Vergelijking van normen, ontwerp en prestaties van PVC-U, PVC-UH, PVC-M en PVC-O Nr. 1 Inleiding tot productnormen

Vergelijking van normen, ontwerp en prestaties van PVC-U, PVC-UH, PVC-M en PVC-O

Nr. 1 Inleiding tot productnormen

PVC-U-, PVC-UH-, PVC-M- en PVC-O-leidingen voor waterlevering zijn allemaal harde polyvinylchloride buizen met massieve wand. Ze worden voornamelijk gebruikt voor de hoofd- en aftakleidingen van ondergrondse drukwatertransportsystemen waarbij de watertemperatuur 45 °C niet overschrijdt, en kunnen ook binnen of in leidinggalerijen worden toegepast. De huidige normen en specificaties van de vier buistypen zijn weergegeven in tabel 1.

NO.2 Technische eisen voor samengestelde mengsels

Een samengesteld mengsel verwijst naar het uniforme mengsel van basishars PVC en diverse noodzakelijke additieven, welke de direct gebruikte grondstof is voor het extruderen van PVC-buizen. Voor drukbuizen zijn de formuleontwikkeling en prestatie-indicatoren van PVC-samengestelde mengsels van cruciaal belang, omdat zij rechtstreeks van invloed zijn op de productprestaties en de levensduur. Voor de invloed van PVC-hars en diverse additieven op de productprestaties, zie "PVC-formuleontwerp en productverwerking". Dit hoofdstuk behandelt voornamelijk de prestatie-indicatoren, classificatie-eisen en formuleontwerp-eisen van samengestelde mengsels.

2.1 Prestatie-eisen voor samengestelde mengsels

Bij PVC-leidingen voor waterdistributie in China geven PVC-UH-leidingen de fysieke en mechanische prestatie-eisen voor samengestelde mengsels aan, met verwijzing naar de Amerikaanse norm voor PVC-waterleidingen AWWA C900, zoals weergegeven in Tabel 2. Momenteel zijn er geen voorschriften voor de prestatie-indicatoren van samengestelde mengsels voor de andere soorten PVC-waterleidingen. Deze eisen bieden betere controle over de keuze van leidinggrondstoffen en formules, evenals kwaliteitscontrole.

Tabel 2 Fysieke en Mechanische Prestatie-eisen voor Samengestelde Mengsels Gespecificeerd voor PVC-UH Waterleidingen

2.2 Classificatie-eisen voor samengestelde mengsels

PVC-drukbuizen zijn ontworpen voor een levensduur van 50 jaar. De samengestelde mengsels van de buizen moeten worden onderworpen aan classificatietests volgens ISO 9080 of GB/T 18252, dat wil zeggen langdurige hydrostatische sterkteproeven van de samengestelde mengsels in de vorm van buizen, gekenmerkt door de classificatiesterkte bij 20 °C en 50 jaar, te weten de Minimaal Vereiste Sterkte (MRS). De classificatie-eisen voor de samengestelde mengsels van PVC-U-, PVC-UH-, PVC-M- en PVC-O-leidingen voor waterdistributie staan weergegeven in Tabel 3.

Tabel 3 Classificatie-eisen voor samengestelde mengsels van PVC-waterleidingen

In ISO 1452-1:2009 worden materialen geclassificeerd. Volgens de minimale vereiste hydrostatische sterkte van materialen is de MRS van PVC-materialen voor buizen gespecificeerd als 25 MPa, dat wil zeggen dat de materiaalkwaliteit PVC-U 250 is. De nationale norm voor PVC-U-buizen, GB/T 10002.1-2006, geeft geen drukklasse op voor de samengestelde mengsels voor buizen. PVC-UH-leidingwaterbuizen specificeren een classificatie-eis van MRS ≥ 25 MPa voor de samengestelde mengsels. De MRS van PVC-M-buizen is ≥ 24,5 MPa.

De MRS van PVC-O-buizen zoals gespecificeerd in de ISO-normen is onderverdeeld in 5 types: 31,5, 35,5, 40, 45 en 50 MPa, die respectievelijk overeenkomen met de grondstofkwaliteitscodes 315, 355, 400, 450 en 500. Daarvan worden kwaliteiten 400 en 450 over het algemeen in grote hoeveelheden geproduceerd, terwijl de andere minder gebruikelijk zijn.

2.3 Eisen voor de selectie van belangrijke materialen in samengestelde mengsels

De formule van PVC-waterleidingbuizen bestaat hoofdzakelijk uit PVC-hars, stabilisatoren, interne en externe glijmiddelen, vulstoffen, kleurstoffen, slagversterkers, verwerkinghulpmiddelen, enz., in een bepaalde verhouding. De keuze en de verhouding van de diverse grondstoffen spelen een cruciale rol bij de prestaties en het gebruik van de buizen.

De verwerking van PVC-buizen stelt hoge eisen aan de smeltstroomprestaties van PVC-hars. In de praktijk wordt over het algemeen voor type SG-5 suspensie-PVC-hars gekozen. De bereidingsmethoden van PVC worden onderverdeeld in de ethyleenmethode en de kalksteenmethode. Bij de ethyleenmethode wordt ethyleen uit aardolie gewonnen, reageert chloorgas met ethyleen via een substitutiereactie tot vinylchloridemonomeer, dat vervolgens gepolymeriseerd wordt tot polyvinylchloridehars. Vertegenwoordigende producenten zijn onder andere Oxy Vinyl LP (VS), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd., enz. De kalksteenmethode wordt over het algemeen veel gebruikt in China. Hierbij ontstaat bij calciumcarbide (kalksteen) acetyleen bij contact met water; dit wordt gesynthetiseerd met waterstofchloride tot vinylchloridemonomeer, waarna via een polymerisatiereactie polyvinylchloridehars wordt gevormd.

PVC is een van de meest thermosensitieve polymeren in de industrie en is gevoelig voor thermische degradatie. Warmtestabilisatoren zijn onmisbare additieven bij de verwerking van PVC-buizen. In het productieproces van PVC-buizen worden momenteel voornamelijk calcium-zinkstabilisatoren en organotin-stabilisatoren gebruikt. Calcium-zinkstabilisatoren worden vooral in Europa gebruikt, organotin-stabilisatoren zijn wijdverspreid in de Verenigde Staten, en in China worden beide soorten gebruikt. Calcium-zinkstabilisatoren zijn over het algemeen samengestelde stabilisatoren met een relatief hoog toevoegingspercentage; organotin-stabilisatoren hebben over het algemeen een lager toevoegingspercentage en hebben een goed stabiliserend effect bij de productie van buizen met middelgrote en grote diameter. Als er hoge weerstand tegen weersinvloeden vereist is voor de buizen, kunnen ook antioxidanten en lichtstabilisatoren in passende hoeveelheden worden toegevoegd.

Bij de verwerking van PVC-buizen zijn interne en externe smeermiddelen ook onmisbaar. De belangrijkste gebruikte smeermiddelen zijn steenzuur, paraffine, polyethyleenwas en calciumstearaat, dat tevens een stabiliserend effect heeft. De dosering van het smeringssysteem dient te worden bepaald op basis van de eisen van de apparatuur en het productformulierontwerp. Het gaat erom ervoor te zorgen dat het samengestelde mengsel een goed plastificeereffect heeft, zodat de hittevervormingstemperatuur en mechanische eigenschappen van de buizen niet significant worden beïnvloed.

Volgens het productontwerp kunnen aan PVC-buizen ook vulstoffen van calciumcarbonaat worden toegevoegd. De belangrijkste functies van calciumcarbonaat zijn het verbeteren van de stijfheid van de buizen, het verlagen van de krimp en het verlagen van kosten. Het toevoegen van calciumcarbonaat verlaagt de sterkte van de buisproducten en verhoogt de breekbaarheid. Daarom dient de hoeveelheid calciumcarbonaatvulstof bij de productie van PVC-buizen adequaat gecontroleerd te worden. Calciumcarbonaat wordt over het algemeen onderverdeeld in zwaar calciumcarbonaat en licht calciumcarbonaat. Het samengestelde mengsel met een formulering van zwaar calciumcarbonaat heeft een goede vloeibaarheid en is geschikt voor gecentraliseerde doseer- en transportsystemen, met name pneumatische transportsystemen; het samengestelde mengsel met een formulering van licht calciumcarbonaat heeft relatief slechte vloeibaarheid en een lage dichtheid, maar heeft weinig invloed op de formule voor waterleidingbuizen wanneer de toevoeging beperkt is.

De kleur van PVC-buizen is over het algemeen grijs of blauw. De meest gebruikte kleurstoffen zijn onder andere titaandioxide, roetzwart en ftalocyanineblauw. Over het algemeen is de toevoeging van kleurstoffen gering, en moeten zij een goede kleurkracht en weerstand tegen weersinvloeden bezitten.

Slagvastheidsverhogers en verwerkinghulpmiddelen zijn gunstig voor het verbeteren van de slagvastheid en de verwerkingsprestaties van PVC-buizen tijdens de verwerking.

2.4 Eisen voor formuleontwerp van samengestelde mengsels

Uit 2.1 Prestatie-eisen voor samengestelde mengsels en 2.2 Rangschikkingseisen voor samengestelde mengsels blijkt dat de eisen voor de samengestelde mengsels van de vier buistypen verschillend zijn. Daarom bestaan er bepaalde verschillen in het formuleontwerp en de kosten van de vier soorten buisproducten. Zie Tabel 4 voor specifieke vereisten voor formuleontwerp. Vanwege verschillende productontwerpen zijn er ook verschillen in prestatie-indicatoren van de producten, wat uitgebreid wordt toegelicht in sectie 5 van dit document.

Tabel 4 Formuleontwerpvereisten van vier typen PVC-waterleidingbuizen

NO.3 Toelaatbare interne druk en externe drukweerstand

3.1 Toelaatbare interne druk van leidingen

Ontwerpspanning van drukleidingen:

σₛ = MRS / C (1)

Waar: σₛ — Ontwerpspanning van drukleidingen, MPa; MRS — Minimaal vereiste sterkte van leidingen, MPa; C — Algemene gebruiks- (ontwerp)coëfficiënt

PVC-buizen zijn ontworpen voor een verwachte levensduur van 50 jaar. Bij het transporteren van water bij 20 °C, zijn de maximaal toelaatbare waarden van ontwerpspanning voor diverse binnenlandse PVC-waterleidingen weergegeven in Tabel 5. De nominale druk (ontwerpdruk) en de werkdruk voor langdurige bedrijfsduur van 50 jaar worden berekend volgens respectievelijk Formule (2) en Formule (3).

Tabel 5 Maximaal Toelaatbare Waarden van Ontwerpspanning voor Verschillende Binnenlandse PVC-Drukbuizen

Opmerking: Er zijn vele grondstoffengraden van PVC-O-buizen, die kunnen worden ontworpen op basis van de productnormen voor PVC-O; voor graden 400 en 450 geldt over het algemeen dat de totale bedrijfscoëfficiënt C 1,6 is.

Nominale druk (ontwerpdruk) van buizen:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Waarbij: P — Nominale druk (ontwerpdruk) van buizen, MPa; σₛ — Ontwerpspanning van drukbuizen, MPa; dₙ — Nominale buitendiameter, mm; eₙ — Nominale wanddikte, mm

Volgens CJJ 101-2016 "Technische code voor ondergrondse kunststof watertoevoerleidingen" 4.1.7 is de standaardwaarde van de ontwerpdruk van de buis gelijk aan 1,5 maal de standaardwaarde van de werkdruk, dus:

P = 1,5 × Pwk (3)

Waarbij: Pwk — Werkdruk van buizen, MPa

Hieruit blijkt dat de totale bedrijfs- (ontwerp-) coëfficiënt van PVC-UH-buizen hoger is dan die van PVC-M-buizen en PVC-O-buizen, dat wil zeggen dat zij een hogere veiligheidsgarantie bieden tijdens langdurig gebruik.

3.2 Externe drukweerstand van buizen

Volgens de definitie van ringstijfheid in 2.4.2 van GB/T 19278-2018, heeft de ringstijfheid een derdemachtsrelatie met de wanddikte van de buis. De vereenvoudigde berekeningsformule voor ringstijfheid (S) is:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Waarbij: S — Ringstijfheid, kN/m² E — Elasticiteitsmodulus van het buiswandmateriaal, welke voor PVC-buizen in de specificatie is vastgesteld op 3000 MPa dₙ — Nominale buitendiameter, mm eₙ — Nominale wanddikte, mm

Uit het blijkt dat bij buizen met dezelfde buitendiameter, hoe groter de wanddikte, des te groter de ringstijfheid en des te sterker de weerstand tegen vervorming door externe druk. De vergelijking van de ringstijfheid van de vier buistypen is weergegeven in Tabel 6 (als voorbeeld worden buizen met een nominale druk van 1,0 MPa genomen). Uit Tabel 6 blijkt dat vanuit het oogpunt van ontwerpparameters PVC-M- en PVC-O-buizen dunner wanddiktes kunnen kiezen om aan de bedrijfsdrukvereisten te voldoen, maar een te kleine wanddikte leidt ook tot een slechte weerstand tegen vervorming door externe druk.

Tabel 6 Vergelijking van ringstijfheid van vier buistypen

Bij vergelijking op basis van dezelfde ringstijfheid hebben PVC-M- en PVC-O-buizen hogere nominale drukklassen. Vanwege hogere materiaalkosten en verwerkingskosten zijn hun buiskosten ook hoger dan die van PVC-U- en PVC-UH-buizen.

NO.4 Prestatie-indicatoren eisen

4.1 PVC-U en PVC-UH leidingen voor waterdistributie

Er zijn bepaalde verschillen in de prestatie-indicatoren van PVC-U-buizen volgens nationale normen en die volgens de ISO 1452-2-normen. De drukweerstandseisen zijn verlaagd, terwijl de slagvastheidseisen zijn verbeterd, dat wil zeggen dat de eis voor de valgewichtslagproef (TIR) ≤ 5% is, wat strengere eisen stelt aan de buisveerkracht in vergelijking met de TIR ≤ 10% zoals vastgelegd in de ISO-normen. PVC-UH-buizen zijn samengesteld op basis van de ISO-norm voor PVC-U-waterleidingbuizen en de Amerikaanse norm voor PVC-waterleidingbuizen. De fysische en mechanische prestatie-eisen van de buizen omvatten een platsmakingsproef en volledige hydrostatische prestatie van de buis, waarmee kwaliteitscontrole per buis wordt gerealiseerd. Bovendien zijn de eisen voor slagvastheid hoger dan die van de ISO-normen, en is de eis voor de valgewichtslagproef verhoogd tot TIR ≤ 5% in vergelijking met de ISO-normen. De vergelijking van prestatie-indicatoren tussen binnenlandse PVC-U-waterleidingbuizen en PVC-UH-waterleidingbuizen is weergegeven in tabel 7.

Tabel 7 Vergelijking van prestatie-indicatoren tussen PVC-U- en PVC-UH-waterleidingbuizen

Uit de langdurige hydrostatische standaardcurve van PVC-U 250 volgens ISO 1452-1:2009 (zoals weergegeven in figuur 1) blijkt dat tijdens de langdurige hydrostatische test van leidingen die voldoen aan de eis voor samengestelde mengsels met MRS ≥ 25 MPa, ook de kortetermijn drukweerstandseis afgeleid kan worden uit de standaardcurve. De omtrekspanningseis die overeenkomt met 20 °C en 1 uur bedraagt 42 MPa, en de omtrekspanningseis die overeenkomt met 60 °C en 1000 uur bedraagt 10 MPa. Uit tabel 7 blijkt dat PVC-UH-buizen voldoen aan de drukweerstandseisen van de langdurige hydrostatische standaardcurve van PVC-U 250, terwijl de op nationale normen gebaseerde PVC-U-buizen qua indicatoren voor kortetermijn drukweerstand (20 °C, 1 uur, omtrekspanning van 38 MPa) onder de vereisten van de standaardcurve liggen en eveneens niet voldoen aan de ontwerpeis van MRS ≥ 25 MPa voor op nationale normen gebaseerde PVC-U-buizen.

4.2 PVC-M waterleidingbuizen

Tabel 8 toont de standaard prestatie-eisen voor PVC-M leidingen voor drinkwater. Uit de tabel blijkt dat voor PVC-M producten eisen gelden voor slagvastheid met een valhamer, genoteerde buis hydrostatische test en C-ring taaiheid. Voor buizen met dn ≥ 110 mm is een testspecificatie opgenomen voor hoge-snelheidsimpact bij 23 °C en 20 m, wat hoge eisen stelt aan de slagvastheid en taaiheid van het product. Buisproducten die vervaardigd zijn volgens de nationale norm voor PVC-M beschikken over goede taaiheid en slagvastheid.

Tabel 8 Prestatie-eisen voor PVC-M leidingen voor drinkwater (GB/T 32018.1-2015)

Naast hoge eisen aan slagvastheid en taaiheid, hebben PVC-M-buizen ook eisen ten aanzien van drukweerstand. Daarom is de formulekosten voor het produceren van PVC-M-buizen volgens normen hoger dan die van conventionele PVC-U- of PVC-UH-buizen, en is de verwerkingsopbrengst relatief laag; als gevolg van de verlaging van hun totale gebruikscapaciteit (ontwerpcoefficiënt), is hun nominale druk één klasse hoger dan die van conventionele PVC-U- of PVC-UH-buizen. Derhalve is de kosten per meter voor buizen met dezelfde drukklasse in principe gelijk, of zijn de PVC-M-buizen iets duurder. Voor ondergrondse technische leidingen is langdurige drukweerstand de belangrijkste indicator van het product, terwijl slagvastheid en taaiheid alleen hoeven te voldoen aan de eisen voor normaal gebruik.

4.3 PVC-O leidingen voor waterlevering

Tabel 9 toont de standaard prestatie-eisen voor PVC-O leidingen voor waterlevering. PVC-O-buizen zijn een speciale molecuulketenstructuur van PVC-buizen die wordt gevormd door de geëxtrudeerde PVC-U-buis axiaal en radiaal te rekken via secundaire vormgevingsapparatuur en een bepaald proces, zodat de lange ketens van PVC-moleculen in de buis zich regelmatig in biaxiale richting ordenen. De productiemoeilijkheid is hoog, en de eisen aan formule, apparatuur en proces zijn zeer streng. Momenteel is de maximale diameter die wereldwijd kan worden geproduceerd slechts 630 mm, het productierendement is lager dan dat van de andere drie buistypen, en zowel de productieformule als de verwerkingskosten zijn hoog.

Tabel 9 Prestatie-eisen voor PVC-O leidingen voor waterlevering (CJ/T 445-2014)

Opmerking: Gelijmde platte mondstuctuur mag niet worden gebruikt voor PVC-O-buizen.