Уплотнительные кольца для современных трубопроводов

Журнал «АКВА • ТЕРМ ЭКСПЕРТ»

К. Юрганов

Одним из ключевых критериев, определяющих качество любого трубопровода (металлического, керамического, чугунного, бетонного, асбестового или полимерного), является полная герметичность его соединений, которая должна сохраняться на протяжении всего периода эксплуатации, составляющего не менее 50 лет. Герметичность же соединений трубопровода зависит не только от коррозионной и механической стойкости самих труб, но и качества уплотнительных материалов.

Для напорных и безнапорных трубопроводов из различных материалов всё чаще используют раструбные соединения с уплотнительными кольцами из эластомера. Популярность раструбного соединения трубопроводов обусловлена удобством монтажа, а также компенсацией механических и температурных деформаций трубопровода во время эксплуатации без потери герметичности.

В европейских стандартах EN 681-1:1996 + A1:1998 + A2:2002 + AC:2002 + A3:2005 (E) и EN 681-2:2000 + A1:2002 + A2:2005 (E) изложены требования к физическим свойствам уплотнительных материалов, используемых в системах холодного водоснабжения, а также сточных, ливневых и канализационных системах. Так, оптимальными материалами для изготовления уплотнительных колец, отвечающих этим требованиям, являются эластомер или синтетический каучук. Данный вид каучука должен обладать высокой эластичностью (рис. 1), низкой усадкой при сжатии и релаксацией напряжений, а также незначительно изменять свои свойства в результате старения и иметь высокую химическую стойкость.

В качестве примера уплотнительных колец из высококачественного синтетического каучука можно привести продукцию немецкой компании Bode. Физическиесвойства каучука, из которого изготавливают уплотнительные кольца Bode, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Физические свойства каучука уплотнительных колец Bode

Свойства	Единицы измерения	Метод тестирования	Значение	Требования DIN EN 681-1 WC
Жесткость	IRHD	ISO 48	59/63	60±5
Плотность	г/м3	ISO 1183	1,18/1,19	—
Эластичность по отскоку	%	ISO 4662	44/48	—
Предел прочности на разрыв	Н/мм2	ISO 37	11,5/13,5	min 9
Удлинение при разрыве	%	ISO 37	400/450	min 300
Изменение объема в воде (7 дней/70 °C)	%	ISO 1817	+2/+4	max +8/—1
Устойчивость к воздействию озона		ISO 1431-1	0	max 0
Релаксация напряжений (7 дней/23 °C)	%	ISO 3384	7/10	max 15
Усадка при сжатии (воздух):
72 ч/23 °C	%	ISO 815	7/9	max 12
24 ч/70 °C		ISO 815	11/13	max 20
70 ч/-10 °C		ISO 815	17/22	max 50
Изменение свойств в результате старения (воздух); 7 дней/70 °C:
Твердость	IRHD	ISO 48	+4/+6	max +8/—5
Предел прочности на разрыв	%	ISO 37	+5/—5	max —20
Удлинение при разрыве	%	ISO 37	+5/—10	max +10/—30

Таблица 2. Характеристики основных параметров уплотнительного кольца из ППВХ и требования стандарта EN 681:1

Свойства	Требования стандарта EN 681:1	Значения, полученные при исследованиях уплотнительного кольца из ППВХ
Жесткость, IRHD	60±5	64
Предел прочности на разрыв, МПа	≥9	—
Удлинение при разрыве, %	≥300	—
Усадка при сжатии (воздух), %:
24 ч/70°	≤20	71,4
72 ч/23°	≤12	24
72 ч/—10°	≤50	55,6
Релаксация напряжений (7 дней/23 °C), %	max 15	31,9

В нашей стране уплотнительные кольца из эластомеров в раструбных соединениях различных инженерных трубопроводов коммунального хозяйства применяются с начала 60-х годов прошлого столетия. Но до сих пор отсутствуют нормативные документы, регламентирующие требования, как к эластомеру, из которого изготовлены уплотнительные кольца, так и к раструбному соединению, как единой системе. Сейчас отечественные и некоторые иностранные производители выпускают уплотнительные кольца по собственным техническим условиям из материалов, непригодных для изготовления сантехнических уплотнительных элементов.

Так, например, пластифицированный поливинилхлорид (ППВХ) непригоден для изготовления сантехнических уплотнительных элементов, поскольку не отвечает большинству требований европейских норм EN 681-1. Кольца из ППВХ, несмотря на внешнее сходство с кольцами из каучука, обладают очень низкой эластичностью и высокой усадкой при сжатии. Со временем (под воздействием температурных изменений и агрессивной среды) кольцо из ППВХ может совершенно утратить эластичность, что влечет за собой возникновение протечек или появление неприятного запаха. А затраты на устранение причин и последствий протечек во внутренних сетях во много раз превышают стоимость качественного уплотнительного кольца из каучука.

Сравнительные характеристики основных параметров уплотнительного кольца из ППВХ и требования стандарта EN 681:1 приведены в табл. 2. Следует обратить внимание на тот факт, что усадка при сжатии и релаксации напряжений колец из ППВХ в несколько раз превышает требования стандарта EN 681:1.

Отметим, что такие авторитетные зарубежные и отечественные производители пластиковых труб, как Wavin, Uponor, Rehau, Omniplast, Ostendorf, Martoni, Coesprene, Valsir, Redi, «Стройполимер», «Политэк», «Политрон», «ПластПрофиль», Sinikon, большое значение придают качеству комплектующих, применяемых в производстве, и используют только сертифицированные уплотнительные кольца известных изготовителей — MDS, MOL, Bode.

Первые уплотнительные кольца, применявшиеся для раструбных соединений полимерных трубопроводов внутренней канализации, имели круглое сечение. Они обеспечивали хорошую герметичность в течение длительного времени. Но монтаж с использованием таких уплотнительных колец требовал большого внимания, обязательной смазки и снятия фаски с торца гладкого конца трубы, который вставлялся в раструб с уплотнительным кольцом. Нередко случалось, что торец трубы выталкивал кольцо из канавки раструба, а монтажник не имел возможности это контролировать. Без уплотнительного же кольца раструбное соединение становилось негерметичным.

Для того чтобы зафиксировать уплотнительное кольцо в раструбе, специалисты фирмы Wavin разработали систему Wafix, позволяющую уплотнительному кольцу прочно удерживаться в стопорном кольце раструба (рис. 2). Система Wafix обеспечивает трехступенчатое уплотнение, увеличивая поверхность соприкосновения уплотнительного кольца с трубой (рис. 3). Таким образом, протечка в соединениях исключается.

Несколько десятилетий назад компанией Bode было разработано однолепестковое кольцо BL (Bode Lip seal), являющееся сегодня одним из наиболее часто используемых уплотнителей благодаря оптимальному сочетанию цены и качества (рис. 4).

Кольцо изготавливается из бутадиенстирольной резины с жесткостью 60 IRHD. Форма и материал гарантируют высокие уплотнительные свойства на длительный период эксплуатации. Это кольцо не выпадает из раструба ни при монтаже, ни при транспортировке.

Сейчас почти все европейские производители пластиковых труб с П-образным профилем канавки применяют однолепестковое уплотнительное кольцо. Исключение составляют итальянские производители (технологически они формируют другой профиль канавки раструба), использующие двухлепестковое кольцо HMS2-L (рис. 5). Такое кольцо изготавливается из смеси натурального и синтетического каучука с жесткостью 40 IRHD (благодаря большей мягкости эластомера требуется меньшее усилие для соединения труб, а распорное кольцо из полипропилена фиксирует уплотнение в раструбе).

Длительную герметичность раструбного соединения обеспечивают стабильность геометрических параметров раструба (рис. 6), трубы, самого уплотнительного кольца, а также соблюдение требований к эластомерам, из которых изготовлены уплотнительные кольца. Эти требования обусловлены европейским стандартом EN 681-1. Основные требования заключаются в контроле следующих параметров:

• отклонения по жесткости — не более 5 единиц по Шору;
• прочность — от 9 Н/мм2;
• растяжимость (в зависимости от жесткости) — не менее 300 % (для 60 Шор);
• остаточная деформация — не более 20 % при +70 °C, не более 12 % при +23 °С, не более 60 % при —25 °C;
• изменение жесткости (не более пяти единиц), прочности (не более 20 %) и растяжимости (не более 30 %) при искусственном старении (при температуре +70 °С в течение 7 дней).
• ослабление напряженности — при жесткости 60 Шор: не более 15 % при +23 °С за 7 дней и не более 22 % при +23 °С за 100 дней;
• изменение объема в воде — не более 8 % (за 7 дней при +70 °С);
• озоновая устойчивость – отсутствие трещин.

При этом каждая партия колец, используемых для комплектации труб и фитин- гов, должна пройти ряд испытаний на проверку:

• плотности материала;
• жесткости;
• остаточной деформации при температурах: +70 °С (не более 20 %), +23 °С (не более 12 %) и —25 °С (не более 60 %);
• прочности, растяжимости;
• износостойкости (путем искусственного старения при температуре +70 °С).

Кроме того, вставленные в трубы и фитинги уплотнительные кольца регулярно подвергаются испытаниям на герметичность соединений, которая должна обеспечиваться при давлении не менее 0,5 бар для безнапорных систем.

Прогресс не стоит на месте, и сейчас компания Bode предлагает для раструбных соединений безнапорных трубопроводов уплотнительные кольца нового поколения — HB-Fix (рис. 7). Эти кольца выполнены из двух компонентов — вулканизированного термопласта (TPV) и полипропилена (PP).

Благодаря инновационной технологии двухкомпонентного литья уплотнительное кольцо из термопластического эластомера интегрировано с фиксирующим кольцом из полипропилена. Оно сочетает в себе преимущества всех современных уплотнительных колец (фиксацию в раструбе, необходимую герметичность, низкое осевое усилие при монтаже) и обладает рядом уникальных свойств:

• более высокой химической устойчивостью, чем у бутадиенстирольной резины (БСР) и этиленпропилендиен мономера (ЭПДМ), к маслу, хлору, щелочи и кислоте;
• высокой степенью герметичности на более длительный, чем у БСР и ЭПДМ, срок;
• устойчивостью к воздействию озона (не окисляется и не разрушается);
• высокой устойчивостью к скачкам температуры и ультрафиолетовому излучению;
• более низкой релаксацией напряжений при длительном использовании;
• отсутствием необходимости смазки при монтаже.

Отметим также, что традиционные уплотнительные кольца обеспечивают герметичность при давлении до 1 атм, что вполне достаточно для внутренней канализации. Уплотнительное же кольцо HB-FIX обеспечивает герметичность при давлении до 2,5 атм. Таким образом, трубы и фитинги, предназначенные для внутренней безнапорной канализации и укомплектованные уплотнительными кольцами HB-Fix, можно использовать для внутренних водостоков зданий высотой до 25 м в соответствии соСНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» (ст. 20.12).

Водосточные стояки, а также все отводные трубопроводы (в том числе — прокладываемые ниже пола первого этажа) следует рассчитывать на давление, выдерживающее гидростатический напор при засорах и переполнениях. То есть использование уплотнительных колец HB-Fix расширяет область применения труб и фитингов, изготовленных по стандарту EN 1401-1, что частично снижает себестоимость строительства при гарантированной надёжности.

Особое внимание необходимо уделить требованиям, предъявляемым к уплотнительным кольцам для раструбов напорных трубопроводов из ПВХ и чугуна. Эти трубопроводы пользуются большой популярностью, связанной с удобством монтажа, не требующего дополнительного сварочного оборудования.

Уплотнительные кольца, используемые в системах напорного питьевого водоснабжения, совершенствовались как с точки зрения выбора эластомера, так и формы сечения. Со второй половины 1980-х гг. для труб из ПВХ стали часто применять уплотнительные кольца системы 3S (рис. 8).

Так как форма и геометрические размеры раструба напорных труб стандартизованы, повышение надёжности и удобство монтажа трубопроводов могут достигаться совершенствованием уплотнительных колец. Так, например, кольца для напорных трубопроводов, выпускаемые в соответствии с требованиями европейских стандартов EN 1452-1 и EN 1456 c раструбами Euro или Anger, усовершенствованы компанией Bode в отношении профиля и геометрических размеров. Данный вид колец изготавливается из БСР или ЭПДМ. Эффективность таких уплотнений может сохраняться на протяжении более 100 лет.

В завершение отметим: поскольку уплотнение напрямую контактирует с питьевой водой, чрезвычайно важны не только физико-механические свойства каучука, но и его гигиенические характеристики. Один из основных параметров — «непроникаемость» (отсутствие влияния химического состава компонентов уплотнения на состав и вкус питьевой воды). При использовании уплотнений из низкокачественной резины возникает риск проникновения в питьевую воду вредных компонентов. Для гарантии качества и надёжности очень важно, чтобы компания, выпускающая уплотнения для питьевого водоснабжения, самостоятельно разрабатывала смесь и сертифицировала не только продукцию, но и компаунд.