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PB-1 | Rohrleitungsvergleich

Beim Vergleich des Langzeitverhaltens von Kunststoffmaterialien, wird deutlich, dass Polybuten-1 ein Rundumpaket für Rohrleitungssysteme bietet. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Flexibilität, Beständigkeit gegen Chemikalien, Kriechbeständigkeit, Druck sowie Spannung durch Wärmeausdehnung, die akustischen Eigenschaften, das Gewicht oder die Belastbarkeit verglichen werden. Polybuten-1 bietet das Langzeitverhalten, das für heutige druckbeaufschlagte Warm- und Kaltwasser-Rohrleitungssysteme benötigt wird.
 

Polybutene piping extrusion process allowing huge scope in pipe wall sections and diameters


Profil von PB-1
Rohrleitungssystemen

Vergleich von Polymeren in Rohrleitungssystemen
  PB-1 PP-R PE-X PVC-C
Stoßfestigkeit +++ ++ +++ +
Chemische Beständigkeit +++ +++ +++ +++
Flexibilität ++++ ++ +++ +
Kriechbeständigkeit ++++ +++ +++ +++
Druckfestigkeit ++++ ++ +++ +++
Schweißbarkeit ++++ ++++ + ++
Beständigkeit gegen Temperatur und Druck ++++ ++ +++ ++
Thermische Belastung in Installationen ++++ ++ +++ +
Nachhaltigkeit
von System
++++ +++ +++ +++
Geschwindigkeit der Verbindung Klein Ø ++++ + +++ ++
Große Gelenk-Ø-Verfügbarkeit ++++ ++++ ++ +++

    Hervorragend  ++++    Gut  +++    Befriedigend  ++    Mangelhaft  +
 

Durch die einzigartige Morphologie und das Kristallisationsverhalten von PB-1 hat es unübertroffene Eigenschaften für druckbeaufschlagte Rohrleitungssysteme.

Die perfekte Wahl für druckbeaufschlagte Rohrleitungssysteme

PB-1 setzt sich aufgrund der Kombination seiner Eigenschaften, wie hoher Flexibilität, zusammen mit herausragender Innendruck- und Kriechbeständigkeit über einen großen Temperaturbereich hinweg, von den Konkurrenzprodukten ab.

Alle Polyolefinmaterialien neigen bei Dauerbeanspruchung über längere Zeiträume hinweg zu Kriechen.

Dieses Kriechverhalten kann durch Erzeugung eines 3D-Netzwerks in der Polymerstruktur unterdrückt werden. Dies kann z. B. durch eine chemische Verbindung geschehen, wie bei der Herstellung von Polyethylenen (PE-X) ausgenutzt. Polybuten-1 erreicht jedoch eine stärkere Kriechbeständigkeit (siehe Tabelle unten) durch ein einzigartiges physikalisches Netzwerk, das aus der Kombination von Mikrokristallen und durch kristalline Umlagerung (Alterung) erzeugten festen Verschlaufungen der Polymerketten entsteht. Damit sind Änderungen durch zusätzliche Vernetzung, Copolymerisation oder Compoundierung nicht erforderlich.

In seiner einfachsten Form als Homopolymer ist Polybuten-1 durch sein Eigenschaftenprofil die perfekte Wahl, um die Anwendungsanforderungen von druckbeaufschlagten Warm- und Kaltwasser-Rohrleitungssystemen zu erfüllen.
 


Druckfestigkeit

Leistungsvergleich von PB-1 und alternativen Kunststoffmaterialien

Gleichwertige Normen zu ISO 12230 beschreiben den Einfluss von Zeit und Temperatur auf die zu erwartende Festigkeit der unten aufgeführten Materialienr. Die in diesen Normen dargestellten Informationen erlauben einen Vergleich der Leistunsfähigkeit dieser alternativen Kunststoffmaterialien für Rohrleitungssysteme.

Die folgende Abbildung zeigt die Bezugslinien zur Leistung (Druckfestigkeitseigenschaften) der folgenden Materialien bei 70 °C auf einer gleichwertigen Skala:

Leistungsfähigste Materialien

  • PB-H | ISO 12230 (2012)
  • PB-R | ISO 12230 (2012)

Materialien mit mittlerer Leistung ohne Knick

  • PE-X - ISO 15875 (2003)
  • PP-RCT - ISO 15874 (2013)
  • PE-RT type II - ISO 12230 (2012)

Materialien mit niedriger Leistung mit Knick

  • PE-RT type I - ISO 22391 (2009)
  • PP-R - ISO 15874 (2013)

Nach 10 Jahren von dauerhaft einwirkender Spannung ist das leistungsfähigste Polybuten-1 (PB-H und PB-R) noch 50 % stabiler als Materialien mit mittlerer Leistung (PE-X, PP-RCT und PE-RT Typ II) und 70–90 % stabiler als Materialien mit niedriger Leistung (PE-RT Typ I und PP-R).


Bemessungsspannung

Nach 10 Jahren dauerhaft einwirkender Spannung ist PB-1 noch 50 % stabiler als PE-X, PP-RCT und PE-RT Typ II und 70–90 % stabiler als PE-RT Typ I und PP-R.

Durch die Anwendung standardisierter Kriterien, die in der ISO-Norm 10508 festgelegt sind, ist es möglich, die maximal zulässige Umfangsspannung dieser alternativen Polyolefinrohre für verschiedene standardisierte anwendungsbezogene Temperaturklassen zu berechnen. Diese Berechnung der Bemessungsspannung führt zu dem Vergleich, der in der untenstehenden Tabelle dargestellt wird, und zeigt, dass PB-1-Polymere die höchsten Umfangsspannungswerte unter allen standardisierten Anwendungsbereichen erreichen. Der Vorteil von PB-1 hinsichtlich der Druckbelastung ist zwischen 35 % und 90 % höher, je nach Anwendungsbereich und Material. Das bedeutet, dass PB-1-Rohre bei gleicher Dicke einen erheblichen Sicherheitsfaktor gegenüber diesen alternativen Kunststoffmaterialien für installierte Systeme bieten.
 

Bemessungsspannung
@10 bar
Klasse 1
HWS 60 °C
Klasse 2
HWS 70 °C
Klasse 3
Low Temp UFH
max 50 °C
Klasse 4
UFH & LT Heat
max 70 °C
Klasse 5
HAT Heat
max 90 °C
20 °C/50y
PB-H 5.73 5.04 7.83 5.46 4.31 10.92
PB-R 5.17 5.13 7.82 4.34 4.13 10.93
PE-X 3.85 3.54 4.61 4.08 3.24 7.60
PP-R 3.09 2.13 4.68 3.30 1.90 6.93
PP-RCT 3.64 3.40 5.73 3.67 2.92 9.24
PE-RT I 3.32 2.68 4.65 3.27 2.38 6.68
PP-RT II 3.53 3.37 5.12 3.38 2.88 7.46
PVC-C 4.38 4.16 10

Aus der maximal zulässigen Umfangsspannung lässt sich eine minimal zulässige Wanddicke berechnen. Aus der Berechnung ergibt sich, dass Rohrleitungen aus Polybuten-1 im Vergleich zu anderen Materialien und abhängig von den anwendungsbezogenen Standardbeschränkungen mit einer erheblich geringeren Wanddicke produziert werden können. Eine geringere Wanddicke bedeutet gleichzeitig einen größeren inneren Querschnitt für einen vorgegebenen Außendurchmesser des Rohrs, was zu einem verringerten Gesamtdruckverlust und zu niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten führt, um ein festgelegtes Wasservolumen zu liefern.

*PE-RT bezeichnet Polyethylen mit höherer Temperaturbeständigkeit


Kriechbeständigkeit

Höhere Langzeit- Kriechbeständigkeit

Im Gegensatz zu anderen Thermoplasten, die in Rohrleitungsanwendungen verwendet werden, ist eine Steigerung der Leistungsfähigkeit über Compoundierung, Vernetzung oder Copolymerisation für Rohrleitungssysteme aus PB-1 nicht notwendig, um die für ihren Gebrauch geltenden strengen Leistungsvorgaben zu erfüllen.

Im Vergleich zu anderen Polyolefinmaterialien besitzt Polybuten-1 ein höheres Widerstandsniveau unter dauerhafter Spannung, die über einen langen Zeitraum einwirkt. Dies wird als Kriechverhalten bezeichnet. Die Grafik stellt die höhere Leistung von PB-1 beim Überschreiten von 100 Stunden dar.

Zusätzlich zu den ausgezeichneten mechanischen und thermischen Eigenschaften bietet PB-1 ein hohes Maß an chemischer Beständigkeit und Widerstand gegen Entflammbarkeit, das den Vorgaben der meisten Anwendungen entspricht.

PB-1 kann über standardmäßige Spritzgieß- oder Extrusionsprozesse in einer breiten Produktpalette verarbeitet werden. Sowohl als Homopolymer als auch als Copolymer macht die Ausgewogenheit der Eigenschaften PB-1 zum technisch bevorzugten Material für die Produktion von Rohrleitungssystemen mit heißem und kaltem Druckwasser.
 


Gewicht, Flexibilität und Hydrostatik

Gewicht des Rohrs und hydrostatischer Wirkungsgrad


Berechnet für die Anwendung der Klasse 2, 10 bar Auslegungsdruck, basierend auf veröffentlichten Daten.

 


Akustische Eigenschaften

Schalldämmung

Dünnere Rohrwände, hohe Elastizität und eine niedrige relative Dichte in Rohren aus PB-1 führen zu hoher Absorption von Betriebsgeräuschen.

Neben den überlegenen Eigenschaften von Polybuten-1 im Vergleich zu anderen Materialien besitzt es eine ausgezeichnete Schalldämmung. Die Kombination aus dünner Bauweise der Rohrwand, niedrigem Elastizitätsmodul und niedriger relativer Dichte in Rohren aus Polybuten-1 (ρ = 0,92 g/cm3) führt zu hoher Absorption von „Druckschlag“ und anderen Geräuschen, die mit Heizung und Kühlung in Rohrleitungssystemen verknüpft sind. Tests haben gezeigt, dass Geräusche in Rohren in der Royal Albert Hall in London nach der Installation von Rohrleitungen aus PB-1 um 90 % verringert wurden

 

Schallgeschwindigkeit von Materialien
  Dichte (g/cm3) Elastizitätsmodul (MPa) Schallgeschwindigkeit (m/s)
Weichgummi 0.90 90 320
PB-1 0.93 350 620
PE-X 0.95 600 800
CPVC 1.56 3,500 2,350

Druckschlag

Eine Säule mit bewegtem Wasser innerhalb einer Rohrleitung enthält gespeicherte kinetische Energie, die aus der Masse und der Geschwindigkeit entsteht. Da Wasser grundsätzlich inkompressibel ist, kann diese Energie nicht absorbiert werden, wenn ein Ventil plötzlich geschlossen wird. Das Ergebnis ist ein hoher unmittelbarer Druckanstieg, der normalerweise als „Druckschlag“ bezeichnet wird.

Der niedrige Elastizitätsmodul von Polybuten-1 erhöht zusammen mit der verringerten Wanddicke einen niedrigen Druckstoß für einen vorgegebenen Außendurchmesser des Rohrs und für die Druckauslegung. In der untenstehenden Tabelle wird der Druckstoß für Rohre aus verschiedenen Kunststoffmaterialien mit einem Außendurchmesser von 38,1 mm (1-1/2"), die für den gleichen Druckbetrieb entwickelt wurden, verglichen.

Fünf Faktoren bestimmen den Grad des Druckschlags

  • Geschwindigkeit
  • Elastizitätsmodul des Rohrmaterials
  • Innendurchmesser des Rohrs
  • Wanddicke des Rohrs
  • Schließzeit des Ventils

Die maximalen Druckstöße, die durch den Druckschlag verursacht werden, können mithilfe der folgenden Gleichung berechnet werden, die aus dem „Handbook of Thermoplastic Piping System Design“ von Thomas Sixsmith und Reinhard Hanselka, Marcel Dekker Inc., S. 65–69, stammt.

Ps = V((3960 E t)/(E t + 3 x 105 DI))½
hierbei gilt:
Ps = Druckstoß (psi)
V = Wassergeschwindigkeit (ft/sec)
DI = Innendurchmesser des Rohrs (mm)
E = Elastizitätsmodul des Rohrmaterials (psi)
t = Rohrwanddicke (mm)
 

  E E DI t V Ps Ps
  [psi] [MPa] [mm] [mm] [ft/s] [psi] [bar]
PB-1 65000 450 32.5 (1.28") 3.8 (0.15") 5.0 49.5 3.4
PE-X 87000 600 28.9 (1.14") 5.6 (0.22") 5.0 72.4 5.0
PP 116000 800 26.7 (1.05") 6.6 (0.26") 5.0 93.0 6.4
CPVC 507000 3500 30.9 (1.22") 4.6 (0.18") 5.0 140.6 9.7

PB-1 vs. PEX & PE-RT for Piping Systems

A true cost comparison between piping systems should include installation time, jointing options, life span and SDR rating.

Polybutene-1 offers tangible benefits for piping systems compared to PEX and PE-RT

For building projects, the true cost variation of piping systems across competing materials is more than a per length cost comparison for the same outside pipe diameter.

Specifiers look at: ease of installation impacting onsite costs; jointing options, long-term system performance and projected life span; and Standard Dimension Ratio (SDR) comparing pipe materials for durability against pressure.

When compared to PEX and PE-RT systems, PB-1 offers significant benefits across a broad range of performance categories all contributing to make PB-1 piping systems the optimum choice for high performance piping installations.
 

Standard Dimension Ratio (SDR)

What is SDR?

SDR rates pipe durability against pressure and correlates a pipe's outside diameter and wall thickness.

The SDR or the Standard Dimension Ratio refers to the geometry of a pipe. SDR is a method of rating a pipe's durability against pressure and it describes the correlation between the pipe dimension and the thickness of the pipe wall. SDR 11, for example means that the outside diameter of the pipe is eleven times the thickness of the wall.

  • High SDR ratio
    The pipe wall is thin compared to the pipe diameter
  • Low SDR ratio
    The pipe wall is thick compared to the pipe diameter

Example calculation:
SDR for a pipe with an outside diameter of 100mm and wall thickness of 5mm can be calculated as:
100mm / 5mm = SDR 20
 

Why does SDR matter for piping systems?

Due to the higher SDR ratio of PB-1 compared to either PEX or PE-RT, PB-1 piping systems deliver the following benefits because of its lower wall section requirements for the same pressure rating and outside pipe diameter:

  • Less material for the same pressure capability
  • Less weight per meter of pipe
  • Lower outside pipe diameter for the same performance
  • Larger inside area for the same outside diameter providing:
    - Higher flow rate at the same pressure
    - Lower pressure loss, requiring less energy to run a system or pumps with lower capacity

SDR Classes and Pipe Dimensions

SDR classes quoted in National Standards for District Energy piping systems


National Standards (RU & NL)
The source for piping dimensions comparing materials PB-1, PEX and PE-RT

The current Russian standard for District Heating (GOST 56730 – 2015) and the Dutch guideline (BRL 5609 - and the draft of renewed BRL 5609) both include a comparison of 3 materials for District Heating piping systems: PB-1, PEX and PE-RT.

Both the Russian standard and the Dutch guideline have the same requirements in relation to the pipe dimensions and SDR classes of the 3 service pipe materials operating at pressures of 6 bar, 8 bar and 10 bar.

Per the Russian standard and the Dutch guideline the table (at right) is an excerpt of the relevant table showing the SDR classes for the listed materials at different pressure ratings. As indicated, for each operating pressure PB-1 is listed in the highest SDR class when compared to either PEX or PE-RT. The section below explains what this means, why standards refer to pipe dimensions and SDR classes and what are the benefits for pipe system specifiers.


Pipe Dimensions and SDR Classes
PB-1 pressure capability delivers benefits versus PEX and PE-RT

The higher SDR class of PB-1 delivers the following benefits:
• Thinner wall section
• Less material (less weight)
• Larger inside diameter and area

To illustrate the performance of PB-1, PEX and PE-RT in relation to the given operating pressure of 8 bar at the small pipe diameter of 50mm ø, the table and diagram below provide a comparison of the internal pipe dimensions required.
 

Example 1:  Small pipe – 50mm diameter @ 8 bar

PB-1 is stronger than both PEX and PE-RT and with an operating pressure of 8 bar and an outside pipe diameter of 50mm ø the required wall thicknesses are:

Per above, at the same water pressure, the larger inside diameter of PB-1 50mm outside ø pipe delivers a substantially higher flow rate than the other two materials. Taken the other way, at a given flow rate PB-1 pipes yield a lower pressure loss requiring less energy to run systems and/or pumps with a lower capacity.

As shown in the graphs above and for the purposes of comparison, PE-RT may be considered the benchmark at 100%. When comparing the inside cross-section area of a 50mm ø pipe (left graph) PB-1 clearly outperforms PE-RT with an additional 27% of volume. Also, in comparing the amount of material per meter for a 50mm ø pipe rated for 8 bar (right graph), PB-1 pipe uses 29% less material than PE-RT.

Once again for the purposes of comparison, PE-RT may be considered the benchmark at 100%. Per the above graph (left), using the same operating water pressure, a 50mm outside diameter pipe (8 bar) made from PB-1 delivers a substantially higher flow rate of +35% when compared to the identically rated PE-RT pipe of the same outside diameter.

Measured using the other comparison point (right): at a given flow rate (output) PB-1 pipes yield a 44% lower pressure loss versus PE-RT pipes. This means that PB-1 pipes require less energy to run a system - or - can accommodate pumps with a lower capacity for the same output.
 

Example 2:  Large pipe – 160mm diameter @ 10 bar




Due to a higher SDR rating (and therefore a thinner wall section) a PB-1 pipe of 140mm ø delivers the same performance as a PE-RT pipe of 160mm ø, but with a smaller outside diameter and larger inside pipe cross-section area.

At a 10 Bar operating pressure pipe of 160mm outside diameter:

  • PE-RT @ SDR 6
    60mm ø pipe has an internal cross section area of 8,958mm2

  • PEX @ SDR 7.4
    160mm ø pipe has an internal cross section area of 10,605mm2

  • PB-1 @ SDR 9
    With a smaller outside diameter of 140mm ø PB-1 has an internal cross section area of 9,263mm2

In addition, as shown in the graph (right), the weight of 160mm outside diameter PB-1 pipe rated for 10 bar is almost half of the weight for the same outside diameter and rating pipe made from PE-RT.
 

Jointing Techniques for Plastic Piping Systems
PB-1 is a versatile material for all available jointing techniques


The Bottom Line
Specifying PB-1 piping systems offers:

  • Substantial material saving opportunities, while at the same time increasing the capacity of the system
    – thinner walls
    – increase of the available inside cross section area
  • A higher degree of design freedom for projects including District Energy grids
    – opportunity for using smaller outside pipe and fitting diameters
  • A clear opportunity for reduced integral installation cost and operating cost
    – smaller pipe support frames
    – use of less insulation material
    – smaller pumps running at reduced energy consumption
    – lighter overall weight for easier handling and lower shipping costs
  • In addition: PB-1 can be fully re-used and recycled

PB-1 vs. PEX & PE-RT – download
 


 

Polybuten-1 wird häufig auch als Polybuten, PB, PB-1 oder Polybutylen bezeichnet.

Die PBPSA-Mitglieder verkaufen Polybuten-1 nicht für Rohrleitungsanwendungen, die für den Gebrauch in Nordamerika vorgesehen sind, und den Kunden und Händlern dieser Parteien ist es untersagt, aus PB-1 hergestellte Produkte für den Gebrauch in Rohrleitungsanwendungen für Nordamerika zu verkaufen.