Wiadomoœci wstêpne

Produkcja przewodów podatnych z polimerów rozpoczê³a siê w latach 30. dwudzie-stego wieku i jest zwi¹zana z dynamicznym rozwojem produkcji tworzyw sztucznych, tzn. materia³ów, których podstawowym sk³adnikiem s¹ wielocz¹steczkowe zwi¹zki orga-niczne, nazywane polimerami. Najczêœciej stosowan¹ klasyfikacj¹ polimerów jest kla-syfikacja zaproponowana przez Fischera, uwzglêdniaj¹ca ich w³aœciwoœci reologiczne bezpoœrednio zwi¹zane z w³aœciwoœciami u¿ytkowymi [257]. Ze wzglêdu na to kryte-rium polimery dzieli siê na elastomery i plastomery, do których zalicza siê termopla-styczne polimery amorficzne i krystaliczne (termoplasty) oraz duroplasty (polimery ter-mo- i chemoutwardzalne). Tworzywa sztuczne wytwarzane s¹ przewa¿nie z surowców wêglopochodnych i ropopochodnych w wyniku reakcji:

• polimeryzacji – otrzymywane s¹ termoplasty (polietylen, polipropylen, polichlorek winylu),

• polikondensacji – otrzymywane s¹ duroplasty (¿ywice fenolowe, kreozotowe, per-lon, nylon),

• poliaddycji – otrzymywane s¹ struktury (makrocz¹steczki) liniowe o luŸnym usie-ciowieniu (poliuretany).

Wyprodukowany polimer otrzymuje nazwê wystêpuj¹cego w przewadze monome-ru (organicznego zwi¹zku niskocz¹steczkowego) z przedrostkiem poli- (np. polietylen). Polimery z jednym rodzajem monomeru nazywane s¹ tak¿e homopolimerami, a gdy wystêpuj¹ ró¿ne monomery, polimer przyjmuje nazwê od monomeru przewa¿aj¹cego z dodaniem okreœlenia kopolimer (np. kopolimer polipropylenu).

Wed³ug podstawowych, obowi¹zuj¹cych oznaczeñ tworzywa sztuczne, u¿ywane do produkcji przewodów, dziel¹ siê na grupy [209]:

• tworzyw poliwinylowych:

– nieplastyfikowany polichlorek winylu PVC-U (oznaczenie krajowe PCW-U), – chlorowany polichlorek winylu PCW-C;

• poliolefin:

– polietylen niskiej gêstoœci PELD (LD – Low Density), – polietylen œredniej gêstoœci PEMD (MD – Middle Density), – polietylen wysokiej gêstoœci PEHD (HD – High Density), – polietylen wysokiej gêstoœci sieciowany PE-X,

123

– polipropylen PP,

– homopolimer polipropylenu PP-H, – kopolimer polipropylenu PP-Co, – polibutylen PB;

• kompozytów – duroplasty wzmacniane w³óknem szklanym (ang. Glass Reinforced Plastic – GRP, niem. Glasfaserverstärkte Kunstoff – GFK):

– utwardzanych ¿ywic¹ epoksydow¹ GRP-EP, – utwardzanych ¿ywic¹ poliestrow¹ GRP-UP.

Wymienione kompozyty wytwarzane s¹ z ¿ywic chemoutwardzalnych [257]. W praktyce u¿ywana jest wiêksza liczba symboli, co jest implikowane wprowadza-niem symboli firmowych. St¹d te¿, w zale¿noœci od producenta, tak samo oznaczone tworzywa mog¹ mieæ ró¿ne w³aœciwoœci.

Historiê zastosowañ poszczególnych rodzajów tworzyw do wytwarzania rur, niektóre ich charakterystyki oraz zakresy œrednic przedstawiono w tabeli 2.7.1 [1].

Z wymienionych w tabeli materia³ów do produkcji rur kanalizacji zewnêtrznej sto-suje siê przede wszystkim: PCW, PEHD, PP oraz GRP-EP i GRP-UP. Wzrost zaintere-sowania tym typem przewodów wi¹¿e siê z przypisywanymi im zaletami, do których najczêœciej zalicza siê [153]:

• d³ugi okres przewidywanej eksploatacji; przyjmuje siê, ¿e jest on nie krótszy ni¿ 50 lat,

• ma³y ciê¿ar w stosunku do rur sztywnych (betonowych, ¿eliwnych, kamionkowych), • mo¿liwoœæ produkcji rur o du¿ych d³ugoœciach (z termoplastów przy mniejszych

œre-dnicach),

• odpornoœæ na chemiczn¹ agresywnoœæ œrodowiska, rozumian¹ jako:

– odpornoœæ na degradacjê, uszkodzenie i obni¿enie w³aœciwoœci wytrzyma³oœcio-wych itp.,

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

Tabela 2.7.1. Podstawowe w³aœciwoœci tworzyw sztucznych stosowanych do produkcji rur

Rodzaj tworzywa Skrót Data Gêstoœæ Naprê¿enia Œrednice

rozpoczêcia projektowe produkowanych

produkcji w temperaturze rur

+20 °C [kg/m3] [MPa] [mm] Polichlorek winylu PCW 1935 1400 10,0–14,0 40–630 Polietylen PELD 1945 930–940 2,5–3,2 16–160 Polietylen PEHD 1955 950–965 5,0–6,3 25–2400 Polipropylen PP 1955 910–925 5,0 25–1600 Polibutan PB 1955 920 5,0 25–160 Epoxy GRP–EP 1955 1,850 100 15–1500 Poliester GRP–UP 1955 1700 100 200–2400 Polietylen PE–X 1968 930–965 5,0 25–160 Polietylen PEMD 1971 940–950 5,0–6,3 25–1600

– ma³¹ przenikalnoœæ substancji chemicznych przez œcianki przewodu, • nietoksycznoœæ,

• dobre w³aœciwoœci hydrauliczne, • du¿¹ odpornoœæ na œcieranie, • bardzo ma³¹ nasi¹kliwoœæ,

• ³atwy, szybki i nie wymagaj¹cy du¿ych nak³adów monta¿,

• wysok¹ elastycznoœæ (szczególnie przy mniejszych œrednicach) gwarantuj¹c¹ du¿¹ swobodê uk³adania instalacji,

• odpornoœæ na uderzenia hydrauliczne i mechaniczne (z wyj¹tkiem rur kompozyto-wych),

• niewystêpowanie inkrustacji, • ³atwoœæ obróbki mechanicznej,

• brak potrzeby stosowania dodatkowych warstw ochronnych (izolacji), • ³atwoœæ ³¹czenia z rurami i armatur¹ z innych materia³ów,

• mo¿liwoœæ stosowania na obszarach objêtych wp³ywami sejsmicznymi i parasej-smicznymi (np. na terenach szkód górniczych),

• ma³e koszty eksploatacji, • szczelnoœæ,

• odpornoœæ na pr¹dy b³¹dz¹ce.

Przeciwnicy stosowania przewodów z tworzyw sztucznych uzasadniaj¹ swoje sta-nowisko ich wadami, do których najczêœciej zaliczaj¹:

• brak tradycji stosowania tego typu przewodów i potwierdzonych tym rzeczywistych, a nie modelowanych, doœwiadczeñ eksploatacyjnych,

• niestabilnoœæ parametrów wytrzyma³oœciowych w czasie i przy zmianach tempera-tury,

• du¿¹ wyd³u¿alnoœæ,

• trudnoœæ zapewnienia wymaganej wspó³pracy pomiêdzy oœrodkiem gruntowym i przewodem bez bardzo starannego wykonania podsypki i obsypki przewodów. Ze wzglêdu na w³aœciwoœci statyczno-wytrzyma³oœciowe przewody z tworzyw sztucznych zaliczaj¹ siê do przewodów podatnych, które odró¿nia od przewodów sztyw-nych (wykonasztyw-nych z ceg³y, kamionki, ¿eliwa, betonu lub polimerobetonu) ich praca w oœrodku gruntowym. Przewody sztywne s¹ praktycznie nieodkszta³calne, w zwi¹zku z czym rozk³ady dzia³aj¹cych na nie obci¹¿eñ charakteryzuj¹ siê du¿ymi koncentracja-mi w dolnej i górnej czêœci przekroju. Rury podatne pod wp³ywem obci¹¿eñ ulegaj¹ deformacji, zazwyczaj sp³aszczeniu, co powoduje redukcjê obci¹¿eñ w dolnej i górnej czêœci przekroju przy równoczesnym wzroœcie obci¹¿eñ bocznych. W efekcie nastêpu-je korzystne wyrównanie tych wielkoœci wokó³ przewodu i zmniejszenie wartoœci mo-mentów zginaj¹cych w œciance rury.

Niejednokrotnie wyró¿nia siê spoœród przewodów z tworzyw sztucznych i stali grupê rur pó³sztywnych (przy odpowiednim stosunku iloczynu œredniego promienia rury i modu³u odkszta³calnoœci oœrodka gruntowego do iloczynu gruboœci œcianki rury i mo-du³u sprê¿ystoœci jej materia³u – patrz kryterium 2.7.1), które s¹ konstrukcj¹ poœredni¹

125

pomiêdzy przewodami sztywnymi i podatnymi, gdy¿ ich wspó³praca z oœrodkiem grun-towym wykazuje podobieñstwa zarówno do wspó³pracy rur sztywnych, jak i podatnych. Za³o¿enia do projektowania konstrukcji takich przewodów przedstawiono na rys. 2.7.1 [96].

W kwalifikacji przewodów ze wzglêdu na ich sztywnoœæ najczêœciej korzysta siê z kryterium Kleina, które wyra¿one jest zale¿noœci¹ [157]:

3 3 Ee r E n= ^{g m} (2.7.1)

gdzie: E_g – modu³ odkszta³calnoœci gruntu, MPa,

E – modu³ sprê¿ystoœci materia³u, z którego wykonany jest przewód, MPa, r_m – œredni promieñ przewodu; _rm ₌ d^e₄+dⁱ

, mm, d_e –œrednica zewnêtrzna przewodu, mm,

d_i –œrednica wewnêtrzna przewodu, mm, e – gruboœæ œcianki rury, mm.

W przypadku rur sztywnych kryterium przyjmuje wartoœæ n < 1, dla rur podatnych n > 1, a dla pó³sztywnych n = 1.

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

Rys. 2.7.1. Za³o¿enia do projektowania przewodów u³o¿onych w gruncie Czynniki okreœlaj¹ce noœnoœæ uk³adu Charakterystyka statyczna uk³adu Kryteria projektowe Sztywne Pó³sztywne q = v H q = v H q = v H Dopuszczalne odkszta³cenie wzglêdne [%] ^{~ 0 ~ 0,5 > 5} Podatne Odkszta³cenie + statecznoœæ Rura i grunt stanowi¹

wspó³pracuj¹cy uk³ad statyczny

SztywnoϾ obwodowa rury + sztywnoϾ gruntu

Naprê¿enie/odkszta³cenie wzglêdne Wytrzyma³oœæ materia³u rury + sztywnoœæ gruntu

Naprê¿enie Rura stanowi samodzielny uk³ad statyczny Wytrzyma³oœæ materia³u rury

W zmodyfikowanej formie kryterium Kleina wyra¿aj¹ zale¿noœci:

dla rur sztywnych 3

g E E e r _< (2.7.2)

dla rur podatnych 3

g E E e r _> (2.7.3)

dla rur pó³sztywnych 3

g E E e r ₌ (2.7.4) Sztywnoœæ rur wyznaczana jest doœwiadczalnie i mierzona jako odpornoœæ na ugiê-cie obwodowe w wyniku podzielenia si³y dzia³aj¹cej na próbkê przez d³ugoœæ tej prób-ki i ugiêcie [224]: dv L f F S = (2.7.5)

gdzie: S РsztywnoϾ rury, N/m2,

F – si³a dzia³aj¹ca na jednostkê d³ugoœci, N, L – d³ugoœæ próbki, m,

dv – ugiêcie, m,

f – wspó³czynnik ugiêcia zniekszta³conej rury w wyniku jej owalizacji, wy-znaczony ze wzoru:     ₊ = − m d dv f 10 ⁵ 1860 2500 (2.7.6)

gdzie d_m – uœredniona œrednica rury, m.

Do celów projektowych przyjmuje siê ró¿ne wartoœci sztywnoœci obwodowej w za-le¿noœci od norm i wytycznych do jej obliczania stosowanych w ró¿nych krajach [224].

Przepisy CEN oraz normy ISO definiuj¹ sztywnoœæ obwodow¹ zale¿noœci¹:

3 m

d EI

S= _(2.7.7)

gdzie: E – umowny modu³ sprê¿ystoœci materia³u, z którego wykonany jest przewód, Pa, I – moment bezw³adnoœci przekroju rury, I = e3/12.

Wed³ug norm niemieckich DIN oraz wytycznych ATV, sztywnoœæ obwodowa wyra-¿a siê równaniem:

127

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

Tabela 2.7.2. Zestawienie sztywnoœci obwodowych obliczanych wed³ug ró¿nych metod Sztywnoœæ nominalna SN2500 SN5000 SN10000 SN15000 SN20000 oznaczenie jednostka normy

S N/m2 ISO, 2500 5000 10000 15000 20000 CEN S_R N/mm2 DIN, 0,02 0,04 0,08 0,12 0,16 ATV F/dv psi ASTM 18 36 72 108 144 3 m R r EI S = _(2.7.8)

W normie amerykañskiej ASTM okreœla siê sztywnoœæ obwodow¹ przy ugiêciu 5% i wyra¿a j¹ stosunkiem F/dv.

Zestawienie sztywnoœci obwodowych rur wyznaczonych zgodnie z powy¿szymi wzo-rami przedstawiono w tabeli 2.7.2 [224].

Zagadnieniem kontrowersyjnym w przypadku statyczno-wytrzyma³oœciowych ana-liz przewodów z tworzyw sztucznych jest czêsto wielkoœæ przyjmowanego do obliczeñ modu³u sprê¿ystoœci E (nazwanego tu za [224] umownym modu³em sprê¿ystoœci). Kon-trowersje te wynikaj¹ zazwyczaj z niewystarczaj¹cej wiedzy o cechach tworzyw sztucz-nych i wp³ywie tych cech na wielkoœæ modu³u Younga. Modu³ sprê¿ystoœci wzd³u¿nej, okreœlaj¹cy sztywnoœæ polimeru, je¿eli jest zdefiniowany jako stosunek naprê¿enia nor-malnego σ do wyd³u¿enia ε i wyznaczony przy sta³ej prêdkoœci odkszta³cenia, mo¿e mieæ zastosowanie tylko do obliczeñ in¿ynierskich. Uzyskanie pe³nej charakterystyki tego modu³u dla polimeru wymaga wyznaczania go przy ró¿nych prêdkoœciach obci¹-¿eñ jako E(t) z uwzglêdnieniem lepkosprê¿ystego zachowania siê polimerów (patrz 2.7.2.1). Dlatego, w celu dok³adniejszego porównania ró¿nych materia³ów, powinny byæ podawane co najmniej modu³y sprê¿ystoœci z indeksem czasu okreœlaj¹cym czas trwania odkszta³cenia, np. E₁₀ oznacza, ¿e modu³ wyznaczono po 10 sekundach trwa-nia odkszta³cetrwa-nia.

Dla polimerów, które nie maj¹ wyraŸnej granicy plastycznoœci (elastomerów) po-winien byæ okreœlany modu³ sieczny, który jest umownym modu³em oznaczonym przy zadanym wyd³u¿eniu, np. E(200) oznacza, ¿e modu³ zosta³ okreœlony przy wyd³u¿eniu równym 200% [257].

Cytowane dalej charakterystyki mechanicznych cech wyrobów zawieraj¹ siê w przedzia³ach wielkoœci, co wynika z odmiennych sposobów ich wyznaczania przez poszczególnych producentów rur. Jeszcze trudniejszym problemem jest prawid³owa interpretacja modu³ów sprê¿ystoœci w przypadku kompozytów wykonywanych na ba-zie duroplastów (patrz rozdzia³ 2.7.3.4). Ponadto, parametry polimerów ulegaj¹ zmia-nie w czasie, w zwi¹zku z czym wyró¿nia siê krótkotrwa³e i d³ugotrwa³e modu³y sprê-¿ystoœci.

Szeregi wymiarowe przewodów podatnych (z tworzyw sztucznych) okreœla siê wska-Ÿnikiem SDR (ang. Standard Dimention Ratio), wyra¿onym wzorem [209]:

e D_e

=

SDR ^(2.7.9)

gdzie: D_e – zewnêtrzna œrednica rury, mm, e – gruboœæ œcianki rury, mm.

Rury z tworzyw sztucznych produkowane s¹ w szeregach SDR, którym przypisy-wane s¹ odpowiednie robocze, dopuszczalne ciœnienia nominalne w temperaturze 20 °C. Ciœnienie to oznacza siê skrótem PN pochodz¹cym od angielskojêzycznego sformu³o-wania nominal pressure rating. Wartoœæ tego ciœnienia podawana jest zwyczajowo w barach. Rury o wiêkszym wskaŸniku SDR charakteryzuj¹ siê mniejszymi gruboœcia-mi œcianek i mog¹ transportowaæ media pod mniejszygruboœcia-mi ciœnieniagruboœcia-mi PN.

Podstawowym parametrem w projektowaniu konstrukcji przewodów jest wytrzyma-³oœæ przewidywanego do zastosowania materia³u. W przypadku tworzyw sztucznych ich wytrzyma³oœæ zmienia siê z up³ywem czasu (porównaj 2.7.2.1), dlatego te¿ do oce-ny i porównania tworzyw wykorzystuje siê pojêcie „wytrzyma³oœci czasowej”, okre-œlanej przy obci¹¿eniu przewodu wewnêtrznym ciœnieniem w temperaturze 20 °C dla 50. lat eksploatacji. Podejœcie takie jest podstaw¹ klasyfikacji tworzyw do wytwarza-nia rur prowadzonej wed³ug ISO 12162 i EN 32162. Dla porównawytwarza-nia tworzyw wpro-wadza siê nastêpuj¹ce pojêcia [1]:

• d³ugoterminowa wytrzyma³oœci (po up³ywie 50. lat) LTHS (ang. Long Term Hydro-static Limit),

• minimalna wymagana wytrzyma³oœæ tworzywa MRS (ang. Minimum Required Stren-ght); wartoœæ MRS okreœlana w warunkach laboratoryjnych mówi, jak¹ minimaln¹ wytrzyma³oœæ bêdzie mia³ materia³ po up³ywie 50. lat przy za³o¿eniach, ¿e tempe-ratura materia³u nie bêdzie w tym czasie wy¿sza ni¿ 20 °C, a transportowane me-dium stanowi woda,

• wartoœæ dolnej granicy przedzia³u ufnoœci LCL (ang. Lower Confidence Limit) wy-ra¿ona w MPa, któr¹ mo¿na traktowaæ jako w³aœciwoœæ materia³u reprezentuj¹-c¹ 97,5% dolnej granicy ufnoœci, przewidywanej d³ugotrwa³ej wytrzyma³oœci na ci-œnienie hydrostatyczne dla wody o temperaturze 20 °C w okresie 50 lat,

• wytrzyma³oœæ obliczeniowa σ_s = MRS/C, gdzie C jest ogólnym wspó³czynnikiem bezpieczeñstwa o wartoœci wiêkszej od 1 przyjmowanym z szeregu Renarda R20, w którym uwzglêdnia siê warunki pracy oraz w³aœciwoœci sieci inne ni¿ reprezento-wane przez LCL.

W praktyce in¿ynierskiej najczêœciej wykorzystuje siê wartoœæ MRS, któr¹ mno¿y siê przez 10 i dodaje do symbolu materia³owego (np. oznaczenie PE100 informuje, ¿e minimalna wytrzyma³oœæ rury polietylenowej na naprê¿enia wynosi 10 MPa w tempe-raturze 20 °C przez okres 50 lat).

129