PVC-U、PVC-UH、PVC-M、およびPVC-Oの規格、設計、性能の比較 NO.1 製品規格の紹介

PVC-U、PVC-UH、PVC-M、およびPVC-Oの規格、設計、性能の比較

NO.1 製品規格の紹介

PVC-U、PVC-UH、PVC-M、およびPVC-O給水用パイプはすべて硬質塩化ビニルのシングルウォールパイプです。主に水温が45°Cを超えない地下埋設圧力給水システムの幹線および分岐管路に使用され、屋内や管廊でも使用可能です。現在の4種類のパイプに関する規格および仕様を表1に示します。

NO.2 混合化合物の技術要件

コンパウンド混合物とは、基本樹脂であるPVCと各種必要な添加剤を均一に混合したものであり、PVCパイプの押出成形に直接使用される原料です。圧力用パイプの場合、PVCコンパウンド混合物の配合設計および性能指標は極めて重要であり、製品の性能および長期的な耐用年数に直接影響します。PVC樹脂および各種添加剤が製品性能に与える影響については、「PVC配合設計および製品加工」を参照してください。本章では主に、コンパウンド混合物の性能指標、グレード要件、および配合設計要件について説明します。

2.1 コンパウンド混合物の性能要求

中国におけるPVC給水管の中で、PVC-UH管はアメリカのPVC給水管規格AWWA C900を参考にして、混合化合物の物理的および機械的性能要件を規定しています（表2参照）。現在、他の種類のPVC給水管については、混合化合物の性能指標に関する規定はありません。これらの要件により、管材の原材料や配合の選定、並びに品質管理がより適切に管理されるようになります。

表2 PVC-UH給水管に規定されるPVC混合化合物の物理・機械的性能要件

2.2 化合物混合物の等級要求事項

PVC圧力管は50年間の使用期間を想定して設計されています。管の化合物混合物は、ISO 9080またはGB/T 18252に従って、化合物混合物の等級評価試験（すなわち、管形状の化合物混合物による長期静水圧強度試験）を実施しなければなりません。この評価は、20°C、50年に対応する分類強度、すなわち最低必要な強度（MRS）によって特徴づけられます。PVC-U、PVC-UH、PVC-MおよびPVC-O給水管の化合物混合物の等級要求事項を表3に示します。

表3 PVC給水管用化合物混合物の等級要求事項

ISO 1452-1:2009では、材料の分類が規定されています。材料の最低必要静水圧強度に応じて、管路用PVC材料のMRSは25 MPaと規定されており、つまり材料等級はPVC-U 250です。PVC-U管の国家標準GB/T 10002.1-2006では、管用化合物混合物の圧力等級について規定していません。PVC-UH給水管では、化合物混合物に対してMRS ≥ 25 MPaの等級要求を規定しています。PVC-M管のMRSは≥ 24.5 MPaです。

ISO規格で規定されているPVC-O管のMRSは、31.5、35.5、40、45、50 MPaの5種類に分けられ、それぞれ原材料等級コード315、355、400、450、500に対応しています。このうち、等級400および450は一般的に大量生産されていますが、他の等級はあまり使用されていません。

2.3 化合物混合物における主要材料選定の要件

PVC給水管の配合は、主に所定の割合でPVC樹脂、安定剤、内外潤滑剤、充填剤、着色剤、衝撃改質剤、加工助剤などで構成されている。各種原材料の選定およびその割合は、管材の性能や使用において極めて重要な役割を果たす。

PVCパイプの加工は、PVC樹脂の溶融流動特性に対して高い要求があります。実際の生産では、一般的にSG-5型サスペンションPVC樹脂が選ばれます。PVCの製造方法はエチレン法と電石法に分けられます。エチレン法は石油からエチレンを抽出し、塩素ガスとエチレンを置換反応によって反応させて塩化ビニルモノマーを生成し、その後重合してポリ塩化ビニル樹脂を製造するものです。代表的なメーカーにはOxy Vinyl LP（米国）、中国石化齐鲁石油化工公司、天津LG大沽化学有限公司などがあります。電石法は一般的に中国で広く使用されており、電石（カーバイド）が水と反応してアセチレンを発生させ、アセチレンと塩化水素を合成して塩化ビニルモノマーを生成し、その後重合反応によってポリ塩化ビニル樹脂を製造します。

PVCは産業界で最も熱に敏感なポリマーの一つであり、熱的劣化を起こしやすい。そのため、PVCパイプの加工において熱安定剤は不可欠な添加剤である。現在のPVCパイプの製造工程では、主にカルシウム-亜鉛系安定剤と有機スズ系安定剤が使用されている。カルシウム-亜鉛系安定剤は主にヨーロッパで使用されており、有機スズ系安定剤は米国で広く用いられているのに対し、中国では両方が使用されている。カルシウム-亜鉛系安定剤は一般に複合型の安定剤であり、添加量は比較的多い。一方、有機スズ系安定剤は通常添加量が少なく、中・大口径パイプの製造において優れた安定化効果を示す。パイプに高い耐候性が要求される場合は、適切な量の抗酸化剤および光安定剤を併用することもできる。

PVCパイプの加工において、内部および外部潤滑剤もまた不可欠である。主に使用される潤滑剤には、ステアリン酸、パラフィン、ポリエチレンワックス、および安定化効果を持つステアリン酸カルシウムが含まれる。潤滑系の配合量は、装置および製品の処方設計の要件に応じて決定されなければならない。重要なのは、混合物が良好な可塑化効果を示し、パイプの熱変形温度および機械的特性に著しい影響を与えないようにすることである。

製品設計により、PVCパイプには炭酸カルシウム充填材が添加されることもある。炭酸カルシウムの主な機能は、パイプの剛性を向上させ、収縮率を低下させ、コストを削減することである。しかし、炭酸カルシウムを添加すると、パイプ製品の強度が低下し、脆性が増す。したがって、PVCパイプの製造における炭酸カルシウム充填材の使用量は適切に管理されるべきである。炭酸カルシウムは一般的に、重質炭酸カルシウムと軽質炭酸カルシウムに分けられる。重質炭酸カルシウムを用いた複合混合物は流動性に優れ、集中給料および搬送システム、特に空気圧搬送システムに適している。一方、軽質炭酸カルシウムを用いた複合混合物は流動性が比較的悪く密度も低いが、添加量が少ない給水用パイプの配合においてはほとんど影響がない。

PVCパイプの色は一般的に灰色または青色です。一般的に使用される顔料には、二酸化チタン、カーボンブラック、フタルシアニンブルーが主に含まれます。通常、顔料の添加量は少なく、良好な着色力と耐候性を備えている必要があります。

衝撃改質剤および加工助剤は、PVCパイプの加工時の耐衝撃性および加工性能の向上に役立ちます。

2.4 混合化合物の配合設計に関する要件

2.1 複合混合物の性能要求および2.2 複合混合物のグレード要求から、4種類のパイプにおける複合混合物の要求が異なることがわかる。したがって、4種類のパイプ製品においては、配合設計およびコストに一定の差異が生じる。具体的な配合設計の要件については、表4を参照されたい。製品設計が異なることから、製品の性能指標にも差異があり、これについては本論文の第5項で詳細に述べる。

表4 4種類のPVC給水管の配合設計要件

NO.3 許容内圧および外圧耐力

3.1 圧力管の許容内圧

圧力管の設計応力：

σₛ = MRS ／ C （1）

ここで：σₛ — 圧力管の設計応力、MPa；MRS — 管の最小必要強度、MPa；C — 総合使用（設計）係数

PVC管は50年間の使用期間を想定して設計されています。20°Cの水を輸送する場合、各種国内用PVC給水管における設計応力の最大許容値を表5に示します。公称圧力（設計圧力）および50年間の長期運転における作動圧力はそれぞれ式(2)および式(3)に従って算出されます。

表5 各種国内用PVC圧力管における設計応力の最大許容値

注：PVC-O管には多くの原料等級があり、PVC-O製品規格を参考にして設計可能である。一般的に等級400および450の場合、総合使用係数Cは1.6である。

管の公称圧力（設計圧力）：

P = σₛ × eₙ ／ dₙ （2）

ただし、P — 管の公称圧力（設計圧力）、MPa、σₛ — 圧力管の設計応力、MPa、dₙ — 公称外径、mm、eₙ — 公称壁厚、mm

CJJ 101-2016「埋設プラスチック給水管工事技術規程」4.1.7によれば、管の設計圧力の標準値は作動圧力の標準値の1.5倍に等しい。すなわち：

P = 1.5 × Pwk （3）

ただし、Pwk — 管の作動圧力、MPa

以上から、PVC-UH管の総合使用（設計）係数はPVC-M管およびPVC-O管よりも高く、つまり長期使用時の安全性がより高いことを示している。

3.2 配管の外部圧力耐性

GB/T 19278-2018の2.4.2におけるリング剛性の定義によれば、リング剛性は管壁厚さと立方関係にある。リング剛性（S）の簡易計算式は次のとおりである：

S = 0.0186 × E × (eₙ / dₙ)³ （4）

ただし、S — リング剛性、kN/m²、E — 管壁材料の弾性係数。PVC管の場合、仕様では3000 MPaと規定されている、dₙ — 公称外径、mm、eₙ — 公称壁厚、mm

同じ外径のパイプの場合、壁厚が大きいほどリング剛性が大きくなり、外部圧力による変形に対する耐性が強くなることがわかる。4種類のパイプのリング剛性の比較を表6に示す（公称圧力1.0 MPaのパイプを例としている）。表6からわかるように、設計パラメータの観点から見ると、PVC-MおよびPVC-Oパイプはサービス圧力要件を満たすためにより薄い壁厚を選択できるが、壁厚が極端に薄すぎると外部圧力に対する変形耐性が低下する。

表6 4種類のパイプのリング剛性の比較

同じリング剛性で比較した場合、PVC-MおよびPVC-Oパイプはより高い公称圧力等級を持つ。しかし、材料配合コストおよび加工コストが高いため、それらのパイプコストもPVC-UおよびPVC-UHパイプよりも高くなる。

NO.4 パフォーマンス指標の要件

4.1 PVC-UおよびPVC-UH給水用パイプ

国家基準で規定されているPVC-U管の性能指標とISO 1452-2基準で規定されているものには、いくつかの相違点がある。耐圧性能の要求が緩和されている一方で、耐衝撃性の要求は強化されており、具体的には落下重錘衝撃試験（TIR）の要求値を≤5%としており、これはISO基準のTIR ≤10%と比較して管材の靭性に対してより高い要求を示している。PVC-UH管は、ISOのPVC-U給水管基準およびアメリカのPVC給水管基準を参考にして配合されている。管材の物理的・機械的性能要件には、圧潰試験および全管水圧性能試験が含まれ、各々の管ごとの製品品質モニタリングを実現している。さらに、耐衝撃性の要求はISO基準よりも高く、落下重錘衝撃試験の要求値はISO基準と比較してTIR ≤5%に引き上げられている。国内のPVC-U給水管とPVC-UH給水管の性能指標の比較を表7に示す。

表7 PVC-UおよびPVC-UH給水管の性能指標の比較

ISO 1452-1:2009に示されているPVC-U 250の長期静水圧基準曲線（図1参照）によると、MRS ≥ 25 MPaの混合物グレード要件を満たす管材の長期静水圧試験において、短期間の耐圧要件もこの基準曲線から確認できる。20°C、1時間に対応する円周応力の要件は42 MPaであり、60°C、1000時間に対応する円周応力の要件は10 MPaである。表7からわかるように、PVC-UH管はPVC-U 250の長期静水圧基準曲線の耐圧要件を満たしているが、国家規格で規定されているPVC-U管は、短期間の耐圧指標（20°C、1時間、円周応力38 MPa）において基準曲線の要件を下回っており、また国家規格で規定されているPVC-U管のMRS ≥ 25 MPaという設計要件も満たしていない。

4.2 PVC-M給水管

表8は、PVC-M給水用パイプの標準性能要件を示しています。PVC-M製品には、落下重錘衝撃試験、ノッチ付きパイプ耐圧試験、およびCリング靭性に関する規定があることがわかります。dn ≥ 110 mmのパイプについては、23°Cおよび20mでの高速衝撃試験が規定されており、これは製品の衝撃抵抗性と靭性に対して高い要求を課しています。PVC-Mに関する国家標準に準拠して製造されたパイプ製品は、優れた靭性と衝撃抵抗性を備えています。

表8 PVC-M給水用パイプの性能要件（GB/T 32018.1-2015）

耐衝撃性および靭性に対する高い要求に加えて、PVC-M管材製品には耐圧性についても要求があります。そのため、規格に基づいて製造されるPVC-M管材製品の配合コストは、従来のPVC-UまたはPVC-UH管材よりも高くなり、加工時の生産効率も比較的低くなります。また、その全体的な使用（設計）係数が低減されているため、公称圧力は従来のPVC-UまたはPVC-UH管材より一つ上の等級となります。したがって、同じ圧力等級の管材における1メートルあたりのコストは基本的に同程度か、PVC-M管材の方がやや高くなります。埋設用の工事用パイプラインにおいては、長期的な耐圧性が製品の主な指標であり、耐衝撃性および靭性については通常使用条件を満たしていれば問題ありません。

4.3 PVC-O給水用パイプ

表9は、PVC-O給水用パイプの標準性能要件を示しています。PVC-Oパイプは、押出成形されたPVC-Uパイプを二次成形装置および特定の工程により軸方向および径方向に引き伸ばし、パイプ内のPVC長鎖分子を二軸方向に規則正しく配列させることで形成される特殊な分子鎖構造を持つPVCパイプです。製造難易度が高く、配合、設備、工程に対する要求も非常に高くなっています。現在、国内外で生産可能な最大直径は630mmに限られており、他の3種類のパイプと比較して生産歩留まりが低く、また生産配合および加工コストも高いのが現状です。

表9 PVC-O給水用パイプの性能要件（CJ／T 445-2014）

注意：PVC-O管には接着接合された平形口構造を使用してはなりません。