So sánh các tiêu chuẩn, thiết kế và hiệu suất của ống PVC-U, PVC-UH, PVC-M và PVC-O SỐ 1 Giới thiệu về tiêu chuẩn sản phẩm

So sánh các tiêu chuẩn, thiết kế và hiệu suất của PVC-U, PVC-UH, PVC-M và PVC-O

SỐ 1 Giới thiệu về tiêu chuẩn sản phẩm

Ống cấp nước PVC-U, PVC-UH, PVC-M và PVC-O đều là các loại ống thành đặc bằng polyvinyl clorua cứng. Chúng chủ yếu được sử dụng cho các tuyến ống chính và ống nhánh trong các hệ thống truyền dẫn nước chịu áp lực chôn ngầm, nơi nhiệt độ nước không vượt quá 45 °C, và cũng có thể được sử dụng trong nhà hoặc trong hầm kỹ thuật. Các tiêu chuẩn và quy định hiện hành của bốn loại ống này được trình bày trong Bảng 1.

Yêu cầu kỹ thuật số 2 đối với hỗn hợp pha chế

Hỗn hợp pha trộn đề cập đến sự phối trộn đồng đều giữa nhựa nền PVC và các phụ gia cần thiết khác nhau, đây là nguyên liệu được sử dụng trực tiếp để đùn ống PVC. Đối với các loại ống chịu áp lực, thiết kế công thức và các chỉ tiêu hiệu suất của hỗn hợp pha trộn PVC rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất sản phẩm và tuổi thọ sử dụng lâu dài. Để biết thêm về ảnh hưởng của nhựa PVC và các loại phụ gia khác nhau đến hiệu suất sản phẩm, hãy tham khảo mục "Thiết kế công thức PVC và xử lý sản phẩm". Chương này chủ yếu giới thiệu các chỉ tiêu hiệu suất, yêu cầu phân loại và yêu cầu thiết kế công thức đối với các hỗn hợp pha trộn.

2.1 Yêu cầu hiệu suất đối với hỗn hợp pha trộn

Trong số các ống cấp nước PVC tại Trung Quốc, ống PVC-UH quy định các yêu cầu về hiệu suất vật lý và cơ học đối với hỗn hợp vật liệu tham chiếu theo tiêu chuẩn ống cấp nước PVC của Mỹ AWWA C900, như thể hiện trong Bảng 2. Hiện tại, chưa có quy định nào về các chỉ tiêu hiệu suất của hỗn hợp vật liệu đối với các loại ống cấp nước PVC khác. Những yêu cầu này giúp kiểm soát tốt hơn việc lựa chọn nguyên liệu, công thức sản xuất ống cũng như kiểm soát chất lượng.

Bảng 2 Yêu Cầu Về Hiệu Suất Vật Lý Và Cơ Học Đối Với Hỗn Hợp Vật Liệu PVC Được Quy Định Cho Ống Cấp Nước PVC-UH

yêu cầu phân loại hỗn hợp pha trộn

Ống nhựa PVC chịu áp được thiết kế để sử dụng trong thời gian 50 năm. Các hỗn hợp pha trộn của ống phải trải qua các thử nghiệm phân loại hỗn hợp pha trộn theo tiêu chuẩn ISO 9080 hoặc GB/T 18252, tức là các thử nghiệm độ bền thủy tĩnh dài hạn của hỗn hợp pha trộn dưới dạng ống, đặc trưng bởi độ bền phân loại tương ứng với 20 °C và 50 năm, còn gọi là Độ bền Tối thiểu Yêu cầu (MRS). Các yêu cầu phân loại đối với hỗn hợp pha trộn của các ống cấp nước PVC-U, PVC-UH, PVC-M và PVC-O được nêu trong Bảng 3.

Bảng 3 Yêu cầu phân loại hỗn hợp pha trộn của ống cấp nước PVC

Theo ISO 1452-1:2009, các vật liệu được phân loại. Dựa trên cường độ chịu áp lực thủy tĩnh tối thiểu yêu cầu của vật liệu, MRS của vật liệu PVC dùng cho ống được quy định là 25 MPa, tức là cấp vật liệu là PVC-U 250. Tiêu chuẩn quốc gia đối với ống PVC-U, GB/T 10002.1-2006, không quy định cấp áp suất của các hỗn hợp vật liệu làm ống. Ống cấp nước PVC-UH quy định yêu cầu phân cấp MRS ≥ 25 MPa đối với các hỗn hợp vật liệu. MRS của ống PVC-M là ≥ 24,5 MPa.

MRS của ống PVC-O theo tiêu chuẩn ISO được chia thành 5 loại: 31,5; 35,5; 40; 45 và 50 MPa, tương ứng với các mã cấp vật liệu nguyên liệu là 315, 355, 400, 450 và 500. Trong đó, các cấp 400 và 450 thường được sản xuất với số lượng lớn, còn các cấp khác ít được sử dụng phổ biến.

2.3 Yêu cầu lựa chọn vật liệu chính trong hỗn hợp

Công thức của ống cấp nước PVC chủ yếu bao gồm nhựa PVC, chất ổn định, chất bôi trơn trong và ngoài, chất độn, chất tạo màu, chất điều chỉnh va đập, chất hỗ trợ gia công, v.v. theo một tỷ lệ nhất định. Việc lựa chọn và tỷ lệ các nguyên liệu khác nhau đóng vai trò quan trọng đối với hiệu suất và ứng dụng của ống.

Việc chế biến ống PVC có yêu cầu cao về tính năng chảy nhớt của nhựa PVC. Trong sản xuất thực tế, thường chọn loại nhựa PVC treo kiểu SG-5. Các phương pháp chuẩn bị PVC được chia thành phương pháp ethylene và phương pháp canxi carbua. Phương pháp ethylene chiết xuất ethylene từ dầu mỏ, cho khí clo phản ứng với ethylene qua phản ứng thế để tạo ra monome vinyl clorua, sau đó trùng hợp để tạo ra nhựa polyvinyl clorua. Các nhà sản xuất tiêu biểu bao gồm Oxy Vinyl LP (Hoa Kỳ), Công ty Dầu khí Hóa chất Sinopec Qilu, Công ty TNHH Hóa chất Tianjin LG Dagu, v.v. Phương pháp canxi carbua thường được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc. Phương pháp này dùng canxi carbua (đất đèn) khi gặp nước sinh ra axetilen, tổng hợp axetilen với hydro clorua để tạo ra monome vinyl clorua, sau đó tạo ra nhựa polyvinyl clorua thông qua phản ứng trùng hợp.

PVC là một trong những polymer nhạy nhiệt nhất trong công nghiệp và dễ bị phân hủy nhiệt. Chất ổn định nhiệt là phụ gia không thể thiếu trong quá trình xử lý ống PVC. Trong quy trình sản xuất ống PVC, các chất ổn định nhiệt thường dùng hiện nay là chất ổn định canxi-kẽm và chất ổn định hữu cơ thiếc. Chất ổn định canxi-kẽm chủ yếu được sử dụng ở châu Âu, chất ổn định hữu cơ thiếc được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ, và cả hai loại đều được dùng ở Trung Quốc. Chất ổn định canxi-kẽm thường là loại phụ gia hỗn hợp với lượng thêm vào tương đối cao; chất ổn định hữu cơ thiếc thường có lượng thêm vào thấp và mang lại hiệu quả ổn định tốt trong sản xuất ống trung bình và đường kính lớn. Nếu yêu cầu ống có độ bền thời tiết cao, cũng có thể bổ sung một lượng thích hợp chất chống oxy hóa và chất ổn định ánh sáng.

Trong quá trình xử lý ống PVC, các chất bôi trơn trong và ngoài cũng là thành phần không thể thiếu. Các chất bôi trơn chính được sử dụng bao gồm axit stearic, parafin, sáp polyethylene và canxi stearat vốn cũng có tác dụng ổn định. Liều lượng của hệ thống bôi trơn phải được xác định theo yêu cầu của thiết bị và thiết kế công thức sản phẩm. Mấu chốt là đảm bảo hỗn hợp phối trộn có hiệu quả hóa dẻo tốt, để nhiệt độ biến dạng do nhiệt và tính chất cơ học của ống không bị ảnh hưởng đáng kể.

Theo thiết kế sản phẩm, các chất độn canxi carbonat cũng có thể được thêm vào ống PVC. Các chức năng chính của canxi carbonat là cải thiện độ cứng vững của ống, giảm tỷ lệ co ngót và giảm chi phí. Việc bổ sung canxi carbonat sẽ làm giảm độ bền của sản phẩm ống và tăng độ giòn. Do đó, lượng chất độn canxi carbonat trong quá trình sản xuất ống PVC cần được kiểm soát một cách hợp lý. Canxi carbonat nói chung được chia thành canxi carbonat nặng và canxi carbonat nhẹ. Hỗn hợp compound với công thức canxi carbonat nặng có độ chảy tốt, phù hợp với các hệ thống cấp liệu và vận chuyển tập trung, đặc biệt là các hệ thống vận chuyển bằng khí nén; hỗn hợp compound với công thức canxi carbonat nhẹ có độ chảy tương đối kém và mật độ thấp, nhưng ít ảnh hưởng đến công thức ống dẫn nước khi lượng bổ sung nhỏ.

Màu sắc của ống PVC thường là xám hoặc xanh lam. Các chất tạo màu phổ biến chủ yếu bao gồm titanium dioxide, carbon đen và phthalocyanine xanh lam. Thông thường, lượng chất tạo màu được thêm vào rất nhỏ và chúng cần có độ nhuộm mạnh và khả năng chịu thời tiết tốt.

Các chất cải thiện độ va đập và phụ gia chế biến giúp nâng cao khả năng chịu va đập cũng như hiệu suất chế biến của ống PVC trong quá trình sản xuất.

2.4 Yêu cầu đối với thiết kế công thức của hỗn hợp phối trộn

Có thể thấy từ 2.1 Yêu cầu về hiệu suất đối với hỗn hợp pha trộn và 2.2 Yêu cầu về cấp phối đối với hỗn hợp pha trộn rằng các yêu cầu đối với hỗn hợp pha trộn của bốn loại ống là khác nhau. Do đó, có sự khác biệt nhất định trong thiết kế công thức và chi phí sản phẩm ống của bốn loại này. Đối với các yêu cầu cụ thể về thiết kế công thức, vui lòng tham khảo Bảng 4. Do thiết kế sản phẩm khác nhau, các chỉ tiêu hiệu suất sản phẩm cũng có sự khác biệt, sẽ được trình bày chi tiết ở Mục 5 của bài viết này.

Bảng 4 Các yêu cầu thiết kế công thức của bốn loại ống cấp nước PVC

NO.3 Áp suất bên trong cho phép và khả năng chịu áp suất bên ngoài

3.1 Áp suất bên trong cho phép của ống

Ứng suất thiết kế của ống chịu áp lực:

σₛ = MRS / C (1)

Trong đó: σₛ — Ứng suất thiết kế của ống chịu áp lực, MPa; MRS — Cường độ yêu cầu tối thiểu của ống, MPa; C — Hệ số phục vụ tổng thể (hệ số thiết kế)

Ống PVC được thiết kế để có tuổi thọ dự kiến là 50 năm. Khi vận chuyển nước ở 20 °C, các giá trị cho phép tối đa của ứng suất thiết kế đối với các loại ống cấp nước PVC trong nước khác nhau được trình bày trong Bảng 5. Áp suất danh nghĩa (áp suất thiết kế) và áp suất làm việc cho thời gian hoạt động dài hạn 50 năm được tính theo Công thức (2) và Công thức (3) tương ứng.

Bảng 5 Giá Trị Cho Phép Tối Đa Của Ứng Suất Thiết Kế Đối Với Các Loại Ống Áp Lực PVC Trong Nước

Ghi chú: Có nhiều cấp vật liệu thô cho ống PVC-O, có thể thiết kế tham khảo theo tiêu chuẩn sản phẩm PVC-O; đối với các cấp độ 400 và 450 nói chung, hệ số sử dụng tổng thể C là 1,6.

Áp suất danh nghĩa (áp suất thiết kế) của ống:

P = σₛ × eₙ / dₙ (2)

Trong đó: P — Áp suất danh nghĩa (áp suất thiết kế) của ống, MPa; σₛ — Ứng suất thiết kế của ống chịu áp lực, MPa; dₙ — Đường kính ngoài danh nghĩa, mm; eₙ — Độ dày thành danh nghĩa, mm

Theo CJJ 101-2016 "Quy phạm kỹ thuật công trình đường ống cấp nước bằng nhựa chôn ngầm" điều 4.1.7, giá trị tiêu chuẩn của áp suất thiết kế của ống bằng 1,5 lần giá trị tiêu chuẩn của áp suất làm việc, tức là:

P = 1,5 × Pwk (3)

Trong đó: Pwk — Áp suất làm việc của ống, MPa

Có thể thấy rằng hệ số sử dụng tổng thể (thiết kế) của ống PVC-UH cao hơn so với ống PVC-M và ống PVC-O, tức là đảm bảo an toàn cao hơn trong quá trình sử dụng lâu dài.

3.2 Khả Năng Chịu Áp Suất Ngoài Của Ống

Theo định nghĩa về độ cứng vòng tại 2.4.2 của GB/T 19278-2018, độ cứng vòng có mối quan hệ bậc ba với độ dày thành ống. Công thức tính đơn giản độ cứng vòng (S) là:

S = 0,0186 × E × (eₙ / dₙ)³ (4)

Trong đó: S — Độ cứng vòng, kN/m²; E — Mô-đun đàn hồi của vật liệu thành ống, được quy định là 3000 MPa đối với ống PVC trong tiêu chuẩn; dₙ — Đường kính ngoài danh nghĩa, mm; eₙ — Độ dày thành danh nghĩa, mm

Có thể thấy rằng đối với các ống có đường kính bên ngoài giống nhau, độ dày tường càng lớn, độ cứng vòng càng lớn và khả năng chống biến dạng áp suất bên ngoài càng mạnh. So sánh độ cứng vòng của bốn loại ống được hiển thị trong Bảng 6 (lấy ống với áp suất danh nghĩa 1,0 MPa làm ví dụ). Từ bảng 6, có thể thấy rằng từ góc độ các thông số thiết kế, ống PVC-M và PVC-O có thể chọn độ dày tường mỏng hơn để đáp ứng yêu cầu áp suất hoạt động, nhưng độ dày tường quá mỏng cũng sẽ dẫn đến khả năng chống biến dạng áp suất bên ngoài kém.

Bảng 6 So sánh độ cứng vòng của bốn loại ống

Khi so sánh bằng cùng độ cứng vòng, ống PVC-M và PVC-O có áp suất danh nghĩa cao hơn. Do chi phí công thức vật liệu và chi phí chế biến cao hơn, chi phí ống của họ cũng cao hơn so với các ống PVC-U và PVC-UH.

YÊU CẦU CHỈ TIÊU HIỆU SUẤT SỐ 4

4.1 Ống cấp nước PVC-U và PVC-UH

Có một số khác biệt nhất định về các chỉ tiêu hiệu suất của ống PVC-U được quy định trong tiêu chuẩn quốc gia so với các chỉ tiêu được nêu trong tiêu chuẩn ISO 1452-2. Yêu cầu về khả năng chịu áp lực được giảm xuống, trong khi yêu cầu về độ chịu va đập được cải thiện, cụ thể là yêu cầu thử nghiệm va đập bằng quả rơi (TIR) là ≤ 5%, điều này đặt ra yêu cầu cao hơn đối với độ dẻo dai của ống so với tiêu chuẩn ISO quy định TIR ≤ 10%. Ống PVC-UH được pha chế dựa trên tham chiếu tiêu chuẩn ISO đối với ống cấp nước PVC-U và tiêu chuẩn ống cấp nước PVC của Mỹ. Các yêu cầu về tính năng cơ lý của ống bao gồm thử nghiệm dẹt và thử nghiệm thủy tĩnh toàn ống, nhằm thực hiện giám sát chất lượng sản phẩm cho từng ống. Hơn nữa, yêu cầu về khả năng chịu va đập cao hơn so với tiêu chuẩn ISO, và yêu cầu thử nghiệm va đập bằng quả rơi được nâng lên mức TIR ≤ 5% so với tiêu chuẩn ISO. Bảng so sánh các chỉ tiêu hiệu suất giữa ống cấp nước PVC-U trong nước và ống cấp nước PVC-UH được thể hiện trong Bảng 7.

Bảng 7 So sánh các chỉ tiêu hiệu suất giữa ống cấp nước PVC-U và PVC-UH

Theo đường cong tiêu chuẩn thủy tĩnh dài hạn của PVC-U 250 được nêu trong ISO 1452-1:2009 (như thể hiện trong Hình 1), có thể thấy rằng trong thử nghiệm thủy tĩnh dài hạn đối với các ống đạt yêu cầu phân nhóm hỗn hợp thành phần với MRS ≥ 25 MPa, yêu cầu chịu áp lực ngắn hạn cũng có thể được xác định từ đường cong tiêu chuẩn. Yêu cầu ứng suất vòng tương ứng với 20 °C và 1 giờ là 42 MPa, và yêu cầu ứng suất vòng tương ứng với 60 °C và 1000 giờ là 10 MPa. Theo Bảng 7, có thể thấy ống PVC-UH đáp ứng các yêu cầu chịu áp lực theo đường cong tiêu chuẩn thủy tĩnh dài hạn PVC-U 250, trong khi các ống PVC-U quy định trong tiêu chuẩn quốc gia lại thấp hơn yêu cầu của đường cong tiêu chuẩn về chỉ tiêu chịu áp lực ngắn hạn (20 °C, 1 giờ, ứng suất vòng 38 MPa), đồng thời cũng không đáp ứng yêu cầu thiết kế MRS ≥ 25 MPa đối với ống PVC-U quy định trong tiêu chuẩn quốc gia.

4.2 Ống cấp nước PVC-M

Bảng 8 cho thấy các yêu cầu hiệu suất tiêu chuẩn đối với ống cấp nước PVC-M. Có thể thấy rằng sản phẩm PVC-M có các quy định về thử nghiệm va đập bằng trọng lượng rơi, thử nghiệm thủy tĩnh ống có rãnh và độ dẻo dai theo phương pháp C-ring. Đối với ống có dn ≥ 110 mm, yêu cầu thử nghiệm va đập tốc độ cao ở 23 °C và 20 m, điều này đặt ra yêu cầu cao về khả năng chịu va đập và độ dẻo dai của sản phẩm. Các sản phẩm ống sản xuất theo tiêu chuẩn quốc gia đối với PVC-M có độ dẻo dai và khả năng chịu va đập tốt.

Bảng 8 Yêu cầu hiệu suất đối với ống cấp nước PVC-M (GB/T 32018.1-2015)

Ngoài yêu cầu cao về khả năng chịu va chạm và độ dẻo dai, sản phẩm ống PVC-M còn có yêu cầu về khả năng chịu áp lực. Do đó, chi phí công thức sản xuất sản phẩm ống PVC-M theo tiêu chuẩn cao hơn so với các loại ống PVC-U hoặc PVC-UH thông thường, đồng thời năng suất chế biến tương đối thấp; do hệ số sử dụng (thiết kế) tổng thể giảm xuống, cấp áp lực danh nghĩa của chúng cao hơn một cấp so với ống PVC-U hoặc PVC-UH thông thường. Vì vậy, chi phí trên mỗi mét của các ống có cùng cấp áp lực về cơ bản là như nhau, hoặc ống PVC-M hơi cao hơn một chút. Đối với các tuyến ống kỹ thuật chôn ngầm, khả năng chịu áp lực dài hạn là chỉ tiêu chủ yếu của sản phẩm, trong khi khả năng chịu va chạm và độ dẻo dai chỉ cần đáp ứng yêu cầu sử dụng bình thường.

4.3 Ống cấp nước PVC-O

Bảng 9 cho thấy các yêu cầu hiệu suất tiêu chuẩn đối với ống cấp nước PVC-O. Ống PVC-O là loại ống PVC có cấu trúc chuỗi phân tử đặc biệt, được tạo thành bằng cách kéo dãn ống PVC-U đã đùn theo hướng trục và hướng kính thông qua thiết bị tạo hình thứ cấp và một quy trình nhất định, khiến các phân tử chuỗi dài của PVC trong ống sắp xếp đều theo hướng hai trục. Độ khó sản xuất cao, yêu cầu rất lớn về công thức, thiết bị và quy trình. Hiện nay, đường kính tối đa có thể sản xuất trong và ngoài nước chỉ đạt 630 mm, năng suất sản xuất thấp hơn so với ba loại ống còn lại, đồng thời cả công thức sản xuất và chi phí gia công đều cao.

Bảng 9 Yêu Cầu Về Hiệu Suất Đối Với Ống Cấp Nước PVC-O (CJ/T 445-2014)

Lưu ý: Cấu trúc miệng phẳng dán keo không được sử dụng cho ống PVC-O.