השוואה בין הסטנדרטים, התכן והביצועים של צינורות אספקת מים מסוג PVC-U, PVC-UH, PVC-M ו-PVC-O – חלק 1: מבוא לסטנדרטים של המוצרים

השוואה בין תקנים, תכנון וביצוע של צינורות PVC-U, PVC-UH, PVC-M ו-PVC-O

מס' 1 מבוא לתכונות התוצרים

צינורות אספקת המים PVC-U, PVC-UH, PVC-M ו-PVC-O הם צינורות קשיחים בעלי דופן מלא מפולימר כלוריד הפוליויניל (PVC). הם מיועדים בעיקר לקווי האספקה הראשיים והמשניים של מערכות העברת מים תחת קרקע תחת לחץ, כאשר טמפרטורת המים אינה עולה על 45° צלזיוס, וכן ניתנים לשימוש במבנים פנימיים או באבניות צינורות. התקנים והمواصفות הנוכחיים לארבעת סוגי הצינורות מוצגים בטבלה 1.

דרישות טכניות מס' 2 לתערובות חומר

תערובת חומר מתייחסת לתערובת אחידה של רזין PVC בסיסי ותוספים שונים הנחוצים, אשר מהווה את החומר הגלמי המשמש ישירות ביצירת צינורות PVC בשיטת האקסטרוזיה. עבור צינורות תחת לחץ, תכנון הנוסחה ומדדי הביצוע של תערובות חומר PVC הם קריטיים, ויש להם השפעה ישירה על ביצועי המוצר והתקופה הארוכה של שירותו. לעניין ההשפעה של רזין PVC והתוספים השונים על ביצועי המוצר, עיינו במסמך "תכנון נוסחת PVC ועיבוד המוצר". פרק זה מציג בעיקר את מדדי הביצוע, דרישות המיון והדרישות לתכנון הנוסחה של תערובות החומר.

2.1 דרישות ביצוע לתערובות חומר

בין צינורות אספקת מים מסוג PVC בסין, צינורות PVC-UH מגדירים את דרישות הביצועים הפיזיקליים והמכניים לתערובות החומר, תוך התייחסות стандארט האמריקאי לצינורות אספקת מים מסוג PVC AWWA C900, כמוצג בטבלה 2. כרגע, אין הוראות בנוגע למדדים של ביצועי התערובות עבור סוגי צינורות אספקת המים האחרים מסוג PVC. דרישות אלו מסייעות בבקרה טובה יותר על בחירת חומרי הגלם לצינורות ועל הנוסחאות, וכן על בקרת האיכות.

טבלה 2: דרישות הביצועים הפיזיקליים והמכניים לתערובות PVC שנקבעו עבור צינורות אספקת מים מסוג PVC-UH

2.2 דרישות דירוג לערבובים של חומרים

צינורות לחץ מ-PVC מעוצבים לתקופת שירות של 50 שנה. על ערבובים של חומרים בצינורות לעבור בדיקות דירוג ערבובים בהתאם ל-ISO 9080 או ל-GB/T 18252, כלומר בדיקות חוזק הידרוסטטי ארוך טווח של ערבובים של חומרים בצורת צינורות, המאופיינים בחוזק סיווג המתאים ל-20 °C ול-50 שנה, כלומר החוזק המינימלי הנדרש (MRS). דרישות הדירוג לערבובים של חומרים לצינורות אספקת מים מסוג PVC-U, PVC-UH, PVC-M ו-PVC-O מופיעות בטבלה 3.

טבלה 3: דרישות דירוג לערבובים של חומרים לצינורות אספקת מים מ-PVC

בתקן ISO 1452-1:2009, החומרים מסווגים. בהתאם לכוח החוזק ההידרוסטטי המינימלי הנדרש של החומרים, ה-MRS (החוזק ההידרוסטטי המינימלי הנדרש) של חומרי PVC לצינורות מוגדר כ-25 MPa, כלומר דרגת החומר היא PVC-U 250. התקן הלאומי לצינורות PVC-U, GB/T 10002.1-2006, אינו מציין את דרגת הלחץ של תערובות החומר לצינורות. צינורות אספקת מים מסוג PVC-UH מגדירים דרישה לסיווג של תערובות החומר עם MRS ≥ 25 MPa. ה-MRS של צינורות PVC-M הוא ≥ 24.5 MPa.

ה-MRS של צינורות PVC-O כפי שמוגדר בתקנים של הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO) מחולק לחמישה סוגים: 31.5, 35.5, 40, 45 ו-50 MPa, אשר מתאימים לקודים של דרגות החומר הראשוני: 315, 355, 400, 450 ו-500 בהתאמה. מבין אלה, הדרגות 400 ו-450 מיוצרות בדרך כלל בכמויות גדולות, בעוד ששאר הדרגות אינן בשימוש נפוץ.

2.3 דרישות לבחירת החומרים העיקריים בתערובות החומר

הנוסחה של צינורות אספקת מים מ-PVC מורכבת בעיקר מרזין PVC, יציבים, שמנונים פנימיים וחיצוניים, ממלאים, צבענים, חומרים משפרי הפגיעה, עוזרי עיבוד וכו', ביחס מסוים. הבחירה והיחס של החומרים הגלמים השונים משחקות תפקיד קריטי בביצועים ובשימוש בצינורות.

לעיבוד צינורות PVC יש דרישות גבוהות לביצוע זרימת המסה של רזין PVC. בייצור מעשי, נבחר בדרך כלל רזין PVC מסוג SG-5 שמשתנה בסוספנסיה. שיטות ההכנה של PVC מחולקות לשיטת האתילן ולשיטת קרביד הסידן. בשיטת האתילן, מחלצים את האתילן מהנפט, ומאפשרים לגז הכלור להגיב עם האתילן דרך תהליך חליפה כדי לייצר מונומר כלוריד ויניל, אשר לאחר מכן מתבלג ליצירת רזין פוליויניל כלוריד. יצרנים נציגים כוללים את Oxy Vinyl LP (ארצות הברית), חברת Sinopec Qilu Petrochemical, חברת Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd., וכדומה. שיטת קרביד הסידן משמשת באופן נרחב ב الصين. היא משתמשת בקרبيد סידן (קרביד סידן) שיוצר אצטילן בעת מגע עם מים, מסנthesis את האצטילן עם כלוריד מימן כדי לייצר מונומר כלוריד ויניל, ולאחר מכן מייצרת רזין פוליויניל כלוריד באמצעות תגובה של בליגה.

PVC הוא אחד הפולימרים התרמוסניטיביים ביותר בתעשייה ונדיר לפגוע בפירוק תרמי. מתייצבים תרמיים הם תוספים חובה בעיבוד צינורות PVC. בתהליך הייצור של צינורות PVC, המתייצבים התרמיים הנפוצים כיום הם מתייצבים של סידן-א연 ומתייצבים אורגנו-בדיל. מתייצבים של סידן-א연 משמשים בעיקר באירופה, מתייצבים אורגנו-בדיל נפוצים מאוד בארצות הברית, ושניהם בשימוש בסין. מתייצבים של סידן-א연 הם בדרך כלל מתייצבים מרובים עם כמות הוספה יחסית גבוהה; מתייצבים אורגנו-בדיל בדרך כלל דורשים כמות הוספה נמוכה ומשפיעים טוב על יציבות התהליך בייצור צינורות קוטר בינוני וגדול. אם נדרשת עמידות גבוהה בפני מזג האוויר עבור הצינורות, ניתן להוסיף גם כמות מתאימה של נוגדי חמצון ומתייצבים נגד אור.

בעיבוד צינורות PVC, שמן פנימי וחיצוני גם כן אינם נזקקים. השמנים העיקריים המשמשים כוללים חומצה סטארית, פרפין, שעווה של פוליאתילן וסטראט קальציום אשר יש לו גם אפקט יציבות. כמות השמן במערכת השמנים תקבע בהתאם לדרישות הציוד ולעיצוב הנוסחה של המוצר. המפתח הוא להבטיח שהתערובת המורכבת תביא לאפקט פלסטיות טוב, כך שטמפרטורת עיוות החום והתכונות המכאניות של הצינורות לא ייפגעו באופן משמעותי.

לפי תכנון המוצר, ניתן להוסיף גם ממלאים של סידן קרבונט לצלחות PVC. הפונקציות העיקריות של סידן קרבונט הן שיפור הקשיחות של הצלחות, הפחתת שיעור התכווצות והפחתת עלויות. הוספת סידן קרבונט תפחית את חוזקם של מוצרים צלתיים ותגביר את השבריריות שלהם. לפיכך, יש לשלוט באופן מדויק בכמות ממלאי סידן קרבונט בתהליך ייצור צלחות PVC. סידן קרבונט מופרד בדרך כלל לסידן קרבונט כבד ולסידן קרבונט קל. התערובת המורכבת מסידן קרבונט כבד מציגה נזילות טובה, ולכן היא מתאימה למערכות הזנה ותעבורה מרוכזות, ובמיוחד למערכות תעבורה פנאומטית; התערובת המורכבת מסידן קרבונט קל מציגה נזילות יחסית נמוכה וצפיפות נמוכה, אך יש לה השפעה מינימלית על נוסחת צלחת אספקת המים כאשר כמות ההוספה קטנה.

הצבע של צינורות PVC הוא בדרך כלל אפור או כחול. צבענים נפוצים המשמשים בעיקר כוללים דו-תחמוצת הטיטניום, פחמן שחור וכתם פטלוציינין כחול. באופן כללי, כמות הוספת הצבענים קטנה, ויש להם עוצמת צביעה טובה ועמידות למטאורולוגיה.

מודיפיקטורים להשפעה ועזרי עיבוד תורמים לשיפור עמידות ההשפעה וביצועי העיבוד של צינורות PVC במהלך התהליך.

2.4 דרישות לעיצוב הנוסחה של תערובות מעורבות

ניתן לראות מ-2.1 דרישות הביצועים לתערובות המורכבות ומ-2.2 דרישות הדרוג לתערובות המורכבות כי הדרישות לתערובות המורכבות של ארבעת סוגי הצינורות שונים. לפיכך, קיימים הבדלים מסוימים בעיצוב הנוסחה והעלות של ארבעת סוגי הצינורות. לדרישות העיצוב הספציפיות של הנוסחה, יש להתייחס לטבלה 4. בשל העיצובים השונים של המוצרים, קיימים גם הבדלים במצביעי הביצוע של המוצרים, אשר יפורטו בפירוט בסעיף 5 של מאמר זה.

טבלה 4: דרישות עיצוב הנוסחה לארבעת סוגי צינורות אספקת המים מ-PVC

מספר 3: לחץ פנימי ולחץ חיצוני מותרים

3.1: הלחץ הפנימי המותר בצינורות

המתח העיצובי של צינורות תחת לחץ:

σₛ = MRS / C (1)

היכן: σₛ — מתח העיצוב של צינורות הלחיצה, MPa; MRS — החוזק המינימלי הנדרש של הצינורות, MPa; C — מקדם השירות הכללי (מקדם העיצוב)

צינורות PVC מעוצבים לתקופת שירות צפויה של 50 שנה. בעת שילוח מים בטמפרטורה של 20 °C, הערכים המרביים המותרים של מתח העיצוב לצינורות בידוד מים פנימיים מסוג PVC מוצגים בטבלה 5. הלחץ הנקוב (לחץ העיצוב) והלחץ ההפעלה עבור פעילות ארוכת טווח של 50 שנה מחושבים לפי נוסחה (2) ונוסחה (3), בהתאמה.

טבלה 5: הערכים המרביים המותרים של מתח העיצוב לצינורות לחץ פנימיים מסוג PVC

הערה: קיימות דרגות רבות של חומרי גלם לצלחות PVC-O, שניתן לעצב על פי תקני המוצרים של PVC-O; לדרגות 400 ו-450 באופן כללי, מקדם השירות הכולל C הוא 1.6.

הלחץ הנומינלי (לחץ העיצוב) של הצלחות:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

כאשר: P — הלחץ הנומינלי (לחץ העיצוב) של הצלחות, MPa σₛ — מתח העיצוב של צלחות לחץ, MPa dₙ — הקוטר החיצוני הנומינלי, מ"מ eₙ — עובי הקיר הנומינלי, מ"מ

לפי CJJ 101-2016 "תקנה טכנית להנדסת צינורות אספקת מים פלסטיים לקבורה", סעיף 4.1.7, הערך התקני של לחץ העיצוב של הצלחת שווה ל-1.5 פעמים הערך התקני של לחץ העבודה, כלומר:

P = 1.5 × Pwk (3)

כאשר: Pwk — לחץ העבודה של הצלחות, MPa

ניתן לראות כי מקדם השירות הכולל (מקדם העיצוב) של צלחות PVC-UH גבוה יותר מזה של צלחות PVC-M וצלחות PVC-O, כלומר יש לו אחריות בטיחות גבוהה יותר בשימוש לאורך זמן.

3.2 התנגדות לחץ חיצוני של צינורות

לפי ההגדרה של קשיחות החוג ב-2.4.2 של GB/T 19278-2018, לקשיחות החוג יש קשר מעוקב עם עובי דופן הצינור. הנוסחה המפושטת לחישוב קשיחות החוג (S) היא:

S = 0.0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

כאשר: S — קשיחות החוג, kN/m² E — מודולוס האלסטיות של חומר דופן הצינור, אשר מוגדר כ-3000 MPa לצינורות PVC בתווח הטכני dₙ — הקוטר החיצוני הנקבע, מ"מ eₙ — עובי הדופן הנקבע, מ"מ

ניתן לראות שבעבור צינורות בעלי קוטר חיצוני זהה, ככל שהעובי של הדופן גדול יותר, כך גם הקשיחות האנגלית גדולה יותר וההתנגדות לעיוות תחת לחץ חיצוני חזקה יותר. השוואה של הקשיחות האנגלית של ארבעת סוגי הצינורות מוצגת בטבלה 6 (כדוגמה, נלקחים צינורות עם לחץ נומינלי של 1.0 MPa). ניתן לראות מהטבלה 6 שככל שנבחן את הפרמטרים העיצוביים, ניתן לבחור בעובי דופן דק יותר עבור צינורות PVC-M ו-PVC-O כדי לספק את דרישות הלחץ בשימוש, אך עובי דופן דק מדי יגרום גם לכך שהתנגדות לעיוות תחת לחץ חיצוני תהיה לקויה.

טבלה 6: השוואה של הקשיחות האנגלית בארבעת סוגי הצינורות

כאשר משווים את הצינורות על פי אותה קשיחות אנגלית, לצינורות PVC-M ו-PVC-O יש דרגות לחץ נומינלי גבוהות יותר. בשל עלות נוסחת החומר הגבוהה יותר ועלות התהליך הגבוהה יותר, עלות הצינורות שלהם גבוהה גם היא לעומת עלות הצינורות PVC-U ו-PVC-UH.

דרישות מדד הביצועים מס' 4

4.1 צינורות אספקת מים מסוג PVC-U ו-PVC-UH

קיימים הבדלים מסוימים במאפייני הביצועים של צינורות PVC-U שנקבעו בתוספת לאומית ובת стандארטים של ארגון התקינה הבינלאומי (ISO) 1452-2. דרישות התנגדות ללחץ הופחתו, ואילו דרישות התנגדות למכות שופרו, כלומר דרישה לבדיקת מכת משקל נופל (TIR) היא ≤ 5%, מה שמציב דרישות גבוהות יותר לעמידות הצינור לעומת הדרישה של TIR ≤ 10% שנקבעה בתקנים של ISO. צינורות PVC-UH מתוכננים בהתייחסות לתקן ה-ISO לצינורות אספקת מים מסוג PVC-U ולתקן האמריקאי לצינורות אספקת מים מסוג PVC. דרישות הביצוע הפיזי והמכני של הצינורות כוללות את בדיקת הדחיסה (Flattening Test) ואת בדיקת ההתנגדות ההידרוסטטית המלאה של הצינור, ובכך מאפשרות מעקב אחר איכות המוצר עבור כל צינור בנפרד. בנוסף, דרישות ההתנגדות למכות הן גבוהות יותר מאשר בתקנים של ISO, ודרישת בדיקת מכת המשקל הנופל הוגברה ל-TIR ≤ 5% בהשוואה לתקנים של ISO. השוואת מאפייני הביצועים בין צינורות אספקת המים המקומיים מסוג PVC-U לצינורות אספקת המים מסוג PVC-UH מוצגת בטבלה 7.

טבלה 7: השוואה של מדדי הביצועים בין צינורות אספקת מים מסוג PVC-U ו-PVC-UH

לפי עקומת התקן ההידרוסטטית לטווח הארוך של PVC-U 250 המוצגת ב-ISO 1452-1:2009 (כמתואר באיור 1), ניתן לראות כי במהלך הבדיקה ההידרוסטטית לטווח הארוך של צינורות המקיימים את דרישה דרגת התערובת של MRS ≥ 25 MPa, ניתן גם לזהות את דרישה התנגדות הלחץ לטווח הקצר מהעקומה הסטנדרטית. דרישה מתח החגורות המתאימה ל-20 °C ולשעה אחת היא 42 MPa, ודרישה מתח החגורות המתאימה ל-60 °C ול-1000 שעות היא 10 MPa. ניתן לראות מטבלה 7 כי צינורות PVC-UH עומדים בדרישות התנגדות הלחץ של עקומת התקן ההידרוסטטית לטווח הארוך של PVC-U 250, בעוד שצינורות PVC-U שנקבעו בתקנים הלאומיים נמוכים יותר מדרישות העקומה הסטנדרטית מבחינת מדדי התנגדות הלחץ לטווח הקצר (20 °C, שעה אחת, מתח חגורות של 38 MPa), וכן אינם עומדים בדרישה העיצובית של MRS ≥ 25 MPa לצינורות PVC-U שנקבעה בתקנים הלאומיים.

4.2 צינורות אספקת מים מסוג PVC-M

טבלה 8 מציגה את דרישות הביצוע התקניות לצינורות אספקת מים מסוג PVC-M. ניתן לראות כי למוצרים מסוג PVC-M קיימות הוראות בנוגע לניסוי השפעת משקל נופל, לניסוי הידרוסטטי של צינור חתוך, ולעמידות של טבעת C. עבור צינורות עם קוטר חיצוני (dn) ≥ 110 מ"מ, מוגדר ניסוי השפעה מהיר בגובה 20 מטר בטמפרטורה של 23° צלזיוס, אשר דורש עמידות גבוהה מאוד במוצר בפני השפעה ובעמידות מכנית. צינורות המיוצרים בהתאם стандארט הלאומי ל-PVC-M מאפיינים עמידות מכנית טובה ועמידות גבוהה בפני השפעה.

טבלה 8: דרישות ביצוע לצינורות אספקת מים מסוג PVC-M (GB/T 32018.1-2015)

בנוסף לדרישות גבוהות להתנגדות להלם ולעמידות, למוצרי צינורות PVC-M יש גם דרישות להתנגדות ללחץ. לכן, עלות הנוסחה של מוצרי צינורות PVC-M המיוצרים לפי תקנים גבוהה יותר מאלה של צינורות PVC-U או PVC-UH קונבנציונליים, ותפוקת העיבוד שלהם נמוכה יחסית; בשל הפחתת מקדם השירות (העיצוב) הכולל שלהם, הלחץ הנקוב שלהם גבוה בדרגה אחת מזה של צינורות PVC-U או PVC-UH קונבנציונליים. לפיכך, עלות המטר الواحد של צינורות בעלי אותה דרגת לחץ היא בסיסית זהה, או שצינורות PVC-M יקרים במעט. עבור צינורות הנדסיים לקבורה, ההתנגדות ללחץ לאורך זמן היא המדד העיקרי של המוצר, בעוד שההתנגדות להלם והעמידות צריכות רק לקיים את הדרישות לשימוש רגיל.

4.3 צינורות אספקת מים מסוג PVC-O

טבלה 9 מציגה את דרישות הביצועים הסטנדרטיות לצלבים מ-PVC-O לאספקת מים. צלבים מסוג PVC-O הם צלבים מיוחדים של PVC עם מבנה שרשרת מולקולרית ייחודי, אשר נוצרים על ידי מתיחה אקסיאלית ורדיאלית של צלבים מ-PVC-U שנטו במערכת ייצור משנית ובתהליך מסוים, כדי לסדר את המולקולות האורכות של ה-PVC בצלב באופן סדיר בכיוון דו-ממדי. קושי הייצור הוא גבוה, ודרישות הנוסחה, הציוד והתהליך הן מאוד גבוהות. כרגע, הקוטר המקסימלי שניתן לייצר בארץ ובחוץ הוא 630 מ"מ בלבד, שיעור הפקה הוא נמוך יותר מאשר בשלושת סוגי הצלבים האחרים, והנוסחה לייצור והעלויות לעיבוד הן גבוהות.

טבלה 9: דרישות ביצועים לצלבים מ-PVC-O לאספקת מים (CJ/T 445-2014)

הערה: מבנה פה שטוח המודבק לא ישמש לצינורות PVC-O.