Przewody podatne z tworzyw termoplastycznych

2.7.2.1. Wprowadzenie

Tworzywa termoplastyczne maj¹ strukturê nieuporz¹dkowan¹ (amorficzn¹) lub czê-œciowo uporz¹dkowan¹ (krystaliczn¹). Struktura tych tworzyw oraz temperatura decy-duj¹ o ich w³aœciwoœciach fizycznych, co schematycznie przedstawiono na rys. 2.7.2 [1]. Tworzywa te s¹ spawalne i mo¿na je wielokrotnie przetapiaæ i formowaæ. Zaliczaj¹ siê do materia³ów lepkosprê¿ystych, dla których nie obowi¹zuje klasyczne prawo Hooke’a. Zale¿noœæ miêdzy naprê¿eniem a odkszta³ceniem wzglêdnym jest w przypadku tych tworzyw przedstawiana krzyw¹, której pochylenie zale¿y od czasu dzia³ania ob-ci¹¿enia. Im czas ten bêdzie d³u¿szy, tym odkszta³cenie wzglêdne (pe³zanie), wywo³a-ne tym samym poziomem naprê¿enia, bêdzie wiêksze. Ilustruj¹cy tê zale¿noœæ wykres zamieszczono na rys. 2.7.3 [96].

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

a) b) c)

wyd³u¿enie temperatura rozszerzalnoœæ cieplna

temperatura modu³ E

wytrzyma³oœæ

Rys. 2.7.2. Wp³yw struktury termoplastów na ich wybrane w³aœciwoœci fizyczne: a) wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, b) modu³ sprê¿ystoœci E, c) rozszerzalnoœæ cieplna, — tworzywa o strukturze

czêœciowo krystalicznej, ---- tworzywa o strukturze amorficznej

W praktyce konsekwencj¹ pe³zania mo¿e byæ pojawianie siê uszkodzeñ po up³ywie pewnego czasu. Mo¿e mieæ to znaczenie w przypadku przewodów ciœnieniowych, szcze-gólnie tak u³o¿onych (np. kanalizacja ciœnieniowa w tunelach wieloprzewodowych), ¿e pe³zanie nie jest ograniczane. Rozwi¹zanie problemu polega wtedy na takim dobo-rze ciœnienia, aby czas po up³ywie którego nast¹pi rozerwanie rury w wyniku pe³zania, by³ d³u¿szy od przewidywanego czasu jej u¿ytkowania.

W przypadku grawitacyjnych przewodów kanalizacyjnych u³o¿onych w gruncie, którego odpór na rurê ogranicza swobodê pe³zania, wystêpuje zjawisko relaksacji. W takich warunkach pocz¹tkowe naprê¿enia zmniejszaj¹ siê w czasie w wyniku od-kszta³cenia œcianki (owalizacja przewodu).

Aby stosowaæ opisane klasycznym równaniem (σ/ε = E) prawo Hooke’a dla mate-ria³ów lepkosprê¿ystych, konieczne jest zast¹pienie modu³u sprê¿ystoœci E o sta³ej

war-toœci (jak dla materia³ów idealnie sprê¿ystych) modu³em sprê¿yswar-toœci E_p o zmiennej wartoœci: p E = ε σ (2.7.10) Modu³ E_p nazywany jest (w zale¿noœci od sytuacji) modu³em pe³zania, gdy opisuje wzrost w czasie odkszta³cenia wzglêdnego ε (pe³zanie) pod dzia³aniem sta³ego naprê-¿enia lub modu³em relaksacji, gdy opisuje spadek w czasie wartoœci naprênaprê-¿enia σ w ma-teriale poddanym sta³emu odkszta³ceniu (relaksacja). Liczbowo wartoœci obu modu³ów s¹ porównywalne.

Wytrzyma³oœæ przewodów wykonanych z termoplastów (PE, PCW, PP i innych) za-le¿y tak¿e od temperatury w taki sposób, ¿e krzywe przedstawione na rys. 2.7.3, poka-zuj¹ce pe³zanie, mog¹ byæ otrzymywane nie tylko w funkcji up³ywu czasu, lecz tak¿e wzrostu temperatury. Jest to wykorzystywane w krótkotrwa³ych badaniach prognozu-j¹cych wytrzyma³oœæ termoplastów w d³ugiej perspektywie czasu (tzw. wytrzyma³oœæ d³ugotrwa³a), kiedy to up³yw czasu symuluje siê wzrostem temperatury. Wyznaczone w ten sposób wartoœci naprê¿eñ d³ugotrwa³ych dla podstawowych termoplastów (dla temperatury 20 °C i okresu nie krótszego ni¿ 50 lat) przedstawiono w tabeli 2.7.3 [96]. Przedstawione w tabeli wartoœci naprê¿eñ dotycz¹ przede wszystkim projektowa-nia przewodów ciœnieniowych. W przewodach takich, nawet je¿eli s¹ one

umieszczo-Rys. 2.7.3. Wykres zale¿noœci naprê¿enia na rozci¹ganie i odkszta³cenia wzglêdnego dla materia³ów idealnie sprê¿ystych i lepkoplastycznych: 1 – materia³ sprê¿ysty,

2 – materia³ lepkosprê¿ysty, t – czas obci¹¿enia

odkszta³cenia wzglêdne [%] relaksacja 1 naprê ¿enia [M P a] 2 t pe³zanie εo σ o

131

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

Tabela 2.7.3. Naprê¿enia projektowe i d³ugotrwa³e naprê¿enia niszcz¹ce dla podstawowych tworzyw termoplastycznych

Materia³ Naprê¿enia projektowe D³ugotrwa³e naprê¿enia niszcz¹ce [MPa] [MPa] PCW 10,0–14,0 25–30 PEHD 5,0–6,3 7–9 PEMD 5,0–6,3 8–9 PELD 2,5–3,2 4–5 PP 5,0 8–9

ne w gruncie, dominuj¹cym naprê¿eniem w œciance jest naprê¿enie rozci¹gaj¹ce. Tyl-ko w krótkich okresach wy³¹czenia przewodu z eksploatacji mog¹ przewa¿aæ naprê¿e-nia wywo³ane przez obci¹¿enaprê¿e-nia zewnêtrzne.

W przypadku przewodów grawitacyjnych u³o¿onych w gruncie dominuj¹cymi na-prê¿eniami s¹ zawsze naprê¿enia wywo³ane obci¹¿eniami zewnêtrznymi. Ze wzglêdu na brak mo¿liwoœci swobodnego pe³zania, naprê¿enia nie s¹ w takim przypadku sta³e w czasie. Je¿eli rury zosta³y prawid³owo u³o¿one (patrz rozdzia³y 3 i 4), to pocz¹tkowe naprê¿enia w wyniku relaksacji bêd¹ mala³y, co jest uwzglêdniane przez wspó³czynnik relaksacji.

2.7.2.2. Przewody z polietylenu 2.7.2.2.1. W³aœciwoœci polietylenu

Polietylen o wzorze chemicznym (–CH₂–CH₂–)_n jest tworzywem sztucznym, powsta-j¹cym w wyniku polimeryzacji etylenu. Ma on postaæ bia³ego proszku lub bia³ej poro-watej substancji o gêstoœci 0,92–0,97 g/cm3. Temperatura topnienia tego tworzywa waha siê w granicach 110–137 °C. W zale¿noœci od typu polimeryzacji otrzymywane s¹ po-limery niskiej, œredniej lub wysokiej gêstoœci, oznaczone odpowiednio symbolami: PELD, PEMD i PEHD (porównaj rozdzia³ 2.7.1).

Polietylen jest materia³em o bardzo dobrych w³aœciwoœciach dielektrycznych, wy-kazuj¹cym du¿¹ odpornoœæ na dzia³anie zwi¹zków chemicznych i niskie temperatury (do –50 °C) i nie rozpuszczaj¹cym siê w powszechnie stosowanych rozpuszczalnikach organicznych i nieorganicznych. W³ókna produkowane na bazie polietylenu nale¿¹ do najbardziej odpornych mechanicznie w³ókien wytwarzanych z tworzyw sztucznych.

W³aœciwoœci polietylenu kszta³tuje jego struktura, tzn. liczba i d³ugoœæ bocznych odga³êzieñ ³añcucha molekularnego oraz przebieg procesu sch³adzania, gdy¿ od tego zale¿y iloœæ fazy krystalicznej. Polietyleny du¿ej i œredniej gêstoœci maj¹ lepsze para-metry od polietylenu ma³ej gêstoœci. Charakteryzuj¹ siê one niewielk¹ liczb¹ krótkich ³añcuchów bocznych i st¹d nazywane s¹ polietylenami liniowymi. Stopieñ krystaliza-cji polietylenu HD o gêstoœci 0,940–0,965 g/cm3 osi¹ga 60–80%, a MD o gêstoœci 0,930–0,940 g/cm3 tylko 50–60%. W³aœciwoœci fizyczne polietylenu zale¿ne s¹ zatem

od jego masy cz¹steczkowej oraz jej rozk³adu i gêstoœci, przy wzroœcie której (przy wy¿szej krystalizacji) ulegaj¹ poprawie:

• wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, • sztywnoœæ,

• twardoœæ,

• odpornoœæ na dzia³anie czynników chemicznych, • nieprzepuszczalnoœæ dla gazów i par.

Zmniejszaj¹ siê przy tym: • udarnoœæ,

• przeŸroczystoœæ,

• odpornoœæ na tworzenie siê rys (pêkniêæ naprê¿eniowych).

Zakresy podstawowych w³aœciwoœci polietylenu zestawione na podstawie studiów kilku Ÿróde³ przedstawiono w tabeli 2.7.4 [1, 129, 206, 209], a zale¿noœæ naprê¿e-nie–wyd³u¿enie dla tego materia³u na rys. 2.7.4 [206].

2

600 500 400 300 200 0 100 0 5 10 15 1000 900 800 700 20 25 30 na prê¿ eni e [ N/ mm ] wyd³u¿enie [%]

Rys. 2.7.4. Wykres zale¿noœci naprê¿enie–wyd³u¿enie dla polietylenu

Zakresy wartoœci liczbowych przedstawione w tabeli 2.7.4 mog¹ byæ wykorzysty-wane w standardowych obliczeniach in¿ynierskich, jednak ka¿dorazowo powinny byæ porównywane z wartoœciami deklarowanymi przez producentów poszczególnych wy-robów. Przyk³adowe porównanie podstawowych, sprawdzonych w wyrobach, w³aœci-woœci fizykomechanicznych polietylenów ró¿nych gêstoœci przedstawiono w tabeli 2.7.5 [1].

Mo¿liwoœci przetwórcze polietylenu i implikowane tym sposoby wzajemnego ³¹-czenia rur oraz kszta³tek wynikaj¹ z jego p³ynnoœci charakteryzowanej wskaŸnikiem szybkoœci p³yniêcia MFI (ang. Melt Flow Index). WskaŸnik ten okreœla masê polietyle-nu wyp³ywaj¹c¹ w ci¹gu 10 mipolietyle-nut przez znormalizowan¹, ogrzewan¹ dyszê w tempe-raturze 190 °C, pod znormalizowanym obci¹¿eniem. Najczêœciej podawanym w kar-tach wyrobów jest wskaŸnik p³yniêcia okreœlony przy obci¹¿eniu 5 kG (MFI 5/190),

133

Tabela 2.7.4. Podstawowe parametry techniczne polietylenu

Parametr WartoϾ Jednostka

Gêstoœæ 910–960 kg/m3

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie do punktu p³yniêcia

(na granicy plastycznoœci) 10–25 MPa

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie do punktu zerwania ca. 30 MPa Modu³ sprê¿ystoœci E

– krótkotrwa³y 600–>900 MPa

– d³ugotrwa³y 150–>300 MPa

Twardoœæ wed³ug Shora 58–65 SchoreD

Wyd³u¿enie do punktu p³yniêcia 15 %

Wyd³u¿enie do punktu zerwania 300–600 %

WskaŸnik p³yniêcia 0,4–1,3 g/10 min.

Odkszta³calnoœæ wysoka

UdarnoϾ z karbem:

– przy temperaturze 23 °C bez z³amania kJ/m2

– przy temperaturze –40 °C bez z³amania kJ/m2

Temperatura kruchoœci < –70 °C

Temperatura miêknienia 116–131 °C

Wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej

(przy temperaturze 23 °C) λ 0,35–0,45 W/m K

Wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej α 1,3–2,2·10–4 K–1

RozszerzalnoϾ liniowa

(w przedziale temperatur 20–90 °C) 0,17–1,70 mm/m°C

Ciep³o w³aœciwe (w temperaturze 23 °C) 1,9 J/gK

Lepkoœæ dynamiczna (przy temperaturze 190 °C

i prêdkoœci œcinania 100 s–1) 2000–2300 Pa·s

Odpornoœæ cieplna wed³ug Vicata

(przy obci¹¿eniu 5 kG) 40–80 °C

Dopuszczalny zakres temperatur –30 – 50 °C

Nasi¹kliwoœæ wod¹ (po 7 dniach) 0,1 %

StabilnoϾ termiczna >20 min

Udarnoœæ wed³ug Izoda 15 kJ/m2

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

chocia¿ oznacza siê go równie¿ przy obci¹¿eniach: 2,16 kG, 15,0 kG i 21,6 kG [206]. Parametr ten decyduje o zgrzewalnoœci wyrobów polietylenowych, przez któr¹ rozu-mie siê zdolnoœæ ich ³¹czenia poprzez wytworzenie zgrzewu (spawu), o wytrzyma³oœci nie ni¿szej ni¿ wytrzyma³oœæ ³¹czonych elementów. W praktyce przyjmuje siê, ¿e zgrze-wanie jest mo¿liwe, jeœli MFI ³¹czonych wyrobów znajduje siê w przedziale wartoœci MFI 5/190 = 0,2–1,3 g/10 min. Niektóre instytuty zalecaj¹, by zgrzewane materia³y znaj-dowa³y siê w tych samych grupach wskaŸnika p³yniêcia [206]:

• grupa 005, dla której MFI 5/190 = 0,4–0,7 g/10 min, • grupa 010, dla której MFI 5/190 = 0,7–1,3 g/10 min.

Tabela 2.7.5. W³aœciwoœci fizykomechaniczne polietylenów (wielkoœci orientacyjne, sprawdzane w wyrobach)

W³aœciwoœci ^{Rodzaj polietylenu}

PEHD PEMD PELD PE-X

Gêstoœæ, [g/cm3] 0,95–0,96 0,94–0,95 0,91–0,93 0,93–0,96

Wytrzyma³oœæ doraŸna, [MPa] 24 20 16 26

Wytrzyma³oœæ na granicy

plastycznoœci, [MPa] 20 15 10 25

Modu³ sprê¿ystoœci E, [MPa] 900 800 600 >900

Wyd³u¿enie do zerwania, [%] 350 500 600 >350

Temperatura miêknienia (Vicat), [°C] 70 60 40 80

Wspó³czynnik rozszerzalnoœci

termicznej α_{, [1/K·10-4] 1,4 1,4 1,4 1,4}

Wspó³czynnik przewodnoœci

cieplnej λ_{, [W/mK] 0,45 0,40 0,35 0,40}

Zgrzewanie elementów z dwóch ró¿nych grup jest mo¿liwe.

Polietylen, jak wiêkszoœæ tworzyw sztucznych, jest wra¿liwy na zmiany temperatur oraz promieniowanie UV. Przyk³adowe wykresy ilustruj¹ce wp³yw temperatury na wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej, ciep³o w³aœciwe oraz przewodnictwo cieplne polietylenu do produkcji rur dla przesy³ania paliw gazowych przedstawiono na rys. 2.7.5–2.7.7 [206].

Rys. 2.7.5. Wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej

dla polietylenu ^{Rys. 2.7.6. Ciep³o w³aœciwe polietylenu}

1,2 0 1,0 20 30 40 1,4 1,6 1,8 60 50 70 80 - 4 2,2 2,0 2,4 x 10 wspó ³czy nnik l iniowej w yd ³u¿ aln oœc i term ic zn ej 1/ K temperatura [°C] ⁵⁰ 2 1 -50 0 3 4 5 150 100 200 250 7 6 8 ci ep ³o w ³a œc iw e [k J / kg x K ] temperatura [°C]

135

W celu zwiêkszenia odpornoœci polietylenu na dzia³anie UV, polietyleny stabilizo-wane s¹ dodatkami sadzy lub innymi stabilizatorami zabezpieczaj¹cymi je przed zmia-nami starzeniowymi. Jak wykazuj¹ doœwiadczenia, rury z polietylenu stabilizowanego sk³adowane na wolnym powietrzu w obszarze dzia³ania promieni UV nie zmieniaj¹ swoich w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych nawet po kilkunastu latach.

Zdecydowanie wiêksz¹ odpornoœæ polietylen wykazuje na promieniowanie radio-aktywne. Ruroci¹gi polietylenowe s¹ wykorzystywane z powodzeniem od wielu lat do odprowadzania œcieków radioaktywnych zawieraj¹cych Ÿród³a promieniowania β i γ

oraz jako przewody wody ch³odniczej w technice j¹drowej.

Ze wzglêdu na niepolarn¹ strukturê, polietyleny wykazuj¹ du¿¹ odpornoœæ na dzia-³anie obci¹¿eñ chemicznych. S¹ odporne na dziadzia-³anie roztworów soli, rozcieñczonych kwasów i ³ugów. Korozjê polietylenów powoduj¹ jedynie dzia³aj¹ce w d³u¿szym cza-sie silne utleniacze, takie jak nadtlenki i kwasy o wysokim stê¿eniu. Producenci wyro-bów z polietylenu podaj¹ zazwyczaj tabele zawieraj¹ce informacje o œrodowisku chemicznym, jego stê¿eniu oraz temperaturze i odpowiadaj¹cej takim warunkom od-pornoœci polietylenów. Czêsto odpornoœæ chemiczn¹ polietylenów okreœla siê wspó³-czynnikiem f_CRt, wyra¿aj¹cym stosunek czasu u¿ytkowania materia³u w testowanym œrodku chemicznym do czasu u¿ytkowania w wodzie.

Polietyleny nie rozpuszczaj¹ siê w ¿adnym z rozpuszczalników w temperaturze do 20 °C i nie ulegaj¹ pêcznieniu na skutek dzia³ania wody. Nie stanowi¹ tak¿e po¿ywki dla bakterii i grzybów, co sprawia, ¿e uznaje siê je za odporne na dzia³anie mikroorga-nizmów. S¹ obojêtne fizjologicznie, sk¹d wynika ich dopuszczenie do przesy³ania wody pitnej.

Polietyleny s¹ tworzywami palnymi, a ich temperatura zap³onu wynosi 340 °C. Za-palaj¹ siê pod wp³ywem ognia, pal¹c siê œwiec¹cym p³omieniem (tak¿e poza Ÿród³em zap³onu), œciekaj¹c przy tym p³on¹cymi kroplami. Powstaj¹ce wtedy wêglowodory spa-laj¹ siê do tlenku wêgla, dwutlenku wêgla i wody.

Do produkcji rur wykorzystuje siê polietyleny œredniej, a przede wszystkim du¿ej gêstoœci, gdy¿ maj¹ one lepsze parametry od polietylenów niskiej gêstoœci. Granulaty polietylenowe dostarczane s¹ do wytwórni przewodów w postaci bezbarwnej lub

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

0,4 200 50 0 0,2 0,3 100 150 250 0,5 w sp ó³cz yn ni k pr zew od ni ct w a ci ep ln eg o [W / m x K ] temperatura [°C]

w kolorze czarnym (zawieraj¹ wtedy oko³o 2% sadzy) albo ¿ó³tym. Granulaty ¿ó³te mog¹ byæ produkowane jako bezkadmowe, albo zawieraæ pigment w postaci soli metali ciê¿-kich. Do produkcji rur kanalizacyjnych wykorzystywany jest przede wszystkim poli-etylen du¿ej gêstoœci w kolorze czarnym.

2.7.2.2.2. Produkcja i asortyment rur polietylenowych

Do wytwarzania rur o mniejszych œrednicach (do 500 mm) z materia³ów termopla-stycznych stosuje siê technologiê wyt³aczania. W przypadku przewodów o wiêkszych wymiarach œrednic produkcja rur mo¿e odbywaæ siê technologiami opracowanymi na potrzeby poszczególnych producentów. Schemat urz¹dzenia do wyt³aczania przewodów z termoplastów przedstawiono na rys. 2.7.8 [1].

Rys. 2.7.8. Schemat wyt³aczarki do produkcji rur z termoplastów: 1 – napêd, 2 – dozownik granulatu, 3 – uk³ad wyt³aczania, 4 – œlimak, 5 – elementy grzewcze, 6 – g³owica z rdzeniem formuj¹cym,

7 – urz¹dzenie kalibruj¹ce, 8 – uk³ad ch³odzenia, 9 – urz¹dzenie ci¹gn¹ce 1 2 9 5 5 5 _{6 7} 8 4 3

Wyt³aczanie przewodów polietylenowych polega na przeciskaniu przez g³owicê for-muj¹c¹ uplastycznionego w temperaturze od 200 do 210 °C granulatu polietylenowego z dodatkami antyutleniaczy, stabilizatorów i pigmentów. Wymienione dodatki s¹ nie-zbêdne do wytwarzania rur o okreœlonych w³aœciwoœciach mechanicznych i odpowie-dniej zgrzewalnoœci. Wyt³oczona rura jest kalibrowana i ch³odzona, a nastêpnie zwija-na zwija-na szpule lub ciêta zwija-na odcinki o wymaganej d³ugoœci. W celu umo¿liwienia identy-fikacji rury s¹ znakowane w procesie produkcji. Typowa metryka zawiera podstawowe informacje techniczne o rurze, datê i miejsce jej wytworzenia oraz nazwê producenta. Trwa³oœæ tych rur ocenia siê na nie mniej ni¿ 50 lat.

Rozwój w dziedzinie surowców stosowanych do produkcji rur polietylenowych na-st¹pi³ na pocz¹tku lat osiemdziesi¹tych, kiedy to zaczêto stosowaæ nowe rodzaje kata-lizatorów i unowoczeœniono metody produkcji przewodów. Da³o to pocz¹tek produk-cji rur drugiej i trzeciej generaproduk-cji:

• PE 63, dla których dopuszczalne naprê¿enia w œciance rury, przy wspó³czynniku bez-pieczeñstwa równym 1,25, wynosz¹ σ_p = 5,0 MPa,

• PE 80, dla których dopuszczalne naprê¿enia w œciance rury, przy wspó³czynniku bez-pieczeñstwa równym 1,25, wynosz¹ σ_p = 6,3 MPa,

137

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

Rys. 2.7.9. Schemat œcianki dwuwarstwowej na przyk³adzie rury typu DUO

• PE 100, dla których dopuszczalne naprê¿enia w œciance rury, przy wspó³czynniku bezpieczeñstwa równym 1,25, wynosz¹ σ_p = 8,0 MPa.

Asortyment produkowanych rur zale¿y od mo¿liwoœci i rozwi¹zañ stosowanych przez ich producentów. Najczêœciej produkowane s¹ rury g³adkie z PEHD lub PEMD, których œrednice zawieraj¹ siê w przedziale od 16 do 1600 mm, a standardowe d³u-goœci wynosz¹:

• 6,0 m (lub wielokrotnoœæ) – dla rur w odcinkach, • do 500 m – dla rur w zwojach.

Oprócz rur g³adkich niektóre firmy oferuj¹ w³asne systemy konstrukcyjne ich œcia-nek, maj¹ce polepszyæ parametry wytrzyma³oœciowe rur poprzez wprowadzenie uk³a-dów przestrzennych (rury profilowe). Przyk³adem mo¿e byæ rura DUO produkowana przez firmê KWH Pipe, której œcianka jest po³¹czeniem profilowanej warstwy zewnê-trznej o zwiêkszonej sztywnoœci z g³adk¹ warstw¹ wewnêtrzn¹, o dobrych parametrach hydraulicznych – rys. 2.7.9 [99].

Innym przyk³adem rury o przestrzennej strukturze œcianki produkowanej przez fir-mê KWH Pipe jest rura WEHOLITE SPIRO [99]. Konstrukcje te charakteryzuj¹ siê ma³ym ciê¿arem i zwiêkszon¹ w stosunku do rur g³adkich sztywnoœci¹.

Do produkcji rur profilowych mo¿e byæ stosowany polietylen du¿ej gêstoœci (PEHD), rzadziej polietylen œredniej gêstoœci (PEMD) w po³¹czeniu z polipropylenem (PP) lub jego kopolimerem (PP-CO) czy homopolimerem (PP-H).

Najczêœciej wystêpuj¹ce na rynku rury z profilami polipropylenowymi s¹ wytwa-rzane na g³adkich, obracaj¹cych siê walcach stalowych poprzez nak³adanie polietyle-nu o du¿ej gêstoœci (PEHD) i spiralne nawijanie polipropylenowego wê¿a (PP). Roz-wi¹zanie to pozwala na wykonywanie rur o zwiêkszonej sztywnoœci obwodowej, dziê-ki czemu rury w tej technologii s¹ produkowane w zakresie œrednic 200–3500 mm. Producentem takich rur o najstarszym rodowodzie jest firma BAUKU [15]. Rury tej firmy s¹ produkowane wed³ug patentu Manfreda Hawerkampa z lat szeœædziesi¹tych XX wieku. Ich wytwarzanie polega na spiralnym nawijaniu oblanego rozgrzan¹ polie-tylenow¹ mas¹ polipropylenowego profilu na metalowy walec. Proces odbywa siê w temperaturze wy¿szej od temperatury topnienia PE i ni¿szej od temperatury topnie-nia PP.

Przyk³ady produkowanych w tej techno-logii przekrojów œcianek rur przedstawiono na rys. 2.7.10 [126].

Producenci rur posiadaj¹ zazwyczaj w swojej ofercie równie¿ kszta³tki, studzien-ki rewizyjne i inne elementy wyposa¿eñ sie-ci wytwarzane z polietylenu. Obiekty te s¹ wyposa¿ane we w³azy sta³e lub teleskopo-we, a ich œcianki mog¹ mieæ budowê zbli-¿on¹ do budowy œcianek rur (porównaj roz-dzia³ 6).

2.7.2.2.3. £¹czenie elementów polietylenowych Do budowy systemów sieciowych z ele-mentów polietylenowych stosuje siê cztery rodzaje ich po³¹czeñ:

• zgrzewanie doczo³owe, • zgrzewanie elektrooporowe, • zgrzewanie mufowe, • po³¹czenia mechaniczne.

Zgrzewanie doczo³owe jest najczêœciej stosowanym typem po³¹czenia. Polega na ³¹czeniu rur i ich wyposa¿eñ (kszta³tek i stu-dzienek) przez nagrzewanie koñców tych elementów do wymaganej temperatury (oko-³o 210 °C) i dociœniêcie ich do siebie bez sto-sowania jakichkolwiek materia³ów

dodatko-58, 0 0 58, 0 0 55, 0 0 44, 0 0 1 3 4 2

Rys. 2.7.10. Przekroje œcianek rur profilo-wych PEHD/PP: 1 – œcianka o profilu omega, 2 – œcianka o profilu prostok¹tnym

(profil KOREA), 3 – œcianka o profilu trapezowym, 4 – œcianka o profilu teowym

wych. W efekcie powstaje po³¹czenie homogeniczne, podczas wykonywania którego stosowany sprzêt powinien zapewniaæ sta³¹ kontrolê temperatury i si³y docisku. Sche-mat przebiegu zgrzewania doczo³owego przedstawiono na rys. 2.7.11 [1].

Zgrzewane mog¹ byæ wy³¹cznie materia³y tego samego rodzaju. Gruboœæ œcianek zgrzewanych elementów powinna byæ zbli¿ona, a klasa ciœnieñ rur taka sama. Zgrze-wanie standardowe mo¿na prowadziæ w temperaturze otoczenia wy¿szej od 15 °C. W przypadku ni¿szych temperatur nale¿y podj¹æ specjalne œrodki, np. ustawiæ ochron-ne namioty z ewentualnym podgrzewaniem powietrza. Dla unikniêcia zbyt szybkiego sch³odzenia zgrzewu przez wiatr oba koñce zgrzewanych rur powinny zostaæ zamkniê-te. W przypadku bezpoœredniego dzia³ania promieni s³onecznych w celu zapewnienia równomiernego rozk³adu temperatur zgrzewane z³¹cze nale¿y os³oniæ. Przed rozpoczê-ciem zgrzewania koñce ³¹czonych elementów musz¹ byæ oczyszczone i poddane obróbce mechanicznej (specjalnym urz¹dzeniem strugaj¹cym) tak, aby p³aszczyzny zgrzewane by³y prostopad³e do osi rury. W razie zat³uszczenia tak przygotowanych elementów nale¿y je oczyœciæ spirytusem technicznym.

139

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

Zgrzewanie elektrooporowe polega na ³¹czeniu elementów przy u¿yciu odpowie-dnich muf, kszta³tek lub opasek z wykorzystaniem ciep³a wydzielanego przez pr¹d p³y-n¹cy w drucie oporowym. Zgrzewanie wykonuje siê przez pod³¹czenie koñcówek cewki z drutu oporowego do Ÿród³a pr¹du, po uprzednim umieszczeniu koñców zgrzewanych elementów w kszta³tce. P³yn¹cy w obwodzie pr¹d powoduje wydzielanie siê w cewce ciep³a, w wyniku czego tworzywo otaczaj¹ce przewód ulega topnieniu. W tym samym czasie mufa kurczy siê, zapewniaj¹c po³¹czenie z wymagan¹ si³¹ docisku. Wystêpuj¹-ce w sieci napiêcie oraz temperatura s¹ kontrolowane w sposób ci¹g³y, a w razie ich wahañ wprowadza siê korektê czasu zgrzewania. W przypadku zaniku napiêcia unie-mo¿liwiaj¹cego zgrzanie elementów operacje mo¿na powtórzyæ wy³¹cznie dla rur o œre-dnicach mniejszych od 63 mm. Schemat zgrzewania elektrooporowego przedstawiono na rys. 2.7.12 [1].

Rys. 2.7.11. Schemat zgrzewania doczo³owego: a), b) proces nagrzewania koñców rury, c) docisk i powstawanie zgrzewu, d) schemat z³¹cza, e) z³e przygotowanie z³¹cza, f) poprawne przygotowanie z³¹cza, g) wykres przebiegu docisku (ciœnienia) w czasie;

t₁ – czas wyrównywania, t₂ – czas podgrzewania, t₃ – czas przestawiania, t₄ – czas spajania i ch³odzenia pod ciœnieniem

ciœnienie wyrównawcze ciœnienie przy podgrzewaniu t1 t2 MPa g) czas [s] t3 t4 ciœnienie po³¹czenia b) c) k>0 a) ^element _grzewczy rura rura Ÿle f) dobrze e) d) k>0 mm

Rys. 2.7.12. Schemat zgrzewania elektrooporowego

Zgrzewanie mufowe polega na nagrzewaniu zewnêtrznej powierzchni elementu i wewnêtrznej powierzchni z³¹czki do temperatury zgrzewania, a nastêpnie ich zesleniu. Oba koñce ³¹czonych elementów i z³¹czka s¹ nagrzewane jednoczeœnie za po-moc¹ odpowiednio ukszta³towanych elementów grzewczych. Podobnie jak w przypad-ku zgrzewania doczo³owego i elektrooporowego, zgrzewanie mufowe mo¿na stosowaæ tylko w przypadku ³¹czenia elementów z tej samej grupy, których wskaŸnik p³yniêcia jest podobny. Etapy zgrzewania polifuzyjnego (mufowego) ilustruje rys. 2.7.13 [1, 206]. Rury PEHD/PP ³¹czy siê na z³¹czki, w kielichach lub przez spawanie ekstruderem. Do uszczelnienia po³¹czeñ kielichowych stosuje siê gumow¹ uszczelkê, fabrycznie zin-tegrowan¹ z kielichem rury. Spawanie rur zapewnia wiêksz¹ szczelnoœci po³¹czeñ, co jest szczególnie istotne w przypadku budowy kana³ów na obszarach chronionych lub na terenach o wysokim poziomie wód gruntowych. Spawanie mo¿e mieæ miejsce za-równo po zewnêtrznej jak i wewnêtrznej stronie rury.

2.7.2.3. Przewody z polichlorku winylu 2.7.2.3.1. Produkcja rur z polichlorku winylu

Polichlorek winylu (PCW) jest najstarszym tworzywem sztucznym stosowanym do produkcji przewodów kanalizacyjnych, kszta³tek i innych elementów sieci. Sposób wytwarzania tego tworzywa opisa³ w roku 1838 Victor Regnault, lecz dopiero w roku 1912 Fritz Klatte opracowa³ techniczne podstawy jego produkcji [129]. Na skalê prze-mys³ow¹ jest ono wytwarzane dopiero od 1938 roku, mimo ¿e pierwsze zastosowania polichlorku winylu do produkcji rur mia³y miejsce ju¿ w 1935 roku. PCW jest najtañ-szym z tworzyw sztucznych stosowanych do produkcji przewodów i zapewne dlatego

po³¹czenie gotowe z³¹czka

elektrooporowa

141

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

5 4 3 2 1 a) c) b)

Rys. 2.7.13. Schemat zgrzewania mufowego: a) elementy systemu, b) nagrzanie koñca rury i wnêtrza mufy, c) rozgrzany koniec rury wprowadzony do rozgrzanego wnêtrza mufy;

1 – element grzewczy, 2 – rura, 3 – z³¹czka, 4 – rdzeñ grzewczy, 5 – tuleja grzewcza

znalaz³o zastosowanie przy wytwarzaniu instalacji wodoci¹gowych, gazowych, sieci kanalizacyjnych, a tak¿e innych specjalistycznych systemów sieciowych.

Polichlorek winylu jest polimerem o powtarzaj¹cej siê grupie n[–CH₂–CH–Cl], otrzy-mywanym w wyniku polimeryzacji chlorku winylu. Surowcami wyjœciowymi do pro-dukcji tego tworzywa s¹ ropa naftowa, z której wytwarzany jest etylen i sól kuchenna, z której uzyskuje siê chlor. Ze sk³adników tych powstaje chlorek winylu przekszta³ca-ny nastêpnie w polichlorek wiprzekszta³ca-nylu, nazywaprzekszta³ca-ny tak¿e PCW, produkowaprzekszta³ca-ny w dwóch odmianach: twardy, tzn. nieplastyfikowany, oraz miêkki, zmiêkczony dodatkiem od 20 do 70% plastyfikatorów.

Polimeryzacjê przeprowadza siê w polimeryzatorach, otrzymuj¹c w ten sposób su-row¹ ¿ywicê polichlorku winylu.

Do produkcji rur wykorzystuje siê nieplastyfikowany polichlorek winylu

W dokumencie Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych (Stron 129-151)