Perbandingan Piawaian, Reka Bentuk, dan Prestasi PVC-U, PVC-UH, PVC-M, dan PVC-O NO.1 Pengenalan kepada Piawaian Produk

Perbandingan Piawaian, Reka Bentuk, dan Prestasi PVC-U, PVC-UH, PVC-M, dan PVC-O

NO.1 Pengenalan kepada Piawaian Produk

Tiub paip bekalan air PVC-U, PVC-UH, PVC-M, dan PVC-O adalah semua tiub dinding padat polivinil klorida tegar. Mereka terutamanya digunakan untuk paip utama dan cabang dalam sistem penghantaran air bertekanan yang ditanam di bawah tanah di mana suhu air tidak melebihi 45 °C, dan juga boleh digunakan di dalam bangunan atau dalam lorong paip. Piawaian dan spesifikasi semasa bagi empat jenis paip ini ditunjukkan dalam Jadual 1.

NO.2 Keperluan Teknikal untuk Campuran Majmuk

Campuran sebatian merujuk kepada campuran seragam resin asas PVC dan pelbagai bahan tambah yang diperlukan, yang merupakan bahan mentah yang digunakan secara langsung untuk pengeluaran paip PVC secara penyemperitan. Bagi paip tekanan, rekabentuk formula dan penunjuk prestasi campuran sebatian PVC adalah penting, yang secara langsung mempengaruhi prestasi produk dan jangka hayat perkhidmatan jangka panjang. Bagi pengaruh resin PVC dan pelbagai bahan tambah terhadap prestasi produk, rujuk "Rekabentuk Formula PVC dan Pemprosesan Produk". Bab ini terutamanya membincangkan penunjuk prestasi, keperluan gred, dan keperluan rekabentuk formula bagi campuran sebatian.

2.1 Keperluan Prestasi bagi Campuran Sebatian

Di antara paip bekalan air PVC di China, paip PVC-UH menentukan keperluan prestasi fizikal dan mekanikal untuk campuran sebatian dengan merujuk kepada piawaian paip bekalan air PVC Amerika Syarikat AWWA C900, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2. Pada masa ini, tiada peruntukan mengenai penunjuk prestasi campuran sebatian bagi jenis-jenis paip PVC lain. Keperluan-keperluan ini mengawal pemilihan bahan mentah dan formula paip serta kawalan kualiti dengan lebih baik.

Jadual 2 Keperluan Prestasi Fizikal dan Mekanikal untuk Campuran Sebatian PVC yang Ditetapkan bagi Paip Bekalan Air PVC-UH

keperluan Gred Campuran

Paip tekanan PVC direka untuk jangka hayat perkhidmatan 50 tahun. Campuran sebatian paip tersebut mesti menjalani ujian penggredan campuran sebatian mengikut ISO 9080 atau GB/T 18252, iaitu ujian kekuatan hidrostatik jangka panjang campuran sebatian dalam bentuk paip, yang dicirikan oleh kekuatan pengelasan yang sepadan dengan 20 °C dan 50 tahun, iaitu Kekuatan Minimum Diperlukan (MRS). Keperluan gred untuk campuran sebatian paip bekalan air PVC-U, PVC-UH, PVC-M, dan PVC-O ditunjukkan dalam Jadual 3.

Jadual 3 Keperluan Gred Campuran Sebatian Paip Bekalan Air PVC

Dalam ISO 1452-1:2009, bahan dikelaskan. Berdasarkan kekuatan hidrostatik minimum yang diperlukan bagi bahan, MRS bagi bahan paip PVC ditentukan sebagai 25 MPa, iaitu gred bahan adalah PVC-U 250. Piawaian kebangsaan untuk paip PVC-U, GB/T 10002.1-2006, tidak menentukan gred tekanan bagi campuran sebatian untuk paip. Paip bekalan air PVC-UH menentukan keperluan penggredan MRS ≥ 25 MPa bagi campuran sebatian tersebut. MRS bagi paip PVC-M adalah ≥ 24.5 MPa.

MRS bagi paip PVC-O yang dinyatakan dalam piawaian ISO dibahagikan kepada 5 jenis: 31.5, 35.5, 40, 45, dan 50 MPa, yang sepadan dengan kod gred bahan mentah masing-masing ialah 315, 355, 400, 450, dan 500. Antara ini, gred 400 dan 450 biasanya dihasilkan dalam kuantiti besar, manakala yang lain kurang digunakan.

2.3 Keperluan bagi Pemilihan Bahan Utama dalam Campuran Sebatian

Formula paip bekalan air PVC terutamanya terdiri daripada resin PVC, penstabil, pelincir dalaman dan luaran, pengisi, pewarna, perubah impak, bantuan pemprosesan, dll., dalam nisbah tertentu. Pemilihan dan nisbah pelbagai bahan mentah memainkan peranan penting terhadap prestasi dan penggunaan paip tersebut.

Pemprosesan paip PVC mempunyai keperluan tinggi terhadap prestasi aliran lebur resin PVC. Dalam pengeluaran sebenar, resin PVC tergantung jenis SG-5 biasanya dipilih. Kaedah penyediaan PVC dibahagikan kepada kaedah etilena dan kaedah kalsium karbida. Kaedah etilena mengekstrak etilena daripada petroleum, kemudian menghasilkan monomer vinil klorida dengan tindak balas gantian antara gas klorin dan etilena, seterusnya melalui pempolimeran untuk menghasilkan resin polivinil klorida. Pengilang yang mewakili termasuk Oxy Vinyl LP (A.S.), Syarikat Petrokimia Sinopec Qilu, Syarikat Kimia Tianjin LG Dagu, dll. Kaedah kalsium karbida secara umum banyak digunakan di China. Ia menggunakan kalsium karbida (kalsium karbida) untuk menghasilkan asetilena apabila bertemu air, kemudian mensintesis asetilena dengan hidrogen klorida bagi menghasilkan monomer vinil klorida, dan seterusnya menghasilkan resin polivinil klorida melalui tindak balas pempolimeran.

PVC adalah salah satu polimer yang paling sensitif terhadap haba dalam industri dan mudah mengalami degradasi haba. Penstabil haba adalah aditif yang sangat diperlukan dalam pemprosesan paip PVC. Dalam proses pengeluaran paip PVC, penstabil haba yang biasa digunakan pada masa ini ialah penstabil kalsium-zink dan penstabil organotin. Penstabil kalsium-zink digunakan terutamanya di Eropah, penstabil organotin digunakan secara meluas di Amerika Syarikat, dan kedua-duanya digunakan di China. Penstabil kalsium-zink biasanya merupakan penstabil komposit dengan jumlah tambahan yang agak tinggi; penstabil organotin biasanya mempunyai jumlah tambahan yang rendah dan memberikan kesan penstabilan yang baik dalam pengeluaran paip berdiameter sederhana dan besar. Jika rintangan cuaca yang tinggi diperlukan untuk paip tersebut, sejumlah antioksidan dan penstabil cahaya yang sesuai juga boleh ditambah.

Dalam proses pemprosesan paip PVC, pelincir dalaman dan luaran juga merupakan perkara yang penting. Pelincir utama yang digunakan termasuk asid stearik, parafin, lilin polietilena, dan kalsium stearat yang turut mempunyai kesan penstabilan. Dos sistem pelinciran hendaklah ditentukan mengikut keperluan peralatan dan rekabentuk formula produk. Yang utama adalah untuk memastikan campuran sebatian mempunyai kesan pengplastikan yang baik, supaya suhu herotan akibat haba dan sifat mekanikal paip tidak terjejas secara ketara.

Berdasarkan rekabentuk produk, bahan pengisi kalsium karbonat juga boleh ditambahkan ke dalam paip PVC. Fungsi utama kalsium karbonat adalah untuk meningkatkan kekakuan paip, mengurangkan kadar susutan, dan mengurangkan kos. Penambahan kalsium karbonat akan mengurangkan kekuatan produk paip dan meningkatkan kerapuhan. Oleh itu, jumlah bahan pengisi kalsium karbonat dalam pengeluaran paip PVC harus dikawal dengan betul. Kalsium karbonat secara umum dibahagikan kepada kalsium karbonat berat dan kalsium karbonat ringan. Campuran sebatian dengan formula kalsium karbonat berat mempunyai aliran yang baik dan sesuai untuk sistem suapan dan pengangkutan terpusat, terutamanya sistem pengangkutan pneumatik; campuran sebatian dengan formula kalsium karbonat ringan mempunyai aliran yang agak lemah dan ketumpatan rendah, tetapi memberi kesan yang kecil terhadap formula paip bekalan air dengan jumlah penambahan yang sedikit.

Warna paip PVC secara umumnya kelabu atau biru. Pewarna yang biasa digunakan termasuk titanium dioksida, arang hitam, dan biru ftalosianin. Secara amnya, jumlah penambahan pewarna adalah kecil, dan mereka perlu mempunyai kekuatan pewarnaan dan rintangan cuaca yang baik.

Pengubah impak dan bahan tambahan pemprosesan memberi manfaat dalam meningkatkan rintangan impak dan prestasi pemprosesan paip PVC semasa pemprosesan.

2.4 Keperluan untuk Reka Bentuk Formula Campuran Majmuk

Dapat dilihat daripada 2.1 Keperluan Prestasi untuk Campuran Majmuk dan 2.2 Keperluan Gred untuk Campuran Majmuk bahawa keperluan bagi campuran majmuk untuk empat jenis paip adalah berbeza. Oleh itu, terdapat perbezaan tertentu dari segi rekabentuk formula dan kos bagi keempat-empat jenis produk paip tersebut. Untuk keperluan rekabentuk formula yang khusus, rujuk Jadual 4. Disebabkan oleh rekabentuk produk yang berbeza, terdapat juga perbezaan dari segi penunjuk prestasi produk, yang akan diterangkan secara terperinci dalam Bahagian 5 kertas kerja ini.

Jadual 4 Keperluan Rekabentuk Formula untuk Empat Jenis Paip PVC untuk Bekalan Air

NO.3 Tekanan Dalaman Dibenarkan dan Rintangan Tekanan Luaran

3.1 Tekanan Dalaman Dibenarkan pada Paip

Tegasan rekabentuk paip tekanan:

σₛ = MRS / C (1)

Di mana: σₛ — Tegasan rekabentuk paip tekanan, MPaMRS — Kekuatan minimum yang diperlukan untuk paip, MPaC — Pekali perkhidmatan keseluruhan (rekabentuk)

Paip PVC direkabentuk untuk jangka hayat perkhidmatan selama 50 tahun. Apabila mengangkut air pada suhu 20 °C, nilai maksimum yang dibenarkan bagi tegasan rekabentuk untuk pelbagai jenis paip bekalan air PVC tempatan ditunjukkan dalam Jadual 5. Tekanan nominal (tekanan rekabentuk) dan tekanan kerja untuk operasi jangka panjang selama 50 tahun dikira mengikut Formula (2) dan Formula (3) masing-masing.

Jadual 5 Nilai Maksimum yang Dibenarkan bagi Tegasan Rekabentuk untuk Pelbagai Jenis Paip Tekanan PVC Domestik

Nota: Terdapat banyak gred bahan mentah untuk paip PVC-O, yang boleh direka bentuk dengan merujuk kepada piawaian produk PVC-O; secara umum bagi gred 400 dan 450, pekali perkhidmatan keseluruhan C adalah 1.6.

Tekanan nominal (tekanan rekabentuk) paip:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Di mana: P — Tekanan nominal (tekanan rekabentuk) paip, MPa; σₛ — Tegasan rekabentuk untuk paip tekanan, MPa; dₙ — Diameter luar nominal, mm; eₙ — Ketebalan dinding nominal, mm

Mengikut CJJ 101-2016 "Kod Teknik Kejuruteraan Paip Bekalan Air Plastik Terbenam" 4.1.7, nilai piawai tekanan rekabentuk paip adalah sama dengan 1.5 kali nilai piawai tekanan kerja, iaitu:

P = 1.5 × Pwk (3)

Di mana: Pwk — Tekanan kerja paip, MPa

Boleh dilihat bahawa pekali perkhidmatan (rekabentuk) keseluruhan paip PVC-UH lebih tinggi berbanding paip PVC-M dan paip PVC-O, iaitu, ia mempunyai jaminan keselamatan yang lebih tinggi semasa penggunaan jangka panjang.

3.2 Rintangan Tekanan Luaran Paip

Mengikut takrifan kekukuhan gelang dalam 2.4.2 GB/T 19278-2018, kekukuhan gelang mempunyai hubungan kubik dengan ketebalan dinding paip. Formula pengiraan ringkas untuk kekukuhan gelang (S) adalah:

S = 0.0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Di mana: S — Kekukuhan gelang, kN/m² E — Modulus keanjalan bahan dinding paip, yang ditentukan sebagai 3000 MPa untuk paip PVC dalam spesifikasi dₙ — Diameter luar nominal, mm eₙ — Ketebalan dinding nominal, mm

Dapat dilihat bahawa bagi paip dengan diameter luar yang sama, semakin tebal dindingnya, semakin tinggi kekakuan gelang, dan semakin kuat rintangan terhadap ubah bentuk akibat tekanan luar. Perbandingan kekakuan gelang bagi empat jenis paip ditunjukkan dalam Jadual 6 (mengambil paip dengan tekanan nominal 1.0 MPa sebagai contoh). Dari Jadual 6, dapat dilihat bahawa daripada perspektif parameter rekabentuk, paip PVC-M dan PVC-O boleh memilih ketebalan dinding yang lebih nipis untuk memenuhi keperluan tekanan perkhidmatan, tetapi ketebalan dinding yang terlalu nipis juga akan mengakibatkan rintangan terhadap ubah bentuk tekanan luar menjadi lemah.

Jadual 6 Perbandingan Kekakuan Gelang Empat Jenis Paip

Apabila dibandingkan berdasarkan kekakuan gelang yang sama, paip PVC-M dan PVC-O mempunyai gred tekanan nominal yang lebih tinggi. Disebabkan kos formula bahan dan kos pemprosesan yang lebih tinggi, kos paip mereka juga lebih tinggi berbanding paip PVC-U dan PVC-UH.

KEPERLUAN PENANDA PRESTASI NO.4

4.1 Paip Bekalan Air PVC-U dan PVC-UH

Terdapat perbezaan tertentu dalam penunjuk prestasi paip PVC-U yang dinyatakan dalam piawaian kebangsaan berbanding yang dinyatakan dalam piawaian ISO 1452-2. Keperluan rintangan tekanan dikurangkan, dan keperluan rintangan impak dipertingkatkan, iaitu keperluan ujian impak pemberatan jatuhan (TIR) adalah ≤ 5%, yang menetapkan keperluan lebih tinggi terhadap ketangguhan paip berbanding TIR ≤ 10% yang dinyatakan dalam piawaian ISO. Paip PVC-UH diformulasikan dengan merujuk kepada piawaian ISO untuk paip bekalan air PVC-U dan piawaian paip bekalan air PVC Amerika Syarikat. Keperluan prestasi fizikal dan mekanikal paip termasuk ujian penggekukan dan prestasi hidrostatik paip penuh, merealisasikan pemantauan kualiti produk bagi setiap paip. Selain itu, keperluan rintangan impak lebih tinggi daripada piawaian ISO, dan keperluan ujian impak pemberatan jatuhan dinaikkan kepada TIR ≤ 5% berbanding piawaian ISO. Perbandingan penunjuk prestasi antara paip bekalan air PVC-U tempatan dan paip bekalan air PVC-UH ditunjukkan dalam Jadual 7.

Jadual 7 Perbandingan Penunjuk Prestasi Antara Paip Bekalan Air PVC-U dan PVC-UH

Berdasarkan lengkung piawai hidrostatik jangka panjang PVC-U 250 yang diberikan dalam ISO 1452-1:2009 (seperti ditunjukkan dalam Rajah 1), dapat dilihat bahawa semasa ujian hidrostatik jangka panjang paip yang memenuhi keperluan gred campuran sebanyak MRS ≥ 25 MPa, keperluan rintangan tekanan jangka pendek juga boleh dilihat daripada lengkung piawai tersebut. Keperluan tegasan gelung yang sepadan dengan 20 °C dan 1 jam ialah 42 MPa, manakala keperluan tegasan gelung yang sepadan dengan 60 °C dan 1000 jam ialah 10 MPa. Daripada Jadual 7, dapat dilihat bahawa paip PVC-UH memenuhi keperluan rintangan tekanan lengkung piawai hidrostatik jangka panjang PVC-U 250, manakala paip PVC-U yang dinyatakan dalam piawaian kebangsaan adalah lebih rendah daripada keperluan lengkung piawai dari segi penunjuk rintangan tekanan jangka pendek (20 °C, 1 jam, tegasan gelung 38 MPa), dan juga gagal memenuhi keperluan rekabentuk MRS ≥ 25 MPa untuk paip PVC-U yang dinyatakan dalam piawaian kebangsaan.

4.2 Paip Bekalan Air PVC-M

Jadual 8 menunjukkan keperluan prestasi piawai untuk paip bekalan air PVC-M. Dapat dilihat bahawa produk PVC-M mempunyai peruntukan mengenai impak pemberat jatuhan, ujian hidrostatik paip berlekuk, dan ketahanan C-cincin. Untuk paip dengan dn ≥ 110 mm, ujian impak kelajuan tinggi pada 23 °C dan 20 m ditentukan, yang mempunyai keperluan tinggi terhadap rintangan impak dan ketahanan produk. Produk paip yang dihasilkan mengikut piawaian kebangsaan untuk PVC-M mempunyai ketahanan dan rintangan impak yang baik.

Jadual 8 Keperluan Prestasi Paip Bekalan Air PVC-M (GB/T 32018.1-2015)

Selain keperluan tinggi terhadap rintangan hentaman dan ketahanan, produk paip PVC-M juga mempunyai keperluan terhadap rintangan tekanan. Oleh itu, kos formula produk paip PVC-M yang dihasilkan mengikut piawaian adalah lebih tinggi berbanding paip PVC-U atau PVC-UH konvensional, dan keluaran pemprosesannya adalah relatif rendah; disebabkan pengurangan pekali perkhidmatan (rekabentuk) keseluruhan mereka, tekanan nominal mereka adalah satu gred lebih tinggi berbanding paip PVC-U atau PVC-UH konvensional. Oleh itu, kos per meter paip dengan gred tekanan yang sama secara asasnya adalah sama, atau paip PVC-M sedikit lebih tinggi. Bagi paip kejuruteraan bawah tanah, rintangan tekanan jangka panjang adalah petunjuk utama produk, manakala rintangan hentaman dan ketahanan hanya perlu memenuhi keperluan penggunaan biasa.

4.3 Paip Bekalan Air PVC-O

Jadual 9 menunjukkan keperluan prestasi piawaian untuk paip bekalan air PVC-O. Paip PVC-O adalah sejenis paip PVC berstruktur rantai molekul khas yang dibentuk dengan meregangkan paip PVC-U yang dikeluarkan secara ekstrusi secara aksial dan radial melalui peralatan pembentukan sekunder dan proses tertentu, menyebabkan molekul-molekul rantai panjang PVC dalam paip tersusun secara teratur dalam arah dwiaksial. Kesukaran pengeluarannya tinggi, dan keperluan terhadap formula, peralatan serta proses adalah sangat ketat. Pada masa ini, diameter maksimum yang boleh dihasilkan di dalam dan luar negara hanyalah 630 mm, hasil pengeluarannya lebih rendah berbanding tiga jenis paip lain, manakala formula pengeluaran dan kos pemprosesannya juga tinggi.

Jadual 9 Keperluan Prestasi untuk Paip Bekalan Air PVC-O (CJ/T 445-2014)

Nota: Struktur mulut rata yang dilekat dengan gam tidak boleh digunakan untuk paip PVC-O.