Comparación de Normas, Diseño y Rendimiento de Tubos de PVC-U, PVC-UH, PVC-M y PVC-O Nº1 Introducción a las Normas del Producto

Comparación de Normas, Diseño y Rendimiento de los tubos PVC-U, PVC-UH, PVC-M y PVC-O

N.º 1 Introducción a las Normas del Producto

Los tubos para suministro de agua de PVC-U, PVC-UH, PVC-M y PVC-O son todos tubos rígidos de cloruro de polivinilo no plastificado con pared sólida. Se utilizan principalmente en tuberías troncales y secundarias de sistemas enterrados de transporte de agua bajo presión donde la temperatura del agua no supere los 45 °C, y también pueden usarse en interiores o en galerías de tuberías. Las normas y especificaciones actuales de los cuatro tipos de tubos se muestran en la Tabla 1.

NO.2 Requisitos técnicos para mezclas compuestas

La mezcla compuesta se refiere a la mezcla uniforme de la resina básica PVC y diversos aditivos necesarios, siendo la materia prima utilizada directamente para la extrusión de tuberías de PVC. Para tuberías a presión, el diseño de fórmula e indicadores de rendimiento de las mezclas compuestas de PVC son cruciales, afectando directamente al desempeño del producto y a su vida útil prolongada. Para conocer la influencia de la resina PVC y de los distintos aditivos sobre el rendimiento del producto, consulte "Diseño de fórmulas de PVC y procesamiento de productos". Este capítulo presenta principalmente los indicadores de rendimiento, los requisitos de clasificación y los requisitos de diseño de fórmulas de las mezclas compuestas.

2.1 Requisitos de rendimiento para mezclas compuestas

Entre las tuberías de PVC para suministro de agua en China, las tuberías PVC-UH especifican los requisitos de rendimiento físico y mecánico para mezclas compuestas con referencia al estándar estadounidense de tuberías de PVC para agua AWWA C900, como se muestra en la Tabla 2. Actualmente, no existen disposiciones sobre los indicadores de rendimiento de las mezclas compuestas para los otros tipos de tuberías de PVC para suministro de agua. Estos requisitos permiten un mejor control en la selección de materias primas y fórmulas de las tuberías, así como en el control de calidad.

Tabla 2 Requisitos de Rendimiento Físico y Mecánico para Mezclas Compuestas de PVC Especificadas para Tuberías de Suministro de Agua PVC-UH

requisitos de clasificación para mezclas compuestas

Las tuberías de PVC bajo presión están diseñadas para una vida útil de 50 años. Las mezclas compuestas de las tuberías deben someterse a pruebas de clasificación de mezclas compuestas de acuerdo con ISO 9080 o GB/T 18252, es decir, ensayos de resistencia hidrostática a largo plazo de las mezclas compuestas en forma de tubo, caracterizados por la resistencia de clasificación correspondiente a 20 °C y 50 años, conocida como Resistencia Mínima Requerida (MRS). Los requisitos de clasificación para las mezclas compuestas de tuberías de suministro de agua de PVC-U, PVC-UH, PVC-M y PVC-O se indican en la Tabla 3.

Tabla 3 Requisitos de clasificación para mezclas compuestas de tuberías de PVC para suministro de agua

En la norma ISO 1452-1:2009 se clasifican los materiales. Según la resistencia hidrostática mínima requerida de los materiales, la resistencia mínima a largo plazo (MRS) de los materiales de PVC para tuberías se especifica en 25 MPa, es decir, el grado del material es PVC-U 250. La norma nacional para tuberías de PVC-U, GB/T 10002.1-2006, no especifica el grado de presión de las mezclas compuestas para tuberías. Las tuberías de suministro de agua PVC-UH especifican un requisito de clasificación de MRS ≥ 25 MPa para las mezclas compuestas. La MRS de las tuberías PVC-M es ≥ 24,5 MPa.

La MRS de las tuberías PVC-O especificada en las normas ISO se divide en 5 tipos: 31,5, 35,5, 40, 45 y 50 MPa, correspondientes a los códigos de grado de materia prima 315, 355, 400, 450 y 500 respectivamente. Entre ellos, los grados 400 y 450 generalmente se producen en grandes cantidades, mientras que los demás no son comúnmente utilizados.

2.3 Requisitos para la selección de materiales clave en mezclas compuestas

La fórmula de las tuberías de PVC para agua potable está compuesta principalmente por resina de PVC, estabilizantes, lubricantes internos y externos, cargas, colorantes, modificadores de impacto, ayudantes de procesamiento, etc., en una proporción determinada. La selección y proporción de diversos materiales básicos desempeñan un papel fundamental en el rendimiento y uso de las tuberías.

El procesamiento de tuberías de PVC tiene altos requisitos para el rendimiento de flujo de fusión de la resina de PVC. En la producción real, generalmente se selecciona la resina de PVC por suspensión tipo SG-5. Los métodos de preparación del PVC se dividen en método de etileno y método de carburo de calcio. El método de etileno extrae etileno del petróleo, hace reaccionar el gas cloro con etileno mediante una reacción de sustitución para producir monómero de cloruro de vinilo, que luego se polimeriza para generar resina de cloruro de polivinilo. Entre los fabricantes representativos se incluyen Oxy Vinyl LP (EE. UU.), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd., etc. El método de carburo de calcio generalmente se utiliza ampliamente en China. Emplea carburo de calcio (carburo de calcio) que genera acetileno al entrar en contacto con agua, sintetiza acetileno con cloruro de hidrógeno para producir monómero de cloruro de vinilo, y luego genera resina de cloruro de polivinilo mediante una reacción de polimerización.

El PVC es uno de los polímeros más termosensibles en la industria y tiende a degradarse térmicamente. Los estabilizantes térmicos son aditivos indispensables en el procesamiento de tuberías de PVC. En el proceso de producción de tuberías de PVC, los estabilizantes térmicos comúnmente utilizados actualmente son los estabilizantes de calcio-zinc y los estabilizantes organoestánnicos. Los estabilizantes de calcio-zinc se utilizan principalmente en Europa, los estabilizantes organoestánnicos son ampliamente usados en Estados Unidos, y ambos tipos se emplean en China. Los estabilizantes de calcio-zinc suelen ser estabilizantes compuestos con una cantidad de adición relativamente alta; los estabilizantes organoestánnicos generalmente tienen una baja cantidad de adición y ofrecen un buen efecto estabilizante en la producción de tuberías de diámetro medio y grande. Si se requiere una alta resistencia climática para las tuberías, también se puede agregar una cantidad adecuada de antioxidantes y estabilizantes frente a la luz.

En el procesamiento de tuberías de PVC, los lubricantes internos y externos también son indispensables. Los principales lubricantes utilizados incluyen ácido esteárico, parafina, cera de polietileno y estearato de calcio, que además tiene un efecto estabilizante. La dosificación del sistema de lubricación debe determinarse según los requisitos del equipo y del diseño de la fórmula del producto. Lo fundamental es garantizar que la mezcla compuesta tenga un buen efecto de plastificación, de modo que la temperatura de deformación por calor y las propiedades mecánicas de las tuberías no se vean afectadas significativamente.

Según el diseño del producto, también se pueden agregar rellenos de carbonato de calcio a las tuberías de PVC. Las funciones principales del carbonato de calcio son mejorar la rigidez de las tuberías, reducir la tasa de contracción y disminuir los costos. La adición de carbonato de calcio reducirá la resistencia de los productos de tuberías y aumentará la fragilidad. Por lo tanto, la cantidad de rellenos de carbonato de calcio en la producción de tuberías de PVC debe controlarse adecuadamente. El carbonato de calcio generalmente se divide en carbonato de calcio pesado y carbonato de calcio ligero. La mezcla compuesta con fórmula de carbonato de calcio pesado tiene buena fluidez y es adecuada para sistemas centralizados de alimentación y transporte, especialmente sistemas neumáticos de transporte; la mezcla compuesta con fórmula de carbonato de calcio ligero tiene una fluidez relativamente pobre y baja densidad, pero tiene poco impacto en la fórmula de tuberías de suministro de agua con una cantidad pequeña de adición.

El color de las tuberías de PVC es generalmente gris o azul. Los colorantes comúnmente utilizados incluyen principalmente dióxido de titanio, negro de carbón y azul ftalocianina. Por lo general, la cantidad agregada de colorantes es pequeña, y deben tener buena fuerza de tintura y resistencia a la intemperie.

Los modificadores de impacto y los aditivos para procesamiento son beneficiosos para mejorar la resistencia al impacto y el rendimiento de procesamiento de las tuberías de PVC durante la fabricación.

2.4 Requisitos para el diseño de fórmulas de mezclas compuestas

Se puede observar en los apartados 2.1 Requisitos de rendimiento para mezclas compuestas y 2.2 Requisitos de clasificación para mezclas compuestas que los requisitos para las mezclas compuestas de los cuatro tipos de tuberías son diferentes. Por lo tanto, existen ciertas diferencias en el diseño de fórmulas y en el costo de los cuatro tipos de productos de tuberías. Para conocer los requisitos específicos de diseño de fórmulas, consulte la Tabla 4. Debido a diseños de producto distintos, también hay diferencias en los indicadores de rendimiento del producto, lo cual se explicará detalladamente en la Sección 5 de este documento.

Tabla 4 Requisitos de diseño de fórmulas para cuatro tipos de tuberías de PVC para agua

NO.3 Presión interna admisible y resistencia a la presión externa

3.1 Presión interna admisible de las tuberías

Tensión de diseño de las tuberías a presión:

σₛ = MRS / C (1)

Dónde: σₛ — Tensión de diseño de tuberías a presión, MPa; MRS — Resistencia mínima requerida de las tuberías, MPa; C — Coeficiente general de servicio (diseño)

Las tuberías de PVC están diseñadas para una vida útil esperada de 50 años. Al transportar agua a 20 °C, los valores máximos admisibles de tensión de diseño para diversos tipos de tuberías domésticas de PVC para suministro de agua se muestran en la Tabla 5. La presión nominal (presión de diseño) y la presión de trabajo para un funcionamiento prolongado de 50 años se calculan según la Fórmula (2) y la Fórmula (3), respectivamente.

Tabla 5 Valores Máximos Admisibles de Tensión de Diseño para Diversas Tuberías de Presión de PVC Doméstico

Nota: Existen muchas calidades de materia prima para tuberías PVC-O, que pueden diseñarse con referencia a las normas de productos PVC-O; para los grados 400 y 450 generalmente, el coeficiente de servicio global C es 1,6.

Presión nominal (presión de diseño) de las tuberías:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Dónde: P — Presión nominal (presión de diseño) de las tuberías, MPa; σₛ — Tensión admisible de diseño de tuberías a presión, MPa; dₙ — Diámetro exterior nominal, mm; eₙ — Espesor de pared nominal, mm

Según CJJ 101-2016 "Código técnico para ingeniería de tuberías enterradas de plástico para suministro de agua", sección 4.1.7, el valor característico de la presión de diseño de la tubería equivale a 1,5 veces el valor característico de la presión de trabajo, es decir:

P = 1,5 × Pwk (3)

Dónde: Pwk — Presión de trabajo de las tuberías, MPa

Se puede observar que el coeficiente de servicio (de diseño) global de las tuberías PVC-UH es mayor que el de las tuberías PVC-M y PVC-O, es decir, ofrece una mayor garantía de seguridad durante su uso prolongado.

3.2 Resistencia a la Presión Externa de las Tuberías

De acuerdo con la definición de rigidez anular en el apartado 2.4.2 de GB/T 19278-2018, la rigidez anular tiene una relación cúbica con el espesor de la pared de la tubería. La fórmula simplificada para el cálculo de la rigidez anular (S) es:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Donde: S — Rigidez anular, kN/m²; E — Módulo de elasticidad del material de la pared de la tubería, que se especifica como 3000 MPa para tuberías de PVC en la norma; dₙ — Diámetro exterior nominal, mm; eₙ — Espesor de pared nominal, mm

Puede observarse que para tuberías con el mismo diámetro exterior, cuanto mayor es el espesor de la pared, mayor es la rigidez anular y mayor la resistencia a la deformación por presión externa. La comparación de la rigidez anular de los cuatro tipos de tuberías se muestra en la Tabla 6 (tomando como ejemplo tuberías con una presión nominal de 1,0 MPa). Puede verse en la Tabla 6 que, desde la perspectiva de los parámetros de diseño, las tuberías PVC-M y PVC-O pueden elegir espesores de pared más delgados para cumplir con los requisitos de presión de servicio, pero un espesor de pared demasiado delgado también resultará en una pobre resistencia a la deformación por presión externa.

Tabla 6 Comparación de la Rigidez Anular de Cuatro Tipos de Tuberías

Cuando se comparan con la misma rigidez anular, las tuberías PVC-M y PVC-O tienen grados de presión nominal más altos. Debido a los mayores costos de la fórmula del material y de procesamiento, sus costos de tubería también son superiores a los de las tuberías PVC-U y PVC-UH.

NO.4 Requisitos de Indicadores de Desempeño

4.1 Tuberías de Suministro de Agua PVC-U y PVC-UH

Existen ciertas diferencias en los indicadores de rendimiento de las tuberías PVC-U especificados en las normas nacionales y los especificados en la norma ISO 1452-2. Los requisitos de resistencia a la presión se reducen, y los requisitos de resistencia al impacto se mejoran, es decir, el requisito del ensayo de impacto con peso caído (TIR) es ≤ 5%, lo que establece requisitos más exigentes para la tenacidad de la tubería en comparación con el TIR ≤ 10% especificado en las normas ISO. Las tuberías PVC-UH se formulan tomando como referencia la norma ISO para tuberías de PVC-U para agua potable y la norma estadounidense para tuberías de PVC para agua potable. Los requisitos de rendimiento físico y mecánico de las tuberías incluyen la prueba de aplanamiento y el rendimiento hidrostático completo de la tubería, logrando así un control de calidad del producto para cada tubería. Además, los requisitos de resistencia al impacto son más altos que los de las normas ISO, y el requisito del ensayo de impacto con peso caído se incrementa hasta TIR ≤ 5% en comparación con las normas ISO. La comparación de los indicadores de rendimiento entre las tuberías domésticas de PVC-U para agua potable y las tuberías PVC-UH para agua potable se muestra en la Tabla 7.

Tabla 7 Comparación de Indicadores de Rendimiento entre Tubos para Agua PVC-U y PVC-UH

Según la curva estándar de hidrostática a largo plazo del PVC-U 250 dada en la norma ISO 1452-1:2009 (como se muestra en la Figura 1), puede observarse que durante el ensayo hidrostático a largo plazo de tuberías que cumplen con el requisito de clasificación de mezcla compuesta de MRS ≥ 25 MPa, también puede verse en la curva estándar el requisito de resistencia a corto plazo. El requisito de tensión circunferencial correspondiente a 20 °C y 1 h es de 42 MPa, y el requisito de tensión circunferencial correspondiente a 60 °C y 1000 h es de 10 MPa. Puede verse en la Tabla 7 que las tuberías PVC-UH cumplen con los requisitos de resistencia a la presión de la curva estándar hidrostática a largo plazo del PVC-U 250, mientras que las tuberías PVC-U especificadas en las normas nacionales son inferiores a los requisitos de la curva estándar en cuanto a indicadores de resistencia a corto plazo (20 °C, 1 h, tensión circunferencial de 38 MPa), y además no cumplen con el requisito de diseño de MRS ≥ 25 MPa para tuberías PVC-U especificado en las normas nacionales.

4.2 Tuberías de suministro de agua PVC-M

La tabla 8 muestra los requisitos de rendimiento estándar para tuberías de suministro de agua de PVC-M. Se puede observar que los productos de PVC-M tienen disposiciones sobre el impacto con peso caído, la prueba hidrostática de tubos entallados y la tenacidad del anillo C. Para tuberías con dn ≥ 110 mm, se especifica una prueba de impacto a alta velocidad a 23 °C y 20 m, lo cual impone requisitos elevados sobre la resistencia al impacto y la tenacidad del producto. Los productos de tuberías fabricados según la norma nacional para PVC-M presentan buena tenacidad y resistencia al impacto.

Tabla 8 Requisitos de Rendimiento para Tuberías de Suministro de Agua de PVC-M (GB/T 32018.1-2015)

Además de los altos requisitos para la resistencia al impacto y la tenacidad, los productos de tuberías PVC-M también tienen requisitos de resistencia a la presión. Por lo tanto, el costo de la fórmula de las tuberías PVC-M producidas según normas es más alto que el de las tuberías convencionales PVC-U o PVC-UH, y su rendimiento de procesamiento es relativamente bajo; debido a la reducción de su coeficiente general de servicio (diseño), su presión nominal es un grado superior a la de las tuberías convencionales PVC-U o PVC-UH. Por consiguiente, el costo por metro de tuberías con el mismo grado de presión es básicamente el mismo, o ligeramente más elevado en el caso de las tuberías PVC-M. Para las tuberías enterradas en obras de ingeniería, la resistencia a largo plazo a la presión es el indicador principal del producto, mientras que la resistencia al impacto y la tenacidad solo necesitan cumplir con los requisitos de uso normal.

4.3 Tubos de suministro de agua PVC-O

La tabla 9 muestra los requisitos de rendimiento estándar para tuberías de PVC-O para suministro de agua. Las tuberías de PVC-O son un tipo especial de tubería de PVC con estructura molecular en cadena formada mediante el estiramiento axial y radial de la tubería de PVC-U extruida, utilizando equipos de conformación secundaria y un proceso determinado, que hace que las moléculas de cadena larga del PVC en la tubería se organicen regularmente en dirección biaxial. La dificultad de producción es alta, y los requisitos para la fórmula, equipo y proceso son muy exigentes. Actualmente, el diámetro máximo que se puede producir tanto en el país como en el extranjero es solo de 630 mm, el rendimiento de producción es inferior al de los otros tres tipos de tuberías, y tanto la fórmula de producción como el costo de procesamiento son elevados.

Tabla 9 Requisitos de rendimiento para tuberías de PVC-O para suministro de agua (CJ/T 445-2014)

Nota: La estructura de boca plana unida con adhesivo no debe usarse para tuberías PVC-O.