, что практически все предприятия, производящие трубы, специализируются на производстве еще какой-либо полимерной продукции.

Объем производства полимерных труб в Украине за 9 месяцев 2006 года составил 21 тыс. тонн, что превышает показатель аналогичного периода 2005 года на 18%.

В настоящий момент на территории Украины полимерные трубы производят более чем пятьдесят предприятий. В основной массе это предприятия с небольшими производственными мощностями, продукция которых распространяется на локальных рынках.

Основным производителем полимерных труб в Украине является ООО "Рубежанский трубный завод". На его долю приходится около 20% от всего объема производства полимерных труб. На ООО "Рубежанский трубный завод" выпускают полиэтиленовые трубы для газопроводов, водопроводов и канализации диаметрами от 20 мм до 630 мм и давлением до 16 атм., реализацией которых в Украине занимается ООО "Торговый Дом "Евротрубпласт". В составе основного производства переработки полиэтилена находятся четыре технологических экструзионных линии по производству полиэтиленовых труб, общей производственной мощностью 12 тыс. тонн труб в год.

Импорт полимерных труб

Несмотря на увеличение объемов производства, доля импортных полимерных труб на рынках стран СНГ превышает 30%.

В первую очередь импортируются трубы, объемов производства которых в странах СНГ недостаточно для удовлетворения спроса потребителей. Также за счет импорта восполняется ассортиментный ряд представленных на рынке полимерных труб.

Все импортные трубы на рынках России и Украины можно подразделить на три основные группы. К первой группе относится продукция, поставляемая из стран Западной Европы, эта продукция является наиболее дорогостоящей и пользуется спросом, в основном, у частных лиц. Ко второй группе продукции можно отнести полимерные трубы, произведенные в Турции и Польше. Стоимость этой продукции незначительно превышает цену на трубы местного производства, но потребители считают, что она лучше по качественным характеристикам. Третья группа - это продукция, поставляемая из стран СНГ. В последние годы на рынках стала выделяться еще одна группа импортных полимерных труб - это трубы, произведенные в азиатских странах.