Confronto tra norme, progettazione e prestazioni di PVC-U, PVC-UH, PVC-M e PVC-O N.1 Introduzione alle norme dei prodotti

Confronto tra standard, progettazione e prestazioni di PVC-U, PVC-UH, PVC-M e PVC-O

N.1 Introduzione agli standard del prodotto

I tubi per acqua in PVC-U, PVC-UH, PVC-M e PVC-O sono tutti tubi rigidi in polivinilcloruro con parete piena. Sono principalmente utilizzati per le condotte principali e secondarie dei sistemi di trasporto idrico sotto pressione interrati, dove la temperatura dell'acqua non supera i 45 °C, e possono essere utilizzati anche all'interno di edifici o in gallerie tubi. Le attuali norme e specifiche relative ai quattro tipi di tubi sono riportate nella Tabella 1.

NO.2 Requisiti tecnici per miscele composte

La miscela composta si riferisce alla miscelazione uniforme della resina base PVC e di diverse additivi necessari, ed è la materia prima utilizzata direttamente per l'estrusione di tubi in PVC. Per i tubi sotto pressione, la progettazione della formula e gli indicatori prestazionali delle miscele composte in PVC sono elementi cruciali, che influiscono direttamente sulle prestazioni del prodotto e sulla sua durata nel tempo. Per quanto riguarda l'influenza della resina PVC e dei vari additivi sulle prestazioni del prodotto, si rimanda a "Progettazione della Formula in PVC ed Elaborazione del Prodotto". Questo capitolo illustra principalmente gli indicatori prestazionali, i requisiti di classificazione e le esigenze di progettazione delle formule per le miscele composte.

2.1 Requisiti Prestazionali per le Miscele Composte

Tra i tubi in PVC per l'approvvigionamento idrico in Cina, i tubi PVC-UH specificano i requisiti di prestazione fisica e meccanica per miscele composte facendo riferimento allo standard americano per tubi in PVC AWWA C900, come mostrato nella Tabella 2. Attualmente non esistono disposizioni sugli indicatori di prestazione delle miscele composte per gli altri tipi di tubi in PVC per l'approvvigionamento idrico. Questi requisiti consentono un migliore controllo nella selezione delle materie prime e delle formulazioni dei tubi, nonché nel controllo qualità.

Tabella 2 Requisiti di Prestazione Fisica e Meccanica per le Miscele Composte in PVC Specificate per i Tubi PVC-UH per l'Approvvigionamento Idrico

requisiti di classificazione per le miscele composte

I tubi in PVC sotto pressione sono progettati per una durata di servizio di 50 anni. Le miscele composte dei tubi devono essere sottoposte a test di classificazione delle miscele conformemente all'ISO 9080 o alla GB/T 18252, ovvero prove di resistenza idrostatica a lungo termine delle miscele composte in forma di tubi, caratterizzate dalla resistenza di classificazione corrispondente a 20 °C e 50 anni, ossia la Resistenza Minima Richiesta (MRS). I requisiti di classificazione per le miscele composte dei tubi per acqua in PVC-U, PVC-UH, PVC-M e PVC-O sono indicati nella Tabella 3.

Tabella 3 Requisiti di classificazione per le miscele composte dei tubi in PVC per acqua

Nella norma ISO 1452-1:2009 vengono classificati i materiali. In base alla resistenza idrostatica minima richiesta per i materiali, l'MRS (resistenza minima richiesta) dei materiali in PVC per tubi è specificato come 25 MPa, ovvero il grado del materiale è PVC-U 250. La norma nazionale per tubi in PVC-U, GB/T 10002.1-2006, non specifica il grado di pressione delle miscele composte per tubi. I tubi di alimentazione idrica in PVC-UH prevedono un requisito di classificazione MRS ≥ 25 MPa per le miscele composte. L'MRS dei tubi in PVC-M è ≥ 24,5 MPa.

L'MRS dei tubi in PVC-O specificato nelle norme ISO è suddiviso in 5 tipi: 31,5, 35,5, 40, 45 e 50 MPa, corrispondenti rispettivamente ai codici di grado del materiale grezzo 315, 355, 400, 450 e 500. Tra questi, i gradi 400 e 450 sono generalmente prodotti in grandi quantità, mentre gli altri non sono comunemente utilizzati.

2.3 Requisiti per la selezione dei materiali chiave nelle miscele composte

La formula dei tubi in PVC per l'approvvigionamento idrico è composta principalmente da resina in PVC, stabilizzanti, lubrificanti interni ed esterni, cariche, coloranti, modificatori d'impatto, ausiliari di lavorazione, ecc., in una determinata proporzione. La selezione e la proporzione delle varie materie prime svolgono un ruolo fondamentale nelle prestazioni e nell'uso dei tubi.

La lavorazione dei tubi in PVC richiede elevate prestazioni di flusso della materia fusa del polimero. Nella produzione effettiva, si seleziona generalmente il PVC sospeso di tipo SG-5. I metodi di preparazione del PVC sono suddivisi in metodo etilenico e metodo a carburo di calcio. Il metodo etilenico estrae l'etilene dal petrolio, fa reagire il gas cloro con l'etilene attraverso una reazione di sostituzione per produrre il monomero di cloruro di vinile, che viene poi polimerizzato per generare resina in polivinilcloruro. Tra i produttori rappresentativi figurano Oxy Vinyl LP (Stati Uniti), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd., ecc. Il metodo a carburo di calcio è generalmente ampiamente utilizzato in Cina. Esso impiega il carburo di calcio (carburo di calcio) che, a contatto con l'acqua, genera acetilene; l'acetilene viene quindi sintetizzato con cloruro di idrogeno per produrre il monomero di cloruro di vinile, che successivamente genera la resina in polivinilcloruro attraverso una reazione di polimerizzazione.

Il PVC è uno dei polimeri più termosensibili nell'industria ed è soggetto a degradazione termica. Gli stabilizzanti termici sono additivi indispensabili nella lavorazione dei tubi in PVC. Nel processo produttivo dei tubi in PVC, gli stabilizzanti termici comunemente utilizzati al momento sono stabilizzanti a base di calcio-zinco e stabilizzanti organostannici. Gli stabilizzanti a base di calcio-zinco sono principalmente usati in Europa, gli stabilizzanti organostannici sono ampiamente impiegati negli Stati Uniti, mentre entrambi vengono utilizzati in Cina. Gli stabilizzanti a base di calcio-zinco sono generalmente stabilizzanti compositi con una quantità di aggiunta relativamente elevata; gli stabilizzanti organostannici hanno invece una bassa quantità di aggiunta e offrono un buon effetto stabilizzante nella produzione di tubi di diametro medio e grande. Se si richiede un'elevata resistenza agli agenti atmosferici per i tubi, può essere aggiunta anche una quantità appropriata di antiossidanti e stabilizzanti alla luce.

Nella lavorazione dei tubi in PVC, gli agenti lubrificanti interni ed esterni sono altresì indispensabili. I principali lubrificanti utilizzati comprendono l’acido stearico, la paraffina, la cera di polietilene e lo stearato di calcio, che esercita anche un effetto stabilizzante. La quantità del sistema lubrificante deve essere determinata in base ai requisiti dell’impianto e alla progettazione della formulazione del prodotto. L’obiettivo fondamentale è garantire che la miscela composta abbia un buon effetto di plastificazione, in modo che la temperatura di deformazione termica e le proprietà meccaniche dei tubi non siano significativamente compromesse.

Secondo il design del prodotto, ai tubi in PVC possono essere aggiunti anche riempitivi a base di carbonato di calcio. Le principali funzioni del carbonato di calcio sono quelle di migliorare la rigidità dei tubi, ridurre il tasso di ritiro e abbattere i costi. L'aggiunta di carbonato di calcio riduce la resistenza dei prodotti tubolari e ne aumenta la fragilità. Pertanto, la quantità di riempitivi in carbonato di calcio nella produzione di tubi in PVC deve essere opportunamente controllata. Il carbonato di calcio è generalmente suddiviso in carbonato di calcio pesante e carbonato di calcio leggero. La miscela composta con formula a base di carbonato di calcio pesante presenta una buona fluidità ed è adatta ai sistemi centralizzati di alimentazione e trasporto, in particolare ai sistemi di trasporto pneumatico; la miscela composta con formula a base di carbonato di calcio leggero ha una fluidità relativamente inferiore e una bassa densità, ma ha un impatto limitato sulla formulazione dei tubi per acqua potabile con quantità ridotte di aggiunta.

Il colore dei tubi in PVC è generalmente grigio o blu. I coloranti comunemente utilizzati includono principalmente biossido di titanio, nero di carbonio e blu ftalocianina. Generalmente, la quantità aggiunta di coloranti è ridotta e questi devono possedere un'elevata resistenza alla tinta e una buona resistenza agli agenti atmosferici.

Gli additivi modificatori d'impatto e gli ausiliari di lavorazione sono utili per migliorare la resistenza agli urti e le prestazioni di lavorazione dei tubi in PVC durante il processo produttivo.

2.4 Requisiti per la progettazione della formula delle miscele composte

Dai punti 2.1 Requisiti di prestazione per le miscele composte e 2.2 Requisiti di classificazione per le miscele composte si evince che i requisiti per le miscele composte dei quattro tipi di tubi sono diversi. Di conseguenza, esistono alcune differenze nella progettazione delle formule e nei costi dei quattro tipi di prodotti tubolari. Per i requisiti specifici di progettazione delle formule, fare riferimento alla Tabella 4. A causa di differenti progettazioni del prodotto, vi sono anche differenze negli indicatori di prestazione del prodotto, che verranno illustrate in dettaglio al punto 5 del presente documento.

Tabella 4 Requisiti di progettazione delle formule per quattro tipi di tubi in PVC per acqua potabile

N.3 Pressione interna ammissibile e resistenza alla pressione esterna

3.1 Pressione interna ammissibile delle tubazioni

Tensione di progetto per tubi sotto pressione:

σₛ = MRS / C (1)

Dove: σₛ — Tensione di progetto delle tubazioni sotto pressione, MPa; MRS — Resistenza minima richiesta delle tubazioni, MPa; C — Coefficiente globale di esercizio (di progetto)

Le tubazioni in PVC sono progettate per una vita utile prevista di 50 anni. Nel trasporto di acqua a 20 °C, i valori massimi ammissibili della tensione di progetto per diversi tipi di tubazioni in PVC per uso domestico sono riportati nella Tabella 5. La pressione nominale (pressione di progetto) e la pressione di esercizio per un funzionamento prolungato di 50 anni sono calcolate rispettivamente secondo la Formula (2) e la Formula (3).

Tabella 5 Valori Massimi Ammissibili della Tensione di Progetto per Diversi Tipi di Tubazioni in PVC per Uso Domestico

Nota: Esistono molte classi di materie prime per tubi in PVC-O, che possono essere progettati facendo riferimento agli standard dei prodotti in PVC-O; per i gradi 400 e 450 generalmente, il coefficiente di servizio globale C è 1,6.

Pressione nominale (pressione di progetto) dei tubi:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Dove: P — Pressione nominale (pressione di progetto) dei tubi, MPa; σₛ — Tensione di progetto per tubi sotto pressione, MPa; dₙ — Diametro esterno nominale, mm; eₙ — Spessore della parete nominale, mm

Secondo il CJJ 101-2016 "Codice tecnico per l'ingegneria delle condotte interrate in plastica per l'approvvigionamento idrico" 4.1.7, il valore caratteristico della pressione di progetto del tubo è pari a 1,5 volte il valore caratteristico della pressione di esercizio, cioè:

P = 1,5 × Pwk (3)

Dove: Pwk — Pressione di esercizio dei tubi, MPa

Si può osservare che il coefficiente di servizio (di progetto) globale dei tubi in PVC-UH è superiore rispetto a quello dei tubi in PVC-M e in PVC-O, ovvero garantisce una maggiore sicurezza durante l'uso prolungato.

3.2 Resistenza alla pressione esterna delle tubazioni

Secondo la definizione di rigidità anulare riportata al punto 2.4.2 della norma GB/T 19278-2018, la rigidità anulare ha una relazione cubica con lo spessore della parete del tubo. La formula semplificata per il calcolo della rigidità anulare (S) è:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Dove: S — Rigidità anulare, kN/m²; E — Modulo elastico del materiale della parete del tubo, specificato pari a 3000 MPa per i tubi in PVC nella normativa; dₙ — Diametro esterno nominale, mm; eₙ — Spessore nominale della parete, mm

Si può osservare che per tubi con lo stesso diametro esterno, maggiore è lo spessore della parete, maggiore è la rigidità anulare e migliore è la resistenza alla deformazione da pressione esterna. Il confronto della rigidità anulare dei quattro tipi di tubi è mostrato nella Tabella 6 (si prendono come esempio tubi con una pressione nominale di 1,0 MPa). Dalla Tabella 6 si evince che, dal punto di vista dei parametri di progetto, i tubi in PVC-M e PVC-O possono adottare spessori di parete più sottili per soddisfare i requisiti di pressione operativa, ma uno spessore troppo ridotto può compromettere la resistenza alla deformazione da pressione esterna.

Tabella 6 Confronto della Rigidità Anulare di Quattro Tipi di Tubi

Confrontando i tubi a parità di rigidità anulare, i tubi in PVC-M e PVC-O presentano classi di pressione nominale più elevate. A causa dei maggiori costi della formulazione del materiale e dei costi di lavorazione, il loro costo risulta superiore rispetto ai tubi in PVC-U e PVC-UH.

NO.4 Requisiti degli indicatori di prestazione

4.1 Tubi per adduzione acqua in PVC-U e PVC-UH

Esistono alcune differenze negli indicatori di prestazione dei tubi in PVC-U indicati nelle norme nazionali rispetto a quelli specificati nella norma ISO 1452-2. I requisiti di resistenza alla pressione sono ridotti, mentre i requisiti di resistenza agli urti sono migliorati, ovvero il requisito del test d’urto con caduta del peso (TIR) è ≤ 5%, il che impone requisiti più elevati per la tenacità del tubo rispetto al valore TIR ≤ 10% specificato nelle norme ISO. I tubi PVC-UH sono formulati prendendo come riferimento la norma ISO per tubi in PVC-U per acqua potabile e la norma americana per tubi in PVC per acqua potabile. I requisiti di prestazione fisico-meccanica dei tubi includono la prova di schiacciamento e le prestazioni idrostatiche su tubo intero, consentendo un monitoraggio della qualità del prodotto per ogni singolo tubo. Inoltre, i requisiti di resistenza agli urti sono superiori rispetto a quelli delle norme ISO, e il requisito del test d’urto con caduta del peso è aumentato al valore TIR ≤ 5% rispetto alle norme ISO. Il confronto degli indicatori di prestazione tra i tubi nazionali in PVC-U per acqua potabile e i tubi in PVC-UH per acqua potabile è riportato nella Tabella 7.

Tabella 7 Confronto degli indicatori di prestazione tra tubi in PVC-U e PVC-UH per l'approvvigionamento idrico

Secondo la curva standard a lungo termine di pressione idrostatica del PVC-U 250 riportata nella norma ISO 1452-1:2009 (come mostrato in Figura 1), si può osservare che durante la prova idrostatica a lungo termine di tubi conformi al requisito di classificazione della miscela composta con MRS ≥ 25 MPa, il requisito di resistenza alla pressione a breve termine può essere desunto dalla curva standard. Il requisito di tensione circonferenziale corrispondente a 20 °C e 1 h è di 42 MPa, mentre il requisito di tensione circonferenziale corrispondente a 60 °C e 1000 h è di 10 MPa. Dalla Tabella 7 risulta che i tubi PVC-UH soddisfano i requisiti di resistenza alla pressione della curva standard idrostatica a lungo termine del PVC-U 250, mentre i tubi PVC-U specificati nelle norme nazionali risultano inferiori ai requisiti della curva standard per quanto riguarda gli indicatori di resistenza alla pressione a breve termine (tensione circonferenziale di 38 MPa a 20 °C e 1 h) e non soddisfano neppure il requisito progettuale di MRS ≥ 25 MPa previsto dalle norme nazionali per i tubi PVC-U.

4.2 Tubi per acquedotto in PVC-M

La Tabella 8 mostra i requisiti prestazionali standard per tubi in PVC-M per il trasporto di acqua. Si può osservare che i prodotti in PVC-M prevedono specifiche relative all'impatto con peso cadente, alla prova idrostatica su tubo intagliato e alla tenacità dell'anello C. Per tubi con dn ≥ 110 mm è prevista una prova di impatto ad alta velocità a 23 °C e 20 m, che richiede elevate caratteristiche di resistenza agli urti e tenacità del prodotto. I tubi prodotti secondo la norma nazionale per il PVC-M presentano buona tenacità e resistenza agli urti.

Tabella 8 Requisiti Prestazionali per Tubi in PVC-M per Acquedotto (GB/T 32018.1-2015)

Oltre ad avere elevate richieste in termini di resistenza agli urti e tenacità, i prodotti tubi in PVC-M presentano anche requisiti riguardo alla resistenza alla pressione. Pertanto, il costo della formulazione dei tubi in PVC-M prodotti secondo norme è superiore rispetto a quello dei tubi convenzionali in PVC-U o PVC-UH, e la resa di produzione è relativamente più bassa; a causa della riduzione del loro coefficiente globale di servizio (di progetto), la loro pressione nominale è di un grado superiore rispetto a quella dei tubi convenzionali in PVC-U o PVC-UH. Di conseguenza, il costo al metro dei tubi con la stessa classe di pressione è sostanzialmente identico, oppure leggermente superiore per i tubi in PVC-M. Per le condotte interrate destinate a opere ingegneristiche, la resistenza alla pressione a lungo termine rappresenta l'indicatore principale del prodotto, mentre la resistenza agli urti e la tenacità devono semplicemente soddisfare i requisiti per un uso normale.

4.3 Tubi per adduzione acqua in PVC-O

La Tabella 9 mostra i requisiti di prestazione standard per le tubazioni in PVC-O per l'approvvigionamento idrico. Le tubazioni in PVC-O sono un tipo speciale di tubo in PVC a struttura molecolare a catena formata mediante allungamento assiale e radiale del tubo in PVC-U estruso, attraverso apparecchiature secondarie di formatura e un determinato processo, che permette alle lunghe catene molecolari del PVC nel tubo di disporsi regolarmente in direzione biaxiale. La difficoltà produttiva è elevata, così come i requisiti relativi a formula, attrezzature e processo. Attualmente, il diametro massimo producibile a livello nazionale e internazionale è soltanto di 630 mm, il rendimento produttivo è inferiore rispetto agli altri tre tipi di tubi e sia la formulazione produttiva sia il costo di lavorazione sono elevati.

Tabella 9 Requisiti di prestazione per tubazioni in PVC-O per acqua (CJ/T 445-2014)

Nota: La struttura ad incollaggio ad attacco piatto non deve essere utilizzata per tubi in PVC-O.