Perbandingan Standar, Desain, dan Kinerja PVC-U, PVC-UH, PVC-M, dan PVC-O NO.1 Pengantar Standar Produk

Perbandingan Standar, Desain, dan Kinerja PVC-U, PVC-UH, PVC-M, dan PVC-O

NO.1 Pengenalan terhadap Standar Produk

Pipa air PVC-U, PVC-UH, PVC-M, dan PVC-O adalah pipa dinding padat polivinil klorida keras. Pipa-pipa tersebut terutama digunakan untuk saluran utama dan cabang sistem transmisi air bertekanan yang dipendam di bawah tanah dengan suhu air tidak melebihi 45 °C, serta juga dapat digunakan di dalam ruangan atau di dalam gorong-gorong pipa. Standar dan spesifikasi saat ini dari keempat jenis pipa tersebut ditunjukkan dalam Tabel 1.

NO.2 Persyaratan Teknis untuk Campuran Majemuk

Campuran senyawa mengacu pada campuran seragam antara resin dasar PVC dan berbagai aditif yang diperlukan, yang merupakan bahan baku yang langsung digunakan untuk ekstrusi pipa PVC. Untuk pipa bertekanan, desain formula dan indikator kinerja campuran senyawa PVC sangat penting, secara langsung memengaruhi kinerja produk dan umur layanan jangka panjang. Untuk pengaruh resin PVC dan berbagai aditif terhadap kinerja produk, lihat "Desain Formula PVC dan Pengolahan Produk". Bab ini terutama membahas indikator kinerja, persyaratan pengelompokan, dan persyaratan desain formula dari campuran senyawa.

2.1 Persyaratan Kinerja untuk Campuran Senyawa

Di antara pipa suplai air PVC di Tiongkok, pipa PVC-UH menentukan persyaratan kinerja fisik dan mekanis untuk campuran senyawa dengan mengacu pada standar pipa suplai air PVC Amerika AWWA C900, seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 2. Saat ini, tidak terdapat ketentuan mengenai indikator kinerja campuran senyawa untuk jenis pipa suplai air PVC lainnya. Persyaratan-persyaratan ini lebih baik mengendalikan pemilihan bahan baku dan formula pipa serta pengendalian kualitas.

Tabel 2 Persyaratan Kinerja Fisik dan Mekanis untuk Campuran Senyawa PVC yang Ditentukan untuk Pipa Suplai Air PVC-UH

persyaratan Penggolongan Campuran Senyawa

Pipa tekanan PVC dirancang untuk masa pakai 50 tahun. Campuran senyawa pipa harus menjalani uji penggolongan campuran senyawa sesuai dengan ISO 9080 atau GB/T 18252, yaitu uji kekuatan hidrostatis jangka panjang terhadap campuran senyawa dalam bentuk pipa, yang dicirikan oleh kekuatan klasifikasi yang sesuai dengan 20 °C dan 50 tahun, yaitu Kekuatan Minimum yang Diperlukan (Minimum Required Strength/MRS). Persyaratan penggolongan untuk campuran senyawa pipa air PVC-U, PVC-UH, PVC-M, dan PVC-O ditunjukkan dalam Tabel 3.

Tabel 3 Persyaratan Penggolongan Campuran Senyawa Pipa Air PVC

Dalam ISO 1452-1:2009, bahan diklasifikasikan. Berdasarkan kekuatan hidrostatik minimum yang diperlukan dari bahan, MRS bahan PVC untuk pipa ditetapkan sebesar 25 MPa, yaitu kelas materialnya adalah PVC-U 250. Standar nasional untuk pipa PVC-U, GB/T 10002.1-2006, tidak menentukan kelas tekanan campuran senyawa untuk pipa. Pipa suplai air PVC-UH menentukan persyaratan pengelompokan MRS ≥ 25 MPa untuk campuran senyawa tersebut. MRS pipa PVC-M adalah ≥ 24,5 MPa.

MRS pipa PVC-O yang ditentukan dalam standar ISO dibagi menjadi 5 tipe: 31,5, 35,5, 40, 45, dan 50 MPa, yang masing-masing sesuai dengan kode kelas bahan baku 315, 355, 400, 450, dan 500. Di antaranya, kelas 400 dan 450 umumnya diproduksi dalam jumlah besar, sedangkan yang lainnya tidak umum digunakan.

2.3 Persyaratan Pemilihan Bahan Utama dalam Campuran Senyawa

Formula pipa saluran air PVC terutama terdiri dari resin PVC, bahan pengstabil, pelumas internal dan eksternal, pengisi, pewarna, modifier benturan, bahan pembantu proses, dll., dalam perbandingan tertentu. Pemilihan dan perbandingan berbagai bahan baku ini memainkan peran penting dalam kinerja dan penggunaan pipa tersebut.

Pengolahan pipa PVC memiliki persyaratan tinggi terhadap kinerja aliran lelehan resin PVC. Dalam produksi aktual, umumnya dipilih resin PVC suspensi tipe SG-5. Metode pembuatan PVC dibagi menjadi metode etilena dan metode kalsium karbida. Metode etilena mengekstrak etilena dari minyak bumi, mereaksikan gas klorin dengan etilena melalui reaksi substitusi untuk menghasilkan monomer vinil klorida, yang kemudian dipolimerisasi menjadi resin polivinil klorida. Produsen representatif antara lain Oxy Vinyl LP (Amerika Serikat), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd., dll. Metode kalsium karbida umumnya banyak digunakan di Tiongkok. Metode ini menggunakan kalsium karbida (kalsium karbida) yang menghasilkan asetilena saat bereaksi dengan air, mensintesis asetilena dengan hidrogen klorida untuk menghasilkan monomer vinil klorida, lalu menghasilkan resin polivinil klorida melalui reaksi polimerisasi.

PVC adalah salah satu polimer paling termosensitif di industri dan rentan terhadap degradasi termal. Stabilizer panas merupakan aditif yang sangat diperlukan dalam proses pengolahan pipa PVC. Dalam proses produksi pipa PVC, stabilizer panas yang umum digunakan saat ini adalah stabilizer kalsium-seng dan stabilizer organotin. Stabilizer kalsium-seng terutama digunakan di Eropa, stabilizer organotin banyak digunakan di Amerika Serikat, sedangkan di Tiongkok keduanya digunakan. Stabilizer kalsium-seng umumnya merupakan stabilizer majemuk dengan jumlah tambahan yang relatif tinggi; stabilizer organotin umumnya memiliki jumlah tambahan yang rendah dan memberikan efek stabilisasi yang baik pada produksi pipa berdiameter sedang hingga besar. Jika diperlukan ketahanan cuaca yang tinggi untuk pipa tersebut, dapat juga ditambahkan antioksidan dan stabilizer cahaya dalam jumlah yang sesuai.

Dalam pengolahan pipa PVC, pelumas internal dan eksternal juga merupakan komponen yang sangat penting. Pelumas utama yang digunakan meliputi asam stearat, parafin, lilin polietilen, dan kalsium stearat yang juga memiliki efek penstabil. Dosis sistem pelumas harus ditentukan sesuai dengan persyaratan peralatan dan desain formula produk. Kuncinya adalah memastikan campuran senyawa memiliki efek plastisisasi yang baik, sehingga suhu distorsi akibat panas dan sifat mekanis pipa tidak terganggu secara signifikan.

Berdasarkan desain produk, pengisi kalsium karbonat juga dapat ditambahkan ke pipa PVC. Fungsi utama kalsium karbonat adalah untuk meningkatkan kekakuan pipa, mengurangi tingkat penyusutan, dan menekan biaya. Penambahan kalsium karbonat akan mengurangi kekuatan produk pipa serta meningkatkan kerapuhan. Oleh karena itu, jumlah pengisi kalsium karbonat dalam produksi pipa PVC harus dikontrol secara tepat. Kalsium karbonat umumnya dibagi menjadi kalsium karbonat berat dan kalsium karbonat ringan. Campuran senyawa dengan formula kalsium karbonat berat memiliki fluiditas yang baik dan cocok untuk sistem pengumpanan serta pengangkutan terpusat, terutama sistem pengangkutan pneumatik; campuran senyawa dengan formula kalsium karbonat ringan memiliki fluiditas yang relatif lebih buruk dan densitas rendah, namun memiliki dampak kecil pada formula pipa air dengan jumlah penambahan yang sedikit.

Warna pipa PVC umumnya abu-abu atau biru. Pewarna yang umum digunakan terutama mencakup titanium dioksida, karbon hitam, dan ftalosianin biru. Umumnya, jumlah penambahan pewarna kecil, dan harus memiliki kekuatan pewarnaan serta ketahanan cuaca yang baik.

Modifikasi benturan dan bantuan pengolahan bermanfaat untuk meningkatkan ketahanan benturan dan kinerja pengolahan pipa PVC selama proses pengolahan.

2.4 Persyaratan untuk Desain Formula Campuran Majemuk

Dapat dilihat dari 2.1 Persyaratan Kinerja untuk Campuran Majemuk dan 2.2 Persyaratan Gradasi untuk Campuran Majemuk bahwa persyaratan untuk campuran majemuk dari empat jenis pipa berbeda-beda. Oleh karena itu, terdapat perbedaan tertentu dalam desain formula dan biaya dari keempat jenis produk pipa tersebut. Untuk persyaratan desain formula secara spesifik, lihat Tabel 4. Karena desain produk yang berbeda, juga terdapat perbedaan dalam indikator kinerja produk, yang akan dijelaskan secara rinci pada Bagian 5 makalah ini.

Tabel 4 Persyaratan Desain Formula untuk Empat Jenis Pipa PVC Suplai Air

NO.3 Tekanan Internal yang Diizinkan dan Ketahanan Tekanan Eksternal

3.1 Tekanan Internal yang Diizinkan pada Pipa

Tegangan desain pipa bertekanan:

σₛ = MRS / C (1)

Di mana: σₛ — Tegangan desain pipa tekanan, MPa; MRS — Kekuatan minimum yang dibutuhkan pipa, MPa; C — Koefisien layanan keseluruhan (desain)

Pipa PVC dirancang untuk masa pakai yang diharapkan selama 50 tahun. Saat mengalirkan air pada suhu 20 °C, nilai maksimum yang diizinkan dari tegangan desain untuk berbagai jenis pipa PVC dalam negeri ditunjukkan pada Tabel 5. Tekanan nominal (tekanan desain) dan tekanan kerja untuk operasi jangka panjang 50 tahun dihitung menurut Rumus (2) dan Rumus (3) secara berturut-turut.

Tabel 5 Nilai Maksimum yang Diizinkan dari Tegangan Desain untuk Berbagai Jenis Pipa Tekanan PVC Dalam Negeri

Catatan: Terdapat banyak kelas bahan baku untuk pipa PVC-O, yang dapat dirancang dengan mengacu pada standar produk PVC-O; untuk kelas 400 dan 450 secara umum, koefisien layanan keseluruhan C adalah 1,6.

Tekanan nominal (tekanan rencana) pipa:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Keterangan: P — Tekanan nominal (tekanan rencana) pipa, MPa; σₛ — Tegangan rencana pipa bertekanan, MPa; dₙ — Diameter luar nominal, mm; eₙ — Ketebalan dinding nominal, mm

Menurut CJJ 101-2016 "Kode Teknis Teknik Saluran Perpipaan Air Plastik yang Ditanam" Pasal 4.1.7, nilai standar tekanan rencana pipa sama dengan 1,5 kali nilai standar tekanan kerja, yaitu:

P = 1,5 × Pwk (3)

Keterangan: Pwk — Tekanan kerja pipa, MPa

Dapat dilihat bahwa koefisien layanan (rencana) keseluruhan pipa PVC-UH lebih tinggi dibandingkan pipa PVC-M dan pipa PVC-O, artinya memiliki jaminan keamanan yang lebih tinggi selama penggunaan jangka panjang.

3.2 Ketahanan Tekanan Eksternal terhadap Pipa

Menurut definisi kekakuan cincin pada 2.4.2 GB/T 19278-2018, kekakuan cincin memiliki hubungan kubik dengan ketebalan dinding pipa. Rumus perhitungan sederhana untuk kekakuan cincin (S) adalah:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Keterangan: S — Kekakuan cincin, kN/m² E — Modulus elastisitas material dinding pipa, yang ditentukan sebesar 3000 MPa untuk pipa PVC dalam spesifikasi dₙ — Diameter luar nominal, mm eₙ — Ketebalan dinding nominal, mm

Dapat dilihat bahwa untuk pipa dengan diameter luar yang sama, semakin besar ketebalan dinding, semakin besar kekakuan cincin, dan semakin kuat ketahanannya terhadap deformasi tekanan eksternal. Perbandingan kekakuan cincin dari empat jenis pipa ditunjukkan pada Tabel 6 (dengan mengambil pipa berpresisi nominal 1,0 MPa sebagai contoh). Dari Tabel 6 dapat dilihat bahwa dari sudut pandang parameter desain, pipa PVC-M dan PVC-O dapat memilih ketebalan dinding yang lebih tipis untuk memenuhi persyaratan tekanan kerja, namun ketebalan dinding yang terlalu tipis juga akan mengakibatkan ketahanan terhadap deformasi tekanan eksternal menjadi buruk.

Tabel 6 Perbandingan Kekakuan Cincin Empat Jenis Pipa

Ketika dibandingkan berdasarkan kekakuan cincin yang sama, pipa PVC-M dan PVC-O memiliki kelas tekanan nominal yang lebih tinggi. Karena biaya formula material dan biaya pemrosesan yang lebih tinggi, biaya pipa tersebut juga lebih tinggi dibandingkan pipa PVC-U dan PVC-UH.

NO.4 Persyaratan Indikator Kinerja

4.1 Pipa Suplai Air PVC-U dan PVC-UH

Terdapat perbedaan tertentu dalam indikator kinerja pipa PVC-U yang ditentukan dalam standar nasional dan yang ditentukan dalam standar ISO 1452-2. Persyaratan tahan tekanan dikurangi, sedangkan persyaratan ketahanan benturan ditingkatkan, yaitu persyaratan uji benturan berat jatuh (TIR) adalah ≤ 5%, yang mengajukan persyaratan lebih tinggi terhadap ketangguhan pipa dibandingkan dengan TIR ≤ 10% yang ditentukan dalam standar ISO. Pipa PVC-UH diformulasi dengan mengacu pada standar ISO untuk pipa air PVC-U serta standar pipa air PVC Amerika Serikat. Persyaratan kinerja fisik dan mekanis pipa mencakup uji pelebaran datar (flattening test) dan kinerja hidrostatik pipa penuh, mewujudkan pemantauan kualitas produk untuk setiap pipa. Selain itu, persyaratan ketahanan benturan lebih tinggi daripada standar ISO, dan persyaratan uji benturan berat jatuh ditingkatkan menjadi TIR ≤ 5% dibandingkan standar ISO. Perbandingan indikator kinerja antara pipa suplai air PVC-U domestik dan pipa suplai air PVC-UH ditunjukkan dalam Tabel 7.

Tabel 7 Perbandingan Indikator Kinerja antara Pipa Suplai Air PVC-U dan PVC-UH

Berdasarkan kurva standar hidrostatik jangka panjang PVC-U 250 yang diberikan dalam ISO 1452-1:2009 (seperti ditunjukkan pada Gambar 1), dapat dilihat bahwa selama pengujian hidrostatik jangka panjang terhadap pipa yang memenuhi persyaratan peringkat campuran senyawa MRS ≥ 25 MPa, persyaratan tahan tekanan jangka pendek juga dapat dilihat dari kurva standar tersebut. Persyaratan tegangan lingkar yang sesuai dengan 20 °C dan 1 jam adalah 42 MPa, dan persyaratan tegangan lingkar yang sesuai dengan 60 °C dan 1000 jam adalah 10 MPa. Dari Tabel 7 dapat dilihat bahwa pipa PVC-UH memenuhi persyaratan ketahanan tekanan menurut kurva standar hidrostatik jangka panjang PVC-U 250, sedangkan pipa PVC-U yang ditentukan dalam standar nasional lebih rendah dibandingkan persyaratan kurva standar dalam hal indikator ketahanan tekanan jangka pendek (20 °C, 1 jam, tegangan lingkar 38 MPa), serta tidak memenuhi persyaratan desain MRS ≥ 25 MPa untuk pipa PVC-U yang ditentukan dalam standar nasional.

4.2 Pipa Suplai Air PVC-M

Tabel 8 menunjukkan persyaratan kinerja standar untuk pipa suplai air PVC-M. Dapat dilihat bahwa produk PVC-M memiliki ketentuan mengenai uji dampak berat jatuh, uji hidrostatik pipa beralur, dan ketangguhan cincin-C. Untuk pipa dengan dn ≥ 110 mm, ditentukan uji dampak kecepatan tinggi pada 23 °C dan 20 m, yang menuntut tingkat ketahanan benturan dan ketangguhan produk yang tinggi. Produk pipa yang diproduksi sesuai dengan standar nasional untuk PVC-M memiliki ketangguhan dan ketahanan benturan yang baik.

Tabel 8 Persyaratan Kinerja untuk Pipa Suplai Air PVC-M (GB/T 32018.1-2015)

Selain persyaratan tinggi terhadap ketahanan benturan dan kekerasan, produk pipa PVC-M juga memiliki persyaratan terhadap ketahanan tekanan. Oleh karena itu, biaya formula produk pipa PVC-M yang diproduksi sesuai standar lebih tinggi dibandingkan pipa PVC-U atau PVC-UH konvensional, dan laju produksinya relatif lebih rendah; karena penurunan koefisien pelayanan (desain) keseluruhan, tekanan nominalnya satu tingkat lebih tinggi daripada pipa PVC-U atau PVC-UH konvensional. Dengan demikian, biaya per meter pipa dengan kelas tekanan yang sama pada dasarnya sama, atau pipa PVC-M sedikit lebih tinggi. Untuk saluran perpipaan teknik terkubur, ketahanan tekanan jangka panjang merupakan indikator utama produk, sedangkan ketahanan benturan dan kekerasan hanya perlu memenuhi persyaratan penggunaan normal.

4.3 Pipa Suplai Air PVC-O

Tabel 9 menunjukkan persyaratan kinerja standar untuk pipa suplai air PVC-O. Pipa PVC-O adalah pipa PVC dengan struktur rantai molekul khusus yang dibentuk melalui peregangan aksial dan radial terhadap pipa PVC-U hasil ekstrusi menggunakan peralatan pembentuk sekunder dan proses tertentu, sehingga molekul-molekul rantai panjang PVC dalam pipa tersusun secara teratur dalam arah biaxial. Tingkat kesulitan produksinya tinggi, serta menuntut persyaratan sangat ketat terhadap formula, peralatan, dan proses. Saat ini, diameter maksimum yang dapat diproduksi di dalam dan luar negeri hanya sebesar 630 mm, tingkat hasil produksi lebih rendah dibandingkan tiga jenis pipa lainnya, serta formula produksi dan biaya pengolahannya juga tinggi.

Tabel 9 Persyaratan Kinerja untuk Pipa Suplai Air PVC-O (CJ/T 445-2014)

Catatan: Struktur mulut datar yang dilekatkan dengan perekat tidak boleh digunakan untuk pipa PVC-O.