PVC-U, PVC-UH, PVC-M ve PVC-O Standartlarının, Tasarımının ve Performansının Karşılaştırılması NO.1 Ürün Standartlarına Giriş

PVC-U, PVC-UH, PVC-M ve PVC-O Standartlarının, Tasarımının ve Performansının Karşılaştırılması

NO.1 Ürün Standartlarına Giriş

PVC-U, PVC-UH, PVC-M ve PVC-O su şebekesi boruları, sert polivinil klorür katı cidarlı borulardır. Bunlar esas olarak su sıcaklığının 45 °C'yi aşmadığı, gömülü basınçlı su iletim sistemlerinin ana hat ve kol hatları için kullanılır ve ayrıca iç mekânlarda veya boru galerilerinde de kullanılabilir. Dört boru türüne ait geçerli standartlar ve teknik özellikler Tablo 1'de gösterilmiştir.

NO.2 Bileşik Karışımlar için Teknik Şartlar

Karışım harcı, temel reçine PVC ile çeşitli gerekli katkı maddelerinin homojen karışımını ifade eder ve doğrudan PVC boruların ekstrüzyonunda kullanılan ham maddedir. Basınçlı borular için PVC karışım harcının formülasyon tasarımı ve performans göstergeleri, ürün performansını ve uzun vadeli kullanım ömrünü doğrudan etkilediği için çok önemlidir. PVC reçinesinin ve çeşitli katkı maddelerinin ürün performansı üzerindeki etkisi için bkz. "PVC Formülasyon Tasarımı ve Ürün İşleme". Bu bölüm esas olarak karışım harcının performans göstergelerini, sınıflandırma gereksinimlerini ve formülasyon tasarım gereksinimlerini açıklamaktadır.

2.1 Karışım Harcı için Performans Gereksinimleri

Çin'deki PVC su boruları arasında, PVC-UH boruları, Tablo 2'de gösterildiği gibi AWWA C900 Amerikan PVC su borusu standardına atıfta bulunarak bileşik karışımlar için fiziksel ve mekanik performans gereksinimlerini belirtir. Şu anda diğer tür PVC su boruları için bileşik karışımların performans göstergelerine ilişkin herhangi bir hüküm yoktur. Bu gereksinimler, boru ham madde ve formül seçimini ve kalite kontrolünü daha iyi kontrol etmeyi sağlar.

PVC-UH Su Boruları İçin Belirlenen PVC Bileşik Karışımlarının Fiziksel ve Mekanik Performans Gereksinimleri Tablosu

bileşik Karışımlar İçin Sınıflandırma Gereksinimleri

PVC basınç boruları 50 yıllık bir kullanım ömrü için tasarlanmıştır. Boruların bileşik karışımları, ISO 9080 veya GB/T 18252'ye göre, yani boru formundaki bileşik karışımların uzun süreli hidrostatik mukavemet testleri şeklinde bileşik karışım sınıflandırma testlerine tabi tutulmalıdır ve bu testler, 20 °C ve 50 yıla karşılık gelen karakteristik sınıflandırma mukavemeti olan Minimum Gerekli Mukavemet (MRS) ile tanımlanır. PVC-U, PVC-UH, PVC-M ve PVC-O su tesisatı borularının bileşik karışımları için sınıflandırma gereksinimleri Tablo 3'te gösterilmiştir.

Tablo 3 PVC Su Tesisatı Boruları İçin Bileşik Karışımlar Sınıflandırma Gereksinimleri

ISO 1452-1:2009'da malzemeler sınıflandırılmaktadır. Malzemelerin minimum gerekli hidrostatik mukavemetine göre borular için PVC malzemelerin MRS'si 25 MPa olarak belirlenmiştir, yani malzeme sınıfı PVC-U 250'dir. PVC-U borular için ulusal standart GB/T 10002.1-2006, borular için bileşik karışımların basınç sınıfını belirtmez. PVC-UH su temini boruları, bileşik karışımlar için MRS ≥ 25 MPa olacak şekilde bir sınıflandırma gereksinimi tanımlar. PVC-M boruların MRS'si ≥ 24,5 MPa'dır.

ISO standartlarında belirtilen PVC-O boruların MRS değeri 5 türe ayrılmıştır: 31,5, 35,5, 40, 45 ve 50 MPa; bunlara karşılık gelen ham madde sınıf kodları sırasıyla 315, 355, 400, 450 ve 500'dür. Bunlardan 400 ve 450 sınıfları genellikle büyük miktarlarda üretilirken diğerleri yaygın olarak kullanılmaz.

2.3 Bileşik Karışımlarda Temel Malzemelerin Seçimine İlişkin Gereklilikler

PVC su borularının formülü, belirli bir oranda PVC reçinesi, stabilizatörler, iç ve dış kaydırıcılar, dolgu maddeleri, boyar maddeler, darbe düzenleyiciler, işlem katkıları vb. bileşenlerden oluşur. Çeşitli ham maddelerin seçimi ve oranı, boruların performansı ve kullanımı açısından çok önemli bir rol oynar.

PVC boruların işlenmesi, PVC reçinesinin erime akış performansına yüksek gereksinimler öne sürer. Gerçek üretimde genellikle SG-5 tipi süspansiyon PVC reçinesi seçilir. PVC hazırlama yöntemleri etilen yöntemi ve kalsiyum karbür yöntemi olmak üzere ikiye ayrılır. Etilen yöntemi, petrolden etilen çıkarır, klor gazının etilen ile yer değiştirme reaksiyonu yaparak vinil klorür monomeri üretir ve daha sonra polimerizasyonla polivinil klorür reçinesi elde edilir. Temsili üreticiler arasında Oxy Vinyl LP (ABD), Sinopec Qilu Petrokimya Şirketi, Tianjin LG Dagu Kimya Co., Ltd. vb. bulunur. Kalsiyum karbür yöntemi genellikle Çin'de yaygın olarak kullanılır. Kalsiyum karbür (karpit), suyla temas ettiğinde asetilen oluşturur, asetilen ile hidrojen klorür sentezlenerek vinil klorür monomeri üretilir ve daha sonra polimerizasyon reaksiyonu ile polivinil klorür reçinesi oluşturulur.

PVC, endüstrideki en termal duyarlı polimerlerden biridir ve termal bozunmaya eğilimlidir. Isı stabilizatörleri, PVC boruların işlenmesinde vazgeçilmez katkı maddeleridir. PVC boru üretim sürecinde şu anda yaygın olarak kullanılan ısı stabilizatörleri kalsiyum-çinko stabilizatörleri ve organik kalay stabilizatörleridir. Kalsiyum-çinko stabilizatörleri başlıca Avrupa'da kullanılmaktadır, organik kalay stabilizatörleri ise ABD'de yaygın olarak kullanılmaktadır ve her ikisi de Çin'de kullanılmaktadır. Kalsiyum-çinko stabilizatörleri genellikle nispeten yüksek oranda katkılama yapılan kompozit stabilizatörlerdir; organik kalay stabilizatörleri genellikle düşük oranda katkılama yapar ve orta ve büyük çaplı boruların üretiminde iyi bir stabilizasyon etkisine sahiptir. Borularda yüksek hava direnci gerekiyorsa, uygun miktarda antioksidanlar ve ışık stabilizatörleri de eklenebilir.

PVC boruların işlenmesinde iç ve dış kayma maddeleri de vazgeçilmezdir. Kullanılan başlıca kayma maddeleri arasında stearik asit, parafin, polietilen balmumu ve aynı zamanda stabilize edici etkisi olan kalsiyum stearat bulunur. Kayma sisteminin dozajı, ekipman gereksinimlerine ve ürün formülasyonu tasarımına göre belirlenmelidir. Önemli olan, karışımla iyi bir plastikleşme etkisinin sağlanarak boruların ısı distorsiyon sıcaklığının ve mekanik özelliklerinin önemli ölçüde etkilenmemesidir.

Ürün tasarımına göre, kalsiyum karbonat dolguları PVC borulara da eklenebilir. Kalsiyum karbonatın temel işlevleri, boruların rijitliğini artırarak büzülme oranını düşürmek ve maliyetleri azaltmaktır. Kalsiyum karbonat ilavesi, boru ürünlerinin dayanıklılığını azaltır ve gevrekliği artırır. Bu nedenle, PVC boru üretiminde kullanılan kalsiyum karbonat dolgu miktarı uygun şekilde kontrol edilmelidir. Kalsiyum karbonat genellikle ağır kalsiyum karbonat ve hafif kalsiyum karbonat olarak ikiye ayrılır. Ağır kalsiyum karbonat formülüne sahip bileşik karışım iyi bir akışkanlığa sahiptir ve özellikle pnömatik taşıma sistemleri olmak üzere merkezi besleme ve taşıma sistemlerine uygundur; hafif kalsiyum karbonat formülüne sahip bileşik karışımın akışkanlığı nispeten daha zayıf ve yoğunluğu düşük olsa da, küçük miktarda ilave edildiğinde su borusu formülüne çok az etkisi olur.

PVC boruların rengi genellikle gri veya mavidır. Yaygın olarak kullanılan pigmentler başlıca titanyum dioksit, karbon siyahı ve ftalosiyanin mavisi içerir. Genellikle pigment ilave miktarı azdır ve iyi bir renklendirme gücüne ve hava direncine sahip olmaları gerekir.

Darbe modifikatörleri ve işleme yardımcıları, PVC boruların işlenmesi sırasında darbe dayanımını ve işleme performansını iyileştirmeye yarar.

2.4 Kompozit Karışımların Formül Tasarımı İçin Gereksinimler

2.1 Bileşik Karışımlar için Performans Gereksinimleri ve 2.2 Bileşik Karışımlar için Sınıflandırma Gereksinimleri'nden görülebileceği gibi, dört tip borunun bileşik karışımları için gereksinimler farklıdır. Bu nedenle, bu dört tip boru ürününün formül tasarımı ve maliyeti açısından belirli farklılıklar vardır. Spesifik formül tasarım gereksinimleri için Tablo 4'e bakınız. Farklı ürün tasarımlarına bağlı olarak ürün performans göstergelerinde de farklılıklar bulunmaktadır ve bu durum makalenin 5. Bölümünde ayrıntılı olarak açıklanacaktır.

Tablo 4 Dört Tip PVC Su Şebekesi Borusu İçin Formül Tasarım Gereksinimleri

NO.3 İzin Verilen İç Basınç ve Dış Basınca Direnç

3.1 Boruların İzin Verilen İç Basıncı

Basınçlı boruların tasarım gerilmesi:

σₛ = MRS / C (1)

Burada: σₛ — Basınçlı boruların tasarım gerilmesi, MPa; MRS — Boruların minimum gerekli mukavemeti, MPa; C — Genel hizmet (tasarım) katsayısı

PVC borular, 50 yıllık bir kullanım ömrü için tasarlanmıştır. 20 °C'ta su taşınırken, çeşitli yerli PVC su borusu türleri için tasarım gerilmesinin maksimum izin verilen değerleri Tablo 5'te gösterilmiştir. Anma basıncı (tasarım basıncı) ve 50 yıllık uzun süreli çalışma için işletme basıncı sırasıyla Formül (2) ve Formül (3)'e göre hesaplanır.

Tablo 5 Çeşitli Yerli PVC Basınç Boruları İçin Tasarım Gerilmesinin Maksimum İzin Verilen Değerleri

Not: PVC-O boruların birçok hammadde sınıfı vardır ve bu sınıflar PVC-O ürün standartlarına göre tasarlanabilir; genellikle 400 ve 450 sınıfları için toplam kullanım katsayısı C, 1,6'dır.

Boruların nominal basıncı (tasarım basıncı):

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Burada: P — Boruların nominal basıncı (tasarım basıncı), MPa; σₛ — Basınçlı boruların tasarım gerilmesi, MPa; dₙ — Nominal dış çap, mm; eₙ — Nominal duvar kalınlığı, mm

CJJ 101-2016 "Gömülü Plastik Su Temini Boru Hattı Mühendisliği Teknik Kodu" 4.1.7'ye göre, borunun tasarım basıncının standart değeri, çalışma basıncının standart değerinin 1,5 katına eşittir, yani:

P = 1,5 × Pwk (3)

Burada: Pwk — Boruların çalışma basıncı, MPa

Buna göre, PVC-UH boruların toplam kullanım (tasarım) katsayısı, PVC-M borularının ve PVC-O borularınınkinden daha yüksektir, yani uzun süreli kullanımda daha yüksek güvenlik sağlar.

3.2 Boruların Dış Basınca Dayanımı

GB/T 19278-2018 standardının 2.4.2 maddesindeki halka rijitliği tanımına göre, halka rijitliği boru duvar kalınlığı ile kübik ilişkiye sahiptir. Halka rijitliği (S) için basitleştirilmiş hesaplama formülü şöyledir:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Burada: S — Halka rijitliği, kN/m² E — Boru duvar malzemesinin elastisite modülü; PVC borular için bu değer spesifikasyonda 3000 MPa olarak belirtilmiştir dₙ — Nominal dış çap, mm eₙ — Nominal duvar kalınlığı, mm

Aynı dış çapa sahip borular için duvar kalınlığı arttıkça halka sertliğinin ve dış basınca karşı şekil değiştirmeye direncin de arttığı görülebilir. Dört tip borunun halka sertliği karşılaştırması Tablo 6'da gösterilmiştir (nominal basıncı 1,0 MPa olan borular örnek olarak alınmıştır). Tablo 6'dan görüldüğü gibi tasarım parametreleri açısından değerlendirildiğinde PVC-M ve PVC-O borular, hizmet basıncı gereksinimlerini karşılamak için daha ince duvar kalınlıkları seçilebilir; ancak çok ince duvar kalınlığı aynı zamanda dış basınca karşı direncin zayıflamasına neden olabilir.

Tablo 6 Dört Tip Borunun Halka Sertliğinin Karşılaştırılması

Aynı halka sertliği baz alınarak karşılaştırıldığında PVC-M ve PVC-O boruların daha yüksek nominal basınç sınıfları vardır. Ancak daha yüksek malzeme formülasyon maliyetleri ve işleme maliyetleri nedeniyle boru maliyetleri PVC-U ve PVC-UH borulara göre daha yüksektir.

NO.4 Performans Göstergesi Gereksinimleri

4.1 PVC-U ve PVC-UH Su Temin Boruları

Ulusal standartlarda belirtilen PVC-U boruların performans göstergeleri ile ISO 1452-2 standartlarında belirtilenler arasında bazı farklılıklar vardır. Basınç direnci gereksinimleri azaltılmış, darbe direnci gereksinimleri ise iyileştirilmiştir, yani düşen ağırlık darbe testi (TIR) gereksinimi ≤ %5'tir ve bu durum, ISO standartlarında belirtilen TIR ≤ %10'a kıyasla boru tokluğu için daha yüksek gereksinimler öngörür. PVC-UH borular, PVC-U su borusu için ISO standardı ve Amerikan PVC su borusu standardı referans alınarak formüle edilmiştir. Boruların fiziksel ve mekanik performans gereksinimleri, her bir boru için ürün kalite kontrolünü gerçekleştiren basma testi ve tüm boru hidrostatik performansını kapsar. Ayrıca darbe direnci gereksinimleri, ISO standartlarındakinden daha yüksektir ve düşen ağırlık darbe testi gereksinimi, ISO standartlarına kıyasla TIR ≤ %5'e çıkarılmıştır. Yerel PVC-U su boruları ile PVC-UH su boruları arasındaki performans göstergelerinin karşılaştırması Tablo 7'de gösterilmiştir.

Tablo 7 PVC-U ve PVC-UH Su Temin Boruları Arasında Performans Göstergelerinin Karşılaştırılması

ISO 1452-1:2009 standardında verilen PVC-U 250'nin uzun süreli hidrostatik standart eğrisine göre (Şekil 1'de gösterildiği gibi), MRS ≥ 25 MPa bileşen karışımı sınıflandırma gereksinimini karşılayan boruların uzun süreli hidrostatik testi sırasında, kısa süreli basınç direnci gereksinimi de bu standart eğriden görülebilir. 20 °C ve 1 saat için karşılık gelen çevresel gerilim gereksinimi 42 MPa iken, 60 °C ve 1000 saat için karşılık gelen çevresel gerilim gereksinimi 10 MPa'dır. Tablo 7'den görülebileceği gibi, PVC-UH boruları PVC-U 250 uzun süreli hidrostatik standart eğrisinin basınç direnci gereksinimlerini karşılamaktadır. Oysa ulusal standartlarda belirtilen PVC-U boruları, kısa süreli basınç direnci göstergeleri açısından (20 °C, 1 saat, 38 MPa çevresel gerilim) standart eğri gereksinimlerinin altında kalmakta ve aynı zamanda ulusal standartlarda belirtilen PVC-U borular için MRS ≥ 25 MPa tasarım gereksinimini karşılayamamaktadır.

4.2 PVC-M Su Temin Boruları

Tablo 8, PVC-M su tesisatı boruları için standart performans gereksinimlerini göstermektedir. PVC-M ürünlerinin düşen ağırlık darbe, çentikli boru hidrostatik testi ve C-halkası tokluğu konularında hükümler içerdiği görülmektedir. dn ≥ 110 mm olan borular için 23 °C ve 20 m'de yüksek hızlı darbe testi belirlenmiştir ve bu durum ürünün darbe direnci ile tokluğuna yüksek seviyede gereksinimler getirmektedir. PVC-M için ulusal standarta uygun olarak üretilen boru ürünlerinin iyi bir tokluk ve darbe direncine sahip olduğu gözlemlenir.

Tablo 8 PVC-M Su Tesisatı Boruları Performans Gereksinimleri (GB/T 32018.1-2015)

Darbe direnci ve tokluk için yüksek gereksinimlerin yanı sıra, PVC-M boru ürünleri basınç direnci açısından da gereksinimler taşır. Bu nedenle, standartlara göre üretilen PVC-M boru ürünlerinin formül maliyeti, geleneksel PVC-U veya PVC-UH borularınınkinden daha yüksektir ve işleme verimi göreceli olarak düşüktür; toplam hizmet (tasarım) katsayısının azalması nedeniyle, nominal basınçları geleneksel PVC-U veya PVC-UH borularından bir sınıf daha yüksektir. Bu nedenle, aynı basınç sınıfındaki boruların metre maliyeti temelde aynıdır ya da PVC-M borularınki hafifçe daha yüksektir. Gömülü mühendislik hatları için uzun vadeli basınç direnci ürünün ana göstergesidir ve darbe direnci ile tokluk yalnızca normal kullanım gereksinimlerini karşılamak zorundadır.

4.3 PVC-O Su Temin Boruları

Tablo 9, PVC-O su şebekesi boruları için standart performans gereksinimlerini göstermektedir. PVC-O borular, ekstrüde edilmiş PVC-U borunun ikincil şekillendirme ekipmanı ve belirli bir süreçle eksenel ve radyal olarak çekilmesiyle, uzun zincirli PVC moleküllerinin boru içinde çift yönlü olarak düzenli şekilde hizalanmasını sağlayan özel bir moleküler yapıya sahip borulardır. Üretim zorluğu yüksek olup formül, ekipman ve süreç açısından çok yüksek gereksinimler vardır. Günümüzde yurt içi ve yurt dışında üretilen maksimum çap sadece 630 mm'dir, üretim verimi diğer üç boru tipine göre daha düşüktür ve üretim formülü ile işleme maliyeti de yüksektir.

Tablo 9 PVC-O Su Şebekesi Boruları Performans Gereksinimleri (CJ/T 445-2014)

Not: PVC-O borular için yapıştırıcı ile birleştirilmiş düz ağız yapısı kullanılmamalıdır.