Rury z tworzyw sztucznych

• Rury polietylenowe (PE)
• Rury polibutylenowe (PB)
• Rury polipropylenowe (PP)
• Rury z polichlorku winylu (PVC-U i PVC-C) do instalacji wod. i c.o.
• Rury wielowarstwowe
• Rury z PVC do instalacji kanalizacyjnych
• Rury z PVC do sieci wodociągowych

Wstęp

Tworzywami sztucznymi zwykło się nazywać materiały, których podstawowymi składnikami są związki organiczne wielkocząsteczkowe (polimery). Polimery otrzymywane są z niskocząsteczkowych związków organicznych (monomerów) w reakcjach:

– polimeryzacji;

– polikondensacji;

– poliaddycji.

W przypadku gdy w powyższych reakcjach bierze udział tylko jeden rodzaj monomeru, powstały polimer określa się mianem HOMOPOLIMERU. Jeśli w reakcji uczestniczy więcej monomerów, to polimer przyjmuje nazwę monomeru, który wystąpił w przewadze z dodaniem określenia KOPOLIMER (np. kopolimer polipropylenu).

W technice większość polimerów jest dziełem człowieka (np. polietylen, polipropylen) choć istnieją też polimery naturalne, jak np. celuloza.

Rys historyczny

   Początki przemysłu tworzyw sztucznych sięgają połowy XIX wieku kiedy to w 1862 roku angielski chemik Aleksander Parkes wyprodukował tworzywo zwane PARKESIANEM, będące formą nitryfikowanej celulozy. Dwa lata później tworzywo to w ulepszonej przez Johna Hyatta postaci zaczyna być masowo wytwarzane pod zmienioną nazwą CELULOID, szybko znajdując szereg zastosowań (min. do produkcji błony fotograficznej).

            Pierwszy całkowicie syntetyczny polimer jest dziełem Belga Leo Baekelanda. W 1908 roku na bazie fenolu i formaldehydu stworzył on syntetyk o doskonałych właściwościach izolacyjnych. Od imienia twórcy zostaje nazwany BAKELITEM znajdując szybko zastosowanie w przemyśle elektrycznym do produkcji wtyczek, złączek, gniazd etc.      Prawdziwy rozwój przemysłu tworzyw sztucznych zaczął się jednak dopiero w latach 20-tych i 30-tych XX wieku dzięki odkryciom niemieckiego chemika Hermana Staudingera. Opisał on zjawisko łączenia się cząsteczek monomerów w polimery w wyniku czego powstają zupełnie nowe substancje. Praca ta doprowadziła do powstania całej grupy nowych syntetyków.

            Spośród tworzyw sztucznych wykorzystywanych w instalacjach sanitarnych za najstarszy uważa się polichlorek winylu (PVC), którego produkcję rozpoczęto już w latach 30-tych (1935). Następne tworzywa powstają  po wojnie: polietylen LDPE (1945), HDPE (1955) polipropylen PP (1955), polietylen sieciowany PEX (1968).

 Rodzaje tworzyw sztucznych stosowanych do produkcji rur

Polimery syntetyczne można podzielić na trzy podstawowe grupy:

1. polimery termoplastyczne – charakteryzujące się możliwością odwracalnego przechodzenia ze stanu stałego w stan plastyczny ;

2. polimery termo- i chemoutwardzalne (tzw. duroplasty), które pod wpływem wysokiej tem-peratury bądź reakcji chemicznych ulegają trwałemu ukształtowaniu (np. bakelit, żywice epoksydowe);

3. elastomery- polimery o dobrych właściwościach sprężystych, w skład tej grupy wchodzą wszystkie związki gumopodobne, jak: kauczuk, guma syntetyczna.

W instalacjach sanitarnych podstawowe wykorzystanie mają tworzywa termoplastycz-ne, wśród których wyróżnić można dwie osobne grupy:

– tworzywa poliwinylowe, jak:

polichlorek winylu – PVC

polichlorek winylu chlorowany – PVC-C

– tworzywa poliolefinowe, jak:

polietylen niskiej gęstości – LDPE

polietylen średniej gęstości – MDPE

polietylen wysokiej gęstości – HDPE

polietylen sieciowany – PEX

polipropylen – PP

polibutylen – PB

Inne tworzywa sztuczne poza ww. mają ograniczone zastosowanie.

W wyrobach instalacyjnych spotyka się natomiast łączenie kilku różnych materiałów celem poprawienia jakości lub specyficznych cech materiału końcowego. Przykładem mogą być tutaj rury wielowarstwowe, kształtki tworzywowe z zatopionym elementem gwintowym z mosiądzu czy warstwy antydyfuzyjne na rurach polietylenowych.

W dalszej części rozdziału omówione zostaną właściwości tworzyw sztucznych, wybrane wskaźniki fizykochemiczne rurociągów z tworzyw sztucznych, a także aspekty higieniczne i ekologiczne stosowania tworzyw.

Właściwości rur z tworzyw sztucznych

1. Podatność na modyfikację

            – plastyfikatory – zapewniające tworzywom poprawę plastyczności w niskich temperaturach, wzrost odporności na rozciąganie i zginanie oraz zwiększanie podatności na formowanie wtryskowe;

            – stabilizatory – opóźniające procesy starzenia spowodowane wpływem niekorzystnych czynników takich, jak: wysoka temperatura, promieniowanie UV, czynniki chemiczne i biologiczne.  Stabilizatory ze względu na przeznaczenie dzieli się na:

            – fotostabilizatory (in. stabilizatory optyczne) zabezpieczające tworzywa przed długotrwałym działaniem promieni słonecznych, (ten typ stabilizatorów jest powszechnie stosowany w systemach rynnowych);

            – termostabilizatory, pozwalające na pracę tworzyw sztucznych w wysokich temperaturach;

            – stabilizatory antypirynowe, zmniejszające palność tworzyw sztucznych. Zasada działania tych związków polega na wydzieleniu w czasie pożaru dużych ilości gazów ograniczających dostęp tlenu. Tworzywa zawierające stabilizatory antypirynowe, określa się często    mianem „samogasnących”;

            – stabilizatory antystatyczne, zabezpieczające elementy z tworzyw sztucznych przed gromadzeniem na swojej powierzchni dużych ładunków elektrostatycznych mogących powodować iskrzenie;

            – pigmenty – związki nadające tworzywom żądany kolor;

            – środki smarne – zapewniające tworzywom połysk, a także ułatwiające formowanie wtryskowe (tworzywo nie przykleja się do formy).

            Wszystkie powyższe związki wpływają na zmianę jakości tworzywa na drodze chemicznej. W praktyce uzyskanie materiału o nowych cechach można też uzyskać na drodze fizycznej przy pomocy wysokiego ciśnienia stanu nieważkości lub promieniowania. Naświetlanie rur polietylenowych strumieniem elektronów pozwala np. na uzyskanie zupełnie nowego tworzywa – polietylenu sieciowanego PEX-c.

 Wytrzymałość na ciśnienie i temperaturę                                                                                                                                                  

            Rury z tworzyw sztucznych łączone w sposób trwały (klejenie, zgrzewanie) mają bardzo wysoką odporność na ciśnienie, w tym na uderzenia hydrauliczne. Chwilowy wzrost ciśnienia ponad 40 barów nie jest dla rury PVC-C żadnym zagrożeniem. W dłuższym okresie czasu odporność ta spada z uwagi na starzenie się materiału, dlatego miarodajnym wskaźnikiem wytrzymałości rur jest ich szereg ciśnieniowy np. PN 10, PN 20 … . Wskaźnik ten określa minimalną wytrzymałość przewodów przy pracy ciągłej w temperaturze 20 °C po okresie 50 lat w barach. Wytrzymałość na ciśnienie tworzyw termoplastycznych znacznie obniża się wraz ze wzrostem temperatury (zob. tabela 1.1). W wysokiej temperaturze wzrastają odległości między wiązaniami chemicznymi wskutek czego obniża się ich trwałość. Graniczną temperaturą dla tworzyw z termostabilizatorami, w której zachowują one ciągłość swoich właściwości jest temperatura 70-95 °C. Powyżej +95 °C wytrzymałość na ciśnienie lub uderzenia hydrauliczne obniża się w sposób nieproporcjonalny (następuje załamanie wykresów wytrzymałościowych dla większości tworzyw). Producenci rur podają zawsze graniczną temperature stosowania danego materiału. Temperatura ta może wynosić nawet >100 °C. Pamiętajmy jednak, że tworzywo może pracować w tak niekorzystnych warunkach tylko przez krótki okres czasu nie przekraczający na ogół kilku godzin lub wręcz kilku minut. Należy więc traktować takie temperatury jako sytuacje awaryjne występujące sporadycznie. Przepisy bezpieczeństwa dopuszczają występowanie awaryjnych temperatur w instalacji z tworzyw sztucznych w przeciągu krótkiego okresu czasu, przy czym ich wysokość nie może przekraczać maksymalnych wartości podanych przez producenta rur. Łączny czas występowania takich temperatur w okresie 50 lat użytkowania instalacji powinien być mniejszy od 100 godzin.                                                                             

Tabela 1.1 Graniczne naprężenie obwodowe N/mm² przy założonym okresie ciągłej eksploatacji 50 lat dla rur według norm DIN

Wartość z tabeli 1.1 nie należy kojarzyć z dopuszczalnym ciśnieniem roboczym. Ciśnienie to po 50-cio letnim okresie eksploatacji możemy wyznaczyć ze wzoru:

  Odporność na korozję, erozję i inkrustację

            Tworzywa sztuczne w przeciwieństwie do stali i miedzi są odporne na korozję nie wchodząc z wodą instalacyjną w żadne reakcje chemiczne. Wyjątkiem są instalacje z polipropylenu PP 3, dla których ogranicza się zawartość w wodzie jonów miedzi. Wszystkie kształtki polipropylenowe z zatopionym elementem gwintowym (mosiężnym) są z tego powodu dodatkowo niklowane.

Rury tworzywowe posiadają też dużą odporność na agresywne media, dlatego mogą być wykorzystywane do montażu instalacji technologicznych w przemyśle chemicznym, spożywczym, etc., do transportu kwasów, zasad roztworów soli, a także (w ograniczonym zakresie) – tłuszczów.

            Odporność tworzyw sztucznych na erozję jest znacznie większa od innych materiałów instalacyjnych. Ścieralność rur tworzywowych spowodowana burzliwym przepływem wody lub zawartymi w niej drobinami piasku, iłu, jest minimalna. Pod tym względem rury te są  bezkonkurencyjne w sieciach wodociągowych i kanalizacyjnych (zob. tabela 1.2).

Tabela 1.2. Odporność na ścieranie różnych materiałów instalacyjnych

               Tworzywa sztuczne bardzo wolno ulegają też instrukcji. zarastanie wewnętrznych powierzchni przewodów tworzywowych jest utrudnione przez małą chropowatość rur i ich pracę termiczną. Osady wapnia i magnezu wskutek ciągłego rozszerzania i kurczenia się ścianek przewodów pękają i są wymywane przez przepływający strumień wody.

 Zdolność do relaksacji

            Relaksacja polega na stopniowym znoszeniu naprężeń w materiale powstałych pod wpływem obciążenia, aż do ich całkowitego ustąpienia, przy czym materiał ulega trwałemu odkształceniu.

            Relaksacja tworzyw sztucznych jest związana z ich budową chemiczną, która powoduje, że z jednej strony zachowują się one jak materiały sprężyste (np. beton, stal), a z drugiej strony jak materiały lepkie (smoła, asfalt). W technice materiały takie określa się mianem lepkosprężystych. Materiały lepkosprężyste po przyłożeniu obciążenia (np. siły rozciągającej, zginającej) ulegają stałemu wydłużaniu (pełzaniu), które w długim okresie czasu, przy braku podparcia może skończyć się nawet rozerwaniem materiału. Czas po jakim to nastąpi zależy w ścisłym stopniu od wielkości obciążenia, temperatury, a także wytrzymałości samego tworzywa (jego modułu sprężystości).

            Jeśli materiał lepkosprężysty zostanie podparty, to naprężenia spowodowane obciążeniem będą w nim stopniowo maleć, aż do powstania tzw. STANU TRWAŁEGO, nie podlegającego dalszemu odkształceniu. Mówimy wtedy, że tworzywo uległo relaksacji. Relaksacji podlegają w praktyce wszystkie tworzywa termoplastyczne, natomiast w minimalnym tylko stopniu elastomery.

   Odporność na dyfuzję tlenu.

            Zjawisko dyfuzji tlenu w rurach z tworzyw sztucznych polega na przenikaniu gazowego powietrza przez ścianki rur do wody instalacyjnej, skutkiem czego może być przyspieszona korozja metalowych elementów instalacji, a także (w instalacjach c.o.) zapowietrzanie się grzejników. Materiał rur zachowuje się w tym przypadku jak półprzepuszczalna błona zatrzymując z jednej strony duże cząsteczki wody, ale przepuszczając o wiele mniejsze cząsteczki tlenu.

            Wielkość dyfuzji tlenu zależy w dużej mierze od temperatury i grubości ścianki przewodu oraz od rodzaju materiału z jakiego przewód jest wykonany. Stosunkowo największą dyfuzję tlenu posiadają rury polietylenowe niskiej i średniej gęstości, nieco mniejszą rury PEX . Nie należy się natomiast obawiać dyfuzji tlenu w rurach PVC.

            Zapobieganie dyfuzji tlenu w rurach PEX polega na stosowaniu powłoki ochronnej z tworzywa o bardzo małej dyfuzji tlenu, naklejanej bezpośrednio na rurę lub warstwy aluminiowej umieszczonej pomiędzy dwoma warstwami polietylenu. To ostatnie rozwiązanie nosi nazwę rury wielowarstwowej.

Według normy DIN 4726 dopuszczalna dyfuzja tlenu w instalacjach c.o. winna wynosić poniżej 0,1 mg 0₂ /dm³ x 24h.

  Wpływ tworzyw na jakość wody.

Substancjami mogącymi teoretycznie wpływać na pogorszenie się jakości wody w kontakcie z tworzywami sztucznymi są modyfikatory (pigmenty, środki smarne, substancje stabilizujące) dodawane do tworzyw sztucznych w procesie produkcyjnym. Pogorszenie się jakości wody może też nastąpić w wyniku rozpuszczenia się w niej niezwiązanych monomerów (np. chlorku winylu). Możliwość przenikania powyższych substancji do wody pitnej spowodowała potrzebę ich selekcji pod względem zdrowotnym. Jako zasadę przyjęto, że tworzywa sztuczne nie mogą zawierać substancji, które w kontakcie z wodą mogłyby stać się mobilne powodując jej zanieczyszczenie. Szczególną uwagę zwrócono jednocześnie na substancje o działaniu rakotwórczym nakazując producentom ich wyeliminowanie lub ograniczenie w stopniu bezpiecznym dla zdrowia. Obecnie każdy wyrób z tworzywa sztucznego stosowany w instalacjach sanitarnych musi posiadać aprobatę Państwowego Zakładu Higieny. Działania PZH doprowadziły w ostatnich dekadach do znacznych zmian w technologiach produkcji tworzyw. Zawartość wolnego monomeru chlorku winylu CV w polichlorku winylu spadła z kilkudziesięciu p.p.m do kilku p.p.m . Zakłady WŁOCŁAWEK S.A. produkują już PCV o zawartości CV poniżej 1.0 p.p.m (dodajmy, że wartość 0,5 p.p.m jest dolną granicą czułości chronomatografii gazowej). Zawartość wolnego CV w wodzie pitnej uważana za całkowicie bezpieczną dla zdrowia wynosi według badań amerykańskich 5µg/dm³. W wodach przebadanych przez PZH w instalacjach i sieciach z PCV stężenie wolnego CV nie przekraczało nigdy 2µg/dm³.

            W latach 1993-1994 Państwowa Inspekcja Sanitarnych w ramach nadzoru przeprowadziła ocenę jakości wody na terenie 17 województw, w których sieć wodociągowa wykonana była z PVC. Badania obejmowały wskaźniki fizyko-chemiczne i bakteriologiczne wody. Uzyskane wyniki wykazały, że woda transportowana rurami z PVC nie budziła zastrzeżeń pod względem sanitarno-higienicznym. W ramach oceny różnego rodzaju materiałów wykorzystywanych do budowy instalacji z tworzyw sztucznych Zakład Higieny Komunalnej PZH przeprowadził badania porównawcze rozwoju bakterii na rurach z PVC, PP,miedzi i stali. We wszystkich przypadkach otrzymano wyniki znacznie poniżej normy sanitarnej.

 Wybrane właściwości fizyko-chemiczne i mechaniczne rur z tworzyw sztucznych

            Badanie tworzyw sztucznych jest podobne do badań wytrzymałościowych metali. Dzięki temu możliwe jest porównanie obu grup materiałowych według jednolitych kryteriów. W punkcie poniższym zostaną opisane kryteria fizyko-chemiczne i mechaniczne rur tworzywowych istotne dla grupy materiałów wykorzystywanych w systemie KAN-therm.

            Współczynnik rozszerzalności cieplnej – jest to stosunek wydłużenia próbki materiału do długości początkowej przy wzroście temperatury o 1 stopień K. Rozszerzalność cieplną większości tworzyw sztucznych podaje się najczęściej  w odniesieniu do temperatury +20°C.

            Temperatura kruchości – jest to temperatura, w której tworzywo traci swoje właściwości plastyczne i staje się kruche. Podawana jest najczęściej w stopniach Celsjusza.

            Współczynnik chropowatości – określa średnią wartość nierówności w przewodzie rurowym podaną w milimetrach.

            Moduł sprężystości – jest to zależność pomiędzy naprężeniem a odkształceniem danej próbki w obszarze proporcjonalności podana w N/mm². Im większy moduł sprężystości tym materiał trudniej daje się odkształcać.

            Temperatura mięknięcia (Vicat) – badana jest przy pomocy stalowej igły o powierzchni  1 mm² wciskanej pod obciążeniem 5 kg w materiał próbki, przy zmiennej temperaturze. Temperatura, przy której igła zagłębia się na 1 mm stanowi wskaźnik mięknięcia podawany w stopniach Celsjusza.

            Temperatura zapłonu – określa w jakiej temperaturze tworzywo w obecności ognia zapala się. W praktyce spotyka się też określenie „temperatury samozapłonu”, czyli temperatury, w której tworzywo ulega zapaleniu nawet bez obecności otwartego płomienia.

            Współczynnik przewodności cieplnej – określa zdolność tworzywa do przewodzenia  ciepła wyrażoną w Watach dla powierzchni 1 m² i grubości 1 m przy różnicy temperatur 1 K. W przypadku przewodów rurowych wygodniejszym i częściej stosowanym wskaźnikiem jest „przewodność cieplna” 1 m przewodu o danej średnicy i różnicy temperatur 5, 10, 15, …K wyrażona w W/mb przewodu. Wartości te są stabelaryzowane.

            Maksymalna temperatura robocza – jest to temperatura, w której materiał może pracować w sposób ciągły zachowując swoje właściwości.

            Maksymalna dopuszczalna temperatura chwilowa – określa wysokość temperatury w jakiej tworzywa mogą przebywać przez krótki okres czasu nie ulegając trwałemu odkształceniu. Wysokość tej temperatury winna być podana każdorazowo przez producenta.

Podstawowe parametry fizyko-chemiczne i wytrzymałościowe podaje Tabela 1.3

Tabela 1.3 Wybrane właściwości tworzyw sztucznych

*Tylko dla instalacji ze złączkami z brązu i lutowaniu twardym.

Wartość z tabeli 1.3 należy traktować jako przybliżone.

            Dane w tabeli 1.3 pokazują, że właściwości poszczególnych tworzyw znacznie różnią się między sobą. Gęstość tworzyw sztucznych jest na ogół mniejsza od gęstości wody, za wyjątkiem PVC, który w wodzie tonie. Pomimo to jest on i tak kilkakrotnie lżejszy od stali i miedzi co ma niebagatelne znaczenie przy transporcie i montażu.

            Współczynnik rozszerzalności termicznej tworzyw jest znacznie  większy od miedzi i stali. Stosunkowo najmniejszą wydłużalność cieplną mają rury z PVC, a największą rury PEX . Wymusza to konieczność odpowiedniej kompensacji tych przewodów . Rury tworzywowe są natomiast gorszymi przewodnikami ciepła, dzięki czemu straty energii cieplnej są znacznie mniejsze.

            Wskaźnik kruchości tworzyw charakteryzuje je pod kątem bezpieczeństwa montażu. Rury o niskiej temperaturze kruchości można bez problemu montować w warunkach zimowych. Załadunek i rozładunek rur nawet przy dużych mrozach jest w tym wypadku bezpieczny. Nie ma natomiast większego znaczenia czy rura staje się krucha w temperaturze

-40 ^oC czy -100^oC, bowiem tak niskie temperatury w warunkach polskich nie występują. Temperatury kruchości nie należy też mylić z minimalną temperaturą pracy przewodów. Rury tworzywowe pomimo swej elastyczności nie powinny być bowiem narażane na ujemne temperatury w stanie napełnionym. Zamarzająca woda może w takim wypadku wywołać bardzo duże naprężenia obwodowe w rurze znacznie przewyższające jej wytrzymałość.

            Współczynnik chropowatości powierzchni jest istotny z punktu widzenia wielkości strat hydraulicznych w przewodach rurowych. Współczynnik ten podawany jest dla materiału rury. W praktyce wielkość strat ciśnienia zależy w dużej mierze także od sposobu wykonywania połączeń. Przy połączeniach zgrzewanych i klejonych wewnątrz przewodu pojawia się tzw. WYPŁYWKA, której chropowatość jest z reguły kilkadziesiąt razy większa od chropowatości przewodu.

            Moduł sprężystości charakteryzuje tworzywo pod względem podatności na odkształcenia. Tworzywa o małym module sprężystości łatwo dają się kształtować (giąć) eliminując w wielu wypadkach potrzebę stosowania łączników (kolana, łuki). Rury takie można bez problemu kryć w przegrodach, gdyż powstające w nich naprężenia obwodowe szybko ulegają relaksacji. Rury o dużym module sprężystości są sztywne, dzięki czemu nadają się do natynkowego montażu zapewniając w tym wypadku dużą estetykę instalacji. Nie zaleca się natomiast krycia takich rur w ścianach i posadzkach bez zapewnienia możliwości ruchów termicznych rurociągów.

            Temperatura zapłonu tworzyw sztucznych jest jednym ze wskaźników ognioodporności tworzyw. Tworzywa na ogół palą się dobrze za wyjątkiem polichlorku winylu, który określa się jako trudnozapalny i samogasnący.

  Rury z tworzyw sztucznych  a ekologia