REȚELE DE CONDUCTE FLEXIBILE PREIZOLATE din PEX Carmen Pavel Brugg Pipesystems Cunoscând preocuparea permanentă pentru creșterea calității serviciilor de încălzire și alimentare cu apă caldă livrate populației și având în vedere importanța proiectelor cu acest tip de obiective pentru comunitățile locale, considerăm util să prezentăm mai jos câteva elemente care pot clarifica aspecte pornind de la calitatea polietilenei reticulate, modificări de ultimă oră ale legislației europene în domeniu și până la aspecte practice legate rețelele termice realizate cu sisteme flexibile preizolate. PUTINA CHIMIE Conform definiției, reticularea este reacția de transformare a unui material termoplastic, în particular a polietilenei, într-unul termoelastic prin formare de legături intercatenare ireversibile. Altfel spus, legăturile liniare dintre catene se transformă în legături spațiale, tridimensionale, ceea ce conferă materialului o rezistență mecanică deosebită dar și o caracteristică foarte importantă: memoria formei. Fig. 1: a) Structura liniară b) Structura tridimensională (3D) În funcție de modul de obținere, materialul din care se produce țeava de serviciu din polietilenă reticulată (denumită generic PEX), poate fi de 4 tipuri: Tip PEX Definiție Caracteristica Densitatea minimă a reticularii PE-Xa Reticulare cu peroxid (Metoda Engel) 1) Reticularea se produce în stare amorfă; reticularea este omogenă în toată structura țevii PE-Xb Reticulare cu silani 3) Reticularea se produce în două etape, în stare cristalină PE-Xc PE-Xd Reticulare cu radiații (bombardare cu electroni) Reticulare cu azoizobutironitril (AIBN) (Metoda AZO) Reticularea se produce în două etape, în stare cristalină Dimensiuni Cf. EN: >75% SDR 2) 11 (PN 6): Dn 16-150 SDR 7,4 (PN 10): Dn 16-50 Cf. EN: >65% SDR 11 (PN 6): Dn 16-100 SDR 7,4 (PN 10): Dn 15-20 Cf. EN: >60% Grosimi ale pereților <4 mm Nu se mai folosește în prezent
Notă: 1) Polimerizarea amestecului format din polietilenă și agentul de reticulare se realizează prin extrudare într-o instalație complet automatizată, într-o singură etapă. La ieșirea din instalație, țeava de serviciu este rulată pe tamburi ca produs finit (PE-Xa) care nu se mai supune ulterior nici unei transformări structurale și care prezintă o densitate a reticularii de peste 85-90%. 2) Conform ISO 4065 SDR este raportul dimensional standard (Standard Dimension Ratio), număr adimensional care exprimă raportul între diametrul țevii și grosimea peretelui. 3) PE-Xb se obține printr-un procedeu în două etape: amestecul format din polietilenă și agentul de reticulare este mai întâi extrudat în instalație la dimensiunile și parametrii din standard. Apoi, la ieșirea din instalație, țeava de serviciu nereticulată complet este rulată în colaci care fie sunt imersați în apă fierbinte (80-95 C), fie se recirculă prin interiorul țevii de serviciu apă fierbinte (80-95 C) un timp suficient de lung pentru ca polietilena să reticuleze într-un procent de cel puțin 65%. Având în vedere faptul că pentru sistemele de alimentare cu căldură și apă caldă, din grupa acestor materiale plastice numite generic PEX se folosesc numai PE-Xa și PE-Xb, ne vom referi în cele ce urmează doar la acestea. MODALITĂȚI DE PRODUCERE Concret, principalele diferențe între tehnologiile de producere a PE-Xa și PE-Xb sunt redate în tabelul de mai jos: PE-Xa Proces de reticulare intr-o singură etapă Echipament Etapă unică: Extrudare și reticulare în extrudere speciale, cu piston. În răşina de bază se adaugă peroxid care, prin expunerea la presiune şi temperatură ridicată, produce reticularea. Produs finit: Set de teste privind: - gradul de reticulare al PE-Xa - menținerea caracteristicilor în timp (îmbătrânire accelerată) OBS.: Calitate certificată Produs finit Controlul calității la ieșirea din extruder: PE-Xb Proces de reticulare în 2 etape 1. Extrudarea are loc intr-un extruder obișnuit, folosit pentru polietilenă (PE). După extrudare, profilul este expus la aburi sau apă fierbinte pentru a induce reacția finală de reticulare. Semifabricat (parțial reticulat) Set de teste privind: - capacitatea de reticulare a PE OBS.: NU se poate verifica gradul de reticulare 2. Reticulare a) Reticulare în mediu lichid (aburi sau apă fierbinte) Costuri de producție Echipament special, reticulare controlată, Utilaj obișnuit pentru polietilenă (PE), costuri ridicate. costuri scăzute. Depozitare/Livrare/Instalare Produs finit b) Reticulare în condiții (temperatură, presiune) necontrolate Exploatare (Operare) (temperatură: 95 o C; presiune: 6 și 10 bar) Parametrii cunoscuți: - gradul de reticulare al PE-Xa - menținerea caracteristicilor în timp Fig. 2: Etapele obținerii PE-Xa și PE-Xb Exploatare (Operare) (temperatură: 95 o C; presiune: 6 și 10 bar) Parametrii necunoscuți: - gradul de reticulare al PE-Xb - menținerea caracteristicilor în timp OBS.: Reticularea poate continua chiar și după instalare 2
DIFERENȚE SEMNIFICATIVE Tehnologiile diferite de producere au ca efect obținerea unor materiale cu proprietăți fizico-chimice substanțial diferite. 1. Ponderea structurii reticulate în materialul țevii are o importanță majoră în definirea proprietăților și aplicabilității acestui produs în diverse domenii. Mai exact, cu cât densitatea reticulării este mai mare, cu atât zonele în care materialul prezintă o structură liniară sunt mai mici, deci posibilitatea apariției fisurilor este mai redusă. Fig. 3: a) Structura omogenă la PE-Xa (7500x) b) Structura PE-Xb (7500x) 2. Testele efectuate la PE-Xa pentru verificarea rezistenței la tracțiune și presiune, demonstrează deteriorarea materialului prin rupere, în timp ce PE-Xb poate prezenta chiar fisuri în unele situații, ceea ce la PE-Xa nu este posibil, fapt demonstrat de cei peste 30 de ani de utilizare practică a acestui material. Fig. 4: a) Rupere PE-Xa b) Fisurare PE-Xb 3
3. Rigiditatea țevii din PE-Xb este mai mare la comparativ cu cea a țevii PE-Xa, ceea ce determină raze de curbură mai mari la dimensiuni identice cu PE-Xa. Din acest motiv, gama de dimensiuni este mult mai redusă la PE-Xb (la diametre mari, razele de curbură sunt mari iar țeava nu mai poate fi livrată sub formă de colaci din considerente legate de transport ). 4. Memoria formei este prezentă la PE-Xa datorită gradului mare de reticulare, deci a prezenței mari de legături catenare ireversibile. În practică, această calitate a materialului permite realizarea de cuplări prin presare (cu inel alunecător, fără filet), 100% sigure. 5. Flexibilitatea la temperaturi scăzute este de asemenea mult mai bună la țeava PE-Xa, ceea ce favorizează condițiile de montaj la începutul sau sfârșitul sezonului rece. În același timp, eventualele gâtuiri (ștrangulări) ale țevii datorate condițiilor din teren nu conduc la deteriorare prin apariția de fisuri. 6. Stabilitatea în timp este conferită în cazul PE-Xa de finalizarea completă a procesului controlat de reticulare în momentul ieșirii din instalația producere. În cazul PE-Xb, procesul de reticulare nu poate fi controlat, și, mai mult decât atât, poate continua chiar și după pozarea îngropată a țevii, situație în care variațiile de temperatură sau solicitările mecanice (chiar simpla deteriorare fizică a materialului țevii prin cuplarea cu filet) pot conduce la distrugerea legăturilor catenare și deci la avarierea severă a ansamblului. Ponderea cât mai mare a structurii reticulate în materialul țevii de serviciu este determinantă în ceea ce privește durata de viață întrucât este invers proporțională cu probabilitatea apariției fisurilor în material sub acțiunea unor factori externi (fie în interiorul, fie în exteriorul țevii). De altfel, din aceste motive, țevile din PE-Xa sunt utilizate cu precădere în sisteme preizolate de conducte pentru aplicații de încălzire și apă caldă, în timp ce țevile din PE-Xb sunt preponderent folosite la încălzirea prin pardoseală (fiind și mai ieftine, datorită tehnologiei de fabricație mai puțin costisitoare). STANDARDIZARE La nivelul Uniunii Europene, au fost elaborate o serie de acte normative care reglementează domeniile de aplicare ale țevilor din polietilenă reticulată și ale sistemelor flexibile preizolate. Astfel, pentru țeava neizolată din PE-X, există standardul EN ISO 15875-1, 2, 3, 5 și 7 :2003 armonizat SR EN ISO 15875-1, 2,3,5:2004/A1: 2007, care se referă la Sistemele de conducte din PE-X pentru instalații de apă caldă şi rece. Partea 1: Generalități. Partea 2: Țevi. Partea 3: Fitinguri. Partea 5: Utilizare. Partea 7: Evaluarea conformității. Pentru sistemele de încălzire centralizată, montaj îngropat, a fost elaborat standardul EN 15632-1 și 4: 2009 armonizat parțial: SR EN 15632-1 și 4:2009, care se refera la Conducte pentru încălzire districtuală. Sisteme de conducte flexibile preizolate. Partea 1: Clasificare, cerințe generale şi metode de încercare. Partea 4: Sistem blocat cu țevi de serviciu din metal. Cerințe şi metode de încercare În ceea ce privește părțile 2 și 3 ale standardului, în 19 decembrie 2008, DIN (Deutsches Institut für Normung) a depus un apel împotriva ratificării (Partea 2: Sisteme legate; cerințe şi metode de încercare. Partea 3: Sisteme libere; cerințe şi metode de încercare), apel care a fost aprobat în 22 decembrie 2009. Motivele acestui apel au fost următoarele: țevile PE-Xb nu sunt complet reticulate în momentul instalării; nu se pot efectua teste de lungă durată privind calitatea reticulării PE-Xb; nu există certitudinea că în timpul serviciului, țevile PE-Xb corespund cerințelor de bună funcționare; la instalarea țevilor incomplet reticulate, există riscul apariției unor modificări permanente ale materialului, la utilizarea fitingurilor sau mufelor standard; cerințele privind calitatea țevilor PE-Xb nu corespund standardelor relevante de calitate; utilizarea țevilor PE-Xb prezintă riscuri pentru sănătate, siguranță și mediu. 4
Decizia Comitetului Tehnic al CEN (Comitetul European pentru Standardizare) a fost aceea ca cele două părți în discuție ale standardului să fie ratificate FĂRĂ a include însă Anexa B referitoare la specificațiile țevilor din PE-Xb în timpul operării, și de a crea un grup de lucru al comisiilor tehnice CEN/TC 107 și CEN/TC 155 în vederea definirii cerințelor și metodelor de testare pentru acest material, la utilizarea în aplicații pentru sisteme de încălzire centralizată. Prin urmare, ca efect al acestei decizii, EN 15632 nu va mai include conducte flexibile preizolate din materiale plastice care pot reticula în timpul exploatării (PE-Xb). Astfel, la utilizarea sistemelor de conducte flexibile preizolate pentru încălzirea centralizată va fi obligatoriu ca procesul de reticulare să fi fost încheiat la ieșirea din instalația de extrudare (produs FINIT). Standardul este în curs de publicare. SISTEME FLEXIBILE PREIZOLATE DIN PE-Xa Țeava de serviciu din PE-Xa este numai una dintre componentele unui sistem flexibil preizolat. Celelalte elemente precum si importanța lor funcțională sunt descrise mai jos. Termoizolația Principala caracteristică a spumei PUR este conductivitatea termicǎ λ [W/mK], mai exact capacitatea materialului izolator de a transmite căldura. Principala preocupare a producătorilor de sisteme flexibile preizolate este aceea de a obține cea mai bun rețetă a ingredientelor care prin combinare expandează și produc o spumă cu o valoare a conductivității termice cât mai mică, pentru ca pierderile de energie termică să fie de asemenea cât mai mici. Însă valoarea λ nu depinde numai de calitatea și proporția componentelor ci și de structura închisă a porilor formați (pentru a nu permite pierderea gazului izolator din interiorul lor) ci și, de asemenea, de o structură foarte fină (diametru mic al porilor) și omogenă (pori de dimensiuni cât mai apropiate). Mantaua Protecția exterioară a sistemului se face cu o manta din polietilenă de joasă densitate (PE-LD) extrudată continuu. Calitatea mantalei este dată atât de duritatea ei (rezistență la tensiuni externe, pentru a proteja integritatea spumei termoizolante) cât și elasticitate (capacitatea de a nu se deteriora la raze de curbură mici). Cel mai bine răspunde acestor cerințe PE-LLD (polietilena liniară de joasă densitate) care a început recent să fie folosită pentru producerea mantalei. În sistemele închise, prezența oxigenului în agentul termic prezintă un mare pericol pentru părțile metalice, pe care le corodează. Soluția de protecție aplicată la conductele din gama 6 bar (SDR 11) pentru distribuția de căldură, este bariera etanșă 99,80% la difuzia O 2. Bariera de difuzie este de obicei colorată (roșu în imagine), pentru a se diferenția de conductele de distribuție apă caldă (sisteme deschise, SDR 7,4), care nu au nevoie de protecție. O altă calitate a sistemului este aceea de a-și menține toate componentele împreună, legate, deci de a nu permite deplasarea lor unele față de celelalte. Această capacitate este foarte importantă deoarece împiedică dilatarea țevii de serviciu în timpul exploatării. Un astfel de sistem se mai numește și autocompensat, iar aceasta calitate se mai asigură și prin includerea unei membrane din PE între spuma PUR și manta, pentru asigurarea suplimentară a aderenței celor două elemente. În plus, membrana este etanșă la difuzia gazului din spuma termoizolantă către exteriorul sistemului, ceea ce previne îmbătrânirea termoizolației. 5
SIGURANȚA în EXPLOATARE Poate cea mai importantă calitate a sistemelor flexibile preizolate cu țeava de serviciu din PE-Xa este aceea de a se putea cupla prin presare (cu inel alunecător), adică fără distrugerea locală a structurii materialului, prin filetare sau strângere (deformare plastică). Acest avantaj major are la bază efectul de memorie al PE-Xa și conferă o siguranță maximă conductelor îngropate, nemaifiind astfel nevoie de prezența unui sistem de monitorizare și semnalizare, lucru dovedit de altfel în practică prin lipsa producerii de avarii la pe parcursul celor 30 de ani de utilizare până în prezent. DIMENSIUNI UZUALE pentru sisteme centralizate Dimensiuni mm Dext teava/dext manta SDR 11 SDR 7.4 PN 6 PN 10 Țeava de Diametru Dimensiuni Țeava de Diametru serviciu nominal serviciu nominal inch mm DN mm inch mm DN Dext teava/dext manta 20 / 76 1 / 2 20 x 1.9 16 22 / 76 5 / 8 22 x 3.0 16 25 / 76 ¾ 25 x 2.3 20 28 / 76 ¾ 28 x 4.0 20 32 / 76 1 32 x 2.9 25 32 / 76 1 32 x 4.4 25 40 / 91 1¼ 40 x 3.7 32 40 / 91 1¼ 40 x 5.5 32 50 / 111 1½ 50 x 4.6 40 50 / 111 1½ 50 x 6.9 40 63 / 126 2 63 x 5.8 50 63 / 126 2 63 x 8.7 50 75 / 142 2½ 75 x 6.8 65 - - - 90 / 162 3 90 x 8.2 80 - - - 110 / 162 4 110 x 10.0 100 - - - 110 / 182 4 110 x 10.0 100 - - - 160 / 250 (bare) 5 160 x 14.6 150 - - - Sistemele preizolate SDR 7.4 (PN 10), având peretele țevii mai gros, la dimensiuni peste DN 50 sunt destul de rigide. Astfel, își pierd avantajul de a fi livrate în lungimi mari și devin necompetitive pentru aplicații de încălzire centralizată (vezi tabelul 3). ACHIZIȚII PUBLICE Este o certitudine faptul că diferențele de mai sus sunt puțin cunoscute proiectanților, constructorilor și beneficiarilor. Astfel, uneori, la evaluarea ofertelor primite în cadrul procedurilor de achiziție, nu se face diferența între PE-Xa și PE-Xb, deși în unele caiete de sarcini este menționată explicit calitatea, fie prin precizarea denumirii, fie a dimensiunilor, fie a metodei de producere (Engel sau cu silani). Beneficiarul se poate asigura suplimentar că va primi calitatea solicitată solicitând certificate de examinare elaborate de instituții specializate, recunoscute internațional. Riscul de a nu cunoaște toate aspectele specifice descrise mai sus poate conduce în exploatare (sub acțiunea tensiunilor externe și a variațiilor de presiune și temperatura din timpul funcționarii, combinată cu fenomenul incomplet controlat de reticulare care poate continua pe o durată nedeterminată de timp la utilizarea de PE-Xb), la producerea de avarii severe. Din nefericire, exista beneficiari care au experimentat astfel de situații, fiind nevoiți sa facă fată unor astfel de evenimente nedorite care au intervenit la scurt timp de la punerea în funcțiune a sistemului. De obicei, beneficiarii aleg PE-Xb datorită prețului mai mic, având impresia că oricum diferențele nu sunt semnificative. În acest fel, calitatea serviciului de furnizare a energiei termice are de suferit deoarece se întrerupe livrarea, uneori se deviază chiar traficul pentru intervenții etc. 6
ALEGEREA INTELIGENTĂ Pentru distribuția apei calde și căldurii, utilizarea sistemelor legate flexibile preizolate cu țeava de serviciu din PE-Xa este cea mai bună alegere, datorită avantajelor de necontestat pe care le aduc beneficiarilor și care constau în: Izolare termică foarte bună, menținută în timp; Comportare foarte bună la efectul de îmbătrânire la temperatură; Rezistență foarte bună la impact chiar și la temperaturi scăzute; Rezistență foarte bună la agenți chimici și la abraziune; Rugozitatea foarte mică împiedică producerea depunerilor pe suprafața țevii de serviciu; Proprietăți foarte bune fono-absorbante; Siguranță totală a montajului cu cuple presate; Efect de memorie autofixarea cuplelor; Elasticitate (nu apar crăpături la îndoire); Instalare rapidă și ușoară Eliminarea sudurilor; Eliminarea elementelor pentru compensarea dilatărilor. Brugg Pipesystems face parte din holdingul Brugg Cable, reprezentat la nivel internațional. Grupul Brugg este structurat în 4 divizii (Cabluri, Sisteme de conducte, Cabluri din oțel și Sisteme de control al proceselor), are circa 40 de filiale deschise în 11 țări și reprezentanțe în toate țările industrializate importante. Principala activitate a Brugg Pipesystems AG constă în producerea și comercializarea sistemelor de conducte rigide și flexibile pentru transportul sigur și eficient al lichidelor, gazelor și căldurii, cu utilizare în patru sectoare de activitate: încălzire/răcire locală şi centralizată, industrie, stații de carburanți şi sisteme integrate pentru energii regenerabile. Cu aproape 40 de tipuri de sisteme de conducte şi peste 20.000 de tipuri de accesorii, Brugg Pipesystems oferă cea mai largă gamă de produse de pe piață. Divizia Conducte are trei unități de producție în Elveția şi în Germania, iar produsele sunt disponibile şi din stoc. Brugg Pipesystems este un partener competent și de încredere începând cu acordarea de asistență tehnică, continuând cu managementul de proiect și cu execuția lucrărilor de montaj, deoarece dispune de personal excelent pregătit și un departament propriu de proiectare. 7