Porównanie rur

Idealny wybór do systemów rurociągów ciśnieniowych

‍

Cechą wyróżniającą PB-1 spośród konkurencyjnych materiałów jest jego wysoka elastyczność w połączeniu z wyjątkową odpornością na pełzanie pod wpływem ciśnienia wewnętrznego w szerokim zakresie temperatur.

Unikalna morfologia i właściwości krystalizacyjne PB-1 nadają mu niezrównane właściwości w systemach rurociągów ciśnieniowych.

Wszystkie materiały poliolefinowe mają tendencję do pełzania pod wpływem długotrwałego obciążenia.

Zjawisko to można ograniczyć poprzez utworzenie trójwymiarowej sieci w strukturze polimeru, np. poprzez fizyczne i chemiczne połączenia stosowane w produkcji polietylenu (PE-X). Polibuten-1 wykazuje jednak doskonałą naturalną odporność na pełzanie (patrz tabela poniżej) bez konieczności stosowania dodatkowego sieciowania, kopolimeryzacji lub modyfikacji mieszanki.

W swojej najprostszej postaci homopolimeru właściwości polibutenu-1 sprawiają, że jest on idealnym wyborem do zastosowań w systemach rurociągów ciśnieniowych pracujących w wysokich i niskich temperaturach.

Porównanie wydajności PB-1 i alternatywnych materiałów plastikowych

Istnieją normy równoległe do normy ISO 12230, które przedstawiają wpływ czasu i temperatury na przewidywaną wytrzymałość materiałów wymienionych poniżej. Dane przedstawione w tych normach stanowią użyteczne narzędzie do porównania właściwości tych alternatywnych tworzyw sztucznych stosowanych w systemach rurowych.

Poniższy rysunek przedstawia linie odniesienia właściwości (wytrzymałość na ciśnienie) dla następujących materiałów w temperaturze 70°C w skali równoważnej:

Najlepsze materiały

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

Materiały o średniej wydajności bez punktu kolanowego

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

Materiały o niskiej wydajności z punktem kolanowym

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

Po 10 latach ciągłego narażenia na obciążenia, najlepiej sprawdzający się polibuten-1 (PB-H i PB-R) zachowuje ponad 50% większą wytrzymałość niż materiały o średniej wydajności (PE-X, PP-RCT i PE-RT typu II) oraz 70%–90% większą wytrzymałość niż materiały o niższej wydajności, takie jak PE-RT typu I i PP-R.

Naprężenie konstrukcyjne

Po 10 latach ciągłego obciążenia PB-1 zachowuje ponad 50% większą wytrzymałość niż PE-X, PP-RCT i PE-RT typu II oraz 70-90% większą wytrzymałość niż PE-RT typu I i PP-R.

Stosując znormalizowane kryteria wymiarowe przedstawione w normie ISO 10508, można obliczyć maksymalne dopuszczalne naprężenie obwodowe tych alternatywnych rur poliolefinowych dla różnych znormalizowanych klas temperatur zastosowania. Wynikiem obliczeń naprężeń projektowych jest porównanie przedstawione w poniższej tabeli, które pokazuje, że polimery PB-1 osiągają najwyższe wartości naprężeń obwodowych we wszystkich znormalizowanych klasach zastosowań. Wewnętrzna przewaga PB-1 pod względem wytrzymałości na naprężenia wynosi od 35% do 90%, w zależności od klasy zastosowania i materiału. Oznacza to, że przy tej samej grubości rury PB-1 zapewniają znacznie większy współczynnik bezpieczeństwa w porównaniu z alternatywnymi materiałami z tworzyw sztucznych stosowanymi w instalacjach.

Na podstawie maksymalnego dopuszczalnego naprężenia obwodowego można obliczyć minimalną dopuszczalną grubość ścianki. Z obliczeń jasno wynika, że rury z polibutenu-1 mogą być produkowane ze znacznie zmniejszoną grubością ścianki w porównaniu z innymi materiałami, w zależności od ograniczeń norm aplikacyjnych. Mniejsza grubość ścianki oznacza również większy wewnętrzny średnica dla danej zewnętrznej średnicy rury, co skutkuje zmniejszeniem strat ciśnienia i niższymi prędkościami przepływu przy dostarczaniu stałej objętości wody.

*PE-RT oznacza polietylen o podwyższonej odporności termicznej.

Doskonała długotrwała odporność na pełzanie

W przeciwieństwie do innych tworzyw termoplastycznych stosowanych w rurociągach, modyfikacja właściwości poprzez mieszanie, sieciowanie lub kopolimeryzację nie jest konieczna w przypadku systemów rurowych PB-1, aby spełniały one rygorystyczne normy wydajnościowe stosowane w ich zastosowaniach.

W porównaniu z innymi materiałami poliolefinowymi, polibuten-1 charakteryzuje się wyższą odpornością na odkształcenia pod wpływem długotrwałego obciążenia. Zjawisko to znane jest jako pełzanie, a wykres ilustruje doskonałą wydajność PB-1 w okresach przekraczających 100 godzin.

Oprócz doskonałych właściwości mechanicznych i termicznych, PB-1 zapewnia wysoki poziom odporności na działanie substancji chemicznych, a także oferuje poziom odporności na palność spełniający wymagania większości zastosowań.

PB-1 może być przetwarzany za pomocą standardowych procesów formowania wtryskowego lub wytłaczania w szeroką gamę produktów. W swojej najprostszej postaci homopolimeru, równowaga właściwości PB-1 sprawia, że jest on technicznie preferowanym materiałem do produkcji systemów rurociągów ciśnieniowych do gorącej i zimnej wody.

Ciężar rury i sprawność hydrostatyczna

Obliczone dla klasy zastosowania 2, ciśnienie projektowe 10 barów, na podstawie opublikowanych danych.

Tłumienie dźwięku

Cieńsze ścianki rur, wysoka elastyczność i niska gęstość właściwa rur PB-1 powodują wysoką absorpcję hałasów roboczych.

Wśród doskonałych właściwości polibutenu-1 w porównaniu z innymi materiałami należy wymienić jego doskonałe właściwości tłumiące dźwięk. Połączenie cieńszej konstrukcji ścianek rur, niskiego modułu sprężystości i niskiej gęstości właściwej rur z polibutenu-1 (ρ = 0,9 g/cm3) prowadzi do wysokiej absorpcji „uderzeń hydraulicznych” i innych odgłosów związanych z ogrzewaniem i chłodzeniem w systemach rurowych. Testy wykazały 90% redukcję hałasu przenoszonego przez rury w Royal Albert Hall w Londynie po zainstalowaniu rur PB-1.

Uderzenie hydrauliczne

Im wyższa klasa SDR, tym mniejsze uderzenie hydrauliczne przy danym natężeniu przepływu. PB-1 ma najwyższą klasę SDR w porównaniu z PP-H, PP-R PE-RT i PEX.

Kolumna poruszającej się wody w rurociągu zawiera zmagazynowaną energię kinetyczną wynikającą z jej masy i prędkości. Ponieważ woda jest zasadniczo nieściśliwa, energia ta nie może zostać pochłonięta w przypadku nagłego zamknięcia zaworu.

W rezultacie dochodzi do gwałtownego wzrostu ciśnienia, zwanego potocznie „uderzeniem hydraulicznym”.

Wraz ze wzrostem gęstości zaludnienia poziom hałasu i właściwości akustyczne systemów rurowych stają się istotnym problemem. Systemy rurowe, które minimalizują hałas płynów i uderzenia hydrauliczne w miejscach, gdzie rury przechodzą przez sufity i ściany, są kluczowym elementem w rozwiązywaniu problemów związanych z hałasem, które niepokoją mieszkańców.

‍

Pięć czynników decyduje o sile uderzenia hydraulicznego:

• Prędkość
• Moduł sprężystości materiału rury
• Średnica wewnętrzna rury
• Grubość ścianki rury
• Czas zamykania zaworu

Powtarzające się uderzenia hydrauliczne mogą powodować uszkodzenia instalacji rurowych. Oprócz hałasu, uderzenia hydrauliczne mogą powodować pękanie rur, jeśli ciśnienie jest wystarczająco wysokie.

Maksymalna teoretyczna wartość skoku ciśnienia Ps wynosi:

v₀ · a · ρ = p_s

v₀ = prędkość ośrodka [m/s]
a = szybkość propagacji fali ciśnienia [m/s]
ρ = gęstość ośrodka [kg/m³]
p_s = skok ciśnienia – uderzenie hydrauliczne [N/m²]

Maksymalne ciśnienia udarowe spowodowane uderzeniem hydraulicznym można obliczyć za pomocą następującego równania zaczerpniętego z „Handbook of Thermoplastic Piping System Design” (Podręcznik projektowania systemów rur termoplastycznych), Thomas Sixsmith i Reinhard Hanselka, Marcel Dekker Inc., str. 65-69.

Ps = V((3960 E t)/(E t + 3 x 105 DI))½
gdzie:
Ps = ciśnienie udarowe (psi)
V = prędkość wody (ft/sec)
DI = średnica wewnętrzna rury (in)
E = moduł sprężystości materiału rury (psi)
t = grubość ścianki rury (in)

Niski moduł sprężystości polibutenu-1 w połączeniu z mniejszą grubością ścianek powoduje niskie ciśnienie udarowe dla danej średnicy zewnętrznej rury i ciśnienia znamionowego. Poniższa tabela porównuje maksymalne ciśnienie udarowe dla rur o średnicy zewnętrznej 38,1 mm (1-1/2") wykonanych z różnych tworzyw sztucznych, zaprojektowanych do pracy pod tym samym ciśnieniem.

W porównaniu z PP-H, PP-B, PE-RT i PEX, PB-1 ma najwyższą klasę SDR i zapewnia najlepsze właściwości akustyczne, w tym najniższy poziom uderzeń hydraulicznych.

Polibuten-1 oferuje wymierne korzyści dla systemów rurowych w porównaniu z PE-RT i PEX.

W przypadku projektów budowlanych rzeczywista różnica kosztów systemów rurowych wykonanych z konkurencyjnych materiałów jest większa niż porównanie kosztów za metr bieżący dla rur o tej samej średnicy zewnętrznej.

Projektanci zwracają uwagę na: łatwość montażu wpływającą na koszty na miejscu budowy; opcje łączenia, długoterminową wydajność systemu i przewidywaną żywotność; oraz standardowy współczynnik wymiarowy (SDR) porównujący materiały rurowe pod kątem trwałości w stosunku do ciśnienia.

W porównaniu z systemami PE-RT i PEX, PB-1 oferuje znaczące korzyści w szerokim zakresie kategorii wydajności, co sprawia, że systemy rurowe PB-1 są optymalnym wyborem do instalacji rurowych o wysokiej wydajności.

Standardowy współczynnik wymiarów (SDR)

Co to jest SDR?

SDR ocenia wytrzymałość rury na ciśnienie i koreluje średnicę zewnętrzną rury oraz grubość ścianki.

SDR lub Standard Dimension Ratio odnosi się do geometrii rury. SDR to metoda oceny wytrzymałości rury na ciśnienie, która opisuje zależność między wymiarami rury a grubością jej ścianki. Na przykład SDR 11 oznacza, że średnica zewnętrzna rury jest jedenaście razy większa od grubości jej ścianki.

• Wysoki wskaźnik SDR
  Ścianki rury są cienkie w porównaniu z jej średnicą.
• Niski wskaźnik SDR
  Ścianki rury są grube w porównaniu do średnicy rury.

Przykładowe obliczenia:
SDR dla rury o średnicy zewnętrznej 100 mm i grubości ścianki 5 mm można obliczyć jako: 100 mm / 5 mm = SDR 20.

Dlaczego SDR ma znaczenie dla systemów rurowych?

Ze względu na wyższy współczynnik SDR PB-1 w porównaniu z PE-RT i PEX, systemy rurowe PB-1 zapewniają następujące korzyści dzięki mniejszym wymaganiom dotyczącym przekroju ścianki przy takim samym ciśnieniu znamionowym i średnicy zewnętrznej rury:

• Mniej materiału przy tej samej wytrzymałości na ciśnienie.
• Mniejsza waga na metr rury. Mniejsza średnica zewnętrzna rury przy tej samej wydajności.
• Większa powierzchnia wewnętrzna przy tej samej średnicy zewnętrznej, co zapewnia:
  - Wyższe natężenie przepływu przy tym samym ciśnieniu.
  - Mniejsze straty ciśnienia, co wymaga mniej energii do zasilania systemu lub pomp o mniejszej wydajn

Klasy SDR i wymiary rur

Klasy SDR podane w krajowych normach dotyczących systemów rurociągowych dla energetyki lokalnej.

Normy krajowe (RU i NL)
Źródło wymiarów rur porównujących materiały PB-1, PE-RT i PEX

Obecna rosyjska norma dotycząca systemów ciepłowniczych (GOST 56730 – 2015) oraz holenderska wytyczna (BRL 5609 – oraz projekt zaktualizowanej wytycznej BRL 5609) zawierają porównanie trzech materiałów stosowanych w systemach rurociągów ciepłowniczych: PB-1, PE-RT i PEX.

Zarówno rosyjska norma, jak i holenderska wytyczna zawierają te same wymagania dotyczące wymiarów rur i klas SDR trzech materiałów rur użytkowych pracujących pod ciśnieniem 6 barów, 8 barów i 10 barów.

Zgodnie z normą rosyjską i wytycznymi holenderskimi tabela (po prawej stronie) stanowi wyciąg z odpowiedniej tabeli przedstawiającej klasy SDR dla wymienionych materiałów przy różnych wartościach ciśnienia znamionowego. Jak wskazano, dla każdego ciśnienia roboczego PB-1 jest wymieniony w najwyższej klasie SDR w porównaniu z PE-RT i PEX. Poniższa sekcja wyjaśnia, co to oznacza, dlaczego normy odnoszą się do wymiarów rur i klas SDR oraz jakie są korzyści dla projektantów systemów rurowych.

Wymiary rur i klasy SDR
PB-1 pressure capability delivers benefits versus PE-RT and PEX

Wyższa klasa SDR PB-1 zapewnia następujące korzyści:
• Cieńsza ścianka
• Mniejsza ilość materiału (mniejsza waga)
• Większa średnica wewnętrzna i powierzchnia

Aby zilustrować wydajność rur PB-1, PE-RT i PEX w odniesieniu do podanego ciśnienia roboczego 8 barów przy małej średnicy rury 50 mm ø, poniższa tabela i wykres przedstawiają porównanie wymaganych wymiarów wewnętrznych rur.

Przykład 1: Mała rura – średnica 50 mm przy ciśnieniu 8 barów

PB-1 jest mocniejszy niż PE-RT i PEX, a przy ciśnieniu roboczym 8 barów i średnicy zewnętrznej rury 50 mm ø wymagane grubości ścianek wynoszą:

Jak wspomniano powyżej, przy takim samym ciśnieniu wody większa średnica wewnętrzna rury PB-1 o średnicy zewnętrznej 50 mm zapewnia znacznie wyższy przepływ niż pozostałe dwa materiały. Z drugiej strony, przy danym przepływie rury PB-1 charakteryzują się mniejszymi stratami ciśnienia, co oznacza mniejsze zużycie energii do zasilania systemów i/lub pomp o mniejszej wydajności.

Jak pokazano na powyższych wykresach i dla celów porównawczych, PE-RT można uznać za punkt odniesienia wynoszący 100%. Porównując wewnętrzną powierzchnię przekroju rury o średnicy 50 mm (lewy wykres), PB-1 wyraźnie przewyższa PE-RT, oferując dodatkowe 27% objętości. Ponadto, porównując ilość materiału na metr dla rury o średnicy 50 mm i ciśnieniu znamionowym 8 barów (wykres po prawej stronie), rura PB-1 zużywa o 29% mniej materiału niż PE-RT.

Ponownie, dla celów porównawczych, PE-RT można uznać za punkt odniesienia wynoszący 100%. Zgodnie z powyższym wykresem (po lewej stronie), przy użyciu tego samego ciśnienia roboczego wody, rura o średnicy zewnętrznej 50 mm (8 barów) wykonana z PB-1 zapewnia znacznie wyższe natężenie przepływu (+35%) w porównaniu z rurą PE-RT o identycznej średnicy zewnętrznej.

Zmierzono przy użyciu innego punktu odniesienia (po prawej): przy danym natężeniu przepływu (wydajności) rury PB-1 powodują o 44% mniejsze straty ciśnienia w porównaniu z rurami PE-RT. Oznacza to, że rury PB-1 wymagają mniej energii do działania systemu lub mogą współpracować z pompami o mniejszej wydajności przy tej samej wydajności.

Przykład 2:  Duża rura – średnica 160 mm przy ciśnieniu 10 barów

Ze względu na wyższy współczynnik SDR (a tym samym cieńszą ściankę) rura PB-1 o średnicy 140 mm zapewnia taką samą wydajność jak rura PE-RT o średnicy 160 mm, ale ma mniejszą średnicę zewnętrzną i większy przekrój wewnętrzny.

Przy ciśnieniu roboczym 10 barów rura o średnicy zewnętrznej 160 mm:

• PE-RT @ SDR 6
  Rura o średnicy 160 mm ma wewnętrzną powierzchnię przekroju poprzecznego wynoszącą 8958 mm².‍
• PEX @ SDR 7.4
  160 mm ø rura ma wewnętrzną powierzchnię przekroju poprzecznego wynoszącą 10 605 mm².‍
• PB-1 @ SDR 9
  Przy mniejszej średnicy zewnętrznej 140 mm ø PB-1 ma wewnętrzną powierzchnię przekroju poprzecznego wynoszącą 9263 mm².

Ponadto, jak pokazano na wykresie (po prawej), ciężar rury PB-1 o średnicy zewnętrznej 160 mm i ciśnieniu znamionowym 10 barów stanowi prawie połowę ciężaru rury o tej samej średnicy zewnętrznej i ciśnieniu znamionowym, wykonanej z PE-RT.

Techniki łączenia systemów rur z tworzyw sztucznych
PB-1 to wszechstronny materiał do wszystkich dostępnych technik łączenia

Podsumowanie
Zastosowanie systemów rurowych PB-1 zapewnia:

• Znaczne możliwości oszczędności materiałowych przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności systemu.
  – cieńsze ścianki
  – zwiększenie dostępnej powierzchni przekroju wewnętrznego
• Większa swoboda projektowania w przypadku projektów obejmujących sieci energetyczne dzielnicowe.
  – możliwość stosowania rur zewnętrznych i złączek o mniejszych średnicach
• Wyraźna możliwość obniżenia całkowitych kosztów instalacji i eksploatacji
  – mniejsze ramy nośne rur
  – mniejsze zużycie materiałów izolacyjnych
  – mniejsze pompy o zmniejszonym zużyciu energii
  – mniejsza masa całkowita ułatwiająca obsługę i obniżająca koszty transportu
• Możliwość wykorzystania wszystkich dostępnych technik łączenia
• Najlepsza w swojej klasie akustyka, w tym najniższy poziom uderzeń hydraulicznych
• Możliwość pełnego recyklingu

PB-1 a PE-RT i PEX

Pobierz zasoby

‍

Webinar: Zalety PB-1 w systemach rurociągów ciśnieniowych

Webinaria poświęcone przeglądowi działalności

• Sponsor: LyondellBasell
• Data prezentacji: 7 marca 2019 r.
• Prezentacja:
  – Patrick van Beek, kierownik ds. marketingu PB-1
  – Werner Rothhöft, inżynier ds. rozwoju aplikacji i obsługi technicznej
• Główne cele edukacyjne | Co w praktyce oznacza wyższa klasa SDR?
  – Poznaj polibuten-1 do stosowania w systemach rurowych do gorącej i zimnej wody pod ciśnieniem.
  – Dowiedz się więcej o niezwykłych właściwościach tego najbardziej zaawansowanego technicznie tworzywa termoplastycznego.
  – Jakie są zalety stosowania PB-1 w systemach rurowych w porównaniu z alternatywnymi tworzywami termoplastycznymi?
  – Możliwości obniżenia kosztów eksploatacji w całym okresie użytkowania systemu rurowego.

Webinar: Zalety PB-1 w systemach rurociągów ciśnieniowych
– co w praktyce oznacza wyższa klasa SDR?

Obejrzyj webinarium