مقارنة المعايير والتصميم والأداء لأنابيب PVC-U وPVC-UH وPVC-M وPVC-O الرقم 1 مقدمة إلى معايير المنتج

مقارنة المعايير والتصميم والأداء لمواسير PVC-U وPVC-UH وPVC-M وPVC-O

رقم 1 مقدمة إلى معايير المنتج

أنابيب إمداد المياه من نوع PVC-U وPVC-UH وPVC-M وPVC-O هي جميعها أنابيب صلبة من كلوريد البولي فينيل الرigiدي. وتُستخدم أساسًا للخطوط الرئيسية والفروع في أنظمة نقل المياه تحت الضغط المدفونة حيث لا تتجاوز درجة حرارة المياه 45 °م، ويمكن أيضًا استخدامها داخليًا أو في ممرات الأنابيب. تظهر المعايير والمواصفات الحالية للأنواع الأربعة من الأنابيب في الجدول 1.

NO.2 المتطلبات الفنية لخلطات المركبات

تشير خلطة المركب إلى الخليط الموحد من الراتنج الأساسي PVC وعوامل إضافية مختلفة ضرورية، وهو المادة الخام المستخدمة مباشرة في بثق أنابيب PVC. بالنسبة للأنابيب تحت الضغط، فإن تصميم صيغة مخاليط مركبات PVC ومؤشرات الأداء تكون حاسمة، حيث تؤثر بشكل مباشر على أداء المنتج وطول عمره الافتراضي. لمعرفة تأثير راتنج PVC والعوامل الإضافية المختلفة على أداء المنتج، يُرجى الرجوع إلى "تصميم صيغة PVC ومعالجة المنتج". ويشرح هذا الفصل بشكل رئيسي مؤشرات الأداء ومتطلبات التصنيف ومتطلبات تصميم الصيغة الخاصة بالمخاليط المركبة.

2.1 متطلبات الأداء للمخاليط المركبة

من بين أنابيب توصيل المياه البولي فينيل كلوريد (PVC) في الصين، تحدد أنابيب PVC-UH المتطلبات الخاصة بالأداء الفيزيائي والميكانيكي لخليط المركبات مع الرجوع إلى المعيار الأمريكي لأنابيب توصيل المياه من البولي فينيل كلوريد AWWA C900، كما هو موضح في الجدول 2. حاليًا، لا توجد أحكام تتعلق بمؤشرات الأداء للخليط المركب لأنواع أخرى من أنابيب توصيل المياه من البولي فينيل كلوريد. تسهم هذه المتطلبات في التحكم بشكل أفضل باختيار المواد الخام والصيغ المستخدمة في الأنابيب، فضلاً عن التحكم في الجودة.

الجدول 2: المتطلبات الفيزيائية والميكانيكية للأداء لخليط مركبات PVC المحددة لأنابيب تغذية PVC-UH

متطلبات تصنيف الخلطات المركبة

تم تصميم أنابيب PVC تحت الضغط لعمر خدمة يبلغ 50 عامًا. يجب أن تخضع خلطات المركبات المستخدمة في الأنابيب لاختبارات تصنيف الخلطات وفقًا للمعيار ISO 9080 أو GB/T 18252، أي اختبارات مقاومة ضغط المياه الثابتة على المدى الطويل للخلطات المركبة على شكل أنابيب، والتي تُحدد من خلال قوة التصنيف المقابلة لدرجة حرارة 20 °م و50 عامًا، والمعروفة باسم الحد الأدنى المطلوب للقوة (MRS). وتوضح الجدول 3 متطلبات تصنيف الخلطات المركبة لأنابيب إمداد مياه PVC-U وPVC-UH وPVC-M وPVC-O.

الجدول 3: متطلبات تصنيف الخلطات المركبة لأنابيب إمداد مياه PVC

في المعيار ISO 1452-1:2009، يتم تصنيف المواد. وفقًا لقوة الضغط الهيدروستاتيكي الدنيا المطلوبة للمواد، يُحدد معيار القوة الهيدروستاتيكية الدنيا (MRS) للمواد البولي فينيل كلورايد المستخدمة في الأنابيب بقيمة 25 ميجا باسكال، أي أن درجة المادة هي PVC-U 250. أما المعيار الوطني لأنابيب PVC-U، GB/T 10002.1-2006، فلا يحدد رتبة الضغط لمخاليط المركبات الخاصة بالأنابيب. بينما تحدد أنابيب إمداد المياه من نوع PVC-UH متطلباً للتصنيف هو MRS ≥ 25 ميجا باسكال للمخاليط المركبة. ومعيار القوة الهيدروستاتيكية الدنيا (MRS) لأنابيب PVC-M يكون ≥ 24.5 ميجا باسكال.

يتم تقسيم معيار القوة الهيدروستاتيكية الدنيا (MRS) لأنابيب PVC-O المحددة في المعايير الدولية إلى 5 أنواع: 31.5، 35.5، 40، 45، و50 ميجا باسكال، والتي تقابل أكواد درجات المواد الأولية 315، 355، 400، 450، و500 على التوالي. من بينها، يتم إنتاج الدرجتين 400 و450 عادةً بكميات كبيرة، في حين لا تُستخدم الدرجات الأخرى بشكل شائع.

2.3 متطلبات اختيار المواد الرئيسية في المخاليط المركبة

تركيبة أنابيب تغذية المياه من البولي فينيل كلوريد تتكون أساسًا من راتنجات البولي فينيل كلوريد، والمواد المثبتة، والمواد المزلقة الداخلية والخارجية، والمح_FILLERS، وأصباغ الألوان، وعوامل تعديل التأثير، ومساعدات المعالجة، إلخ، بنسب معينة. ويؤدي اختيار المواد الخام المختلفة ونسبتها دوراً حاسماً في أداء الأنابيب واستخدامها.

تتطلب معالجة أنابيب PVC متطلبات عالية بالنسبة لأداء تدفق المصهور لراتنج PVC. في الإنتاج الفعلي، يُستخدم عادةً راتنج PVC من نوع التعليق SG-5. تنقسم طرق تحضير PVC إلى طريقتين: طريقة الإيثيلين وطريقة كربيد الكالسيوم. تستخلص طريقة الإيثيلين الإيثيلين من النفط، ثم تجعل غاز الكلور يتفاعل مع الإيثيلين من خلال تفاعل الاستبدال لإنتاج مونومر كلوريد الفينيل، والذي يُبلمر بعد ذلك ليُنتج راتنج البولي فينيل كلورايد. وتشمل الشركات الممثلة لهذه الطريقة Oxy Vinyl LP (الولايات المتحدة الأمريكية)، وشركة سينوبك قيلو للبتروكيماويات، وتيانجين LG داجو كيميكل المحدودة، وغيرها. أما طريقة كربيد الكالسيوم فتُستخدم عمومًا على نطاق واسع في الصين، حيث تعتمد على استخدام كربيد الكالسيوم (الكالسيوم الكاربايد) الذي يولد الأسيتيلين عند تفاعله مع الماء، ثم يتم توصيل الأسيتيلين مع كلوريد الهيدروجين لإنتاج مونومر كلوريد الفينيل، والذي يتحول بعدها إلى راتنج البولي فينيل كلورايد من خلال تفاعل البلمرة.

يُعد البولي فينيل كلورايد (PVC) أحد أكثر البوليمرات حساسية للحرارة في الصناعة، وعرضة للتدهور الحراري. لذلك فإن مثبتات الحرارة تُضاف بشكل إلزامي أثناء معالجة أنابيب PVC. في عملية إنتاج أنابيب PVC، تُستخدم حاليًا مثبتات حرارية من نوع مثبتات الكالسيوم-الزنك ومثبتات العضوية القصديرية. تُستخدم مثبتات الكالسيوم-الزنك بشكل رئيسي في أوروبا، بينما تُستخدم مثبتات العضوية القصديرية على نطاق واسع في الولايات المتحدة، وتُستخدم كلا النوعين في الصين. عادةً ما تكون مثبتات الكالسيوم-الزنك عبارة عن مثبتات مركبة وتُضاف بنسب عالية نسبيًا؛ أما مثبتات العضوية القصديرية فتُضاف عادةً بنسب منخفضة ولها تأثير تثبيت جيد في إنتاج الأنابيب متوسطة والكبيرة القطر. إذا كانت الأنابيب تتطلب مقاومة عالية للعوامل الجوية، فيمكن أيضًا إضافة كمية مناسبة من مضادات الأكسدة ومثبتات الضوء.

في معالجة أنابيب PVC، فإن المزلقات الداخلية والخارجية لا غنى عنها أيضًا. وتشمل المزلقات الرئيسية المستخدمة حمض الدسم، البارافين، شمع البولي إيثيلين، وستيرات الكالسيوم التي لها تأثير تثبيتي أيضًا. ويجب تحديد جرعة نظام التزييت وفقًا لمتطلبات تصميم المعدات وصيغة المنتج. والمفتاح هو ضمان أن يكون للمزيج المركب تأثير تلدين جيد، بحيث لا تتأثر بشكل كبير درجة حرارة تشوه الحرارة والخصائص الميكانيكية للأنابيب.

ووفقًا لتصميم المنتج، يمكن إضافة حشوات كربونات الكالسيوم أيضًا إلى أنابيب البولي فينيل كلورايد (PVC). وتتمثل الوظائف الرئيسية لكربونات الكالسيوم في تحسين صلابة الأنابيب، وتخفيض معدل الانكماش، وتقليل التكاليف. كما أن إضافة كربونات الكالسيوم تؤدي إلى خفض مقاومة منتجات الأنابيب وتزيد من هشاشتها. ولذلك، يجب التحكم بدقة في كمية حشوات كربونات الكالسيوم المستخدمة في إنتاج أنابيب البولي فينيل كلورايد (PVC). وتُقسَّم كربونات الكالسيوم عمومًا إلى كربونات كالسيوم ثقيلة وكربونات كالسيوم خفيفة. وتتميَّز الخلطة المركَّبة التي تحتوي على كربونات الكالسيوم الثقيلة بانسيابية جيدة، وهي مناسبة لأنظمة التغذية والنقل المركزية، وبخاصة أنظمة النقل الهوائي؛ أما الخلطة المركَّبة التي تحتوي على كربونات الكالسيوم الخفيفة فهي أقل انسيابيةً وكثافتها أقل، لكنها لا تؤثر تأثيرًا كبيرًا على تركيبة أنابيب إمداد المياه عند استخدامها بكميات صغيرة.

يكون لون أنابيب البولي فينيل كلورايد عمومًا رماديًا أو أزرق. وتشمل أصباغ الألوان المستخدمة بشكل شائع ثاني أكسيد التيتانيوم، والكربون الأسود، والأزرق الفثالوسيانيني. وعمومًا، تكون كمية الصبغ المضافة صغيرة، ويجب أن تمتلك قوة تلوين جيدة ومقاومة للعوامل الجوية.

تسهم مواد تعديل التأثير والمساعدات في المعالجة في تحسين مقاومة الصدمات وأداء معالجة أنابيب البولي فينيل كلورايد أثناء عملية التصنيع.

2.4 متطلبات تصميم الصيغة لمخاليط المركبات

يمكن ملاحظة من البند 2.1 متطلبات الأداء للخليط المركب والبند 2.2 متطلبات التصنيف للخليط المركب أن متطلبات الخلاطات المركبة للأنواع الأربعة من الأنابيب تختلف. وبالتالي، توجد اختلافات معينة في تصميم الصيغة والتكلفة للمنتجات الأنبوبية الأربعة. لمزيد من التفاصيل حول متطلبات تصميم الصيغة، يُرجى الرجوع إلى الجدول 4. ونتيجة لاختلافات التصميم المنتج، توجد أيضًا فروق في مؤشرات أداء المنتج، والتي سيتم توضيحها بالتفصيل في القسم 5 من هذا البحث.

الجدول 4: متطلبات تصميم صيغة الأنابيب البلاستيكية PVC الأربعة لأنواع مواسير المياه

رقم 3 الضغط الداخلي المسموح به ومقاومة الضغط الخارجي

3.1 الضغط الداخلي المسموح به للأنابيب

إجهاد تصميم الأنابيب تحت الضغط:

σₛ = MRS / C (1)

حيث: σₛ — إجهاد التصميم لمواسير الضغط، ميجا باسكال MRS — القوة الدنيا المطلوبة للأنابيب، ميجا باسكال C — معامل الخدمة الكلي (معامل التصميم)

تم تصميم أنابيب PVC لعمر خدمة متوقع يبلغ 50 عامًا. عند نقل المياه عند درجة حرارة 20 °م، تُظهر الجدول 5 القيم القصوى المسموح بها لإجهاد التصميم لأنواع مختلفة من أنابيب توصيل المياه المنزلية من PVC. ويتم حساب الضغط الاسمية (ضغط التصميم) والضغط العامل لتشغيل طويل الأمد لمدة 50 عامًا وفقًا للصيغة (2) والصيغة (3) على التوالي.

الجدول 5 القيم القصوى المسموح بها لإجهاد التصميم لمختلف أنابيب الضغط المحلية من PVC

ملاحظة: توجد العديد من درجات المواد الخام لمواسير PVC-O، ويمكن التصميم بالإشارة إلى معايير منتجات PVC-O؛ بالنسبة للدرجتين 400 و450 عمومًا، يكون معامل الخدمة الكلي C هو 1.6.

الضغط الاسمي (الضغط التصميـمي) للمواسير:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

حيث: P — الضغط الاسمي (الضغط التصميـمي) للمواسير، ميجا باسكال σₛ — إجهاد تصميم المواسير تحت الضغط، ميجا باسكال dₙ — القطر الخارجي الاسمي، مم eₙ — سماكة الجدار الاسمية، مم

وفقًا للمعيار CJJ 101-2016 "الكود الفني لهندسة خطوط أنابيب المياه البلاستيكية المدفونة" البند 4.1.7، فإن القيمة القياسية للضغط التصميـمي للأنبوب تساوي 1.5 مرة القيمة القياسية للضغط التشغيلي، أي:

P = 1.5 × Pwk (3)

حيث: Pwk — الضغط التشغيلي للمواسير، ميجا باسكال

ومن هنا يتضح أن معامل الخدمة (التصميمي) الكلي لمواسير PVC-UH أعلى من ذلك الخاص بمواسير PVC-M ومواسير PVC-O، أي أنها توفر ضمان سلامة أعلى خلال الاستخدام الطويل الأمد.

3.2 مقاومة الأنبوب للضغط الخارجي

وفقًا لتعريف الصلابة الحلقي في البند 2.4.2 من GB/T 19278-2018، فإن الصلابة الحلقي ترتبط بالكثافة التكعيبية مع سمك جدار الأنبوب. الصيغة المبسطة لحساب الصلابة الحلقي (S) هي:

S = 0.0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

حيث: S — الصلابة الحلقي، كيلو نيوتن/م² E — معامل مرونة مادة جدار الأنبوب، ويُحدد بـ 3000 ميجا باسكال للأنابيب البولي فينيل كلوريد حسب المواصفات dₙ — القطر الخارجي الاسمي، مم eₙ — السمك الاسمي للجدار، مم

يمكن ملاحظة أنه بالنسبة للأنابيب ذات القطر الخارجي نفسه، كلما زاد سمك الجدار، زادت صلابة الحلقة، وازدادت مقاومة التشوه الناتج عن الضغط الخارجي. ويُظهر الجدول 6 مقارنةً لصلابة الحلقة لأنواع الأنابيب الأربعة (مأخوذًا أنابيب بضغط اسمي مقداره 1.0 ميجا باسكال كمثال). ويمكن استنتاج من الجدول 6 أنه من منظور المعاملات التصميمية، يمكن لأنابيب PVC-M وPVC-O اختيار جدران أرق لتلبية متطلبات ضغط التشغيل، ولكن الجدران الرقيقة جدًا قد تؤدي أيضًا إلى ضعف مقاومة التشوه الناتج عن الضغط الخارجي.

الجدول 6: مقارنة صلابة حلقة أربع أنواع من الأنابيب

عند المقارنة بناءً على نفس صلابة الحلقة، فإن أنابيب PVC-M وPVC-O تمتلك درجات ضغط اسمي أعلى. ونتيجةً لارتفاع تكلفة تركيبة المادة وتكاليف المعالجة، تكون تكلفة هذه الأنابيب أيضًا أعلى من أنابيب PVC-U وPVC-UH.

متطلبات مؤشر الأداء رقم 4

الأنابيب البلاستيكية صلبة وأنابيب التغذية بمياه PVC-U وPVC-UH

توجد اختلافات معينة في مؤشرات الأداء الخاصة بأنابيب PVC-U المحددة في المواصفات القياسية الوطنية وتلك المحددة في مواصفة ISO 1452-2 القياسية. حيث تم تخفيض متطلبات مقاومة الضغط، وتحسين متطلبات مقاومة التصادم، أي أن متطلبات اختبار التأثير بوزن السقوط (TIR) أصبحت ≤ 5%، ما يفرض متطلبات أعلى على مرونة الأنبوب مقارنةً بالمتطلبات المحددة في المواصفات القياسية لـ ISO والتي تنص على TIR ≤ 10%. أما أنابيب PVC-UH فقد صُمِّمت مستندةً إلى المواصفة القياسية الدولية ISO الخاصة بأنابيب إمداد المياه من مادة PVC-U، وكذلك إلى المواصفة القياسية الأمريكية الخاصة بأنابيب إمداد المياه من مادة PVC. وتشمل متطلبات الأداء الفيزيائي والميكانيكي لهذه الأنابيب اختبار التسطّح واختبار الأداء الهيدروستاتيكي الكامل للأنبوب، مما يحقّق رقابةً على جودة كل أنبوب على حدة. علاوةً على ذلك، فإن متطلبات مقاومة التصادم تكون أعلى من تلك المحددة في المواصفات القياسية لـ ISO، حيث ازدادت متطلبات اختبار التأثير بوزن السقوط لتصل إلى TIR ≤ 5% مقارنةً بالمواصفات القياسية لـ ISO. ويبيّن الجدول 7 مقارنةً بين مؤشرات الأداء الخاصة بأنابيب إمداد المياه المحلية من مادة PVC-U وأنابيب إمداد المياه من مادة PVC-UH.

الجدول 7 مقارنة مؤشرات الأداء بين أنابيب تغذية المياه من نوع PVC-U وPVC-UH

وفقًا لمنحنى المعيار الهيدروستاتيكي طويل الأمد لـ PVC-U 250 المعطى في ISO 1452-1:2009 (كما هو موضح في الشكل 1)، يمكن ملاحظة أنه خلال اختبار الضغط الهيدروستاتيكي طويل الأمد للأنابيب التي تلبي متطلبات تصنيف خليط المركبات MRS ≥ 25 MPa، يمكن أيضًا استنتاج متطلبات مقاومة الضغط القصير المدى من منحنى المعيار. فمتطلب إجهاد الحلقة المقابل لدرجة حرارة 20 °م والزمن ساعة واحدة هو 42 ميجا باسكال، ومتطلب إجهاد الحلقة المقابل لدرجة حرارة 60 °م والزمن 1000 ساعة هو 10 ميجا باسكال. ويمكن استخلاص من الجدول 7 أن أنابيب PVC-UH تستوفي متطلبات مقاومة الضغط الخاصة بمنحنى المعيار الهيدروستاتيكي طويل الأمد لـ PVC-U 250، في حين أن أنابيب PVC-U المحددة في المواصفات القياسية الوطنية أقل من متطلبات منحنى المعيار من حيث مؤشرات مقاومة الضغط قصيرة المدى (20 °م، ساعة واحدة، إجهاد حلقي 38 ميجا باسكال)، كما أنها لا تستوفي متطلبات التصميم MRS ≥ 25 ميجا باسكال لأنابيب PVC-U المحددة في المواصفات القياسية الوطنية.

4.2 أنابيب تزويد المياه PVC-M

توضح الجدول 8 المتطلبات القياسية للأداء لمواسير تغذية المياه من PVC-M. يمكن ملاحظة أن منتجات PVC-M تتضمن أحكامًا بشأن اختبار التأثير بوزن ساقط، واختبار الضغط الهيدروستاتيكي للأنبوب المسنن، ومتانة حلقة C. بالنسبة للأنابيب ذات القطر الاسمي (dn) ≥ 110 مم، يتم تحديد اختبار تأثير عالي السرعة عند 23 °م و20 م، وهو ما يفرض متطلبات عالية على مقاومة التأثير والمتانة للمنتج. تمتاز منتجات الأنابيب المنتجة وفقًا للمواصفة القياسية الوطنية لـ PVC-M بمتانة جيدة وقدرة عالية على تحمل الصدمات.

الجدول 8: متطلبات الأداء لمواسير تغذية المياه من PVC-M (GB/T 32018.1-2015)

بالإضافة إلى المتطلبات العالية لمقاومة الصدمات والمتانة، فإن منتجات أنابيب PVC-M لديها أيضًا متطلبات لمقاومة الضغط. لذلك، تكلفة صيغة المنتج لأنابيب PVC-M المصنوعة وفقًا للمواصفات القياسية أعلى من تلك الخاصة بأنابيب PVC-U أو PVC-UH التقليدية، كما أن كمية الإنتاج الناتجة عن المعالجة أقل نسبيًا؛ ونتيجة لتقليل معامل الخدمة (التصميمي) الكلي، يكون ضغطها الاسمي أعلى بدرجة واحدة من أنابيب PVC-U أو PVC-UH التقليدية. وبالتالي، تكون التكلفة لكل متر في الأنابيب ذات الدرجة الضغط نفسها متساوية تقريبًا، أو تكون أنابيب PVC-M أعلى قليلاً. بالنسبة للأنابيب الهندسية المدفونة، فإن مقاومة الضغط طويلة الأمد هي المؤشر الرئيسي للمنتج، بينما تحتاج مقاومة الصدمات والمتانة فقط إلى تلبية متطلبات الاستخدام الطبيعي.

4.3 أنابيب تزويد المياه من PVC-O

الجدول 9 يوضح متطلبات الأداء القياسية لمواسير توصيل المياه المصنوعة من مادة PVC-O. وتُعتبر مواسير PVC-O نوعًا خاصًّا من المواسير البلاستيكية المصنوعة من مادة PVC ذات تركيب جزيئي فريد، وتُصنع عن طريق سحب أنبوب PVC-U المنتج بالبثق في الاتجاهين المحوري والشعاعي باستخدام معدات تشكيل ثانوية وعملية معينة، مما يؤدي إلى ترتيب الجزيئات الطويلة لمادة PVC داخل الأنبوب بشكل منتظم في كلا الاتجاهين. وتتميّز هذه العملية بصعوبة تصنيع عالية، كما تتطلب شروطًا صارمة جدًّا فيما يتعلّق بتركيبة المادة والمعدات والعملية المستخدمة. وفي الوقت الراهن، لا يتجاوز القطر الأقصى الذي يمكن إنتاجه محليًّا ودوليًّا ٦٣٠ مم، كما أن نسبة الإنتاج الفعلي أقل من تلك الخاصة بالأنواع الثلاثة الأخرى من المواسير، علاوةً على ارتفاع تكلفة تركيبة التصنيع وتكاليف المعالجة.

الجدول ٩: متطلبات أداء مواسير توصيل المياه المصنوعة من مادة PVC-O (CJ/T 445-2014)

ملاحظة: لا ينبغي استخدام هيكل الفم المسطح المثبت بالغراء لموااسير PVC-O.