kraftpowercon

Современные полимерные конструкционные материалы для систем водоподготовки

Главная » Литература » Тезисы » Современные полимерные конструкционные материалы для систем водоподготовки
Автор: ООО «ВИНК», Санкт-Петербург, Россия
Год издания: 2019

За последние полтора десятка лет в нашей стране произошла настоящая революция в области технологий водоподготовки, сопровождавшаяся внедрением реагентов нового уровня – дезинфицирующих средств, коагулянтов, флоккулянтов и т.д.  

Данные реагенты зачастую относятся к агрессивным химическим соединениям, которые могут оказывать разрушительное воздействие на традиционные конструкционные материалы – сталь (в т.ч. нержавеющую), бетон и т.д., что в свою очередь послужило причиной для  широкого использования в системах водоподготовки современных инженерных пластиков (термопластов), обладающих повышенной химической стойкостью.

В настоящее время для изготовления оборудования  систем водоподготовки  (реакторов, емкостей хранения, емкостей смешения и т.д.) наиболее широко применяются следующие пластики (термопласты):

  1. Полиэтилен
  2. Полипропилен
  3. Поливинилхлорид

Эти материалы могут быть дополнительно модифицированы с помощью добавок, для придания специальных свойств – негорючести, электропроводимости и т.д.

Вышеперечисленные материалы, даже в базовых версиях, могут  в значительной степени отличаться друг от друга по своим физико-механическим свойствам, термостойкости, стойкости к воздействию и химической стойкости, а также стоимости, что необходимо учитывать при проектировании оборудования.

Основная задача, которая стоит перед проектировщиком при выборе конструкционного материала: найти решение, которое выполнило бы техническое задание при минимально возможной стоимости.

Наиболее распространенным конструкционным материалом для изготовления емкостного оборудования в системах водоподготовки является полиэтилен.

Его основные виды:

  • полиэтилен низкой плотности высокого давления (ПЭВД, LDPE)
  • полиэтилен средней плотности (ПЭСП, MDPE)
  • полиэтилен высокой плотности низкого давления (ПЭНД, HDPE)

Свойства вышеперечисленных видов полиэтилена, в частности их термостойкость и стойкость к воздействию агрессивных соединений в значительной степени различаются, и определяются различиями в молекулярном строении, прежде всего - длиной молекулярной цепочки. Как правило, чем больше длина молекулярной цепочки (и соответственно молекулярная масса материала), тем выше его прочностные свойства, термостойкость и стойкость к воздействию агрессивных соединений.

В ряду вышеперечисленных материалов наиболее короткая молекулярная цепочка у ПЭВД  (молекулярная масса до 50 000  г/моль), самая длинная – у ПЭНД (более 200 000 г/моль), полиэтилен среднего давления по этому показателю занимает промежуточное положение.

Для изготовления емкостного оборудования применяются все вышеперечисленные виды полиэтилена, однако наибольшее распространение, как в быту, так и в составе промышленного оборудования получили ротационно-формованные емкости из ПЭВД, что обусловлено, в первую очередь, их низкой стоимостью.

Однако применяя  емкости данного типа в системах водоподготовки  необходимо учитывать их неудовлетворительную стойкость к воздействию агрессивных химических соединений, что, в частности, отражено в регламентирующих документах Немецкого Строительного Института (DIBT).

В случаях, когда стойкость ротационно-формованных емкостей из ПЭВД недостаточна, альтернативой могут стать сварные емкости из экструзионного ПЭНД, который, в свою очередь, может быть различных марок – ПЭ63, ПЭ80, ПЭ100 и т.д. Цифровой индекс марки ПЭНД определяется значением показателя Минимальной Требуемой Прочности материала (Minimal Required Strength, MRS). Чем больше величина этого параметра (и, следовательно, цифровой индекс), тем выше прочность материала, а это значит, что для обеспечения нужной прочности конструкции можно обойтись меньшей толщиной (сечением) материала, однако, как правило, у материалов с более высоким показателем MRS выше стоимость.

Как правило, для изготовления промышленного оборудования используют ПЭНД черного цвета, прокрашенный по массе углеродом, что, в частности, придает ему стойкость к УФ-излучению и позволяет использовать изготовленное из него оборудование на открытом воздухе.

Еще один представитель класса полиолефинов, полипропилен (ПП, PP), при сравнимой с полиэтиленом стойкости к воздействию агрессивных химических соединений, обладает более высокой жесткостью и термостойкостью, за счет чего его применение оправдано для изготовления емкостей прямоугольной формы, а также оборудования, эксплуатирующегося при повышенных температурах – до 100°С.

Кроме того, один из видов полипропилена  полипропилен-рандомсополимер (PP-R или статистический полипропилен) находит широкое применение в трубопроводах холодного и горячего водоснабжения, и следовательно также может использоваться в системах водоподготовки.

При всех положительных качествах полиолефинов (прежде всего, сравнительно низкой стоимости), в целом ряде случаев, например, когда речь идет о хранении и транспортировке некоторых хлорсодержащих соединений, свойств этих материалов бывает недостаточно, чтобы обеспечить бесперебойную работу оборудования в течение установленного срока службы. Применительно к системам водоподготовки, такой критической средой является, прежде всего, гипохлорит натрия, особенно его растворы высокой концентрации – до 16% по активному хлору и выше.

В этом случае, согласно  регламентирующим документам Немецкого Строительного Института (DIBT) в качестве конструкционного материала для строительства оборудования, контактирующего с гипохлоритом натрия, рекомендуется использовать непластифицированный поливинилхлорид (ПВХ, PVC-U). 

Основные отличия данного материала (стандартных, ненаполненных версий) от полиолефинов:

  • Высокая жесткость (модуль упругости 2700-3200 Н/мм²)
  • Негорючесть в воздушной среде* (кислородный индекс – 49%, для сравнения у ПЭНД – 17%)
  • Возможность склеивания (холодной сварки)
  • Прозрачность (в натуральном виде, без красителей)
  • Сравнительно низкая верхняя граница рабочей температуры – до 60°С
  • Стойкость к УФ-излучению

*Примечание: несмотря на то, что ПВХ не горит в воздушной среде, его стандартные (немодифицированные) версии относятся к группе горючести Г2 (умеренно горючие материалы) или даже Г3 (нормально горючие материалы) согласно Федеральному закону N 123-ФЗ от 22 июля 2008 года «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»

Накопленный как отечественный так и зарубежный опыт подтверждает экономическую эффективность использования емкостного оборудования из непластифицированного ПВХ для растворов гипохлорита натрия.  Кроме того, с учетом возможности склеивания (хотя правильнее назвать это холодной сваркой) ПВХ широко используется в качестве конструкционного материала для изготовления трубопроводной обвязки емкостного оборудования по причине простоты монтажа.

Общие отличительные особенности термопластов, которые необходимо учитывать при эксплуатации изготовленного из них оборудования

В процессе эксплуатации с течением времени термопласты, испытывающие механические нагрузки и воздействие повышенной температуры, начинают деградировать, а именно – их механическая прочность уменьшается. Дополнительно процесс деградации ускоряет воздействие агрессивных сред, с которыми контактирует материал, что может приводить к растрескиванию, особенно в критичных зонах емкостей – сварных швах, стыках дна и стенок и т.д. Однако зачастую процесс деградации никак внешне не проявляется, поскольку, в отличие от процесса коррозии металлов, протекает не на поверхности, а в глубине материала. Для предотвращения возможных негативных последствий все эти факторы должны учитываться при проектировании. Например, проектирование емкостного оборудования должно обязательно включать в себя статический расчет по стандарту DVS 2205 или по аналогичным методикам.

Заключение

Современные полимерные материалы обладают целым рядом полезных, зачастую уникальных свойств, позволяющих с успехом применять их для изготовления оборудования систем водоподготовки. Тем не менее, для обеспечения эффективной и безопасной работы оборудования, изготовленного из термопластов, необходимо учитывать ряд особенностей, отличающих их от традиционных материалов (металлов, стекла и т.д.), а также соблюдать параметры эксплуатации, заложенные при проектировании.

Литература:

  1. ГОСТ 18599-2001. Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия (с изменением N 1)
  2. Medienlisten 40 für Behälter, Auffangvorrichtungen und Rohre aus Kunststoff, Ausgabe Mai 2005, Deutsches Institut für Bautechnik, Kolonnenstraße 30L10829 Berlin
  3. Федеральный закон N 123-ФЗ от 22 июля 2008 года «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»
  4. DVS Technical Codes on Plastics Joining Technologies, Selected Translations, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 3rd Edition 2013