Устойчивость пластиковых труб к хлорированной воде

Практически все трубы из пластика (полибутилен, полипропилен, PEX) – это полиолефины, то есть высокомолекулярные соединения, получаемые из сырой нефти, природного газа или различных видов полимерных материалов. У них есть особенность: молекула защищена только атомами водорода, которые и удерживают цепные структуры. Атомы водорода очень маленькие и совсем не защищают цепь от агрессивных химических веществ. Кроме того, разветвленные полиолефины, такие как полибутилен и полипропилен, имеют большое количество легко окисляемых третичных углеродов в структуре их цепей, поэтому они требуют еще более высокого уровня защиты, чтобы противостоять разложению.

С целью продления срока эксплуатации труб при их производстве используются антиоксидантные добавки, предотвращающие эрозию стенок трубопроводов при транспортировке агрессивных жидкостей, включая хлорированную воду. Поскольку полиолефины более проницаемы, антиоксидантные добавки могут вымываться из пластиковых труб, даже если отсутствует агрессивный окислитель. Поэтому, основные факторы, влияющие на срок службы трубопроводов – процентное содержание антиоксидантов и качество производства.

Исследования, протоколы, стандарты

Негативное разрушающее воздействие хлора и его производных на пластиковые трубопроводы были выявлены в США еще в 1960х годах. Сегодня эта проблема становится вновь актуальной, поскольку для дезинфекции трубопроводов используются агрессивные окислители, убивающие патогенные микроорганизмы.

Американское общество испытаний материалов (ASTM) и Национальный фонд санитарной защиты разработали протоколы проверки стойкости пластиковых материалов по отношению к хлору:

• ASTM F2023 (PEX, PP, PE-RT), ASTM F2263 (PE) – разработан в 2000 году, представляет собой метод испытания термоокислительной стойкости труб;
• PPI TN-43 – тестирование долгосрочной стойкости.

Результаты ускоренного лабораторного тестирования используются для сертификации продукции по ISO / IEC 17025, а также по отраслевой спецификации NSF / ANSI 14.

В российских государственных стандартах и строительных нормах нет требований конкретно по сопротивляемости к хлору пластиковых труб. К примеру, в ГОСТ 32415-2013 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали» содержатся только требования по длительности гидростатической прочности, толщине стенок, руководства по приемке систем трубопроводов и прочие требования, вне зависимости от наличия или отсутствия хлора в транспортируемой жидкости.

Что такое хлорированная вода?

Основные нормы и требования к водоподготовке содержатся в ГОСТ 33937.2016 и ГОСТ 30813.2002.

Нормы внесения хлора для питьевой воды (мг/л):

• Централизованная система водоснабжения – 0,25 мг/л;
• Кратковременное допустимое воздействие, меняющие свойства воды (цвет, запах, вкус) – 5 мг/л.

Имея расчетный пассажиропоток можно подобрать трубы соответствующей пропускной способности.

Также расчеты потребления можно выполнить по методологиям, изложенным в СНиП 2.0 4.01-85.

После обеззараживания воды хлором и перед подачей её потребителям проверяется общая концентрация свободного и связанного хлора, она не должна превышать 1,2 мг/л. Считается, что подобная обработка имеет окислительное, бактерицидное, вирулицидное воздействие. Для подготовки воды используется жидкий хлор, раствор гипохлорита натрия, сухие реагенты, диоксид хлора.

Примечательно, что хлорирование используется во всем мире как эффективная технология подготовки воды. В странах ЕС используется в большей части гипохлорит натрия (NaClO) и газообразный хлор, ПДК 0,2-0,5 мг/л (в России 0,3-0,5 мг/л), а вот в Северной Америке вносится хлора значительно больше, и установленная там ПДК – 4,3 мг/л.

Воздействие на пластиковые трубопроводы в США будет как минимум в 10 раз сильнее, а учитывая эрозию, износ трубопроводных систем становится реальной проблемой.

Как влияет хлор на трубы из разных материалов?

В ходе испытаний была установлена прямая связь между воздействием остаточного хлора на срок службы пластиковых трубопроводов (исследования ASTM 2023-13). Также было установлено, что длительное воздействие небольших концентраций разрушают качественные трубы с антиоксидантами незначительно и со стабильной интенсивностью, чего нельзя сказать об обработке агрессивными химическими дезинфицирующими средствами (например, ClO2).

ПВХ/НПВХ и хлорированная вода

В молекулах поливинилхлорида и НПВХ уже имеется атомы хлора. Они имеют большой размер и являются естественной защитой для цепной структуры от окружающей среды. Хлор в молекуле ПВХ физически блокирует процесс окисления, поэтому применение антиоксидантных добавок является необязательным. Даже спустя 50 лет эксплуатации в трубопроводах с высоким содержанием хлора, стенки НПВХ и ПВХ труб не подвергаются значимой эрозии, что делает эти материалы очень популярными и востребованными для транспортировки горячей хлорированной воды в США и Канаде. Также материалы популярны при построении систем водоподготовки для бассейнов и СПА.

Полиэтилен и хлорированная вода

Стандартный метод испытаний для оценки окислительной стойкости полиэтиленовых (ПЭ) труб к хлорированной воде – ASTM F2263 (2019). Образцы подвергают воздействию различного давления и при различной температуре по протоколу ускоренных испытаний. Хлор проявляет высокую разъедающую способность молекул ПЭ, в особенности при высоком давлении и повышенной температуре.

PP, PE-RT, PEX-трубы и хлорированная вода

Стандартный метод испытаний для оценки окислительной стойкости полиэтиленовых (PEX, PP, PE-RT) труб к хлорированной воде – F2023. Согласно протоколу NSF P171 в ходе исследований по этим трубам осуществляется подача воды с содержанием хлора на уровне 4,3 мг/л (в 8 различных условиях с разным давлением и температурой). По результатам испытаний присваивается определенная стойкость к хлору каждому отдельно взятому образцу.

Быстрее всех от хлора разрушается PEX-труба без присадок, на втором месте – полипропилен по формулам 90х годов. Современные же образцы пластиковых труб с антиоксидантами и соответствующими присадками демонстрируют высокую стойкость к воздействию хлора, даже при длительной эксплуатации (30 и более лет).

Несмотря на отличия в химических и физических свойствах, для PEX, PP, PE-RT применяется одна и та же методика проведения испытаний. Всё дело в том, что полимеры имеют примерно одинаковый атомный состав, отличаются лишь связями, формой молекулы, что определяет гибкость, небольшой вес, термостойкость и прочие свойства. Хлор влияет на основу многомолекулярных соединений – на длину молекулы и связь между углеродом и водородом. Поэтому, характер разрушений у чистых материалов и последствия контакта с хлором практически не отличаются.

Также стоит отметить, что существует много мифов, касающихся очень быстрого разрушения пластиковых труб в условиях российских централизованных систем водоснабжения. Они вызваны рядом факторов:

• Волна отказов и протечек водопроводных систем прокатилась в 1960х-1970х годах (в США). Тогда применялись «чистые» пластмассы. Высокомолекулярные соединения подвергались быстрой эрозии, в особенности на горячем водоснабжении. Причина проста – концентрация хлора в водопроводных системах США была и остается на уровне 4,3 мг/л. Для сравнения, в России ПДК в водопроводной воде хлора – 0,3-0,5 мг/л, и это в точке выхода из системы очистки. До потребителя вода приходит еще более очищенной от хлора.
• Первые трубопроводные системы не имели в своем составе антиоксиданты, предотвращающие разрушение стенок пластиковых труб. С 1980х годов активно применяются присадки, которые практически полностью исключают влияние хлора на некоторые серии трубопроводов (как универсальных, так и специальных).
• Недобросовестные производители (в большей части, маловостребованные бренды) с целью удешевления продукции снижают процентное содержание антиоксидантов, которые вымываются со временем из материала трубопровода, что влечет за собой увеличение площади эрозии, что в свою очередь, ускоряет процесс разрушения стенок труб.
• Неправильное использование пластиковых систем, без учета технических условий, свойств транспортируемых жидкостей, эксплуатационных характеристик водопровода. К примеру, нельзя использовать пластиковые материалы в системах водоподготовки бассейнов, где концентрация хлора может быть в десятки и даже в сотни раз выше водопроводных централизованных систем.

Покупка качественных труб, квалифицированный монтаж, следование инструкциям производителя и сертификация по NSF P171 и ASTM F2023 – это достаточные условия для использования труб в бытовых системах на протяжении 50 и более лет.

Сталь и хлорированная вода

Примечательно, что хлорная среда негативно влияет даже на металлы, точечно разрушая различные виды стали, используемые при строительстве водопроводов. Если окислительная среда содержит ионы хлора, она разрушает пленку окислов, истончая со временем толщину стенки (в том числе, благодаря коррозии). В мягкой и горячей воде цинк хуже защищает сплав от разрушения хлором, если температура проточной горячей воды будет выше 70 °С, разрушительные процессы сильно активизируются. Углеродистая же сталь активнее разрушается свободным хлором, хлор-замещенными окислителями. Всё это снижает срок эксплуатации стальных трубопроводов горячего водоснабжения до 25 лет.

Можно ли использовать пластиковые трубы для транспортировки хлорированной воды?

Понимание технических условий – это первый шаг к продлению срока эксплуатации труб, контактирующих с хлором. Российские стандарты и строительные нормы не ограничивают использование пластиковых систем трубопроводов для хлорированной питьевой или технической воды. В то же время, ГОСТ 32415-2013 требует обеспечения длительной эксплуатации для конкретных условий (ХВС, ГВС, отопление и так далее).

В разных условиях разные материалы разрушаются с различной скоростью. Используя результаты тестирования труб по методам ASTM, производители пластиковых труб определяют область применения своей продукции. Существует множество решений, в которых с помощью внесения антиоксидантов практически к нулю свелось негативное влияние хлора на надежность трубопроводов. Проверить соответствие актуальным требованиям к трубам при контакте с хлором можно по наличию сертификации NSF и ASTM F 2389.