Materiály RC v trubních systémech Úvod Pol yet yleny s označením RC se vyrábějí uţ několik let. Na trh s trubkami z takto označeného materiálu přišla jako první firm a Wavin a jejich potrubí označené Wavin TS. Je to logický důsledek vývoje materiálů se stále dokonalejšími vlastnostmi. Pro připomenutí uvádím krátký nástin vývoje trubních t ypů pol yet ylenů : 1. generace – vysokohustotní t ypy, které vykazoval y MRS 6,3. Tyt o typy pol ymeru měl y vysokou pevnost v tahu, velký modul a vykazoval y poměrně značnou křehkost. Při syntéze nebyl dodáván ţádný komonomer. Jednalo se o homopol ymer 2. generace – vysokohustotní, středohustotní t ypy pol ymerů, které vykazoval y MRS 8. Tato gen erace se vyznačovala při syntéze pol yet ylenu přidáváním komonomeru. Místo pouţití čistého etenu, se přidával mal ý podíl některého z vyšších olefinů (propen, buten ... okten). Zjistilo se, ţe řízenou syntézou, kdy na dlouhých řetězcích PE se syntetizuje několik jednotek komonomeru na 1000 uhlíků hlavního řetězce, zlepšují se výrazně dlouhodobé pevnosti, sniţuje se hustota a krátkodobá pevnost. Protoţe modul je závisl ý na obsahu krystalické fáze a tedy hustot y, byl y t yto materiály ohebnější a práce s nimi, zejména u vinut ých potrubí, byla jednodušší. Středohustotní t yp y získával y na oblibě. Vyráběl y se od roku 1974 s komonomerem hexenem. Ukázalo se však, ţe zvyšování podílu komonomeru, pouţívání vyšších komonomerů nevede ke zlepšení dlouhodobé pevnosti a zhoršuje se i odolnost vůči chemikáliím. Vznikla však nová třída PE materiálů, označovaných jako PE -RT (resist temperature). PE -RT materiál y vykazují lepší teplotní odolnost neţ PP R, jsou však ohebnější neţ PP -R a práce je s nimi snazší. Jedná se o pol yet yleny s přídavkem komonomeru okten. 3. generace – vyplynula z poznání, ţe jednostupňová pol ymerace nevede ke zlepšení dlouhodobé pevnosti, coţ je pro trubní tlakové systém y podstatný poţadavek. Bylo zřejmé, ţe distribuce molekulových hmotností musí vykazovat ur čité charakteristiky, aby vznikl produkt s vysokou dlouhodobou pevností a navíc byl zpracovatelný zavedenými technologiemi. Vznikla dvoureaktorová technologie výroby pol yet ylenu u které se podařilo zvýšit dlouhodobou pevnost na MRS 10. Tato změna byla význ amná, umoţnila při stejné úrovni maximálního provozního přetlaku přejít na potrubí s vyšším SDR a tedy tenčí stěnou. Vyšší náklady na nový materiál byl y záhy kompenzovány niţší spotřebou materiálu na 1m potrubí poţadované světlosti. Materiál y MRS 10 se zač al y pouţívat kolem roku 1997. České pl ynárenství, zejména díky VČP, zachytilo nástup tohoto t ypu materiálu velmi brz y. Byl y provedeny zkoušky svařitelnosti jak navzájem, tak s t ypy PE 80. Obzvláště u svarů na tupo byl y zpočátku obavy z pevnosti svarů. Z hlediska vizuální kontrol y nebyl y svary dokonale zabalené v důsledku rozdílných tokových vlastností oproti pouţívaným MD -PE 80.
1
Obzvláště zřetelná byla nedůvěra ze strany německých producentů a DVGW. Pravděpodobně šlo o syndrom „nevym yšleno u nás“, protoţe o bavy zmizel y v okamţiku, kdy byly vyvinut y a na trh dány německé produkt y Hostalen s MRS 10. Další zvyšování dlouhodobé pevnosti na MRS 12,5 se nedařilo, pouze někteří výrobci uváděli ţe mají materiál y s těmito vlastnostmi. Komerčně úspěšní však nebyl y. Výrobci trub a materiálu hledali další moţnosti odlišení se na trhu a získání komerčních výhod. Další problematickou oblastí obecně, je poţadavek na pokládku do trub do pískového loţe. Široká oblast zájmu je u bezvýkopových technologií s pokládkou do podvrtu bez ochranného potrubí, relainingy, burstliningy, pluhování a další technologie, kde můţe dojít k místní koncentraci napětí ve stěně potrubí. Východiskem bylo trubky s ochrannou vrstvou. Firma Wavin přišla na trh s nabídkou třívrstvých trub, kde vnější a vnitřní vrstva tloušťky cca 25% celkové tloušťky stěny byla vyrobena ze speciálního pol yet ylenu se zvýšenou odolností proti pomalému šíření trhliny. Wavin uzavřel smlouvu s drţitelem patentu na pol ymer, nyní označovaný jako PE 100 -RC. Jako protiváhu uvedl i další výrobci trub na trh trubky s ochranným pláštěm, které zvyšoval y ochranu proti mechanickému poškození a zlepšení odolnosti bodovému zatíţení koextrudovanou vrstvou, která zvětšovala vnější průměr standardní trubky z PE 100. Obvykle byl ochranný pláš ť z PP plněných minerálními plnivy. Plniva jednak zvyšují otěruvzdornost a vyšší modul pruţnosti zvyšuje i odolnost mechanickému poškození, např. vrypy při zatahování. Jiní výrobci pouţívají pro ochranný plášť pěněný PE. Kaţdý způsob vykazuje určité výhody a nevýhody. Zejména prokazování účinnosti ochrany proti bodovému zatíţení není jednoduché a je stále zkoumáno. Fenomén PE 100 -RC Od roku 2001, kdy Wavin uvedl na trh svoje třívrstvé trubky označené TS se aţ do roku 2009 celkem nic nedělo. Situace se změni la po upl ynutí ochranné doby patentu. Výrobci materiálu nezaháleli a na trhu se objevil y další materiál y od výrobců LyondellBasel (Hostalen CRP 100 Resist CR), Inovene (Eltex SuperStress) Total Petrochemical (XRC 20B), které deklaroval y zvýšenou odolnost p omalému šíření trhliny – SCG a moţnost podkládky bez pods ypu a obsypu a nebo bezvýkopovou technologií. Jako v případě materiálu PE 100 a vznik asociace PE 100+, vznikla i zde iniciativa velkých výrobců pol ymerů, trub a firem zabývajících se alternativními/nestandardními způsoby pokládky potrubí. Jmenujme např. INEOS, Total Petrochemical, AGRU, Egeplast, , Wavin,STRABAG, Tracto Technik. Na základě jejich spolupráce a zejména zkušebních metod zavedených Ing. Joachimem Hesselem vznikla specifikace materiálů, k teré dále nesou označení PE 100 -RC. Vznikl předpis označený jako PAS 1075:2009-04 (PAS – Publicl y Available Specification; Veřejně dostupná specifikace).
2
Celé pravidlo nese známky německého vlivu při zpracování, jako jsou odkaz y na rozměrovou normu DIN, na místo evropských a pod. Dalším problémem je, ţe prozatím všechny zkoušky pro zařazení pol ymeru/trubky jsou prováděny na jednom pracovišti (HESSEL Ingenieurtechnik GmbH). Vypl ývá to z poţadavku PAS 1075, kde se u laboratoře, provádějící uvedené zkoušky předpokládá nejméně 3 leté uţívání. Vzhledem k tomu, ţe mimo Notch Pipe Test a FNCT nejsou zkoušky normalizovány a popis je poměrně vágní, je prokazování stejné úrovně zkušebních laboratoří poměrně obtíţné. Pokud je mi známo, laboratoř Ing. Hessela se nezúčast nila kruhových testů ani v případě FNTC ani v případě Notch Pipe Testu. Porovnání výsledků zkoušek v různých laboratořích je tedy velmi problematické. Je nutno si uvědomit, ţe reprodukovatelné provedení samotné zkoušky je jenom část reprodukovatelnosti výsledků měření. Mnohem obtíţnější je vytvořit opakovaně stejná zkušební tělesa. PAS 1075 stanoví : Poţadavky na pol ymer, při jejich splnění je moţno jej označovat jako PE 100-RC Rozděluje konstrukci trubek na t ypy : o Typ 1 – trubka v dimenzích a rozměrech po dle rozměrové norm y DIN 8074, ISO 4065. Celá tloušťka stěny je z PE 100-RC. o Typ 2 – vícevrstvé (dvou, nebo třívrstvé) trubky, v pl ynárenství naz ývané jako trubky s ochrannou vrstvou. Trubka má dimenzi a rozměry v souladu s rozměrovou normou trub. Trubky s e vyrábějí koextruzí do jedné hlavy tak, aby všechny koextrudované vrstvy bylo neoddělitelně propojeny/svařeny. Dvouvrstvé trubky z PE100 nebo ochrannou vrstvu z PE 100-RC.
PE
100-RC
mají
vnitřní
Třívrstvé trubky z PE100 nebo PE 100-RC mají vnitřní a vnějš í ochrannou vrstvu z PE 100-RC. Tloušťka ochranné vrstvy (vnější nebo vnitřní) je minimálně 2,5 mm. o Typ 3 - trubka v dimenzích a rozměrech podle rozměrové norm y DIN 8074, ISO 4065. Celá tloušťka stěny je z PE 100-RC a navíc je vnější ochranná vrstva. V pl ynárenství naz ývané jako trubky s ochranným pláštěm. Podle PAS je přídavná ochranná vrstva -plášť tvořen pol ypropylenem s minerálními plnivy (podstatný problém pro výrobky PipeLife). Minimální tloušťka přídavné ochranné vrstvy je 0,8 mm ( že by úlitba pro UP ONOR?). Poţaduje se úměrné zvětšení tloušťky ochranné vrstvy podle zvětšující se dimenze. Splnění této podmínky se stanovuje snadno různými přítlačnými silami podle dimenze na nástroj způsobující vryp.
3
Kohézní síl y mezi jednotlivými vrstvami mají být takov é, aby kompenzoval y síl y a napětí vznikající při instalaci potrubí (zatahování a svlékání ochranné vrstvy ). POZN : odstraňování přídavné ochranné vrstvy např. pro svařování není řešeno, nicméně tato vrstva musí být v místech svaru bezezbytku odstraněna! Zavádí tzv. Faktor vlivu (m yslí se vlivy vzniklé při alternativním způsobu pokládky potrubí) a měl by zahrnout těţko předvídatelná přídavná, bodová a jiná zatíţení potrubí v průběhu jeho pokládky a provozu. Uvedený faktor je moţno povaţovat za přídavný koeficient bezpečnosti. Zkoušky pro oddělení zrna od plev (jak rozlišit PE 100 od PE 100 -RC) V první řadě je nutno říci, jak dochází k selhání potrubí které je nějakým způsobem namáháno (přetlak, podtlak, vnější rovnoměrné, nebo bodové zatíţení). Ţivotnost potrubí se skládá ze tří časových úseků – fází: Vznik dostatečně velkého defektu, aby působením zatíţení a z toho rezultující napětí, přešlo do druhé fáze. U druhé fáze můţeme rozlišit dva případy : o Dojde k rychlému šíření trhliny (RCP) a trubka jiţ neprocház í třetí fází ţivota. Ţivotnost trubky skončila. Tento t yp porušení PAS 1075 neřeší a předpokládají se křehkolomové vlastnosti specifikované v příslušné výrobkové normě, např. pro pl ynárenství EN 1555 -1, 2. o Potrubí vykazuje poruchu a začíná docházet k pomalému šíření trhliny (SCG). Pro sledování tohoto mechanismus porušování bylo vyvinuto poměrně hodně metod, všechny spočívají v tom, ţe na specifikovaném vzorku je iniciována porucha -obvykle přesně definovaný vrub -a sleduje se buď:
jak rychle se rozevírá trh lina – zkouška PENT (Penslvania Notch Test) a čas do lomu;
čas do lomu – FNCT (Full Notch Creep Test), 2NCT (Two Notch Creep Test) nebo Notch Pipe Test.
Přesně tato vlastnost je ve středu zájmu PAS 1075. Rozděluje PE 100 materiál y podle hodnot y SCG. Vzhled em k tomu, ţe zkoušky probíhají za zvýšených teplot a v prostředí urychlujících rozvoj trhliny, je součástí posouzení rovněţ zkouška teplotního stárnutí. V reálném systému bude tedy trubka vykazující poškození a nebo místní koncentraci napětí, vykazovat de lší ţivotnost s vyšší hodnotou odolnosti SCG oproti stejně zatíţené trubce s niţší hodnotou SCG. V okamţiku, kdy trhlina proroste (ať jiţ za kratší, nebo delší dobu) stěnou trubky, přechází ţivot trubky do třetí fáze.
4
Třetí fáze - šíření trhliny, obvykle v podélném směru. Defekt se zvětšuje a výsledkem je ztráta poţadovaných vlastností (např. těsnost). Ţivotnost trubky je u konce, je zjištěna porucha, která musí být odstraněna. Doufám, ţe je jasné, proč potrubí PE 100 a PE 100 -RC vykazuje v podstatě totoţné křivky do lomu (pevnostní isotermy) i kdyţ se výrazně – řádově – liší v hodnotách SCG. Vzhledem k tomu, ţe ověření podle PAS 1075 má umoţnit pokládku trub alternativními metodami, byl y zařazeny další zkušební metody: Zkouška bodovým zatíţením - PLT (Point Loading Test) Zkouška pronikání - Penetration Test. Zkouška má ověřit odolnost protlačení ostré části stěnou potrubí (např. střep litiny z potrubí rozlámaného při Burstliningu). Zkouška odolnosti vnější ochranné vrstvy/pláště proti vzniky vrubů EPLST (External Protective Layer Scratch Test) Přídavné zkoušky pro ověření materiálu PE 100 -RC Zkoušení materiálu (granulát) 1. Zkouška praskání pod napětím – FNCT, poţadavek času do lomu je > 8 760h, =4 MPa, T=80°C, tenzoaktivní prostředí 2% roztok Arkopalu N-100 Zkouška se provádí jako výstupní kontrola kaţdé šarţe materiálu. Je moţno za určit ých předpokladů provádět zrychlené zkušební metody (t y však nejsou nikde popsány, podle ústních informací se jedná o know how Ing. Hessela) 2. Zkouška bodového zatíţení - P LT, poţadavek čas do lomu > 8 760h, =4 MPa, T=80°C, tenzoaktivní prostředí 2% roztok Arkopalu N -100 Provádí se na trubkách se stěnou tvořenou PE 100 -RC. Kontrola externí laboratoří jednou za 3 roky, nebyl y -li zaznamenán y problém y ve výrobě. 3. Zkouška tepelného stárnutí, poţadavek je extrapolovaný odhad teplotního stárnutí > 100 roků při 20°C (extrapolovaná hodnota z měření 80°C, 90°C, 100°C, 110°C). Zkouška je důleţitá pro ověření moţnosti extrapolovat data měření FNCT, PLT a pod. metodou superpozice teplota – čas. 4. Zkouška PNT – pomalé šíření trhliny na trubce s definovanými vruby, zatíţené vnitřním přetlakem. Poţadavek je provedení podle EN ISO 13479 a čas do lomu > 8 760h. Zkouška se provádí rovněţ pro PE 100 a čas do lomu > 160h. Kontrola externí laboratoří za 1 aţ 3 roky, nebyl y-li zaznamenány problém y ve výrobě. 5. Je poţadována vyšší hustota >945 kg m - 3 .
5
6. Je zúţen rozsah přípustných hodnot MFR (190°C, 5 kg) 0,4 g/10 min.
a
0,2
Zkoušení trub – schvalovací 1. Zkouška praskání pod napětím – 2NCT, poţadavek je > 3 30 0h, =4 MPa, T=80°C, tenzoaktivní prostředí 2% roztok Arkopalu N -100. Zkušební tělesa jsou odebrána z trubky. Provádí se jedenkrát za půl roku, ale nejméně jednou za rok na kaţdou vyráběnou rozměrovou skupinu. 2. Zkouška bodového zatíţení - PLT, poţadavek je čas do lomu > 8 760h, =4 MPa, T=80°C, tenzoaktivní prostředí 2% roztok Arkopalu N -100. Na rozměrových skupinách 1 a 2 se provádí jednou za rok. Na rozměrové skupině 3 jednou za 3 roky. 3. Test pronikání – pentrační – vyţaduje po zkušební době zbytkovou tloušťku stěny > 50% původní tloušťky stěny. Zajímavé jsou rovněţ vysvětlivky a přílohy, které specifikují poţadované zkoušky. Celková úroveň bezpečnosti Vysoká míra bezpečnosti trub pouţívaných i za alternativních podmínek pokládky je zdůvodňována, ţe veškeré zkoušky jsou hodnoceny na spodním intervalu spolehlivosti (obvyklá úroveň 97,5% stejně jako při stanovení MRS). Zkoušky jsou prováděny při těch „nejhorších“ podmínkách : doba zkoušky 8 760h při 80°C, při pokračující době dochází k tepelnému stárnutí a mech anizmus porušení je jiný neţ při reálném zatíţení a teplotě; zatíţení jsou volena tak, ţe se vyvolaná napětí blíţí mezi kluzu materiálu. Korelace PLT x FNCT Na grafu je vidět lineární závislost mezi časy do lomu při zkoušce P LT a FNCT.
6
Z uvedené závislosti vychází doba zkoušky FNCT t=3300h, coţ odpovídá ročnímu zkoušení trubky zatíţené bodově s vnitřní přetlakem, tj. 8760h (jeden rok). Je to poněkud v rozporu s předepsaným zkoušením trub z PE pro stanovení MRS, kde jsou předepsány zkoušky po dobu 10000h. PLT test Zkouška se provádí na úřezu trubky, kdy je za teplot y 23 2°C do stěny trubky radiálně zatlačen razník ukončený kulovou plochu o 5 mm. Zatlačení je provedeno tak, ţe protaţení na vnitřním povrchu potrubí je za protaţením na mezi kluzu. Trubka je naplněna médiem a do něj rovněţ ponořena. Vnitřní přetlak je zvolen tak, aby bylo dosaţeno zkušebního napětí. Dokumentuje se způsob porušení trubky. Do úvahy jsou brány pouze poruchy do vzdálenosti 4x tloušťka stěny od místa působení bodového zatíţení. Penetrační test Zkouška se provádí na trubce dn 110, SDR 11 vtlačováním trnu, viz obrázek.
7
Napětí, vyvolané vnitřním přetlakem se stanoví z křivek do lomu před dosaţením „kolena“ a podělí hodnotou 1,25 (minimální koef. bezpečnosti pro PE). Zatlačení trnu se provede o 18,8% dn při laboratorní teplotě. Po 9000 h zkoušky se měří zbývající tloušťka stěny, která má být > 50% en. U zkoušky EPLST (odolnost ochranného pláště proti vrypům) Břitem se specifikovanou geometrií se provede vryp. Břit je podle dn trubky zatíţen různou silou. Posun břitu je 100mm/min. Hloubka poškození se měří na 0,01mm a nesmí přesáhnout 75% tloušťky ochranného pláště. Závěry Přesto, ţe materiál y vykazující výrazně lepší hodnot y SCG jsou na trhu jiţ řadu let, teprve uvedení dalších t ypů a tedy vznik konkurenční prostředí inicioval aktivit y jak pro způsoby hodnocení materiálů, tak specifikovalo pouţití jednotlivých t ypů trub. Zdá se, ţe se v dohledné době budou vyrábět pouze trubky z PE 100RC, které se budou pouţívat jak pro aplikace do výk opu bez pískového loţe, tak s pískovým loţem (sníţení vlivu špatně provedených zemních prací na ţivotnost rozvodu a pod.) Začíná se v technické jednotlivých t ypů trub :
veřejnosti
prosazovat
i
způsob
pouţití
Potrubí z PE 80, PE 100 – do otevřeného výkopu, pískové loţe s hutněním a vše co k tomu patří. Potrubí z ochrannou vrstvou z PE 100-RC a nebo v celém průřezu stěny z PE 100-RC – do otevřeného výkopu bez pískového loţe (moţnost bodového zatíţení). Potrubí z PE 100 -RC a ochranným pláštěm pro bezvýkopovou pokládku a sanace (moţnost vrypů, otěru, bodového zatíţení).
8
V kaţdém případě je to krok správným směrem, který zmenšuje vliv lidského faktoru a zvyšuje tak bezpečnost provozovaných sítí. Trochu jinou stránkou komercionalizace je rozšíření nabízených mater iálů od méně renomovaných výrobců a vznik „náhraţek“ materiálu. Hlavní problém vidím problematickém ověření vlastností materiálu a trub z PE 100-RC ve výrobě. Vzhledem k časové náročnosti zkoušek se v podstatě nedá provádět běţná /vstupní výstupní kontrola . Zkrácené zkoušky nejsou popsány, tím méně odzkoušeny ve více zkušebnách a to vzbuzuje určitou nedůvěru při deklarovaném pouţití trub. Bezpečným východiskem je pouţití PE 100 -RC trub klasickou technologií pokládky a mít zajištěný provoz s vyšší bezpečností. Naopak, pouţití trub na burstlining bez ochranného potrubí se mi zdá hodně odváţné. Propíchnutí potrubí ostrým hrotem je velmi nebezpečné a střep se nebude ptát potrubí, jestli při svém zatlačování, např. v důsledku dopravy, nepřekročil napětí na mezi kluzu. Rozhodnutí bude, jako obvykle, zcela na provozovatelích rozvodných systémů zodpovědných za jejich bezpečnost a provozuschopnost. Autor: Ing. Pavel Vinarský - ČSSP
9
