Comparația standardelor, proiectării și performanței PVC-U, PVC-UH, PVC-M și PVC-O NR.1 Introducere în standardele produselor

Compararea standardelor, proiectării și performanței pentru PVC-U, PVC-UH, PVC-M și PVC-O

NO.1 Introducere în standardele produselor

Conductele de alimentare cu apă din PVC-U, PVC-UH, PVC-M și PVC-O sunt toate conducte rigide din clorură de polivinil solidă. Sunt utilizate în principal pentru conductele principale și ramificațiile sistemelor îngropate de transport sub presiune a apei unde temperatura apei nu depășește 45 °C, dar pot fi folosite și în interior sau în galerii de conducte. Standardele și specificațiile actuale ale celor patru tipuri de conducte sunt prezentate în Tabelul 1.

NO.2 Cerințe tehnice pentru amestecuri compuse

Amestecul compus se referă la amestecul omogen dintre rășina de bază PVC și diverse aditivi necesari, care reprezintă materialul primar utilizat direct pentru extrudarea conductelor din PVC. Pentru conductele sub presiune, proiectarea formulei și indicatorii de performanță ai amestecurilor compuse din PVC sunt esențiali, influențând direct performanța produsului și durata sa de viață pe termen lung. Pentru informații privind influența rășinii PVC și a diversilor aditivi asupra performanței produsului, consultați "Proiectarea Formulei PVC și Prelucrarea Produsului". Acest capitol prezintă în principal indicatorii de performanță, cerințele de clasificare și cerințele de proiectare a formulei amestecurilor compuse.

2.1 Cerințe de performanță pentru amestecurile compuse

Între conductele de alimentare cu apă din PVC din China, conductele PVC-UH specifică cerințele privind performanța fizică și mecanică pentru amestecurile compuse, având ca referință standardul american pentru conducte de apă din PVC AWWA C900, așa cum este prezentat în Tabelul 2. În prezent, nu există prevederi privind indicatorii de performanță ai amestecurilor compuse pentru celelalte tipuri de conducte de alimentare cu apă din PVC. Aceste cerințe permit o mai bună controlare a selecției materiilor prime și formulelor pentru conducte, precum și a controlului calității.

Tabelul 2 Cerințe privind Performanța Fizică și Mecanică pentru Amestecurile Compuse din PVC Specificate pentru Conductele de Alimentare cu Apă PVC-UH

cerințe de clasificare pentru amestecuri compuse

Țevile din PVC sub presiune sunt proiectate pentru o durată de funcționare de 50 de ani. Amestecurile compuse ale țevilor trebuie să fie supuse unor teste de clasificare a amestecurilor conform ISO 9080 sau GB/T 18252, adică teste de rezistență hidrostatică pe termen lung ale amestecurilor compuse sub formă de țevi, caracterizate prin rezistența de clasificare corespunzătoare la 20 °C și 50 de ani, numită Rezistența Minimă Necesară (MRS). Cerințele de clasificare pentru amestecurile compuse ale țevilor din PVC-U, PVC-UH, PVC-M și PVC-O utilizate la alimentarea cu apă sunt prezentate în Tabelul 3.

Tabelul 3 Cerințe de clasificare pentru amestecuri compuse ale țevilor din PVC pentru alimentarea cu apă

În ISO 1452-1:2009 sunt clasificate materialele. Conform rezistenței hidrostatice minime necesare a materialelor, MRS pentru materialele din PVC destinate conductelor este specificat la 25 MPa, adică gradul materialului este PVC-U 250. Standardul național pentru conducte din PVC-U, GB/T 10002.1-2006, nu specifică clasa de presiune a amestecurilor compuse pentru conducte. Conductele de alimentare cu apă PVC-UH specifică o cerință de clasificare MRS ≥ 25 MPa pentru amestecurile compuse. MRS pentru conductele PVC-M este ≥ 24,5 MPa.

MRS pentru conductele PVC-O specificat în standardele ISO este împărțit în 5 tipuri: 31,5, 35,5, 40, 45 și 50 MPa, corespunzând codurilor de calitate ale materiei prime 315, 355, 400, 450 și 500 respectiv. Dintre acestea, clasele 400 și 450 sunt în general produse în cantități mari, în timp ce celelalte nu sunt utilizate frecvent.

2.3 Cerințe privind selecția materialelor cheie în amestecurile compuse

Formula conductelor de alimentare cu apă din PVC este compusă în principal din rășină PVC, stabilizatori, lubrifianti interni și externi, umpluturi, coloranți, agenți de modificare a rezistenței la impact, aditivi pentru prelucrare etc., într-o anumită proporție. Alegerea și proporția diferitelor materii prime joacă un rol esențial în performanța și utilizarea conductelor.

Prelucrarea conductelor din PVC impune cerințe ridicate privind performanța de curgere în topitură a rășinii PVC. În producția reală, se selectează în general rășina PVC în suspensie de tip SG-5. Metodele de obținere a PVC sunt împărțite în metoda etilenică și metoda carbura de calciu. Metoda etilenică extrage etilena din petrol, face ca gazul de clor să reacționeze cu etilena printr-o reacție de substituție pentru a produce monomer de clorură de vinil, care este apoi polimerizat pentru a genera rășină de policlorură de vinil. Producători reprezentativi includ Oxy Vinyl LP (SUA), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd., etc. Metoda carbura de calciu este în general utilizată pe scară largă în China. Aceasta folosește carbura de calciu (carbura de calciu) pentru a genera acetilenă la contactul cu apa, sintetizează acetilena cu acid clorhidric pentru a produce monomer de clorură de vinil, iar apoi generează rășină de policlorură de vinil prin reacție de polimerizare.

PVC este unul dintre cei mai termosensibili polimeri din industrie și este predispus la degradare termică. Stabilizatorii termici sunt aditivi indispensabili în procesarea conductelor din PVC. În procesul de producție al conductelor din PVC, stabilizatorii termici utilizați în prezent sunt în principal stabilizatori pe bază de calciu-zinc și stabilizatori organostanici. Stabilizatorii pe bază de calciu-zinc sunt utilizați în principal în Europa, stabilizatorii organostanici sunt larg răspândiți în Statele Unite, iar în China se folosesc ambele tipuri. Stabilizatorii pe bază de calciu-zinc sunt în general stabilizatori compuși, cu o cantitate relativ mare de adiție; stabilizatorii organostanici au în general o cantitate mică de adiție și exercită un efect bun de stabilizare în producția conductelor de diametru mediu și mare. Dacă pentru conducte este necesară o rezistență ridicată la intemperii, se pot adăuga, de asemenea, cantități corespunzătoare de antioxidanți și stabilizatori la lumină.

În procesarea conductelor din PVC, lubrifiantii interni și externi sunt de asemenea indispensabili. Lubrifiantii principali utilizați includ acid stearic, parafină, ceară de polietilenă și stearat de calciu, care are și un efect stabilizator. Dozarea sistemului de ungere trebuie determinată în funcție de cerințele echipamentului și de proiectarea formulei produsului. Esențial este asigurarea unui bun efect de plasticizare a amestecului, astfel încât temperatura de deformare la căldură și proprietățile mecanice ale conductelor să nu fie afectate semnificativ.

În funcție de proiectarea produsului, umpluturi din carbonat de calciu pot fi adăugate și la conductele din PVC. Funcțiile principale ale carbonatului de calciu sunt îmbunătățirea rigidității conductelor, reducerea ratei de contracție și reducerea costurilor. Adăugarea de carbonat de calciu va reduce rezistența produselor din țevi și va crește fragilitatea. Prin urmare, cantitatea de umpluturi din carbonat de calciu în producția conductelor din PVC trebuie controlată corespunzător. Carbonatul de calciu este în general împărțit în carbonat de calciu greu și carbonat de calciu ușor. Amestecul compus cu formulă pe bază de carbonat de calciu greu are o bună fluiditate și este potrivit pentru sisteme centralizate de alimentare și transport, în special sistemele de transport pneumatic; amestecul compus cu formulă pe bază de carbonat de calciu ușor are o fluiditate relativ redusă și densitate scăzută, dar are un impact mic asupra formulei conductelor de alimentare cu apă cu o cantitate mică de adaos.

Culoarea conductelor din PVC este în general gri sau albastră. Coloranții utilizați frecvent includ în principal dioxid de titan, funingine de carbon și albastru ftalocianinic. În general, cantitatea adăugată de coloranți este mică, iar aceștia trebuie să aibă o putere de colorare bună și rezistență la intemperii.

Modificatorii de impact și agenții de prelucrare sunt benefice pentru îmbunătățirea rezistenței la impact și a performanței la prelucrare a conductelor din PVC în timpul procesării.

2.4 Cerințe privind proiectarea formulei amestecurilor compuse

Se poate observa din 2.1 Cerințe de performanță pentru amestecurile compuse și 2.2 Cerințe de clasificare pentru amestecurile compuse că cerințele pentru amestecurile compuse ale celor patru tipuri de conducte sunt diferite. Prin urmare, există anumite diferențe în proiectarea formulei și costul celor patru tipuri de produse conducte. Pentru cerințele specifice de proiectare a formulei, consultați Tabelul 4. Din cauza unor proiectări diferite ale produselor, există și diferențe în indicatorii de performanță ai produselor, care vor fi detaliate în Secțiunea 5 a acestui document.

Tabelul 4 Cerințe de proiectare a formulei pentru cele patru tipuri de conducte de alimentare cu apă din PVC

NO.3 Presiune internă admisibilă și rezistență la presiune externă

3.1 Presiunea internă admisibilă a conductelor

Tensiunea de proiectare a conductelor sub presiune:

σₛ = MRS / C (1)

Unde: σₛ — Tensiunea de proiectare a conductelor sub presiune, MPa; MRS — Rezistența minimă necesară a conductelor, MPa; C — Coeficientul general de exploatare (proiectare)

Conductele din PVC sunt proiectate pentru o durată de viață previzibilă de 50 de ani. La transportul apei la 20 °C, valorile maxime admise ale tensiunii de proiectare pentru diferite tipuri de conducte domestice din PVC pentru alimentare cu apă sunt prezentate în tabelul 5. Presiunea nominală (presiunea de proiectare) și presiunea de lucru pentru o funcționare pe termen lung de 50 de ani se calculează conform formulei (2) și formulei (3), respectiv.

Tabelul 5 Valori Maxime Admise ale Tensiunii de Proiectare pentru Diferite Tipuri de Conducte Sub Presiune Din PVC

Notă: Există multe clase de materii prime pentru conductele PVC-O, care pot fi proiectate cu referire la standardele produselor PVC-O; în general, pentru clasele 400 și 450, coeficientul general de utilizare C este 1,6.

Presiunea nominală (presiunea de calcul) a conductelor:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Unde: P — Presiunea nominală (presiunea de calcul) a conductelor, MPa; σₛ — Tensiunea de calcul a conductelor sub presiune, MPa; dₙ — Diametrul exterior nominal, mm; eₙ — Grosimea nominală a peretelui, mm

Conform CJJ 101-2016 „Cod tehnic pentru ingineria conductelor îngropate din plastic pentru alimentarea cu apă” 4.1.7, valoarea standard a presiunii de calcul a conductei este egală cu de 1,5 ori valoarea standard a presiunii de funcționare, adică:

P = 1,5 × Pwk (3)

Unde: Pwk — Presiunea de funcționare a conductelor, MPa

Se poate observa că coeficientul general de utilizare (de calcul) al conductelor PVC-UH este mai mare decât cel al conductelor PVC-M și al conductelor PVC-O, adică oferă o garanție de siguranță mai mare în timpul utilizării pe termen lung.

3.2 Rezistența la presiune externă a conductelor

Conform definiției rigidității inelare din 2.4.2 din GB/T 19278-2018, rigiditatea inelară are o relație cubică cu grosimea peretelui conductei. Formula simplificată de calcul a rigidității inelare (S) este:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Unde: S — Rigiditate inelară, kN/m² E — Modulul de elasticitate al materialului peretelui conductei, care este specificat ca 3000 MPa pentru conductele din PVC în specificație dₙ — Diametrul exterior nominal, mm eₙ — Grosimea nominală a peretelui, mm

Se poate observa că, pentru conducte cu același diametru exterior, cu cât grosimea peretelui este mai mare, cu atât rigiditatea inelară este mai mare și cu atât rezistența la deformația datorată presiunii externe este mai puternică. Comparația rigidității inelare a celor patru tipuri de conducte este prezentată în Tabelul 6 (luând conducte cu o presiune nominală de 1,0 MPa ca exemplu). Se poate observa din Tabelul 6 că, din punctul de vedere al parametrilor de proiectare, conductele PVC-M și PVC-O pot alege grosimi ale peretelui mai subțiri pentru a satisface cerințele de presiune în funcționare, dar o grosime prea mică a peretelui poate duce, de asemenea, la o rezistență slabă la deformația datorată presiunii externe.

Tabelul 6 – Comparația rigidității inelare a patru tipuri de conducte

Atunci când se compară la aceeași rigiditate inelară, conductele PVC-M și PVC-O au clase de presiune nominală mai mari. Din cauza costurilor mai mari ale formulei materialelor și a costurilor de procesare, costul acestor conducte este, de asemenea, mai mare decât cel al conductelor PVC-U și PVC-UH.

Cerințe privind indicatorii de performanță nr. 4

4.1 Conducte de alimentare cu apă din PVC-U și PVC-UH

Există anumite diferențe în indicatorii de performanță ai conductelor din PVC-U specificați în standardele naționale și cei specificați în standardele ISO 1452-2. Cerințele privind rezistența la presiune sunt reduse, iar cerințele privind rezistența la impact sunt îmbunătățite, adică cerința pentru testul de impact cu greutate căzătoare (TIR) este ≤ 5 %, ceea ce impune cerințe mai riguroase privind tenacitatea conductelor comparativ cu cerința TIR ≤ 10 % prevăzută în standardele ISO. Conductele din PVC-UH sunt formulate pe baza standardului ISO pentru conductele din PVC-U destinate alimentării cu apă și a standardului american pentru conductele din PVC destinate alimentării cu apă. Cerințele privind performanțele fizice și mecanice ale conductelor includ testul de aplatizare și performanța hidrostatică pe întreaga lungime a conductei, asigurând astfel monitorizarea calității produsului pentru fiecare conductă. În plus, cerințele privind rezistența la impact sunt mai ridicate decât cele ale standardelor ISO, iar cerința pentru testul de impact cu greutate căzătoare este crescută la TIR ≤ 5 % comparativ cu standardele ISO. Comparația indicatorilor de performanță între conductele naționale din PVC-U destinate alimentării cu apă și conductele din PVC-UH destinate alimentării cu apă este prezentată în Tabelul 7.

Tabelul 7 Compararea indicatorilor de performanță între conductele din PVC-U și PVC-UH pentru alimentare cu apă

Conform curbei standardului hidrostatice pe termen lung pentru PVC-U 250 prezentată în ISO 1452-1:2009 (așa cum este ilustrat în Figura 1), se poate observa că, în timpul testului hidrostatic pe termen lung al conductelor care îndeplinesc cerința de clasificare a amestecului compus de MRS ≥ 25 MPa, cerința de rezistență la presiune pe termen scurt poate fi observată și ea din curba standard. Cerința de tensiune circumferențială corespunzătoare la 20 °C și 1 h este de 42 MPa, iar cerința de tensiune circumferențială corespunzătoare la 60 °C și 1000 h este de 10 MPa. Se poate observa din Tabelul 7 că conductele PVC-UH îndeplinesc cerințele de rezistență la presiune ale curbei standard hidrostatice pe termen lung PVC-U 250, în timp ce conductele PVC-U prevăzute în standardele naționale sunt sub cerințele curbei standard în ceea ce privește indicatorii de rezistență la presiune pe termen scurt (20 °C, 1 h, tensiune circumferențială de 38 MPa) și, de asemenea, nu îndeplinesc cerința de proiectare MRS ≥ 25 MPa pentru conductele PVC-U prevăzute în standardele naționale.

4.2 Conducte de alimentare cu apă PVC-M

Tabelul 8 arată cerințele standard de performanță pentru conductele din PVC-M destinate alimentării cu apă. Se poate observa că produsele din PVC-M au prevederi privind impactul cu greutatea în cădere, testul hidrostatic al conductelor crestăturate și tenacitatea inel C. Pentru conductele cu dn ≥ 110 mm, este specificat un test de impact la viteză înaltă la 23 °C și 20 m, care impune cerințe ridicate privind rezistența la impact și tenacitatea produsului. Produsele conducte fabricate conform standardului național pentru PVC-M prezintă o bună tenacitate și rezistență la impact.

Tabelul 8 Cerințe de Performanță pentru Conductele din PVC-M pentru Alimentarea cu Apă (GB/T 32018.1-2015)

În plus față de cerințele ridicate privind rezistența la impact și tenacitate, produsele din tuburi PVC-M au, de asemenea, cerințe privind rezistența la presiune. Prin urmare, costul formulei pentru produsele din tuburi PVC-M fabricate conform standardelor este mai mare decât cel al tuburilor convenționale din PVC-U sau PVC-UH, iar randamentul de procesare este relativ scăzut; datorită reducerii coeficientului lor global de serviciu (de proiectare), presiunea nominală este cu o treaptă superioară celei ale tuburilor convenționale din PVC-U sau PVC-UH. Astfel, costul pe metru al tuburilor cu aceeași treaptă de presiune este, în esență, același, sau ușor mai ridicat pentru tuburile PVC-M. Pentru conductele de inginerie îngropate, rezistența la presiune pe termen lung reprezintă principalul indicator al produsului, iar rezistența la impact și tenacitatea trebuie doar să îndeplinească cerințele utilizării normale.

4.3 Tuburi PVC-O pentru alimentare cu apă

Tabelul 9 prezintă cerințele standard de performanță pentru conductele din PVC-O utilizate la alimentarea cu apă. Conductele din PVC-O sunt un tip special de țeavă din PVC cu structură moleculară în lanț, format prin întinderea axială și radială a țevii din PVC-U extrudată, prin echipamente de formare secundară și un anumit proces, astfel încât moleculele lungi de PVC din țeavă să fie aranjate regulat în direcția biaxială. Dificultatea de producție este mare, iar cerințele privind formulă, echipament și proces sunt foarte ridicate. În prezent, diametrul maxim care poate fi produs în țară și străinătate este doar de 630 mm, randamentul de producție este mai scăzut decât cel al celorlalte trei tipuri de țevi, iar formula de producție și costurile de procesare sunt ambele ridicate.

Tabelul 9 Cerințe de performanță pentru conductele din PVC-O utilizate la alimentarea cu apă (CJ/T 445-2014)

Notă: Structura gurii plate lipită cu adeziv nu trebuie utilizată pentru conductele PVC-O.