Согласно указанному ГОСТу собирать трубы м. собой следует посредством раструбных соединений: при диаметре 63–315 мм с использованием уплотнительных колец, а при диаметре 10–160 мм – клея, выпускаемого по ТУ 22520490020353698 (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: «7.3.1 Склеиваемые поверхности должны проходить специальную механическую обработку, обезжириваться, покрываться клеем. 7.3.1 Состав клея или его марка должны соответствовать материалу трубопровода. 7.3.1 Конфигурация и размеры клеевых соединений должны выполняться по специальным регламентам с учетом используемых труб, срока службы и технологии выполнения монтажных работ. 7.3.1 В регламенте должна указываться технология склеивания, включающая технологические циклы подготовки поверхности, а при необходимости приготовление самого клея, собственно самого цикла склеивания, время до испытания соединения с указанием необходимых параметров».

Как видно из приведенной выдержки, в СП 401022000 – 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. все - таки 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.

К сожалению, работа над конкретными Сводами правил находится в начальной стадии либо так же 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

где Kзкс – k 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 Dн к толщине стенки s труб, табл.) – 41, 33, 26, 21, 17 и 13,6 соответственно;

sсд – разрушающие напряжения сдвига клеевого шва, МПа;

sм – прочность НПВХ, МПа;

l – длина клеевого шва, м.

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

где E – прочность и модуль упругости НПВХ, МПа;

Gк и sк – модуль сдвига, МПа, и толщина клеевой прослойки, м;

ln – знак натурального логарифма;

sh и ch – знаки гиперболических синуса и косинуса.

Значения sм приводятся в ТУ – кратковременные 49 и длительные 10 (для НПВХ 10 и 12,5 (для НПВХ 12 . 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 температурновременное поведение для НПВХ хорошо изучено.

Что касается разрушающих напряжений sсд, модуля сдвига Gк и толщины dк, 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 22520490020353698 «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 sсд у соединений, выполненных на клеях, имеющих в своем составе перхлорвиниловую смолу (7–25%), практически одинаковые – около 9 МПа ( 1, кривая , то разброс отдельных показателей sсд различается.

Так, у соединений, склеенных клеями с Мс = 15%, коэффициенты вариации этих показателей меньше в среднем в 1,4 раза, чем у соединений на клеях с Мс = 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 sсд для больших показателей Мс 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 sсд примерно на 30% по отношению к необработанным ( .

За счет правильной обработки удается также уменьшить разброс показателей прочности. Наиболее высокие показатели прочности и надежности стыков обеспечиваются при абразивных зернах с №№ 10–1 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 какимто 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, Тор = 0 ( .

Вроде бы, это не существенно для sсд, зато k 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 sсд до 30%.

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

где Dр и Dн – 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 Dн = 10–125 мм) и 0,2 (для труб с Dн = 140–160 мм).

При натяге Dн, т. е. когда Dр < Dн, (Dн = 0,1 мм для труб с Dн = 10–125 мм и 0,15 мм для труб с Dн = 140–160 мм), dк = 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 sсд, при зазоре dз = 0,3 мм, судя по нижней границе доверительного интервала ( 4, кривая , в 2 раза меньшие, чем при нулевом зазоре.

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

На прочность клеевых соединений влияет технологическая пауза (промежуток времени м. завершением нанесения клея на поверхности и полным их сопряжением). Особенно заметно ее влияние при склеивании соединений клеями на слабых растворителях ( 5, кривая , когда уже при Тп = 1,0 мин. происходит снижение прочности в 2 раза по отношению к Ттп = 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 ( 5, кривая даже при технологической паузе в 2 раза большей (Тп = 2 мин.) показатель sсд снижается всего на 30%. Увеличение содержания циклогексанона в клее приводит к общему понижению показателей прочности ( 5, кривая .

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

Соединения, независимо от того, с помощью какого клея произведено склеивание, через 20–30 сут. приобретают практически одинаковую прочность. Очевидно, что влияние интенсивности реологических циклов, 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 так же в течение 40–50 сут. происходит некоторое увеличение прочности. Это объясняется тем, что цикл удаления остатков растворителя протекает весьма медленно и может продолжаться длительное время с постепенным увеличением прочности соединений, примерно на 15–20% за 5 лет ( .

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 ( 8 и , температура главным 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, но чем ниже температура, тем ниже v набирания прочности. Причем в области отрицательных температур различия в показателях прочности весьма незначительны ( . 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.

цикл 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 ( 1 .

Как видно из графиков, прочность соединений при повышенной температуре их отверждения, при которой ускоряется удаление из клеевого шва остатков растворителя, существенно увеличивается. Причем если v 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 ( 1 .

Причем чем быстрее после склеивания опять 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 ( 11, кривая . 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 ( 11, кривая .

Доотверждение клеевых соединений происходит и в атмосферных условиях ( 1 , 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 фактически 80% ( 12, кривая от прочности контрольных образцов ( 12, кривая .

На прочность соединения влияет то, каковы условия его склеивания. Как видно из графиков ( 13, кривая , 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 ( 13, кривая .

Если такие же соединения находились при нормальной температуре не более 2 ч, то, очевидно, в дальнейшем при отрицательной температуре их прочность ( 13, кривая 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 sсд = 4 МПа, в течение последующих 200 ч могут приобрести прочность 10,5 ( 14, кривая либо 8 МПа ( 14, кривая в зависимости от того, при какой температуре они будут доотверждаться.

На sсд при температурах выше нормальных ( 1 , существенное влияние оказывает время (1 как отверждения, так и доотверждения клеевых соединений.

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

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

Литература
Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов систем водоснабжения и канализации из полимерных материалов. Общие требования. СП 40102–200 М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 200 28 с.

Ромейко В. С., Алескер Я. Б., Отставнов А. А. и др. Справочные материалы. Пластмассовые трубы в строительстве. Ч. Трубы и детали трубопроводов. Проектирование трубопроводов. М.: ВАЛАНГ, 199 193 с.

Ромейко В. С., Алескер Я. Б., Отставнов А. А. и др. Справочные материалы. Пластмассовые трубы в строительстве Ч. Строительство трубопроводов . Эксплуатация и ремонт трубопроводов, М.: ВАЛАНГ, 199 188 с.