Comparação de Normas, Projeto e Desempenho de PVC-U, PVC-UH, PVC-M e PVC-O N.º1 Introdução às Normas do Produto

Comparação de Normas, Projeto e Desempenho de PVC-U, PVC-UH, PVC-M e PVC-O

N.º 1 Introdução às Normas do Produto

Os tubos para abastecimento de água em PVC-U, PVC-UH, PVC-M e PVC-O são todos tubos rígidos de cloreto de polivinila com parede maciça. São principalmente utilizados para as linhas tronco e ramais de sistemas enterrados de transporte de água sob pressão onde a temperatura da água não exceda 45 °C, podendo também ser usados internamente ou em galerias de tubulações. As normas e especificações atuais dos quatro tipos de tubos estão indicadas na Tabela 1.

NO.2 Requisitos Técnicos para Misturas Compostas

A mistura composta refere-se à mistura uniforme da resina básica PVC e vários aditivos necessários, sendo a matéria-prima utilizada diretamente para a extrusão de tubos de PVC. Para tubos sob pressão, o projeto da fórmula e os indicadores de desempenho das misturas compostas de PVC são cruciais, afetando diretamente o desempenho do produto e sua vida útil prolongada. Para a influência da resina PVC e dos diversos aditivos no desempenho do produto, consulte "Projeto de Fórmula do PVC e Processamento do Produto". Este capítulo apresenta principalmente os indicadores de desempenho, requisitos de classificação e requisitos de projeto de fórmula das misturas compostas.

2.1 Requisitos de Desempenho para Misturas Compostas

Entre os tubos de PVC para abastecimento de água na China, os tubos de PVC-UH especificam os requisitos de desempenho físico e mecânico para misturas compostas com base na norma norte-americana para tubos de PVC destinados ao abastecimento de água AWWA C900, conforme indicado na Tabela 2. Atualmente, não há disposições sobre os indicadores de desempenho das misturas compostas para os demais tipos de tubos de PVC para abastecimento de água. Esses requisitos permitem um controle mais rigoroso na seleção das matérias-primas e das fórmulas dos tubos, bem como no controle de qualidade.

Tabela 2 — Requisitos de Desempenho Físico e Mecânico para Misturas Compostas de PVC Especificadas para Tubos de PVC-UH para Abastecimento de Água

requisitos de Classificação para Misturas Compostas

Tubos de PVC sob pressão são projetados para uma vida útil de 50 anos. As misturas compostas dos tubos devem ser submetidas a testes de classificação de mistura composta de acordo com a ISO 9080 ou GB/T 18252, ou seja, testes de resistência hidrostática de longa duração das misturas compostas na forma de tubos, caracterizados pela resistência de classificação correspondente a 20 °C e 50 anos, ou seja, a Resistência Mínima Requerida (MRS). Os requisitos de classificação para as misturas compostas de tubos de abastecimento de água em PVC-U, PVC-UH, PVC-M e PVC-O estão indicados na Tabela 3.

Tabela 3 Requisitos de Classificação para Misturas Compostas de Tubos de Abastecimento de Água em PVC

Na ISO 1452-1:2009, os materiais são classificados. De acordo com a resistência hidrostática mínima exigida dos materiais, o MRS dos materiais de PVC para tubos é especificado como 25 MPa, ou seja, a classe do material é PVC-U 250. A norma nacional para tubos PVC-U, GB/T 10002.1-2006, não especifica a classe de pressão das misturas compostas para tubos. Os tubos de abastecimento de água PVC-UH especificam um requisito de classificação de MRS ≥ 25 MPa para as misturas compostas. O MRS dos tubos PVC-M é ≥ 24,5 MPa.

O MRS dos tubos PVC-O especificado nas normas ISO é dividido em 5 tipos: 31,5, 35,5, 40, 45 e 50 MPa, correspondendo aos códigos de classe do material bruto de 315, 355, 400, 450 e 500, respectivamente. Dentre eles, as classes 400 e 450 são geralmente produzidas em grande quantidade, enquanto as demais não são comumente utilizadas.

2.3 Requisitos para a Seleção de Materiais-Chave em Misturas Compostas

A fórmula dos tubos de PVC para abastecimento de água é composta principalmente por resina de PVC, estabilizantes, lubrificantes internos e externos, cargas, corantes, modificadores de impacto, auxiliares de processamento, etc., em uma determinada proporção. A seleção e a proporção de diversos materiais brutos desempenham um papel fundamental no desempenho e na utilização dos tubos.

O processamento de tubos de PVC tem altos requisitos para o desempenho do fluxo de fusão da resina de PVC. Na produção real, geralmente é selecionada a resina de PVC em suspensão do tipo SG-5. Os métodos de preparação do PVC dividem-se no método de etileno e no método de carbureto de cálcio. O método de etileno extrai etileno do petróleo, fazendo o gás cloro reagir com o etileno por meio de uma reação de substituição para produzir o monômero de cloreto de vinila, que posteriormente é polimerizado para gerar resina de cloreto de polivinila. Fabricantes representativos incluem Oxy Vinyl LP (EUA), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd., etc. O método de carbureto de cálcio é geralmente amplamente utilizado na China. Utiliza carbureto de cálcio (carbureto de cálcio) que, ao entrar em contato com água, gera acetileno, sintetiza o acetileno com cloreto de hidrogênio para produzir o monômero de cloreto de vinila, e depois gera a resina de cloreto de polivinila por meio de reação de polimerização.

O PVC é um dos polímeros mais termossensíveis da indústria e é propenso à degradação térmica. Os estabilizantes térmicos são aditivos indispensáveis no processamento de tubos de PVC. No processo de produção de tubos de PVC, os estabilizantes térmicos comumente utilizados atualmente são os estabilizantes à base de cálcio-zinco e os estabilizantes organoestânicos. Os estabilizantes à base de cálcio-zinco são principalmente usados na Europa, os estabilizantes organoestânicos são amplamente utilizados nos Estados Unidos, e ambos são empregados na China. Os estabilizantes à base de cálcio-zinco são geralmente estabilizantes compostos com uma quantidade relativamente alta de adição; os estabilizantes organoestânicos geralmente possuem uma baixa quantidade de adição e apresentam um bom efeito estabilizante na produção de tubos de médio e grande diâmetro. Se for exigida alta resistência aos agentes atmosféricos para os tubos, pode-se também adicionar uma quantidade apropriada de antioxidantes e estabilizantes à luz.

No processamento de tubos de PVC, os lubrificantes internos e externos também são indispensáveis. Os principais lubrificantes utilizados incluem ácido esteárico, parafina, cera de polietileno e estearato de cálcio, que também possui efeito estabilizante. A dosagem do sistema lubrificante deve ser determinada de acordo com os requisitos do equipamento e do projeto da fórmula do produto. O essencial é garantir que a mistura composta tenha um bom efeito de plastificação, de modo que a temperatura de deformação sob calor e as propriedades mecânicas dos tubos não sejam significativamente afetadas.

De acordo com o projeto do produto, cargas de carbonato de cálcio também podem ser adicionadas a tubos de PVC. As principais funções do carbonato de cálcio são melhorar a rigidez dos tubos, reduzir a taxa de retração e diminuir os custos. A adição de carbonato de cálcio reduz a resistência dos produtos tubulares e aumenta a fragilidade. Portanto, a quantidade de cargas de carbonato de cálcio na produção de tubos de PVC deve ser adequadamente controlada. O carbonato de cálcio é geralmente dividido em carbonato de cálcio pesado e carbonato de cálcio leve. A mistura composta com fórmula de carbonato de cálcio pesado apresenta boa fluidez e é adequada para sistemas centralizados de alimentação e transporte, especialmente sistemas pneumáticos de transporte; a mistura composta com fórmula de carbonato de cálcio leve tem fluidez relativamente pior e baixa densidade, mas tem pouco impacto na fórmula de tubos de abastecimento de água com pequena quantidade de adição.

A cor dos tubos de PVC é geralmente cinza ou azul. Os corantes comumente utilizados incluem principalmente dióxido de titânio, negro de fumo e azul ftalocianina. Geralmente, a quantidade adicionada de corantes é pequena, e eles precisam ter boa força de coloração e resistência aos agentes atmosféricos.

Modificadores de impacto e auxiliares de processamento são benéficos para melhorar a resistência ao impacto e o desempenho de processamento dos tubos de PVC durante a fabricação.

2.4 Requisitos para o Projeto da Fórmula de Misturas Compostas

Pode-se observar a partir dos itens 2.1 Requisitos de Desempenho para Misturas Compostas e 2.2 Requisitos de Classificação para Misturas Compostas que os requisitos para as misturas compostas dos quatro tipos de tubos são diferentes. Portanto, existem certas diferenças no projeto da fórmula e no custo dos quatro tipos de produtos de tubos. Para requisitos específicos de projeto da fórmula, consulte a Tabela 4. Devido a projetos diferentes dos produtos, também existem diferenças nos indicadores de desempenho do produto, que serão detalhados na Seção 5 deste artigo.

Tabela 4 Requisitos de Projeto da Fórmula para Quatro Tipos de Tubos de PVC para Abastecimento de Água

N.º 3 Pressão Interna Admissível e Resistência à Pressão Externa

3.1 Pressão Interna Admissível de Tubos

Tensão de projeto de tubos sob pressão:

σₛ = MRS / C (1)

Onde: σₛ — Tensão de projeto de tubos sob pressão, MPa; MRS — Resistência mínima exigida dos tubos, MPa; C — Coeficiente geral de serviço (projeto)

Os tubos de PVC são projetados para uma vida útil esperada de 50 anos. Ao transportar água a 20 °C, os valores máximos admissíveis de tensão de projeto para diversos tipos de tubos domésticos de PVC para abastecimento de água são mostrados na Tabela 5. A pressão nominal (pressão de projeto) e a pressão de trabalho para operação prolongada de 50 anos são calculadas conforme as Fórmulas (2) e (3), respectivamente.

Tabela 5 Valores Máximos Admissíveis de Tensão de Projeto para Diversos Tipos de Tubos de Pressão de PVC Doméstico

Nota: Existem muitas classes de materiais brutos para tubos PVC-O, que podem ser projetados com base nas normas de produtos PVC-O; para as classes 400 e 450 geralmente, o coeficiente global de serviço C é 1,6.

Pressão nominal (pressão de projeto) dos tubos:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Onde: P — Pressão nominal (pressão de projeto) dos tubos, MPa; σₛ — Tensão de projeto para tubos sob pressão, MPa; dₙ — Diâmetro externo nominal, mm; eₙ — Espessura nominal da parede, mm

De acordo com a CJJ 101-2016 "Código Técnico para Engenharia de Tubulações Enterradas de Abastecimento de Água em Plástico" 4.1.7, o valor característico da pressão de projeto do tubo é igual a 1,5 vezes o valor característico da pressão de trabalho, ou seja:

P = 1,5 × Pwk (3)

Onde: Pwk — Pressão de trabalho dos tubos, MPa

Pode-se observar que o coeficiente global de serviço (projeto) dos tubos PVC-UH é superior ao dos tubos PVC-M e dos tubos PVC-O, ou seja, oferece maior garantia de segurança durante o uso prolongado.

3.2 Resistência à Pressão Externa de Tubos

De acordo com a definição de rigidez anular em 2.4.2 da norma GB/T 19278-2018, a rigidez anular apresenta uma relação cúbica com a espessura da parede do tubo. A fórmula simplificada para o cálculo da rigidez anular (S) é:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Onde: S — Rigidez anular, kN/m²; E — Módulo de elasticidade do material da parede do tubo, especificado como 3000 MPa para tubos de PVC na norma; dₙ — Diâmetro externo nominal, mm; eₙ — Espessura nominal da parede, mm

Pode-se observar que, para tubos com o mesmo diâmetro externo, quanto maior a espessura da parede, maior a rigidez anelar e maior a resistência à deformação por pressão externa. A comparação da rigidez anelar dos quatro tipos de tubos é apresentada na Tabela 6 (tomando como exemplo tubos com pressão nominal de 1,0 MPa). Pode-se verificar pela Tabela 6 que, do ponto de vista de parâmetros de projeto, os tubos PVC-M e PVC-O podem ter espessuras de parede mais finas para atender aos requisitos de pressão de serviço, mas uma espessura de parede excessivamente fina também pode resultar em baixa resistência à deformação por pressão externa.

Tabela 6 - Comparação da Rigidez Anelar de Quatro Tipos de Tubos

Quando comparados com a mesma rigidez anelar, os tubos PVC-M e PVC-O possuem classes de pressão nominal mais elevadas. Devido aos maiores custos da fórmula do material e aos custos de processamento, seus custos também são superiores aos dos tubos PVC-U e PVC-UH.

NO.4 Requisitos do Indicador de Desempenho

4.1 Tubos de Abastecimento de Água PVC-U e PVC-UH

Existem certas diferenças nos indicadores de desempenho dos tubos de PVC-U especificados nas normas nacionais e na norma ISO 1452-2. Os requisitos de resistência à pressão são reduzidos, enquanto os requisitos de resistência ao impacto são aprimorados, ou seja, o requisito do ensaio de impacto com queda de peso (TIR) é ≤ 5%, o que impõe exigências mais rigorosas quanto à tenacidade dos tubos, comparado ao TIR ≤ 10% especificado nas normas ISO. Os tubos de PVC-UH são formulados com base na norma ISO para tubos de PVC-U destinados ao abastecimento de água e na norma norte-americana para tubos de PVC destinados ao abastecimento de água. Os requisitos de desempenho físico e mecânico dos tubos incluem o ensaio de achatamento e o desempenho hidrostático em tubo integral, permitindo o monitoramento da qualidade do produto em cada tubo. Além disso, os requisitos de resistência ao impacto são superiores aos das normas ISO, e o requisito do ensaio de impacto com queda de peso é elevado para TIR ≤ 5%, comparado às normas ISO. A comparação dos indicadores de desempenho entre os tubos nacionais de PVC-U para abastecimento de água e os tubos de PVC-UH para abastecimento de água está apresentada na Tabela 7.

Tabela 7 Comparação de Indicadores de Desempenho entre Tubos de Abastecimento de Água em PVC-U e PVC-UH

De acordo com a curva padrão de hidrostática de longo prazo do PVC-U 250 fornecida na ISO 1452-1:2009 (conforme mostrado na Figura 1), pode-se observar que, durante o ensaio hidrostático de longo prazo de tubos que atendem ao requisito de classificação da mistura composta MRS ≥ 25 MPa, o requisito de resistência à pressão de curto prazo também pode ser verificado pela curva padrão. O requisito de tensão circunferencial correspondente a 20 °C e 1 h é de 42 MPa, e o requisito de tensão circunferencial correspondente a 60 °C e 1000 h é de 10 MPa. Pode-se verificar pela Tabela 7 que os tubos PVC-UH atendem aos requisitos de resistência à pressão da curva padrão de hidrostática de longo prazo do PVC-U 250, enquanto os tubos PVC-U especificados nas normas nacionais são inferiores aos requisitos da curva padrão em termos de indicadores de resistência à pressão de curto prazo (tensão circunferencial de 38 MPa a 20 °C e 1 h), além de não atenderem ao requisito de projeto MRS ≥ 25 MPa para tubos PVC-U especificado nas normas nacionais.

4.2 Tubos de Abastecimento de Água PVC-M

A Tabela 8 mostra os requisitos de desempenho padrão para tubos de PVC-M para abastecimento de água. Pode-se observar que os produtos de PVC-M possuem previsões quanto ao impacto com peso em queda, ensaio hidrostático de tubo entalhado e tenacidade no ensaio do anel C. Para tubos com dn ≥ 110 mm, é especificado um ensaio de impacto de alta velocidade a 23 °C e 20 m, o que impõe requisitos elevados à resistência ao impacto e à tenacidade do produto. Produtos tubulares fabricados conforme a norma nacional para PVC-M apresentam boa tenacidade e resistência ao impacto.

Tabela 8 Requisitos de Desempenho para Tubos de PVC-M para Abastecimento de Água (GB/T 32018.1-2015)

Além dos altos requisitos de resistência ao impacto e tenacidade, os produtos de tubos PVC-M também possuem requisitos de resistência à pressão. Portanto, o custo da fórmula dos tubos PVC-M produzidos conforme normas é maior do que o dos tubos convencionais PVC-U ou PVC-UH, e o rendimento de processamento é relativamente baixo; devido à redução do coeficiente global de serviço (projeto), sua pressão nominal é um grau superior à dos tubos convencionais PVC-U ou PVC-UH. Assim, o custo por metro de tubos com a mesma classe de pressão é basicamente o mesmo, ou ligeiramente superior no caso dos tubos PVC-M. Para linhas de engenharia enterradas, a resistência à pressão a longo prazo é o principal indicador do produto, enquanto a resistência ao impacto e a tenacidade precisam apenas atender aos requisitos de uso normal.

4.3 Tubos de Abastecimento de Água PVC-O

A Tabela 9 mostra os requisitos padrão de desempenho para tubos de PVC-O para abastecimento de água. Os tubos de PVC-O são um tipo especial de tubo de PVC com estrutura de cadeia molecular formado pelo estiramento axial e radial do tubo de PVC-U extrudido, por meio de equipamentos de conformação secundária e um determinado processo, fazendo com que as longas cadeias moleculares de PVC no tubo se alinhem regularmente em direção biaxial. A dificuldade de produção é elevada, e os requisitos para fórmula, equipamentos e processo são muito rigorosos. Atualmente, o diâmetro máximo que pode ser produzido nacional e internacionalmente é de apenas 630 mm, o rendimento de produção é inferior ao dos outros três tipos de tubos, e tanto a fórmula de produção quanto o custo de processamento são altos.

Tabela 9 Requisitos de Desempenho para Tubos de PVC-O para Abastecimento de Água (CJ/T 445-2014)

Nota: A estrutura adesiva com boca plana não deve ser utilizada em tubos PVC-O.