Vergleich von Normen, Auslegung und Leistung von PVC-U, PVC-UH, PVC-M und PVC-O Nr. 1 Einführung in Produktstandards

Vergleich der Standards, Konstruktion und Leistungsmerkmale von PVC-U-, PVC-UH-, PVC-M- und PVC-O-Rohren

Nr. 1 Einführung in die Produktnormen

PVC-U-, PVC-UH-, PVC-M- und PVC-O-Trinkwasserrohre sind allesamt starre Polyvinylchlorid-Rohre mit Vollwand. Sie werden hauptsächlich für Haupt- und Zweigleitungen von erdverlegten Druckwasserleitungssystemen verwendet, bei denen die Wassertemperatur 45 °C nicht überschreitet, und können auch in Innenräumen oder Rohrleitungsstegen eingesetzt werden. Die geltenden Normen und Vorschriften für die vier Rohrtypen sind in Tabelle 1 dargestellt.

NO.2 Technische Anforderungen an Mischungen

Zusammengesetzte Mischung bezeichnet die gleichmäßige Mischung von Basisharz PVC und verschiedenen notwendigen Zusatzstoffen, die als Rohmaterial direkt für die Extrusion von PVC-Rohren verwendet wird. Bei Druckrohren sind die Formulierungsgestaltung und Leistungsindikatoren von PVC-Compoundmischungen entscheidend und beeinflussen direkt die Produkteleistung und die langfristige Lebensdauer. Für den Einfluss von PVC-Harz und verschiedenen Additiven auf die Produkteleistung siehe „PVC-Formulierungsdesign und Produktverarbeitung“. Dieses Kapitel stellt hauptsächlich die Leistungsindikatoren, Klassifizierungsanforderungen und Anforderungen an die Formulierungsgestaltung von Compoundmischungen vor.

2.1 Leistungsanforderungen an Compoundmischungen

Unter den PVC-Wasserleitungrohren in China legen PVC-UH-Rohre die physikalischen und mechanischen Leistungsanforderungen für Mischungen unter Bezugnahme auf den amerikanischen Standard für PVC-Wasserleitungrohre AWWA C900 fest, wie in Tabelle 2 dargestellt. Derzeit gibt es keine Vorgaben zu den Leistungsindikatoren von Mischungen für andere Arten von PVC-Wasserleitungrohren. Diese Anforderungen ermöglichen eine bessere Kontrolle bei der Auswahl von Rohrrohmaterialien und -formulierungen sowie bei der Qualitätskontrolle.

Tabelle 2 Physikalische und mechanische Leistungsanforderungen für PVC-Mischungen, spezifiziert für PVC-UH-Wasserleitungrohre

2.2 Klassifizierungsanforderungen für Verbindungsgemische

PVC-Druckrohre sind für eine Nutzungsdauer von 50 Jahren ausgelegt. Die Verbindungsgemische der Rohre müssen Klassifizierungsprüfungen gemäß ISO 9080 oder GB/T 18252 unterzogen werden, d. h. Langzeit-Druckfestigkeitsprüfungen der Verbindungsgemische in Rohrform, gekennzeichnet durch die Klassifizierungsfestigkeit bei 20 °C und 50 Jahren, also die Mindest erforderliche Festigkeit (MRS). Die Klassifizierungsanforderungen für die Verbindungsgemische von PVC-U-, PVC-UH-, PVC-M- und PVC-O-Trinkwasserrohren sind in Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3 Klassifizierungsanforderungen für Verbindungsgemische von PVC-Trinkwasserrohren

In ISO 1452-1:2009 werden Materialien klassifiziert. Gemäß der minimal erforderlichen hydrostatischen Festigkeit von Werkstoffen ist die MRS von PVC-Werkstoffen für Rohre mit 25 MPa angegeben, d. h. der Werkstoffgrad lautet PVC-U 250. Die nationale Norm für PVC-U-Rohre, GB/T 10002.1-2006, legt keinen Druckgrad für die Rohrverbindungen fest. PVC-UH-Trinkwasserrohre legen eine Klassifizierungsanforderung von MRS ≥ 25 MPa für die Verbindungen fest. Die MRS von PVC-M-Rohren beträgt ≥ 24,5 MPa.

Die in den ISO-Normen festgelegte MRS von PVC-O-Rohren ist in 5 Typen unterteilt: 31,5, 35,5, 40, 45 und 50 MPa, die jeweils den Rohstoff-Grad-Kennzahlen 315, 355, 400, 450 und 500 entsprechen. Davon werden im Allgemeinen die Grade 400 und 450 in größeren Mengen produziert, während die anderen selten verwendet werden.

2.3 Anforderungen an die Auswahl von Schlüsselmaterialien in Verbundmischungen

Die Zusammensetzung von PVC-Wasserleitungsrohren besteht hauptsächlich aus PVC-Harz, Stabilisatoren, inneren und äußeren Schmiermitteln, Füllstoffen, Farbmitteln, Schlagzähmodifizierern, Verarbeitungshilfsmitteln usw. in einem bestimmten Verhältnis. Die Auswahl und das Mischverhältnis der verschiedenen Rohstoffe spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit und die Anwendung der Rohre.

Die Verarbeitung von PVC-Rohren stellt hohe Anforderungen an das Schmelzfließverhalten des PVC-Harzes. In der praktischen Produktion wird in der Regel suspendiertes PVC-Harz vom Typ SG-5 ausgewählt. Die Herstellungsverfahren für PVC werden in Ethylenmethode und Calciumcarbidmethode unterteilt. Bei der Ethylenmethode wird Ethylen aus Erdöl gewonnen, Chlorgas reagiert mit Ethylen durch Substitutionsreaktion zur Erzeugung von Vinylchloridmonomer, das anschließend polymerisiert wird, um Polyvinylchloridharz zu erzeugen. Zu den repräsentativen Herstellern gehören Oxy Vinyl LP (USA), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd. usw. Die Calciumcarbidmethode wird allgemein häufig in China verwendet. Dabei wird durch die Reaktion von Calciumcarbid (Kalziumkarbid) mit Wasser Acetylen erzeugt, das mit Chlorwasserstoff synthetisiert wird, um Vinylchloridmonomer herzustellen, welches dann durch eine Polymerisationsreaktion Polyvinylchloridharz bildet.

PVC ist eines der thermosempfindlichsten Polymere in der Industrie und neigt zur thermischen Zersetzung. Wärmestabilisatoren sind unverzichtbare Zusatzstoffe bei der Verarbeitung von PVC-Rohren. Im Produktionsprozess von PVC-Rohren werden derzeit hauptsächlich Calcium-Zink-Stabilisatoren und organische Zinn-Stabilisatoren verwendet. Calcium-Zink-Stabilisatoren kommen vorwiegend in Europa zum Einsatz, organische Zinn-Stabilisatoren sind in den USA weit verbreitet, und in China werden beide Typen verwendet. Calcium-Zink-Stabilisatoren sind in der Regel komplexe Stabilisatoren mit einem relativ hohen Zugabemenge; organische Zinn-Stabilisatoren weisen in der Regel eine geringe Zugabemenge auf und zeigen eine gute stabilisierende Wirkung bei der Herstellung von mittleren und großdimensionierten Rohren. Wenn hohe Witterungsbeständigkeit der Rohre erforderlich ist, können zusätzlich geeignete Mengen an Antioxidantien und Lichtstabilisatoren zugegeben werden.

Bei der Verarbeitung von PVC-Rohren sind ebenfalls innere und äußere Schmierstoffe unverzichtbar. Zu den hauptsächlich verwendeten Schmiermitteln gehören Stearinsäure, Paraffin, Polyethylenwachs und Calciumstearat, das zudem eine stabilisierende Wirkung hat. Die Dosierung des Schmiersystems muss entsprechend den Anforderungen der Ausrüstung und der Produktformulierung festgelegt werden. Entscheidend ist, dass die Mischung eine gute Plastifizierung aufweist, sodass die Wärmeformbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften der Rohre nicht wesentlich beeinträchtigt werden.

Je nach Produktdesign können PVC-Rohren auch Calciumcarbonat-Füllstoffe zugesetzt werden. Die Hauptfunktionen von Calciumcarbonat bestehen darin, die Steifigkeit der Rohre zu verbessern, die Schrumpfungsrate zu verringern und Kosten zu senken. Die Zugabe von Calciumcarbonat reduziert jedoch die Festigkeit der Rohrprodukte und erhöht die Sprödigkeit. Daher sollte die Menge an Calciumcarbonat-Füllstoffen bei der Herstellung von PVC-Rohren angemessen kontrolliert werden. Calciumcarbonat wird im Allgemeinen in schweres Calciumcarbonat und leichtes Calciumcarbonat unterteilt. Die Compoundmischung mit einer Formulierung aus schwerem Calciumcarbonat weist eine gute Fließfähigkeit auf und eignet sich für zentrale Zuführ- und Förderanlagen, insbesondere pneumatische Förderanlagen; die Compoundmischung mit einer Formulierung aus leichtem Calciumcarbonat hat eine relativ schlechtere Fließfähigkeit und geringere Dichte, beeinträchtigt aber die Formulierung für Trinkwasserrohre mit geringem Zusatzanteil kaum.

Die Farbe von PVC-Rohren ist in der Regel grau oder blau. Zu den üblicherweise verwendeten Farbmitteln gehören hauptsächlich Titandioxid, Ruß und Phthalocyaninblau. Im Allgemeinen ist die Zugabemenge an Farbmitteln gering, und sie müssen eine gute Deckkraft und Witterungsbeständigkeit aufweisen.

Schlagzähmodifizierer und Verarbeitungshilfsmittel verbessern die Schlagzähigkeit und die Verarbeitbarkeit von PVC-Rohren während des Verarbeitungsprozesses.

2.4 Anforderungen an die Rezepturdesign von Mischformulierungen

Aus den Punkten 2.1 Leistungsanforderungen für Compoundmischungen und 2.2 Klassifizierungsanforderungen für Compoundmischungen geht hervor, dass die Anforderungen an die Compoundmischungen der vier Rohrtypen unterschiedlich sind. Daher ergeben sich bei den vier Rohrprodukttypen gewisse Unterschiede in der Formulierungsgestaltung und den Kosten. Für konkrete Anforderungen zur Formulierungsgestaltung siehe Tabelle 4. Aufgrund unterschiedlicher Produktdesigns bestehen ebenfalls Unterschiede bei den Produktleistungsindikatoren, die im Abschnitt 5 dieses Dokuments ausführlich erläutert werden.

Tabelle 4 Formulierungsanforderungen für vier Arten von PVC-Trinkwasserrohren

NO.3 Zulässiger Innendruck und äußerer Druckwiderstand

3.1 Zulässiger Innendruck von Rohren

Bemessungsspannung von Druckrohren:

σₛ = MRS / C (1)

Wobei: σₛ — Bemessungsspannung von Druckleitungen, MPa; MRS — Mindestfestigkeit der Rohre, MPa; C — Gesamtbetriebs-(Bemessungs-)koeffizient

PVC-Rohre sind für eine voraussichtliche Nutzungsdauer von 50 Jahren ausgelegt. Bei der Wasserführung bei 20 °C sind die zulässigen Maximalwerte der Bemessungsspannung für verschiedene inländische PVC-Wasserleitungsrohre in Tabelle 5 dargestellt. Der Nenndruck (Bemessungsdruck) und der Betriebsdruck für einen Dauerbetrieb über 50 Jahre werden gemäß Formel (2) bzw. Formel (3) berechnet.

Tabelle 5 Zulässige Maximalwerte der Bemessungsspannung für verschiedene inländische PVC-Druckrohre

Hinweis: Es gibt viele Rohstoffgüteklassen von PVC-O-Rohren, die anhand der PVC-O-Produktnormen ausgelegt werden können; bei den Güteklassen 400 und 450 beträgt der allgemeine Betriebskoeffizient C in der Regel 1,6.

Nenndruck (Bemessungsdruck) von Rohren:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Dabei gilt: P — Nenndruck (Bemessungsdruck) von Rohren, MPa; σₛ — Bemessungsspannung für Druckrohre, MPa; dₙ — Nennaußendurchmesser, mm; eₙ — Nennwanddicke, mm

Gemäß CJJ 101-2016 „Technische Regel für erdverlegte Kunststoff-Wasserleitungen“ Abschnitt 4.1.7 entspricht der charakteristische Wert des Bemessungsdrucks des Rohrs dem 1,5-fachen des charakteristischen Arbeitsdrucks, d. h.:

P = 1,5 × Pwk (3)

Dabei: Pwk — Arbeitsdruck des Rohrs, MPa

Es zeigt sich, dass der gesamte Nutzungskoeffizient (Bemessungskoeffizient) von PVC-UH-Rohren höher ist als der von PVC-M-Rohren und PVC-O-Rohren, das heißt, sie bieten eine höhere Sicherheitsgarantie bei langfristigem Einsatz.

3.2 Beständigkeit von Rohren gegenüber äußerem Druck

Gemäß der Definition der Ringsteifigkeit in 2.4.2 von GB/T 19278-2018 besteht zwischen der Ringsteifigkeit und der Rohrwanddicke eine kubische Beziehung. Die vereinfachte Berechnungsformel für die Ringsteifigkeit (S) lautet:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Dabei gilt: S — Ringsteifigkeit, kN/m²; E — Elastizitätsmodul des Rohrwandmaterials, für PVC-Rohre gemäß Spezifikation 3000 MPa; dₙ — Nenndurchmesser außen, mm; eₙ — Nennwanddicke, mm

Es zeigt sich, dass bei Rohren mit gleichem Außendurchmesser die Ringsteifigkeit umso größer ist und die Widerstandsfähigkeit gegen Verformung durch äußeren Druck umso stärker ist, je größer die Wanddicke ist. Der Vergleich der Ringsteifigkeit der vier Rohrtypen ist in Tabelle 6 dargestellt (am Beispiel von Rohren mit einem Nenndruck von 1,0 MPa). Aus Tabelle 6 ist ersichtlich, dass aus Sicht der Konstruktionsparameter PVC-M- und PVC-O-Rohre dünnere Wanddicken wählen können, um die Anforderungen an den Betriebsdruck zu erfüllen, jedoch führt eine zu geringe Wanddicke ebenfalls zu einer schlechten Widerstandsfähigkeit gegen Verformung durch äußeren Druck.

Tabelle 6: Vergleich der Ringsteifigkeit von vier Arten von Rohren

Beim Vergleich bei gleicher Ringsteifigkeit weisen PVC-M- und PVC-O-Rohre höhere Nenndruckklassen auf. Aufgrund höherer Materialkosten und Verarbeitungskosten sind auch ihre Rohrkosten höher als die von PVC-U- und PVC-UH-Rohren.

KENNZAHLENANFORDERUNGEN NR. 4

4.1 PVC-U- und PVC-UH-Trinkwasserrohre

Es gibt bestimmte Unterschiede bei den Leistungsindikatoren von PVC-U-Rohren, die in nationalen Normen und in der ISO 1452-2-Norm festgelegt sind. Die Anforderungen an die Druckbeständigkeit sind reduziert, während die Anforderungen an die Schlagzähigkeit verbessert wurden, d. h. die Anforderung beim Fallgewichtschlagversuch (TIR) beträgt ≤ 5 %, was im Vergleich zur in den ISO-Normen festgelegten TIR ≤ 10 % höhere Anforderungen an die Zähigkeit der Rohre stellt. PVC-UH-Rohre werden unter Bezugnahme auf die ISO-Norm für PVC-U-Trinkwasserrohre und die amerikanische Norm für PVC-Trinkwasserrohre formuliert. Zu den physikalischen und mechanischen Leistungsanforderungen der Rohre gehören der Abplattversuch und die hydrostatische Prüfung des gesamten Rohres, wodurch eine Qualitätsüberwachung pro Rohr ermöglicht wird. Darüber hinaus sind die Anforderungen an die Schlagzähigkeit höher als in den ISO-Normen, und die Anforderung beim Fallgewichtschlagversuch wurde im Vergleich zu den ISO-Normen auf TIR ≤ 5 % erhöht. Der Vergleich der Leistungsindikatoren zwischen einheimischen PVC-U-Trinkwasserrohren und PVC-UH-Trinkwasserrohren ist in Tabelle 7 dargestellt.

Tabelle 7 Vergleich der Leistungsindikatoren zwischen PVC-U- und PVC-UH-Trinkwasserrohren

Gemäß der Langzeit-Hydrostatik-Standardkurve für PVC-U 250 gemäß ISO 1452-1:2009 (wie in Abbildung 1 dargestellt) ist ersichtlich, dass bei Rohren, die die Anforderungen an die Mischungsgruppierung mit MRS ≥ 25 MPa erfüllen, im langfristigen hydrostatischen Prüfverfahren auch die kurzfristige Druckfestigkeitsanforderung aus der Standardkurve abgeleitet werden kann. Die entsprechende Anforderung an die Umfangsspannung bei 20 °C und 1 h beträgt 42 MPa, und die Anforderung an die Umfangsspannung bei 60 °C und 1000 h beträgt 10 MPa. Aus Tabelle 7 ist ersichtlich, dass PVC-UH-Rohre die Druckfestigkeitsanforderungen gemäß der Langzeit-Hydrostatik-Standardkurve für PVC-U 250 erfüllen, während die in den nationalen Normen festgelegten PVC-U-Rohre hinsichtlich der kurzfristigen Druckfestigkeitskennwerte (20 °C, 1 h, 38 MPa Umfangsspannung) unterhalb der Anforderungen der Standardkurve liegen und zudem die konstruktive Anforderung von MRS ≥ 25 MPa für in nationalen Normen spezifizierte PVC-U-Rohre nicht erfüllen.

4.2 PVC-M-Trinkwasserrohre

Tabelle 8 zeigt die standardmäßigen Leistungsanforderungen für PVC-M-Trinkwasserrohre. Es ist ersichtlich, dass bei PVC-M-Produkten Bestimmungen hinsichtlich des Fallgewichtschlags, des genuteten Rohr-Hydrostatiktests und der C-Ring-Zähigkeit gelten. Für Rohre mit dn ≥ 110 mm ist ein Hochgeschwindigkeits-Schlagtest bei 23 °C und 20 m vorgeschrieben, was hohe Anforderungen an die Schlagzähigkeit und Zähigkeit des Produkts stellt. Rohrprodukte, die gemäß der nationalen Norm für PVC-M hergestellt werden, weisen eine gute Zähigkeit und Schlagfestigkeit auf.

Tabelle 8 Leistungsanforderungen für PVC-M-Trinkwasserrohre (GB/T 32018.1-2015)

Neben hohen Anforderungen an Schlagfestigkeit und Zähigkeit haben PVC-M-Rohrprodukte auch Anforderungen an die Druckbeständigkeit. Daher ist die Formulierungskosten für PVC-M-Rohrprodukte, die nach Norm hergestellt werden, höher als bei herkömmlichen PVC-U- oder PVC-UH-Rohren, und die Verarbeitungsausbeute ist relativ gering; aufgrund der Verringerung ihres gesamten Betriebs- (Bemessungs-) Koeffizienten liegt ihr Nenndruck um eine Stufe höher als bei herkömmlichen PVC-U- oder PVC-UH-Rohren. Somit ist die Kosten pro Meter für Rohre mit gleichem Druckniveau im Wesentlichen identisch oder bei PVC-M-Rohren leicht höher. Bei erdverlegten technischen Leitungen ist die Langzeitdruckbeständigkeit der Hauptkennwert des Produkts, während Schlagfestigkeit und Zähigkeit nur die Anforderungen des normalen Gebrauchs erfüllen müssen.

4.3 PVC-O-Trinkwasserleitungsrohre

Tabelle 9 zeigt die standardmäßigen Leistungsanforderungen für PVC-O-Trinkwasserleitungen. PVC-O-Rohre sind spezielle molekulare Kettenstruktur-PVC-Rohre, die hergestellt werden, indem extrudierte PVC-U-Rohre durch sekundäre Formgebungsausrüstung und ein bestimmtes Verfahren axial und radial gestreckt werden, wodurch die langkettigen PVC-Moleküle im Rohr in biaxialer Richtung regelmäßig angeordnet werden. Die Herstellung ist schwierig, und die Anforderungen an Rezeptur, Ausrüstung und Verfahren sind sehr hoch. Derzeit beträgt der maximal herstellbare Durchmesser im In- und Ausland lediglich 630 mm, die Produktionsausbeute ist niedriger als bei den anderen drei Rohrtypen, und sowohl die Rezeptur als auch die Verarbeitungskosten sind hoch.

Tabelle 9 Leistungsanforderungen für PVC-O-Trinkwasserleitungen (CJ/T 445-2014)

Hinweis: Für PVC-O-Rohre darf keine verklebte Flachmündungsstruktur verwendet werden.