Comparaison des normes, de la conception et des performances des tuyaux PVC-U, PVC-UH, PVC-M et PVC-O N°1 Introduction aux normes produit

Comparaison des normes, de la conception et des performances des PVC-U, PVC-UH, PVC-M et PVC-O

NO.1 Introduction aux normes produits

Les canalisations en PVC-U, PVC-UH, PVC-M et PVC-O pour l'alimentation en eau sont toutes des tuyaux rigides en polychlorure de vinyle non plastifié à paroi pleine. Elles sont principalement utilisées pour les conduites principales et secondaires des systèmes de transport d'eau sous pression enterrés, lorsque la température de l'eau ne dépasse pas 45 °C, et peuvent également être utilisées à l'intérieur des bâtiments ou dans des galeries techniques. Les normes et spécifications actuelles des quatre types de canalisations sont indiquées dans le tableau 1.

NO.2 Exigences techniques pour les mélanges composés

Le mélange composé désigne le mélange homogène de résine de base en PVC et de divers additifs nécessaires, qui constitue la matière première utilisée directement pour l'extrusion de tuyaux en PVC. Pour les tuyaux sous pression, la conception de la formule et les indicateurs de performance des mélanges composés en PVC sont cruciaux, influant directement sur les performances du produit et sa durée de vie à long terme. Pour l'influence de la résine PVC et des différents additifs sur les performances du produit, se référer à « Conception de formule PVC et transformation du produit ». Ce chapitre présente principalement les indicateurs de performance, les exigences de classification et les exigences relatives à la conception de formule des mélanges composés.

2.1 Exigences de performance pour les mélanges composés

Parmi les tuyaux en PVC pour l'adduction d'eau en Chine, les tuyaux PVC-UH spécifient les exigences relatives aux performances physiques et mécaniques des mélanges composés en se référant à la norme américaine AWWA C900 pour les tuyaux en PVC destinés à l'adduction d'eau, comme indiqué dans le tableau 2. Actuellement, il n'existe aucune disposition concernant les indicateurs de performance des mélanges composés pour les autres types de tuyaux en PVC pour l'adduction d'eau. Ces exigences permettent un meilleur contrôle du choix des matières premières et des formules utilisées pour les tuyaux, ainsi que du contrôle qualité.

Tableau 2 Exigences de performance physique et mécanique pour les mélanges composés en PVC spécifiés pour les tuyaux PVC-UH destinés à l'adduction d'eau

exigences de classement pour les mélanges composés

Les tubes en PVC sous pression sont conçus pour une durée de service de 50 ans. Les mélanges composés des tubes doivent subir des essais de classement des mélanges conformément à l'ISO 9080 ou au GB/T 18252, c'est-à-dire des essais de résistance hydrostatique à long terme des mélanges sous forme de tubes, caractérisés par la résistance de classement correspondant à 20 °C et 50 ans, à savoir la Résistance Minimale Requise (MRS). Les exigences de classement pour les mélanges composés des tubes de distribution d'eau en PVC-U, PVC-UH, PVC-M et PVC-O sont indiquées dans le tableau 3.

Tableau 3 Exigences de classement pour les mélanges composés des tubes de distribution d'eau en PVC

Dans l'ISO 1452-1:2009, les matériaux sont classifiés. Selon la résistance hydrostatique minimale requise des matériaux, la RMT des matériaux en PVC pour tuyaux est spécifiée à 25 MPa, c'est-à-dire que le grade du matériau est PVC-U 250. La norme nationale relative aux tuyaux en PVC-U, GB/T 10002.1-2006, ne précise pas le grade de pression des mélanges composés pour tuyaux. Les conduites d'adduction d'eau en PVC-UH spécifient une exigence de classement de RMT ≥ 25 MPa pour les mélanges composés. La RMT des tuyaux en PVC-M est ≥ 24,5 MPa.

La RMT des tuyaux en PVC-O spécifiée dans les normes ISO est divisée en 5 types : 31,5, 35,5, 40, 45 et 50 MPa, correspondant respectivement aux codes de qualité de matière première 315, 355, 400, 450 et 500. Parmi eux, les grades 400 et 450 sont généralement produits en grande quantité, tandis que les autres sont peu utilisés.

2.3 Exigences pour le choix des matériaux clés dans les mélanges composés

La formule des tuyaux en PVC pour l'alimentation en eau est principalement composée de résine PVC, de stabilisants, de lubrifiants internes et externes, de charges, de colorants, de modificateurs d'impact, d'additifs de transformation, etc., en une proportion déterminée. Le choix et la proportion des différentes matières premières jouent un rôle essentiel dans les performances et l'utilisation des tuyaux.

La transformation des tubes en PVC impose des exigences élevées concernant la performance d'écoulement à l'état fondu du résine PVC. Dans la production réelle, on sélectionne généralement du résine PVC en suspension de type SG-5. Les méthodes de préparation du PVC sont divisées en méthode éthylénique et méthode au carbure de calcium. La méthode éthylénique consiste à extraire l'éthylène du pétrole, puis à faire réagir le gaz chlore avec l'éthylène par une réaction de substitution afin de produire du chlorure de vinyle monomère, qui est ensuite polymérisé pour former de la résine de polychlorure de vinyle. Parmi les fabricants représentatifs figurent Oxy Vinyl LP (États-Unis), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd., etc. La méthode au carbure de calcium est généralement largement utilisée en Chine. Elle utilise le carbure de calcium (carbure de calcium) qui génère de l'acétylène en présence d'eau, synthétise l'acétylène avec du chlorure d'hydrogène pour produire du chlorure de vinyle monomère, puis produit de la résine de polychlorure de vinyle par réaction de polymérisation.

Le PVC est l'un des polymères les plus thermosensibles utilisés dans l'industrie et est sujet à la dégradation thermique. Les stabilisants thermiques sont des additifs indispensables dans le traitement des tuyaux en PVC. Dans le processus de fabrication des tuyaux en PVC, les stabilisants thermiques couramment utilisés actuellement sont les stabilisants au calcium-zinc et les stabilisants organo-étain. Les stabilisants au calcium-zinc sont principalement utilisés en Europe, les stabilisants organo-étain sont largement utilisés aux États-Unis, et les deux types sont employés en Chine. Les stabilisants au calcium-zinc sont généralement des stabilisants composés nécessitant une quantité relativement élevée d'ajout ; les stabilisants organo-étain nécessitent généralement une faible quantité d'ajout et offrent un bon effet de stabilisation pour la production de tuyaux de diamètre moyen et grand. Si une haute résistance aux intempéries est requise pour les tuyaux, une quantité appropriée d'antioxydants et de stabilisants lumineux peut également être ajoutée.

Dans la fabrication des tubes en PVC, les lubrifiants internes et externes sont également indispensables. Les principaux lubrifiants utilisés comprennent l'acide stéarique, la paraffine, la cire de polyéthylène et la stéarate de calcium, qui possède également un effet stabilisant. La quantité du système de lubrification doit être déterminée selon les exigences de l'équipement et de la conception de la formule du produit. L'essentiel est de garantir que le mélange composé présente un bon effet de plastification, de sorte que la température de déformation thermique et les propriétés mécaniques des tubes ne soient pas significativement affectées.

Conformément à la conception du produit, des charges de carbonate de calcium peuvent également être ajoutées aux tuyaux en PVC. Les principales fonctions du carbonate de calcium sont d'améliorer la rigidité des tuyaux, de réduire le taux de retrait et de diminuer les coûts. L'ajout de carbonate de calcium réduit la résistance des produits tubulaires et augmente leur fragilité. Par conséquent, la quantité de charges de carbonate de calcium utilisée dans la production de tuyaux en PVC doit être correctement contrôlée. Le carbonate de calcium est généralement divisé en carbonate de calcium lourd et carbonate de calcium léger. Le mélange composé avec une formule de carbonate de calcium lourd présente une bonne fluidité et convient aux systèmes d'alimentation et de transport centralisés, en particulier aux systèmes de transport pneumatique ; le mélange composé avec une formule de carbonate de calcium léger a une fluidité relativement médiocre et une faible densité, mais a peu d'impact sur la formule des conduites d'eau lorsqu'il est utilisé en faible quantité.

La couleur des tuyaux en PVC est généralement grise ou bleue. Les colorants couramment utilisés comprennent principalement le dioxyde de titane, le noir de carbone et le bleu phtalocyanine. En général, la quantité ajoutée de colorants est faible, et ils doivent posséder une bonne force tinctoriale et une bonne résistance aux intempéries.

Les agents modificateurs d'impact et les aides à la transformation améliorent la résistance au choc et les performances de transformation des tuyaux en PVC pendant le traitement.

2.4 Exigences pour la conception de formules de mélanges composés

Il ressort des points 2.1 Exigences de performance pour les mélanges composés et 2.2 Exigences de classement pour les mélanges composés que les exigences relatives aux mélanges composés des quatre types de tuyaux sont différentes. Par conséquent, il existe certaines différences dans la conception des formules et le coût des quatre types de produits de tuyauterie. Pour les exigences spécifiques en matière de conception de formules, veuillez vous reporter au tableau 4. En raison de conceptions de produits différentes, il existe également des écarts dans les indicateurs de performance des produits, ce qui sera détaillé dans la section 5 du présent document.

Tableau 4 Exigences de conception des formules pour quatre types de tuyaux d'alimentation en eau en PVC

NO.3 Pression interne admissible et résistance à la pression externe

3.1 Pression interne admissible des tubes

Contrainte de conception des tubes sous pression :

σₛ = MRS / C (1)

Où : σₛ — Contrainte de conception des canalisations sous pression, MPa ; MRS — Résistance minimale requise des canalisations, MPa ; C — Coefficient global de service (conception)

Les canalisations en PVC sont conçues pour une durée de service prévue de 50 ans. Lors du transport d'eau à 20 °C, les valeurs maximales admissibles de contrainte de conception pour différents types de canalisations en PVC utilisées localement pour l'adduction d'eau sont indiquées dans le tableau 5. La pression nominale (pression de conception) et la pression de fonctionnement pour une exploitation prolongée de 50 ans sont calculées selon respectivement la formule (2) et la formule (3).

Tableau 5 Valeurs maximales admissibles de la contrainte de conception pour différentes canalisations en PVC sous pression utilisées localement

Remarque : Il existe de nombreuses classes de matières premières pour les tubes PVC-O, qui peuvent être conçus selon les normes produits PVC-O ; pour les classes 400 et 450 en général, le coefficient de service global C est de 1,6.

Pression nominale (pression de conception) des tubes :

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Où : P — Pression nominale (pression de conception) des tubes, MPa ; σₛ — Contrainte de conception des tubes sous pression, MPa ; dₙ — Diamètre extérieur nominal, mm ; eₙ — Épaisseur de paroi nominale, mm

Conformément au CJJ 101-2016 « Code technique pour l'ingénierie des canalisations enterrées en plastique pour l'alimentation en eau » 4.1.7, la valeur caractéristique de la pression de conception du tube est égale à 1,5 fois la valeur caractéristique de la pression de service, soit :

P = 1,5 × Pwk (3)

Où : Pwk — Pression de service des tubes, MPa

On constate que le coefficient de service (de conception) global des tubes PVC-UH est supérieur à celui des tubes PVC-M et des tubes PVC-O, c'est-à-dire qu'ils offrent une garantie de sécurité plus élevée lors d'une utilisation prolongée.

3.2 Résistance externe à la pression des tuyaux

Selon la définition de la rigidité annulaire en 2.4.2 de la norme GB/T 19278-2018, la rigidité annulaire a une relation cubique avec l'épaisseur de la paroi du tuyau. La formule simplifiée de calcul de la rigidité annulaire (S) est :

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Où : S — Rigidité annulaire, kN/m² ; E — Module d'élasticité du matériau de la paroi du tuyau, spécifié à 3000 MPa pour les tuyaux en PVC dans la norme ; dₙ — Diamètre extérieur nominal, mm ; eₙ — Épaisseur de paroi nominale, mm

On peut observer que pour des tuyaux de même diamètre extérieur, plus l'épaisseur de la paroi est grande, plus la rigidité annulaire est élevée, et plus la résistance à la déformation sous pression externe est forte. La comparaison de la rigidité annulaire des quatre types de tuyaux est indiquée dans le tableau 6 (en prenant comme exemple des tuyaux avec une pression nominale de 1,0 MPa). On peut constater dans le tableau 6 que, du point de vue des paramètres de conception, les tuyaux PVC-M et PVC-O peuvent adopter des épaisseurs de paroi plus faibles pour satisfaire aux exigences de pression de service, mais une épaisseur de paroi trop faible entraîne également une moindre résistance à la déformation sous pression externe.

Tableau 6 : Comparaison de la rigidité annulaire de quatre types de tuyaux

Lorsqu'on compare des tuyaux ayant la même rigidité annulaire, les tuyaux PVC-M et PVC-O présentent des classes de pression nominale plus élevées. En raison de coûts plus élevés liés à la formulation du matériau et aux coûts de transformation, leurs prix sont également supérieurs à ceux des tuyaux PVC-U et PVC-UH.

NO.4 Exigences relatives aux indicateurs de performance

4.1 Tubes d’alimentation en eau en PVC-U et en PVC-UH

Il existe certaines différences entre les indicateurs de performance des tubes PVC-U spécifiés dans les normes nationales et ceux indiqués dans la norme ISO 1452-2. Les exigences en matière de résistance à la pression sont réduites, tandis que celles relatives à la résistance aux chocs sont améliorées : l'exigence du test de choc par chute de masse (TIR) est fixée à ≤ 5 %, ce qui impose des exigences plus élevées quant à la ténacité du tube comparé au TIR ≤ 10 % prévu par les normes ISO. Les tuyaux PVC-UH sont formulés en se référant à la norme ISO pour les tubes en PVC-U destinés à l'alimentation en eau ainsi qu'à la norme américaine pour les conduites en PVC utilisées dans la distribution d'eau. Les exigences concernant les propriétés physiques et mécaniques des tubes incluent l'essai d'aplatissement et les performances hydrauliques complètes sur tube entier, permettant ainsi une surveillance qualité systématique de chaque tube produit. En outre, les exigences en matière de résistance aux chocs sont supérieures à celles des normes ISO, l'exigence du test de choc par chute de masse étant portée à TIR ≤ 5 % par rapport aux normes ISO. Le tableau 7 présente la comparaison des indicateurs de performance entre les tubes d'alimentation en eau en PVC-U domestiques et les tubes d'alimentation en eau PVC-UH.

Tableau 7 Comparaison des indicateurs de performance entre les canalisations d'adduction d'eau en PVC-U et en PVC-UH

Selon la courbe standard hydrostatique à long terme du PVC-U 250 fournie dans la norme ISO 1452-1:2009 (voir figure 1), on constate que, lors de l’essai hydrostatique à long terme sur des tubes répondant à l’exigence de classement du mélange composite MRS ≥ 25 MPa, l’exigence de résistance à la pression à court terme peut également être déduite de cette courbe standard. La contrainte circonférentielle requise à 20 °C et pendant 1 h est de 42 MPa, tandis que la contrainte circonférentielle requise à 60 °C et pendant 1 000 h est de 10 MPa. Le tableau 7 montre que les tubes en PVC-UH satisfont aux exigences de résistance à la pression définies par la courbe standard hydrostatique à long terme du PVC-U 250, alors que les tubes en PVC-U spécifiés dans les normes nationales présentent des performances inférieures aux exigences de cette courbe en matière de résistance à court terme à la pression (contrainte circonférentielle de 38 MPa à 20 °C et pendant 1 h) et ne répondent pas non plus à l’exigence de conception MRS ≥ 25 MPa pour les tubes en PVC-U stipulée dans les normes nationales.

4.2 Tubes en PVC-M pour alimentation en eau

Le tableau 8 présente les exigences de performance standard pour les canalisations en PVC-M destinées à l'adduction d'eau. On observe que les produits en PVC-M prévoient des dispositions concernant le choc par chute de poids, l'essai hydrostatique sur tube entaillé et la ténacité en anneau en C. Pour les tubes de dn ≥ 110 mm, un essai d'impact à haute vitesse à 23 °C et 20 m est spécifié, ce qui impose des exigences élevées en termes de résistance au choc et de ténacité du produit. Les tubes fabriqués conformément à la norme nationale pour le PVC-M présentent une bonne ténacité et une bonne résistance aux chocs.

Tableau 8 Exigences de performance pour les canalisations en PVC-M pour l'adduction d'eau (GB/T 32018.1-2015)

Outre les hautes exigences en matière de résistance aux chocs et de ténacité, les produits de tuyauterie en PVC-M présentent également des exigences en termes de résistance à la pression. Par conséquent, le coût de formulation des tubes en PVC-M fabriqués selon les normes est supérieur à celui des tubes conventionnels en PVC-U ou PVC-UH, et leur rendement de transformation est relativement faible ; en raison de la réduction de leur coefficient global de service (conception), leur pression nominale est d'un grade supérieure à celle des tubes conventionnels en PVC-U ou PVC-UH. Ainsi, le coût au mètre des tubes de même classe de pression est fondamentalement identique, ou légèrement plus élevé pour les tubes en PVC-M. Pour les conduites enterrées destinées au génie civil, la résistance à long terme à la pression constitue l'indicateur principal du produit, tandis que la résistance aux chocs et la ténacité doivent simplement satisfaire aux exigences d'une utilisation normale.

4.3 Tuyaux d'alimentation en eau en PVC-O

Le tableau 9 présente les exigences de performance standard pour les tubes en PVC-O destinés à l’alimentation en eau. Les tubes en PVC-O sont des tubes en PVC dotés d’une structure moléculaire particulière, obtenus en étirant axialement et radialement un tube en PVC-U extrudé à l’aide d’équipements de formage secondaire et d’un procédé spécifique, afin d’orienter régulièrement les longues chaînes moléculaires de PVC dans les deux directions (biaxiale). La fabrication est complexe et exige des niveaux très élevés en matière de formulation, d’équipement et de procédé. À ce jour, le diamètre maximal pouvant être produit, tant localement qu’à l’étranger, est de 630 mm ; le rendement de production est inférieur à celui des trois autres types de tubes, et la formulation ainsi que le coût de transformation sont tous deux élevés.

Tableau 9 : Exigences de performance pour les tubes en PVC-O destinés à l’alimentation en eau (CJ/T 445-2014)

Remarque : La structure à embout plat collé ne doit pas être utilisée pour les tuyaux PVC-O.