Об устойчивости к хлорированной воде труб из сшитого полиэтилена

Frank R. Volgstadt, Корпорация Volgstadt & Associates, Inc.

Трубы из PEX (полиэтилен с прошивкой полимеров), наряду с использованием в гидрониковых системах нагрева, находят в США все большее применение в быту для подачи горячей и холодной воды. Хотя на строительном рынке признаны преимущества труб PEX, возникают вопросы, касающиеся сходства и различия двух протоколов оценки устойчивости этих труб к хлору, предлагаемых ASTM (Американское общество испытаний и материалов) и NSF (Национальный фонд санитарной защиты), в той их части, которая относится к оценке срока службы труб PEX в бытовых системах подачи питьевой воды. В данной статье даются пояснения по этим системам оценки, а также результаты экстраполированной оценки срока службы предлагаемых на рынке материалов PEX-труб, применяемых для подачи горячей и холодной воды.

Строительные подрядчики по всей Северной Америке применяют трубы из PEX-материалов в жилых и коммерческих приложениях для подачи питьевой воды, что практикуется в Европе в течение уже нескольких десятилетий. PEX-трубы удобны не только в установке. Недавние исследования серийно производимых продуктов из PEX, проводившиеся в рамках составления протокола NSF P171 «Устойчивость к хлору пластиковых материалов труб» (прим. 1), продемонстрировали, что продукты PEX характеризуются прекрасной, сохраняющейся длительное время устойчивостью к воздействию хлора в системах подачи питьевой воды. Спецификации ASTM (прим. 2) касающиеся PEX-труб, F 876-02 «Спецификация стандарта для труб из полиэтилена с прошивкой полимеров» (PEX), также содержит требования по минимальной сопротивляемости воздействию хлора.

Общие положения

Для того чтобы вода могла быть пригодной для питья, в Северной Америке она часто обрабатывается дезинфицирующими средствами, обычно хлором. Сообщается, что только в Соединенных Штатах приблизительно на 68 % предприятиях водоснабжения для поддержания содержания остаточных дезинфицирующих веществ в обработанных поверхностных водах производится внесение хлора. Причем относительное количество применяемого хлора больше на крупных предприятиях, снабжающих водой большинство населения. Хлор является сильным окислителем даже при сравнительно небольших количествах, используемых для обработки питьевой воды. Поэтому он оказывает воздействие на срок службы почти всех материалов трубопроводных систем, как новых, так и традиционных, служащих для подачи воды в здания. Речь здесь идет о трубах, фитингах, кранах, клапанах и даже душевых головках.

Как и другие полиолефиновые продукты, базовый полимер PEX без каких-либо добавок не обладает значительной сопротивляемостью окислению и окисляется в присутствии обычной хлорированной питьевой воды. По этой причине все производители продукции из PEX применяют специально разработанные добавляемые пакеты, содержащие антиоксиданты, которые служат для защиты PEX-полимера от окисления.

В результате ускоренных испытаний для определения срока службы выявлены PEX-материалы труб, длительное время сохраняющие хорошие характеристики в среде хлорированной питьевой воды. Протокол NSF P171¹ и стандарты ASTM F2023/F876² (прим. 3) предоставляют производителям способы проверки PEX-продуктов, используемых в приложениях, связанных с транспортировкой воды по трубам.

Таблица 1 (подробнее) Сравнение минимальных требований для труб, работающих в окислительной среде, для протокола NSF и стандартов ASTM Таблица 2 Результаты сравнительных испытаний на образцах для определения срока службы труб

Независимые экспериментальные испытания PEX-труб для определения срока службы

Для выявления влияния содержания хлора на срок службы труб были проведены испытания предлагаемых на рынке PEX-труб, предназначенных для применения в системах питьевой воды. Испытания проводились с четырьмя уровнями содержания хлора:

- нехлорированная вода (контрольный вариант);

- низкое содержание хлора – 0,1 мг/л;

- более высокий уровень содержания – 0,3 мг/л;

- 0,5 мг/л.

Показатель рН поддерживался на уровне 6,5. Во всех испытаниях сохранялся непрерывный поток пресной хлорированной воды. Для ускорения разрушения труб испытания проводились при температуре 115 °C. Условия испытаний и время до поломки, по сравнению с контрольным вариантом, представлены в табл. 2.

Испытания подтверждают, что хлорированная вода может существенно ускорить хрупкое разрушение при окислении PEX-труб, а чрезвычайно высокое содержание хлора, эквивалентное 5,0 ppm, уменьшает время до разрушения, по сравнению с вариантом без хлора, в 5,5 раз. Хотя при прохождении воды по системе водоснабжения до дома содержание остаточного хлора снижается, хлорированная вода все еще может оказывать существенное влияние на срок службы PEX-труб. Результаты испытаний показывают, что даже при очень низком содержании хлора, эквивалентном 0,1 ppm, время службы трубы до ее разрушения уменьшается в 2,7 раз.

Эти исследования указывают на необходимость применения PEX-составов, параметры которых должным образом задаются для конкретных приложений с учетом требований стандартов NSF и ASTM, касающихся устойчивости к хлору.

Положительные результаты для PEX

Учитывая потенциальное воздействие хлора на PEX-трубы и обусловленные влиянием хлора случавшиеся ранее разрушения выполненных из полибутилена элементов трубопроводных систем подачи питьевой воды, следует отметить важность проверки устойчивости к хлору продуктов из PEX перед крупносерийным производством таких продуктов. Чтобы убедиться, что материалы труб из PEX имеют предполагаемый срок службы в приложениях, связанных с перекачкой по трубам питьевой воды, в независимой лаборатории производились дополнительные испытания таких материалов в полном соответствии с требованиями протокола NSF P171. Такие испытания серийно производящихся PEX-труб были предприняты для определения их устойчивости к хлору и оценки их параметров в реальных приложениях подачи горячей и холодной питьевой воды.

Материал серийно производимых PEX-труб, оценка параметров которого производилась в этих испытаниях, обладает повышенной устойчивостью к хлору и предназначен для использования в приложениях подачи горячей и холодной питьевой воды. Предназначенные для продажи трубы из PEX-материалов маркируются согласно стандартам ASTM F 876/F 877. Испытываемая труба номинальным размером «А» и длиной 15 дюймов была подключена к серийно выпускаемым медным вставным фитингам, соответствующим требованиям стандарта ASTM F 1807.

Согласно протоколу NSF P171 через образцы труб пропускали непрерывный поток воды с показателем рН = 6,8, содержанием хлора 4,3 мг/л и окислительно-восстановительным потенциалом (ORP) 860 мв, при постоянном внутреннем давлении. Производился непрерывный мониторинг и контроль температуры, давления, содержания хлора и значения показателя рН. Разрушение трубы, определяемое как любая утечка жидкости сквозь стенку трубы, регистрировалось при помощи контролируемых компьютером датчиков влажности в испытательных камерах с горячим воздухом.

Во время испытаний образцы периодически вынимались для отслеживания хода процесса разрушения.

Испытания производились согласно протоколу NSF 171 и стандарту ASTM F2023, при восьми различных наборах температуры и давления. В результате было выявлено 16 точек разрушения.

Экстраполяция на условия в реальном приложении (60 °C, 80 psi) для системы с постоянной рециркуляцией (наихудший вариант приложения) дает срок службы PEX-трубы, оцениваемый по результатам испытаний, равный 93 годам¹. Такая оценка срока службы основана на результатах испытаний в условиях применения воды с высокой разъедающей способностью. Хотя присутствие хлора в питьевой воде снижает предельный срок службы труб из PEX-материалов, испытания в агрессивной среде доказали высокую устойчивость этих материалов к хлору. Следовательно, при правильном задании параметров PEX-труб можно предсказать высокий срок их службы в соответствующих приложениях.

Производители, контролирующие параметры своих труб из PEX-материалов в соответствии с минимальными требованиями производительности, задаваемыми протоколом NSF 171 и стандартом ASTM F876-02, могут обеспечить приемлемый уровень качества труб, необходимый в индустрии снабжения питьевой водой.

Заключение

В Северной Америке вода часто обрабатывается, чтобы она стала пригодной для питья.

Испытания в агрессивной среде, обсуждавшиеся в этой работе, показывают, что хлор может влиять на срок службы труб из материалов PEX, предназначенных для системы водоснабжения в США. Фактически испытания в агрессивной воде, предпринятые в рамках данной работы, с содержанием хлора 0,1 ppm, показали, что хлор с такой концентрацией снижает время до разрушения испытываемых образцов в 2,7 раз, по сравнению с образцами, испытываемыми без хлора. Поэтому очень важно, чтобы система PEX-трубопроводов была должным образом спроектирована для обеспечения необходимого запаса прочности по сроку службы, необходимого для приложений обеспечения питьевой воды в Северной Америке.

Для обеспечения такого запаса прочности и для проверки качества PEX-труб до предложения их на рынке необходимо проведение испытания этих труб в соответствии со стандартами ASTM F2023/F876 и протоколом NSF P171. Недавние испытания таких выпускаемых серийно PEX-материалов, проводившиеся согласно указанным стандартам, показали, что PEX-материал труб может иметь срок службы, необходимый в трубопроводной индустрии для подачи питьевой воды. В настоящее время используются стандарты как ASTM, так и NSF. Конечные пользователи могут на сайте www.nsf.org посмотреть, какие материалы сертифицированы согласно требованиям NSF CI-TD или согласно более жестким требованиям NSF Cl-R.

Эти исследования демонстрируют, что выпускаемые серийно PEX-трубы, присутствующие в списке NSF, могут иметь срок службы, необходимый для строительной индустрии. Было получено экстраполируемое значение срока службы серийно выпускаемого PEX-материала, испытывавшегося в этом исследовании, равное 93 годам.

Примечания

1. Международный протокол NSF

Применяемый в настоящее время на добровольной основе протокол NSF P171 используется при проведении испытаний и для составления списка NSF устойчивых к хлору PEX-труб, которые применяются в двух типах систем: традиционные бытовые системы (Cl-TD) и системы с непрерывной рециркуляцией (SC-TR). Присутствием в списке PEX-продукта удостоверяется его минимальный срок службы 80 лет (40 лет – расчетный минимальный расчетный срок службы с заданной сопротивляемостью воздействию хлора и при расчетном коэффициенте NSF 0,5 снижения значения этого показателя) в трубопроводных системах подачи питьевой воды. Различие в применении систем Cl-TD и Cl-R определяется отличиями традиционных трубных установок для горячей воды и бытовых систем горячей воды с непрерывной рециркуляцией. В конструкции традиционных систем заложено то, что контакт с горячей водой производится только во время прокачки горячей воды, что составляет приблизительно 25 % общего времени работы системы. А в системах с рециркуляцией трубы контактируют с горячей водой постоянно. Рециркуляционные системы горячей воды непрерывного действия, работающие в жилых зданиях, являются сравнительно новыми приложениями для жилого сектора.

2. Стандарты ASTM (Американское общество испытаний и материалов)

Стандартом ASTM F876-02 «Стандартные технические условия для труб из полиэтилена со сшиванием полимеров» (PEX) задается, что при проведении испытаний согласно стандарту ASTM F2023 «Стандартный метод испытаний для оценки сопротивления окислению труб и систем из полиэтилена со сшиванием полимеров» (PEX) при воздействии горячей хлорированной воды для всех приложений подачи питьевой воды, в которых используются PEX-трубы, эти трубы должны сохранять заданную устойчивость к хлору в течение минимум 50 лет.

3. Сравнение протокола NSF PI 71 и стандартов ASTM F2023/F786.

Сходства

• Речь идет об испытаниях PEX-труб, применяемых в реальных условиях. Испытания проводятся под давлением в системе с протекающей водой, с моделированием наихудших условий использования системы.

• Предполагается, что образцы подвергаются воздействию среды с высокой окислительной способностью. Испытания продолжаются до разрушения при следующих условиях:

- Непрерывный поток воды

с постоянным и контролируемым содержанием хлора и показателя рН, с гарантированием того, что PEX-трубы постоянно подвергаются воздействию максимального количества хлора, предписываемого условиями испытаний.

- Для ускорения разрушения испытания проводятся при повышенной температуре, значительно выше нормальной.

- Для формирования технически корректного и полного массива данных испытания проводятся при различных значениях температуры и давления.

- Для предсказания расчетного срока службы труб при ожидаемых реальных условиях экспериментальные данные обрабатываются согласно модели кинетического процесса при помощи множественного линейного регрессионного анализа.

Отличия

• Различия двух методов заключаются в уровне спецификации продукта, необходимой для проведения испытаний, как показано в табл. 1.

• Протокол NSF P171 предусматривает определение параметров систем следующих двух типов:

- Традиционные бытовые (NSF Cl-TD). В традиционных бытовых системах или в системах с включением и выключением горячая вода в трубах протекает только тогда, когда открыт кран. В остальное время эти трубы остывают или имеют комнатную температуру. Для традиционных бытовых систем предполагается, что горячая вода с температурой 60 °C протекает в трубах в течение 25 % действия всей системы, а в течение остального времени эти трубы имеют температуру 23 °C. Для трубопроводных систем Cl-TD прогнозируемый минимальный срок службы должен составлять 80 лет. Трубы, предназначенные для использования в таких системах, маркируются сертификационным значком NSF |NSFam|.

- Системы с непрерывной рециркуляцией (NSF SC-TR). Непрерывная рециркуляция предполагает применение более строгого протокола, т. к. такие системы должны работать в более жестких условиях с непрерывной циркуляцией горячей воды. Для трубопроводных систем Cl-TR минимальный срок службы при непрерывной температуре 60 °C должен составлять 80 лет.

• В системах обоих типов применяется коэффициент расчетного срока службы 0,5. Трубы, предназначенные для использования в таких системах, маркируются сертификационным значком (NSFnR).

• В стандарте ASTM F876 рассматриваются только традиционные бытовые (работающие на включение и выключение) системы, для которых требуется минимальный срок службы до поломки

50 лет, в течение которого устройства системы 25 % времени работают при температуре 60 °C. Таким образом, требования ASTM, задающие для традиционных бытовых систем минимальный срок службы 50 лет, менее строги, чем требования NSF, предусматривающие срок службы 80 лет.

Перевод с английского Л. И. Баранов

Техническое редактирование А. А. Отставнов

ЛИТЕРАТУРА

NSF Protocol P171 Chlorine Resistance of Plastic Piping Materials

Mahabir and Henderson, 'The Influence of Water Quality on the Test-Life of PEX Pipe', p. 951, Plastics Pipes XI, Munich, 2001.

M P. Vibien, J. Couch, K. Ohphant, W. Zhou, B. Zhang and A. Chudnovsky, 'Assessing Material Performance in Chlorinated Potable Water Applications.1

¹ Протокол NSF P171 содержит как методы испытаний, так и требования для включения определенных труб PEX в список труб, устойчивых к хлору.

² ASTM 2023 является стандартным методом испытаний ASTM, задающим протокол испытаний, ASTM F 876 является стандартной специфика- цией ASTM, содержащей требования к трубам PEX, включающие минимальную степень устойчивости к хлору при испытаниях согласно стандарту ASTM F 2023.

³ Расчетный коэффициент – коэффициент запаса прочности (11,0), соответствующий прогнозируемому сроку службы в соответствии с протоколом NSF P171.

⁴ Минимальный экстраполированный срок службы, полученный по результатам испытаний (NSF).

⁵ Расчетный минимальный срок службы с учетом устойчивости к хлору (NSF).

⁶ Экстраполированный период времени до разрушения (ASTM 2023).

⁷ Нет данных, т. к. в стандарте ASTM F 876 не задается никакого расчетного коэффициента.

⁸ ORP, Oxidation Reduction Potential (окислительно-восстановительный потенциал), в милливольтах, представляет окислительную способность раствора. Этот показатель непосредственно связан с концентрацией, активностью и крепостью окислительного средства. Чем выше окислительная способность или агрессивность раствора, тем больше ORP.

⁹ Кикель В. Трубопроводы РЕХ – особенности и отличия // Сантехника. 2004. № 5.