Jämförelse av standarder, design och prestanda för PVC-U, PVC-UH, PVC-M och PVC-O NR.1 Introduktion till produktstandarder

Jämförelse av standarder, design och prestanda för PVC-U, PVC-UH, PVC-M och PVC-O

NR.1 Introduktion till produktstandarder

PVC-U, PVC-UH, PVC-M och PVC-O vattenledningsrör är alla hård polyvinylklorid rör med solid vägg. De används främst för huvud- och grenledningar i inbäddade tryckvattensystem där wattnets temperatur inte överstiger 45 °C, och kan även användas inomhus eller i rörgångar. De aktuella standarderna och specifikationerna för de fyra typerna av rör visas i tabell 1.

NO.2 Tekniska krav för sammansatta blandningar

Sammansatt blandning avser en jämn blandning av grundharts PVC och olika nödvändiga tillsatser, vilket är råmaterialet som direkt används för extrudering av PVC-rör. För tryckledningar är formuleringsdesignen och prestandaindikatorerna för PVC:s sammansatta blandningar avgörande, eftersom de direkt påverkar produktens prestanda och livslängd. För inverkan av PVC-harts och olika tillsatser på produktens prestanda, se "PVC-formuleringsdesign och produktbearbetning". Detta kapitel behandlar främst prestandaindikatorer, klassificeringskrav och krav på formuleringsdesign för sammansatta blandningar.

2.1 Prestandakrav för sammansatta blandningar

Bland PVC-rör för vattenförsörjning i Kina anger PVC-UH-rör de fysikaliska och mekaniska prestandakraven för sammansatta blandningar med hänvisning till den amerikanska standarden för PVC-vattenledningsrör AWWA C900, vilket visas i tabell 2. För närvarande finns det inga krav på prestandaindikatorer för sammansatta blandningar för andra typer av PVC-vattenledningsrör. Dessa krav gör det möjligt att bättre styra valet av råmaterial och formler för rören samt kvalitetskontroll.

Tabell 2 Fysikaliska och mekaniska prestandakrav för PVC-sammansatta blandningar som anges för PVC-UH-vattenledningsrör

2.2 Klassificeringskrav för sammansatta blandningar

PVC-rör för tryck används för en livslängd på 50 år. Sammansatta blandningar av rören skall utsättas för klassificeringstester enligt ISO 9080 eller GB/T 18252, det vill säga långsiktiga hydrostatiska hållfasthetstester av de sammansatta blandningarna i form av rör, karakteriserade av klassificeringshållfastheten vid 20 °C och 50 år, nämligen den Minsta Erforderliga Hållfastheten (MRS). Klassificeringskraven för sammansatta blandningar av PVC-U, PVC-UH, PVC-M och PVC-O vattenledningsrör visas i tabell 3.

Tabell 3 Klassificeringskrav för sammansatta blandningar av PVC-vattenledningsrör

Enligt ISO 1452-1:2009 klassificeras material. Baserat på det minsta krävda hydrostatiska hållfastheten för material anges MRS för PVC-material för rör till 25 MPa, dvs. materialgraden är PVC-U 250. Den nationella standarden för PVC-U-rör, GB/T 10002.1-2006, anger inte tryckklassen för sammansatta blandningar av rörmaterial. PVC-UH vattenledningsrör anger ett klassificeringskrav på MRS ≥ 25 MPa för de sammansatta blandningarna. MRS för PVC-M-rör är ≥ 24,5 MPa.

MRS för PVC-O-rör enligt ISO-standarder är indelad i 5 typer: 31,5, 35,5, 40, 45 och 50 MPa, vilket motsvarar koderna för råmaterialgrader 315, 355, 400, 450 och 500 respektive. Här produceras vanligtvis grader 400 och 450 i stora mängder, medan de övriga sällan används.

2.3 Krav för val av nyckelmaterial i sammansatta blandningar

Formeln för PVC-vattenledningsrör består huvudsakligen av PVC-harv, stabiliseringsmedel, inre och yttre smörjmedel, fyllnadsmedel, färgämnen, slagmodifierare, processhjälpmedel etc. i en viss proportion. Valet och proportionen av olika råmaterial spelar en avgörande roll för rörens prestanda och användning.

Bearbetningen av PVC-rör ställer höga krav på smältflödesprestanda för PVC-har. I praktisk produktion väljs vanligtvis suspensions-PVC-har av typ SG-5. PVC-tillverkningsmetoder delas in i etylenmetoden och kalciumkarbidmetoden. Etylenmetoden innebär att etylen utvinns från råolja, varefter klor reagerar med etylen genom substitutionsreaktion för att bilda vinylkloridmonomer, som sedan polymeriseras till polyvinylkloridhar. Exempel på representativa tillverkare är Oxy Vinyl LP (USA), Sinopec Qilu Petrochemical Company, Tianjin LG Dagu Chemical Co., Ltd. etc. Kalciumkarbidmetoden används generellt sett mycket i Kina. Den använder kalciumkarbid (kalciumkarbid) som vid kontakt med vatten bildar acetylen, vilken sedan syntetiseras med väteklorid till vinylkloridmonomer, för att därefter bilda polyvinylkloridhar genom polymerisationsreaktion.

PVC är ett av de mest värmekänsliga polymererna inom industrin och är benäget att genomgå termisk nedbrytning. Värmestabilisatorer är oersättliga tillsatsmedel vid bearbetning av PVC-rör. I tillverkningsprocessen av PVC-rör används idag främst kalcium-zink-stabilisatorer och organotinn-stabilisatorer. Kalcium-zink-stabilisatorer används huvudsakligen i Europa, organotinn-stabilisatorer är vida utbredda i USA, medan båda typerna används i Kina. Kalcium-zink-stabilisatorer är vanligtvis sammansatta stabilisatorer med en relativt hög tillsatsmängd; organotinn-stabilisatorer har vanligtvis en låg tillsatsmängd och ger en god stabiliserande effekt vid produktion av medelstora och stora rör. Om hög väderbeständighet krävs för rören kan även en lämplig mängd antioxidanter och ljusstabilisatorer tillsättas.

Vid bearbetning av PVC-rör är interna och externa smörjmedel också oersättliga. De främsta smörjmedlen som används inkluderar stearinsyra, paraffin, polyetenvax och kalciumstearat, vilket även har en stabiliserande effekt. Mängden av smörjsystemet ska bestämmas utifrån kraven på utrustning och produktformulering. Nyckeln är att säkerställa att blandblandningen har en god plastifieringseffekt, så att värmedeformationstemperaturen och de mekaniska egenskaperna hos rören inte påverkas i betydande grad.

Enligt produktutformningen kan kalciumkarbonatfyllnader också tillsättas till PVC-rör. Huvudfunktionerna för kalciumkarbonat är att förbättra rörens styvhet, minska krympningsgraden och sänka kostnaderna. Tillsats av kalciumkarbonat minskar styrkan i rörmaterialet och ökar sprödheten. Därför bör mängden kalciumkarbonatfyllnader vid tillverkning av PVC-rör kontrolleras på ett lämpligt sätt. Kalciumkarbonat delas vanligtvis in i tungt kalciumkarbonat och lätt kalciumkarbonat. Blandningskompositten med tungt kalciumkarbonat har god strömningsförmåga och är lämplig för centraliserade påfyllnings- och transportsystem, särskilt pneumatkopplade transportsystem; blandningskompositten med lätt kalciumkarbonat har relativt dålig strömningsförmåga och låg densitet, men har liten inverkan på vattenledningsformeln vid små tillsatsmängder.

Färgen på PVC-rör är vanligtvis grå eller blå. De vanligast använda pigmenten inkluderar titanoxid, sot och ftalocyaninblått. Normalt är tillsatsmängden av pigment liten, och de måste ha god färgstyrka och väderbeständighet.

Slagmodifierare och bearbetningshjälpmedel är fördelaktiga för att förbättra slagstyrkan och bearbetningsegenskaperna hos PVC-rör under bearbetning.

2.4 Krav på formuleringsdesign av sammansatta blandningar

Det framgår av 2.1 Prestandakrav för sammansatta blandningar och 2.2 Klassificeringskrav för sammansatta blandningar att kraven på sammansättningen för de fyra rörsorterna är olika. Därför finns det vissa skillnader i formelutformning och kostnad för de fyra typerna av rörsprodukter. För specifika krav på formelutformning, se Tabell 4. På grund av olika produktutformning föreligger också skillnader i produktets prestandaindikatorer, vilket kommer att beskrivas i detalj i avsnitt 5 i detta dokument.

Tabell 4 Krav på formelutformning för fyra typer av PVC-vattenledningsrör

NO.3 Tillåtet inre tryck och motståndskraft mot yttre tryck

3.1 Tillåtet inre tryck i rör

Konstruktionspänning för tryckledningar:

σₛ = MRS / C (1)

Där: σₛ — Designspänning för trykrör, MPa MRS — Minsta erforderliga styrka för rör, MPa C — Total servicekoefficient (designkoefficient)

PVC-rör är dimensionerade för en förväntad livslängd på 50 år. När vatten transporteras vid 20 °C visas de maximalt tillåtna värdena för designspänning för olika inhemska PVC-vattenledningsrör i tabell 5. Den nominella trycket (dimensionerande tryck) och driftstrycket för långtidsdrift på 50 år beräknas enligt formel (2) respektive formel (3).

Tabell 5 Maximalt tillåtna värden för designspänning för olika inhemska PVC-tryckrör

Obs: Det finns många råmaterialklasser för PVC-O-rör, vilka kan dimensioneras med hänvisning till PVC-O-produktstandarder; för klasser 400 och 450 är den övergripande användningskoefficienten C vanligtvis 1,6.

Nominellt tryck (dimensionerande tryck) för rör:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Där: P — Nominellt tryck (dimensionerande tryck) för rör, MPa σₛ — Dimensionerande spänning för tryckbelastade rör, MPa dₙ — Nominell ytterdiameter, mm eₙ — Nominell väggtjocklek, mm

Enligt CJJ 101-2016 "Teknisk kod för ingjutna plastvattenledningar" 4.1.7 är standardvärdet för rörens dimensionerande tryck lika med 1,5 gånger standardvärdet för driftstrycket, dvs.:

P = 1,5 × Pwk (3)

Där: Pwk — Driftstryck för rör, MPa

Det framgår att den övergripande användnings- (dimensionerings-) koefficienten för PVC-UH-rör är högre än för PVC-M-rör och PVC-O-rör, det vill säga att de ger högre säkerhetsmarginal vid långvarig användning.

3.2 Yttre tryckmotstånd hos rör

Enligt definitionen av ringstivhet i 2.4.2 av GB/T 19278-2018 har ringstivheten ett kubiskt samband med rörets väggtjocklek. Den förenklade beräkningsformeln för ringstivhet (S) är:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Där: S — Ringstivhet, kN/m² E — Elasticitetsmodul för rörets väggmaterial, som anges till 3000 MPa för PVC-rör i specifikationen dₙ — Nominell ytterdiameter, mm eₙ — Nominell väggtjocklek, mm

Det kan ses att för rör med samma ytterdiameter innebär större väggtjocklek högre ringstelthet och bättre motståndskraft mot deformation vid yttre tryck. Jämförelse av ringsteltheten för de fyra typerna av rör visas i tabell 6 (rör med ett nominellt tryck på 1,0 MPa används som exempel). Av tabell 6 framgår det att ur konstruktionsparametrars synvinkel kan PVC-M- och PVC-O-rör välja tunnare väggtjocklekar för att uppfylla driftstryckskraven, men alltför tunn väggtjocklek kan också leda till sämre motstånd mot deformation vid yttre tryck.

Tabell 6 Jämförelse av ringstelthet för fyra typer av rör

När jämförelse görs med samma ringstelthet har PVC-M- och PVC-O-rör högre nominella tryckklasser. På grund av högre materialkostnader och bearbetningskostnader är även deras rörrkostnader högre än för PVC-U- och PVC-UH-rör.

NO.4 Prestandaindikatorer Krav

4.1 PVC-U och PVC-UH Vattenledningsrör

Det finns vissa skillnader i prestandaindikatorerna för PVC-U-rör enligt nationella standarder jämfört med de som anges i ISO 1452-2-standarder. Kraven på tryckhållfasthet har sänkts, medan kraven på slaghållfasthet har förbättrats, dvs. kravet på fallviktsslagprov (TIR) är ≤ 5 %, vilket ställer högre krav på rörens tålighet jämfört med TIR ≤ 10 % enligt ISO-standarder. PVC-UH-rör formuleras med referens till ISO-standard för PVC-U-vattenledningsrör och amerikansk standard för PVC-vattenledningsrör. De fysikaliska och mekaniska prestandakraven på rören inkluderar plattningstest och fullständigt hydrostatiskt trycktest för hela röret, vilket möjliggör kvalitetsövervakning av varje enskilt rör. Dessutom är kraven på slaghållfasthet högre än enligt ISO-standarder, och kravet vid fallviktsslagprov har höjts till TIR ≤ 5 % jämfört med ISO-standarderna. Jämförelse av prestandaindikatorer mellan inhemska PVC-U-vattenledningsrör och PVC-UH-vattenledningsrör visas i tabell 7.

Tabell 7 Jämförelse av prestandaindikatorer mellan PVC-U och PVC-UH vattenledningsrör

Enligt den långsiktiga hydrostatiska standardkurvan för PVC-U 250 som anges i ISO 1452-1:2009 (som visas i figur 1) kan man se att vid långsiktig hydrostatisk provning av rör som uppfyller kraven på sammansättningsblandningsklassificering MRS ≥ 25 MPa, kan även kraven på kortsiktig tryckhållfasthet avläsas från standardkurvan. Kravet på ringpåkänning motsvarande 20 °C och 1 h är 42 MPa, och kravet på ringpåkänning motsvarande 60 °C och 1000 h är 10 MPa. Enligt tabell 7 uppfyller PVC-UH-rör kraven på tryckhållfasthet enligt den långsiktiga hydrostatiska standardkurvan för PVC-U 250, medan PVC-U-rör enligt nationella standarder har lägre värden än kraven i standardkurvan vad gäller kortsiktiga tryckhållfasthetsindikatorer (20 °C, 1 h, 38 MPa ringpåkänning), och uppfyller dessutom inte konstruktionskravet MRS ≥ 25 MPa för PVC-U-rör enligt nationella standarder.

4.2 PVC-M Vattenledningsrör

Tabell 8 visar de standardiserade prestandakraven för PVC-M-rör för vattenförsörjning. Det framgår att PVC-M-produkter har krav på slaghållfasthet vid fallvikt, hydrostatisk provning av notchat rör och C-ring-toughness. För rör med dn ≥ 110 mm anges en höghastighetsimpaktprovning vid 23 °C och 20 m, vilket ställer höga krav på produkternas slaghållfasthet och toughhet. Rörprodukter tillverkade enligt den nationella standarden för PVC-M har god toughhet och slaghållfasthet.

Tabell 8 Prestandakrav för PVC-M-rör för vattenförsörjning (GB/T 32018.1-2015)

Förutom höga krav på slagstyrka och tålig het har PVC-M-rörprodukter även krav på tryckhållfasthet. Därför är formelkostnaden för PVC-M-rörprodukter tillverkade enligt standard högre än för konventionella PVC-U- eller PVC-UH-rör, och bearbetningskapaciteten är relativt låg; på grund av minskningen av deras totala livslängd (dimensionerings)koefficient är det nominella trycket en klass högre än för konventionella PVC-U- eller PVC-UH-rör. Därför är kostnaden per meter för rör med samma tryckklass i princip densamma, eller så är PVC-M-rören något dyrare. För nedgrävda tekniska ledningar är långsiktig tryckhållfasthet den viktigaste indikatorn för produkten, och slagstyrkan och tåligheten behöver bara uppfylla kraven för normal användning.

4,3 PVC-O Vattenledningsrör

Tabell 9 visar standardkraven för prestanda hos PVC-O-rör för vattenförsörjning. PVC-O-rör är en särskild molekylär kedjastruktur av PVC som formas genom att axiellt och radialt sträcka ett extruderat PVC-U-rör med hjälp av sekundär formningsutrustning och en viss process, så att de långkedjiga PVC-molekylerna i röret ordnas regelbundet i biaxial riktning. Tillverkningen är svår, och kraven på formel, utrustning och process är mycket höga. För närvarande är den maximala diameter som kan tillverkas nationellt och internationellt endast 630 mm, produktionsutbytet är lägre än för de andra tre typerna av rör, och både produktionformeln och bearbetningskostnaden är höga.

Tabell 9 Prestandakrav för PVC-O-rör för vattenförsörjning (CJ/T 445-2014)

Obs: Limfogad platt mynndesign får inte användas för PVC-O-rör.