Porównanie norm, projektowania i właściwości technicznych rur PVC-U, PVC-UH, PVC-M oraz PVC-O Nr 1 Wprowadzenie do norm produktowych

Porównanie norm, projektowania i właściwości technicznych PVC-U, PVC-UH, PVC-M oraz PVC-O

NR 1 Wprowadzenie do norm produktowych

Rury wodociągowe PVC-U, PVC-UH, PVC-M i PVC-O to wszystko sztywne rury polichlorkowo winylowe o ściankach pełnych. Są one głównie stosowane do magistrali i rurociągów bocznych podziemnych systemów przesyłowych pod ciśnieniem, gdzie temperatura wody nie przekracza 45 °C, mogą również być stosowane wewnątrz budynków lub w kanałach rurociągowych. Obecne normy i specyfikacje dla czterech typów rur przedstawiono w tabeli 1.

NO.2 Wymagania techniczne dotyczące mieszanek złożonych

Mieszanka złożona odnosi się do jednorodnej mieszaniny podstawowej żywicy PVC oraz różnych niezbędnych dodatków, która jest surowcem bezpośrednio używanym do wytłaczania rur PVC. W przypadku rur ciśnieniowych projekt formuły oraz wskaźniki wydajności mieszanki złożonej PVC mają kluczowe znaczenie i bezpośrednio wpływują na właściwości produktu oraz długotrwałą trwałość. W celu zapoznania się z wpływem żywicy PVC oraz poszczególnych dodatków na właściwości produktu, należy odnieść się do rozdziału „Projektowanie formuły PVC i przetwarzanie produktów”. Niniejszy rozdział przedstawia głównie wskaźniki wydajności, wymagania dotyczące klasyfikacji oraz wymagania projektowe formuł mieszanki złożonej.

2.1 Wymagania dotyczące wydajności mieszanki złożonej

Wśród rur PVC do zaopatrzenia w wodę w Chinach, rury PVC-UH określają wymagania dotyczące właściwości fizycznych i mechanicznych mieszanek złożonych, odnosząc się do amerykańskiego standardu rur PVC do zaopatrzenia w wodę AWWA C900, jak pokazano w tabeli 2. Obecnie nie ma przepisów dotyczących wskaźników wydajności mieszanek złożonych dla innych typów rur PVC do zaopatrzenia w wodę. Te wymagania lepiej kontrolują wybór surowców i formuł rur oraz kontrolę jakości.

Tabela 2 Wymagania dotyczące właściwości fizycznych i mechanicznych mieszanek złożonych PVC określonych dla rur PVC-UH do zaopatrzenia w wodę

wymagania klasyfikacyjne dla mieszanek związków

Rury ciśnieniowe z PVC są zaprojektowane na okres użytkowania wynoszący 50 lat. Mieszanki związków rur powinny być poddawane testom klasyfikacji mieszanek zgodnie z normą ISO 9080 lub GB/T 18252, tj. długoterminowym badaniom wytrzymałości hydrostatycznej mieszanek w formie rur, charakteryzowanym wytrzymałością klasifikacyjną odpowiadającą 20 °C i 50 lat, a mianowicie Minimalną Wymaganą Wytrzymałością (MRS). Wymagania klasyfikacyjne dla mieszanek związków rur do wody z PVC-U, PVC-UH, PVC-M oraz PVC-O przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3 Wymagania klasyfikacyjne dla mieszanek związków rur wodnych z PVC

Zgodnie z normą ISO 1452-1:2009 materiały są klasyfikowane. W zależności od minimalnej wymaganej wytrzymałości hydrostatycznej materiałów, wartość MRS dla materiałów PVC przeznaczonych na rury określona jest na 25 MPa, czyli klasa materiału to PVC-U 250. Krajowa norma dla rur PVC-U, GB/T 10002.1-2006, nie określa klasy ciśnienia mieszanek kompoundowych do rur. Rury wodociągowe PVC-UH określają wymóg klasyfikacji MRS ≥ 25 MPa dla mieszanek kompoundowych. Wartość MRS dla rur PVC-M wynosi ≥ 24,5 MPa.

Wartość MRS dla rur PVC-O określona w normach ISO dzieli się na 5 typów: 31,5, 35,5, 40, 45 i 50 MPa, odpowiadających kodom klas surowców: 315, 355, 400, 450 i 500. Spośród nich klasy 400 i 450 są zazwyczaj produkowane w dużych ilościach, podczas gdy pozostałe nie są powszechnie stosowane.

2.3 Wymagania dotyczące doboru kluczowych materiałów w mieszankach kompoundowych

Formuła rur PVC do podawania wody składa się głównie z żywicy PVC, stabilizatorów, smarów wewnętrznego i zewnętrznego, napełniaczy, barwników, modyfikatorów udarności, środków wspomagających przetwarzanie itp. w określonym stosunku. Dobór oraz proporcje różnych surowców odgrywają kluczową rolę w wydajności i użytkowaniu rur.

Przetwarzanie rur z PCW stawia wysokie wymagania dotyczące właściwości przepływu ciekłego PCW. W rzeczywistej produkcji zazwyczaj wybiera się zawiesinowy PCW typu SG-5. Metody przygotowania PCW dzielą się na metodę etylenową i metodę karbidową. Metoda etylenowa polega na ekstrakcji etylenu z ropy naftowej, reakcji chloru z etylenem poprzez reakcję substytucyjną w celu wytworzenia monomeru chlorku winylu, który następnie ulega polimeryzacji, tworząc żywicę polichlorku winylu. Przedstawicielami producentów są m.in. Oxy Vinyl LP (USA), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd. Metoda karbidowa jest powszechnie stosowana w Chinach. Polega ona na wykorzystaniu karbidu wapnia (karbidu) do wytworzenia acetylenu podczas kontaktu z wodą, syntezie acetylenu z chlorkiem wodoru w celu uzyskania monomeru chlorku winylu, a następnie wytworzeniu żywicy polichlorku winylu poprzez reakcję polimeryzacji.

PVC to jeden z najbardziej termoczujących polimerów w przemyśle, podatnych na degradację termiczną. Stabilizatory ciepła są niezbędne jako dodatki podczas przetwórstwa rur PVC. W procesie produkcji rur PVC obecnie najczęściej stosowanymi stabilizatorami cieplnymi są stabilizatory wapniowo-cynkowe oraz stabilizatory organiczno-cynowe. Stabilizatory wapniowo-cynkowe są głównie stosowane w Europie, stabilizatory organiczno-cynowe powszechnie wykorzystywane są w Stanach Zjednoczonych, a w Chinach używane są oba typy. Stabilizatory wapniowo-cynkowe są zazwyczaj stabilizatorami kompozytowymi o stosunkowo wysokim stopniu dodatku; stabilizatory organiczno-cynowe charakteryzują się zazwyczaj niskim stopniem dodatku i dobrze działają przy produkcji rur o średnich i dużych średnicach. Jeżeli wymagana jest wysoka odporność rur na warunki atmosferyczne, można również dodać odpowiednią ilość antyutleniaczy i stabilizatorów światła.

W procesie wytwarzania rur z PCV środki smarne wewnętrzne i zewnętrzne są również niezbędne. Głównymi stosowanymi środkami smarnymi są kwas stearynowy, parafina, wosk polietylenowy oraz stearynian wapnia, który dodatkowo wykazuje działanie stabilizujące. Dawkowanie systemu smarowego należy dobrać zgodnie z wymaganiami urządzenia oraz projektowanym składem produktu. Kluczowe jest zapewnienie dobrego efektu plastyfikacji mieszanki, aby temperatura odkształcenia cieplnego oraz właściwości mechaniczne rur nie uległy istotnemu pogorszeniu.

Zgodnie z projektem produktu, do rur PVC można dodawać napełniacze węglanu wapnia. Główne funkcje węglanu wapnia to poprawa sztywności rur, zmniejszenie współczynnika kurczenia się oraz obniżenie kosztów. Dodanie węglanu wapnia zmniejsza wytrzymałość wyrobów rur i zwiększa kruche. Dlatego ilość napełniaczy węglanu wapnia w produkcji rur PVC powinna być odpowiednio kontrolowana. Węglan wapnia dzieli się ogólnie na ciężki węglan wapnia i lekki węglan wapnia. Mieszanka złożona z receptury ciężkiego węglanu wapnia charakteryzuje się dobrą przepływowością i nadaje się do systemów zasilania centralnego i transportu, szczególnie do pneumatycznych systemów transportowych; mieszanka złożona z receptury lekkiego węglanu wapnia ma stosunkowo gorszą przepływowość i niską gęstość, jednak ma niewielki wpływ na recepturę rur wodociągowych przy niewielkiej ilości dodatku.

Kolor rur PVC jest zazwyczaj szary lub niebieski. Najczęściej stosowanymi barwnikami są dwutlenek tytanu, sadza i ftalocyjanina niebieska. Zazwyczaj ilość dodawanych barwników jest niewielka, muszą one jednak charakteryzować się dobrą siłą malowania oraz odpornością na warunki atmosferyczne.

Modyfikatory udarności oraz środki wspomagające przetwarzanie są korzystne dla poprawy odporności na uderzenia oraz właściwości przetwarzania rur PVC podczas procesu wytwarzania.

2.4 Wymagania dotyczące projektowania formuł mieszanin złożonych

Jak wynika z punktów 2.1 Wymagania dotyczące wydajności mieszanek złożonych i 2.2 Wymagania dotyczące klasyfikacji mieszanek złożonych, wymagania dla mieszanek złożonych czterech typów rur są różne. Dlatego istnieją pewne różnice w projektowaniu formuł oraz kosztach czterech rodzajów wyrobów rur. Szczegółowe wymagania dotyczące projektowania formuł przedstawiono w tabeli 4. Ze względu na różne projekty wyrobów występują również różnice w wskaźnikach wydajności produktów, które zostaną szczegółowo omówione w rozdziale 5 niniejszego opracowania.

Tabela 4 Wymagania dotyczące projektowania formuł czterech typów rur PVC do zaopatrzenia w wodę

NO.3 Dopuszczalne ciśnienie wewnętrzne i odporność na ciśnienie zewnętrzne

3.1 Dopuszczalne ciśnienie wewnętrzne rur

Naprężenie projektowe rur pod ciśnieniem:

σₛ = MRS / C (1)

Gdzie: σₛ — naprężenie projektowe rur ciśnieniowych, MPa; MRS — minimalna wymagana wytrzymałość rur, MPa; C — ogólny współczynnik eksploatacyjny (projektowy)

Rury PVC są zaprojektowane na przewidywany okres użytkowania wynoszący 50 lat. Podczas transportu wody w temperaturze 20 °C maksymalne dopuszczalne wartości naprężeń projektowych dla różnych krajowych rur PVC do zaopatrzenia w wodę przedstawiono w tabeli 5. Ciśnienie nominalne (ciśnienie projektowe) oraz ciśnienie robocze dla długotrwałej pracy przez 50 lat oblicza się odpowiednio według wzoru (2) i wzoru (3).

Tabela 5 Maksymalne dopuszczalne wartości naprężeń projektowych dla różnych krajowych rur ciśnieniowych PVC

Uwaga: Istnieje wiele gatunków surowców do produkcji rur PVC-O, które można projektować zgodnie ze standardami wyrobów PVC-O; dla klas 400 i 450 ogólny współczynnik eksploatacyjny C wynosi zazwyczaj 1,6.

Ciśnienie nominalne (ciśnienie projektowe) rur:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Gdzie: P — Ciśnienie nominalne (ciśnienie projektowe) rur, MPa; σₛ — Naprężenie projektowe rur ciśnieniowych, MPa; dₙ — Znamionowy średnica zewnętrzna, mm; eₙ — Znamionowa grubość ścianki, mm

Zgodnie z CJJ 101-2016 „Kodeks techniczny dla inżynierii podziemnych rurociągów wodociągowych ze tworzyw sztucznych” 4.1.7, wartość charakterystyczna ciśnienia projektowego rury jest równa 1,5-krotnej wartości charakterystycznej ciśnienia roboczego, tj.:

P = 1,5 × Pwk (3)

Gdzie: Pwk — Ciśnienie robocze rur, MPa

Widać zatem, że ogólny współczynnik użytkowania (projektowy) rur PVC-UH jest wyższy niż u rur PVC-M i rur PVC-O, czyli zapewniają one większe bezpieczeństwo w długotrwałej eksploatacji.

3.2 Odporność rur na ciśnienie zewnętrzne

Zgodnie z definicją sztywności pierścieniowej w punkcie 2.4.2 normy GB/T 19278-2018, sztywność pierścieniowa ma związek sześcienny z grubością ścianki rury. Uproszczony wzór obliczeniowy sztywności pierścieniowej (S) jest następujący:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Gdzie: S — sztywność pierścieniowa, kN/m²; E — moduł sprężystości materiału ścianki rury, dla rur PVC określony jako 3000 MPa we specyfikacji; dₙ — nominalny średnica zewnętrzna, mm; eₙ — nominalna grubość ścianki, mm

Można zauważyć, że dla rur o tym samym średnicy zewnętrznego, im większa grubość ścianki, tym większa sztywność pierścieniowa i tym lepsza odporność na odkształcenia spowodowane ciśnieniem zewnętrznym. Porównanie sztywności pierścieniowej czterech typów rur przedstawiono w tabeli 6 (przykładowo dla rur o nominalnym ciśnieniu 1,0 MPa). Z tabeli 6 wynika, że z punktu widzenia parametrów projektowych rury PVC-M i PVC-O mogą mieć cieńszą ściankę, aby spełnić wymagania dotyczące ciśnienia roboczego, jednak zbyt mała grubość ścianki może również skutkować słabszą odpornością na odkształcenia od ciśnienia zewnętrznego.

Tabela 6 Porównanie sztywności pierścieniowej czterech typów rur

W porównaniu przy tej samej sztywności pierścieniowej rury PVC-M i PVC-O charakteryzują się wyższymi klasami ciśnienia nominalnego. Ze względu na wyższe koszty składników materiału i koszty przetwarzania, ich koszt rur jest również wyższy niż rur PVC-U i PVC-UH.

WYMAGANIA DOTYCZĄCE WSKAŹNIKA WYDAJNOŚCI NR 4

4.1 Rury z PVC-U i PVC-UH do wody

Istnieją pewne różnice w wskazaniach wydajności rur PVC-U określonych w normach krajowych i tych podanych w normach ISO 1452-2. Wymagania dotyczące odporności na ciśnienie zostały obniżone, a wymagania dotyczące odporności na uderzenia zostały poprawione, tj. wymóg próby uderzenia spadającą masą (TIR) wynosi ≤ 5%, co stawia wyższe wymagania pod względem ciągliwości rur w porównaniu z wartością TIR ≤ 10% określoną w normach ISO. Rury PVC-UH są formułowane z odniesieniem do normy ISO dla rur wodociągowych PVC-U oraz amerykańskiej normy rur wodociągowych PVC. Wymagania dotyczące właściwości fizycznych i mechanicznych rur obejmują próbę spiętrzenia oraz pełną próbę hydrostatyczną całej rury, umożliwiając monitorowanie jakości produktu dla każdej poszczególnej rury. Ponadto wymagania dotyczące odporności na uderzenia są wyższe niż w przypadku norm ISO, a wymóg próby uderzenia spadającą masą został podniesiony do poziomu TIR ≤ 5% w porównaniu z normami ISO. Porównanie wskaźników wydajności krajowych rur wodociągowych PVC-U i rur wodociągowych PVC-UH przedstawiono w tabeli 7.

Tabela 7 Porównanie wskaźników wydajności pomiędzy rurami z PVC-U i PVC-UH do zaopatrzenia w wodę

Zgodnie z krzywą standardową długoterminowego ciśnienia hydrostatycznego dla PVC-U 250 podaną w normie ISO 1452-1:2009 (jak pokazano na rysunku 1) można stwierdzić, że podczas długoterminowego badania ciśnienia hydrostatycznego rur spełniających wymagania klasyfikacji mieszanki złożonej MRS ≥ 25 MPa, wymagania odporności krótkoterminowej na ciśnienie można również odczytać z krzywej standardowej. Wymagane naprężenie obwodowe przy 20 °C i 1 h wynosi 42 MPa, natomiast wymagane naprężenie obwodowe przy 60 °C i 1000 h wynosi 10 MPa. Z tabeli 7 wynika, że rury PVC-UH spełniają wymagania odporności na ciśnienie zgodne z krzywą standardową długoterminowego ciśnienia hydrostatycznego PVC-U 250, podczas gdy rury PVC-U określone w normach krajowych są niższe od wymagań krzywej standardowej pod względem wskaźników krótkoterminowej wytrzymałości na ciśnienie (20 °C, 1 h, naprężenie obwodowe 38 MPa), a także nie spełniają projektowego wymagania MRS ≥ 25 MPa dla rur PVC-U określonych w normach krajowych.

4.2 Rury wodociągowe PVC-M

Tabela 8 przedstawia standardowe wymagania dotyczące wydajności rur PVC-M do zaopatrzenia w wodę. Można zauważyć, że produkty PVC-M zawierają przepisy dotyczące próby udarności przy spadającym ciężarku, prób hydrostatycznych rur nacinanych oraz odporności na pęknięcie w teście C-ring. Dla rur o średnicy dn ≥ 110 mm określono próbę udarności wysoką prędkością przy 23 °C i 20 m, co stawia wysokie wymagania pod względem odporności na wpływ mechaniczny i ciągliwości produktu. Produkowane zgodnie ze standardem krajowym rury PVC-M charakteryzują się dobrą ciągliwością i odpornością na uderzenia.

Tabela 8 Wymagania dotyczące wydajności rur PVC-M do zaopatrzenia w wodę (GB/T 32018.1-2015)

Oprócz wysokich wymagań dotyczących odporności na uderzenia i ciągliwości, produkty z rur PVC-M muszą spełniać również wymagania dotyczące wytrzymałości na ciśnienie. Dlatego koszt formuły produktów z rur PVC-M produkowanych zgodnie ze standardami jest wyższy niż w przypadku konwencjonalnych rur PVC-U lub PVC-UH, a wydajność procesu produkcji jest względnie niższa; ze względu na zmniejszenie całkowitego współczynnika użytkowania (projektowego), ich nominalne ciśnienie robocze jest o jedną klasę wyższe niż w przypadku konwencjonalnych rur PVC-U lub PVC-UH. W związku z tym koszt jednego metra rur o tym samym stopniu ciśnienia jest mniej więcej taki sam, albo nieco wyższy dla rur PVC-M. W przypadku podziemnych rurociągów inżynieryjnych głównym wskaźnikiem produktu jest długoterminowa wytrzymałość na ciśnienie, natomiast odporność na uderzenia i ciągliwość muszą jedynie spełniać wymagania normalnej eksploatacji.

4.3 Rury do zaopatrzenia w wodę PVC-O

Tabela 9 przedstawia standardowe wymagania dotyczące wydajności rur PVC-O do zaopatrzenia w wodę. Rury PVC-O to specjalny rodzaj rur z tworzywa sztucznego o ułożonej łańcuchowej strukturze cząsteczkowej, które powstają przez osiowe i radialne rozciąganie wytłaczanych rur PVC-U za pomocą dodatkowego sprzętu i określonego procesu, w wyniku czego długie łańcuchy cząsteczek PVC w rurze uporządkowują się w kierunku dwuosiowym. Trudność produkcji jest duża, a wymagania dotyczące składu, sprzętu i procesu są bardzo wysokie. Obecnie maksymalna średnica możliwa do wyprodukowania w kraju i za granicą wynosi tylko 630 mm, wydajność produkcji jest niższa niż pozostałych trzech typów rur, a zarówno skład receptury, jak i koszty przetwarzania są wysokie.

Tabela 9 Wymagania dotyczące wydajności rur PVC-O do zaopatrzenia w wodę (CJ/T 445-2014)

Uwaga: Nie należy stosować klejonej struktury płaskiego wylotu dla rur PVC-O.