Norsk vann /SST Fagtreff «Anskaffelser ledningsnett med vekt på gravefrie løsninger» Oslo 26. oktober 2016 Norsk Vanns utredning om rør av plast: Dimensjonering av rørtype / rørmateriale Valg av rørtype / rørmateriale Gunnar Mosevoll, Skien kommune, Vannforsyning og avløp God økologisk tilstand i vassdrag og fjorder Norsk vann_fagtreff 26 oktober 2016_Rapport om plastroer_2016-1.pptx Skien 1863 2013: Kommunal vannforsyning og avløp i 150 år 1
Norsk Vanns utredninger om rørmaterialer Norsk vann har gjennomført noen utredninger om rørmaterialer
Norsk Vanns utredninger om rørmaterialer Norsk vann har gjennomført noen utredninger om rørmaterialer: Rapport 158:2008 «Termoplastrør i Norge Før og nå» gir en oversikt over 50 års bruk av termoplastrør og erfaringer. Rapporten viste at det var vesentlige mangler i vår kunnskap om dimensjonering for minst 100 års levetid. I 2012 ble det derfor satt i gang et utredningsprosjekt som skulle legge vekt på dimensjonering i forhold til minst 100 års levetid. Rapport 173:2010 «Veiledning i bruk av duktile støpejernsrør» tok utgangspunkt i : Planlagte endringer av NS-EN 545: Beregning av veggtykkelse En av rørfabrikantenes ønske om å redusere veggtykkelsen for vanlig bruk Usikkerhet i valg av korrosjonsbeskyttelse. Tidlig i 2016 startet Norsk Vann et prosjekt om bruk av betongrør.
Bruken av plastrør i Norge Plastrør ble for alvor tatt i bruk i utvendige VA-ledninger i Norge på 1960-tallet. Siden den gangen har bruken av plastrør økt kraftig, og i dag er plastrør overlegent mest bruk i ny kommunale VA-ledninger. Skal vi klare å opprettholde gode VA-tjenester uten unødvendige kostnader, må nye VA-ledninger holde i minst 100 år.
VA-ledninger av termoplastrør og målet om minst 100 år levetid: Hva vet vi om dette? Behovet for kunnskap om nye plastrør: Dokumentasjonen av 100 års levetid for VA-rør av termoplast har varierende kvalitet Rapport fra Teppfa i desember 2014 har forbedret kunnskapen for avløpsrør av PE og PP. Behovet for kunnskap om eksisterende plastrør: Ved brudd i plastledninger: Skal vi fortsatt reparere brudd eller skal vi fornye ledningen? The European Plastic Pipes and Fittings Association (TEPPFA) is the trade association representing manufacturers and national associations of plastic pipe systems in Europe.
Termoplastrør og dimensjonering for minst 100 års levetid: Dokumentasjonen av levetid har varierende kvalitet Den europeiske organisasjonen for plastrørsprodusenter TEPPFA har fått utført livssyklus-undersøkelser (LCA-analyser) for en rekke typer rør av termoplast: EN 12201 Vannledningsrør av PE med jevn veggtykkelse og ensartet rørmateriale (2012) EN 1452 Vannledningsrør av PVC-U med jevn veggtykkelse og ensartet rørmateriale (2012) EN 1401 Avløpsrør av PVC-U med jevn veggtykkelse og ensartet rørmateriale (2012) EN 13476 Avløpsrør av PVC-U (trelagsrør) (2012) EN 13476 Avløpsrør av PP (tolagsrør) (2012) EN 1852 Avløpsrør av PP med jevn veggtykkelse og ensartet rørmateriale (ikke tilsatt mineralsk pulver for å øke rørstivheten) (2013) Alle rapportene kan lastes ned fra nettsiden til Teppfa (Environmental Product Declaration): http://www.teppfa.eu/epdoverview Disse LCA-analysene forutsetter 100 års levetid. Oppskriften for å nå 100 års levetid er godt dokumentert for noen rørtyper, mens dokumentasjonen for andre rørtyper er svak: («A service life time of 100 years is based on technical assumptions.») Godt dokumentert Sannsynligvis tilfredsstillende dokumentert Dårlig dokumentert
TEPPFA-rapporten fra desember 2014 gir råd om vegen videre for avløpsrør av polypropylen PP og polyetylen PE Tidlig i 2015 offentliggjorde TEPPFA rapporten «100 Year Service Life of Polypropylene and Polyethylene Gravity Sewer Pipe» Denne rapporten bygger på undersøkelser på rør som har vært i drift, samt på rettede undersøkelser av rørmaterialene PP og PE.. http://www.teppfa.eu/industry-studies/ Rapporten foreslår to tilleggskrav i EN-standardene: 1 undersøkelse i forhold til kjemisk brudd (av råmaterialet) (varighet 1 år ved 95 C for PE og 110 C for PP) 1 undersøkelse i forhold til sprøtt brudd (sakte sprekkvekst ) i et vanlig rør (varighet 4000 timer (nesten 0,5 år) ved 23 C) Tilfredsstiller avløpsrør av PE og PP disse kravene, er faren svært liten for kjemisk brudd eller for sakte sprekkvekst med påfølgende brudd i løpet av 100 års brukstid.
Noen viktige materialegenskaper for plastmaterialer Elastiske materialer For stål, seigt støpejern og betong endres ikke elastisitetsmodulen med tiden (lastens varighet). For temperaturer aktuelle for VA-ledninger påvirkes heller ikke E-modulen. Plastiske materialer Elastisitetsmodulen til plastrør avtar med økende varighet av lasten (f.eks. innvendig vanntrykk) og med økende temperatur. Elastisitetsmodul Lastens varighet (log tid)
Teoretisk modell for spenning / tøyning i et viskoelastisk materiale
Noen viktige materialegenskaper for plastmaterialer Plastiske materialer Elastisitetsmodulen til plastrør avtar med økende varighet av lasten (f.eks. innvendig vanntrykk) og med økende temperatur. Dette har medført at det har tatt lengre tid å utvikle metodene for: Konstruksjonsteknisk dimensjonering Metoder for dokumentasjon av langtids egenskaper Elastisitetsmodul Lastens varighet (log tid)
Plastmaterialene har blitt bedre «Materialstyrke» PVC trykkrør PP avløpsrør PE -trykkrør 1960 2016 Kunnskapen om disse endringene «materialstyrke) er viktig når en skal forvalte det eksisterende ledningsnettet. Standardene, som stiller krav til rørene, har utviklet seg kraftig i disse årene, f.eks. for PE-trykkrør
Med riktig bruk holder gode plastrør i 100 år Et ensom avløpsrør av PVC-U (NS-EN 1401) er snart klar for å tjene oss i minst 100 år.
Stort rør av PE med konstruert rørvegg (Stasjonsvegen,Bø i Telemark) Innvendig diameter 3500 mm, Veggtykkelse om lag 185 mm Dette røret har så stor diameter at EN 13476 Ikke gjelder.
Plast er et konstruksjonsmateriale; men Men det kan være langt mer krevende å sette seg inn i materialegenskapene for plast enn for andre rørmaterialer. Norge trenger flere VA-ingeniører som vil lære mer om plast materialer!!! Her kommer et lite blikk inn i noen av plastmaterialers egenskaper.
Noen VA-ingeniører må trives med å studere produktstandardene for de ulike rørtyper Et naturlig spørsmål å stille her: Hvorfor kreves det ikke at motstanden mot varmealdring/ kjemisk brudd skal dokumenteres for vanlige, dobbeltveggede rør av PP og PE?
Turer for de plastrørsinteresserte. Stockholm 10 11. november 2016 Årskonferanse for 4S ledningsnät http://www.4sledningsnat.se/utbildning-events/program-konferens-2016-33802364
Termoplast og herdeplast Plastmaterialer for utvendige VA-ledninger Følgende plastmaterialer er i bruk i norske, utvendige vann- og avløpsledninger: Termoplast: PVC-U Polyvinylklorid uten mykner PE PP Polyetylen Polypropylen Herdeplast: GRP Glassfiberarmert plast De tre første plastmaterialene er termoplast, mens den siste er herdeplast: Termoplast Blir myk ved oppvarming og smelter ved forholdsvis lave temperaturer. Kan formes på ny ved oppvarming, og gjenbrukes til nye plastprodukter. Herdeplast Blir ikke myk ved oppvarming. Smelter ikke ved oppvarming.. Kan derfor ikke formes på nytt til nye produkter.
Molekylkjeder: Noen grunnleggende definisjoner Eksempel på molekylkjede («polymer»): Molekylkjede Repeterende ledd Eksempel på repeterende ledd («monomer»): H C H H C H Det repeterende leddet i polyetylen (PE) består av 2 karbon-atomer ( C ) og 4 hydrogen-atomer ( H ). CH 2 CH 2 Etylen
Molekylkjeder: Noen grunnleggende definisjoner En molekylkjede kan ha greiner: Molekylkjede Grein Repeterende ledd Tettheten og lengden på greinene varierer fra plastmateriale til plastmateriale. PEL er sterkt forgreinet, mens PEH har få greiner. Noen virkninger av greiner på en molekylkjede: Er molekylkjeden sterkt forgreinet, blir materialet dårlig pakket. Dette reduserer elastisitetsmodul og strekkstyrke. Greinene binder molekylkjedene bedre sammen, slik at styrken mot sprøbrudd øker. PEH-molekylet har langt færre og kortere greiner enn PEL-molekylet, dvs. at PEH er bedre pakket enn PEL. Denne forskjellen bidrar til at PEH er stivere enn PEL. Greiene i PEH-molekylet bidrar likevel til at PEH har en tilfredsstillende styrke mot sprøbrudd.
Homopolymerer og copolymerer Når alle de repeterende leddene (monomerene) like. En slik polymer kalles for homopolymer. Det er imidlertid mulig å la to forskjellige, repeterende ledd (monomerer) inngå i molekylkjeden. Her har vi noen viktige definisjoner: Comonomer: Copolymer: Det andre, repeterende leddet Polymer med to forskjellige, repeterende ledd
Homopolymerer og copolymerer Comonomeren kan inngå i molekylkjeden på forskjellige måter. Nedenfor er A monomer og B comonomer: Homopolymer: Alle de repeterende leddene er like: AAAAAAAAAAAAAAAAAAA. Blokkcopolymer:Molekylkjeden er bygget opp av blokker: AAAA.BBBB.AAAA.BBBB...AAAA.BBBB Alternerende copolymer: De to monomerene alternerer i molekylkjeden: ABABABABABABABABABABA Tilfeldig copolymer: De to monomerene er tilfeldig plassert i molekylkjeden: ABAAABABAAAAABABAAAABAABA.. I polypropylen (PP) utnyttes tre av disse mulighetene: PP-H, PP-B og PP-R («R» står for «random» («tilfeldig»)). I PP har monomeren (propylen) formelen C 3 H 6. En vanlig comonomer i PP er etylen (C 2 H 4 ). Med etylen som comonomer blir polypropylen seigere (faren for rask sprekkvekst blir mindre).
Termoplast og herdeplast Termoplast: Lange molekylkjeder som kan gli i forhold til hverandre. Herdeplast: Lange molekylkjeder som er bundet sammen med korte molekylkjeder. I andre typer herdeplast («elastomerer»), som vulkanisert gummi, er molekylene bundet sammen i knutepunkter. Dette gjelder også for tverrbundet polyetylen. Molekylkjedene kan deformeres plastisk i forhold til hverandre. De svarte linjene illustrerer de sammenbindende molekylkjedene
Inndeling av plastmaterialene i grupper Termoplast Herdeplast Elastomer Eksempler på plastmaterialer i hver gruppe: Amorf PVC Polyvinylklorid Termoplast Herdeplast Elastomer Delkrystallinsk PE Polyetylen UP Umettet polyester NR Naturgummi PP Polypropylen EP Epoksy EPDM Etylen-propylendien
Amorfe og delkrystallinske termoplaster Termoplastene beskrives ved andelen krystallinsk materiale. Områder med ordnet oppbygging av molekylkjedene kaller vi krystallinske: Amorf oppbygging: Molekylkjedene ligger i full uorden Krystallinsk oppbygging: Molekylkjedene ligger parallelt ordnet PVC: Amorft PEL: 45 55 % krystallinsk PEH: 70 80 % krystallinsk
Molekylvekt Lengden på molekylkjedene i et plastmateriale varierer, dvs. at i et plastmateriale har vi en blanding av korte og lange molekylkjeder. Lengden på en molekylkjede måles indirekte gjennom molekylvekten. Fordelingen av antall molekylkjeder som funksjon av størrelsen på en molekylkjede presenteres gjerne gjennom diagrammer som vist nedenfor: For PE og PP måles midlere molekylvekt indirekte gjennom «smelteindeksen» For PVC-U er «K-verdien» et uttrykk for midlere molekylvekt
Et eksempel om polyetylen
PE 100: 3. generasjon PE for rør Tidlig på 1990-tallet kom 3. generasjon PE (PE 100) til Norge). Polymeriseringen skjer i to trinn. Materialet med lav molekylvekt og få greiner bidrar til høy elastisitetsmodul Materialet med høy molekylvekt bidrar til høy strekkstyrke Materialet med lav molekylvekt bidrar til bedre bearbeidingsegenskaper (gjør det f.eks. mulig å ekstrudere rør av materialet med høy molekylvekt). Korte molyekyler uten greiner bidrar sterkt til materialets stivhet.
PE 100 - RC: Forbedret motstand mot sakte sprekkvekst Polymeriseringen i to trinn gir god motstand mot både rask og sakte sprekkvekst. Det er mulig å forbedre motstanden mot sprekkvekst- I dag produseres også en PE 100-kvalitet (PE 100-RC), som har særlig stor motstand særlig mot sakte sprekkvekst (RC: Resistance to Crack). PE 100-RC er en copolymer, der hexen (C 6 H 12 ) er brukt som comomer. Hexenmonomeren danner en grein på molekylkjeden. ). Også buten brukes som copolymer.
PE 100 og PE 100 CR: Eksempel på molekylvektfordeling PE 100 produseres i to reaktorer i serie. Hver av disse reaktorene skaper sin forskjellige molekylvektfordeling. PE 100 CR har større motstand mot sprekkvekst enn PE100. Det skyldes at det i PE 100 CR ved hjelp av hexen som comonomer er skapt en copolymer med korte greiner på molekylkjeden. Disse greinene motvirker sprekkvekst. http://www.totalpetrochemicalsusa.com/brochures/bimodal%20blowmoldingbrochure.pdf http://www.totalrefiningchemicals.com/sitecollectiondocuments/brochures/products/pe_pipe.pdf
30
Plastmaterialer lever ikke evig Men det er fult ut mulig å få gode plastrør til å holde i 100 år.
Bruddtyper I plastkonstruksjoner kan vi ha tre typer brudd: Seige brudd (stor deformasjon) Sprø brudd (gjerne 1 vesentlig sprekk som vokser - sakte sprekkvekst) Varmealdring / kjemisk brudd (kan være flere, vesentlige sprekker som vokser) I SSV
Krav i standardene og kjøp av plastrør Plastrørene produseres etter europeiske standarder, f.eks. NS-EN 12201 for trykkrør av polyetylen. De fleste standardene gir mulighet til å velge forskjellig veggtykkelse, f. eks. SDR 11, SDR 17 eller SDR 26 for trykkrør av polyetylen (SDR: forholdet mellom nominell diameter og nominell veggtykkelse). Men rørkjøperen har vanligvis ikke mulighet til på påvirke innholdet av antioksidanter (antioksidanter beskytter mot varmealdring /kjemisk brudd). Her er vi vanligvis avhengig av at standarden har valgt en fornuftig verdi. Vi kan få særnordiske regler gjennom ordningen Nordic Poly Mark (sertifisering / 3. partskontroll). I Norge har vi valgt større veggtykkelse for trykkrør av PE og trykkrør av PVC-U. Det har vist seg at det har vært lurt. (Vi har valgt SDR 11, og vi har ikke hatt de problemene Sverige har hatt med enkelte rør med SDR 17).
Velg rør der langtidsegenskaper er godt dokumentert: Anbefalinger i rapporten om rør av termoplast Godt dokumentert: Trykkrør av PE 100 Men velg SDR11 også for PE 100 for PN 10 Trykkrør av PVC-U (for å unngå stor, langtids tøyning) Ganske god dokumentasjon: Grunnavløpsrør av PVC-U Vesentlige mangler ved dokumentasjonen: Grunnavløpsrør av PP Dobbeltveggede rør av PP og PE (gjelder særlig rør liten diameter) Store mangler ved dokumentasjonen: Trelagsrør av PP eller PVC-U med kjerne at stivt skum av PP eller PVC-U Flere rørprodusenter er uenig i bedømmelsen av vesentlige mangler og store mangler.
Oppsummering viktige materialegenskaper Plast er et komplisert rørmateriale, og det finnes både gode og dårlige løsninger. Det er derfor viktig å ikke fire på materialkravene. Anbefalingene i Norsk vann-rapporten er omstridt. Uenigheten kan gi fine diskusjoner om rør og rømaterialer. Det vil forhåpentligvis øke interessen for å lære seg mer om plast. Vi er ikke aleine om å være uenige. Her kommer et eksempel fra Østerrike. I Østerrike er markedsføringen av avløpsrør noe mer «direkte» enn i Norge: Finger weg von Billigrohren im Kanalbau! Greifen Sie zu Top-Qualität für Generationen!
Trykkledninger av PE med innvendig overtrykk: Rørdiameteren øker For stor deformasjon av ledningen pga. siging gjør det vanskelig å skjøte ledningen etter flere års driftstid: Diameteren på en trykkledning har over tid økt så mye at en standard muffe har for liten diameter til å passe. Dette gjelder i hovedsak PE-ledninger, som har lavest E-modul. I dag (2016) brukes mest PE 100. For å unngå for stor tøyning i trykkledninger anbefales det å bruke SDR 11 for nominelt trykk PN 10. For PE 100 gir SDR 11 en sikkerhetsfaktor C = 2,0. Eksempel: Strekkspenning σ = 5 N/mm 2 E-modul for lastvarighet 50 år: E 50 år = 150 MPa (N/mm 2 ) Tøyning etter 50 år: ε 50år = σ/e 50 år = 5/150 = 0,033 For et rør med utvendig diameter 200 mm vil utvendig diameter øke med 200 mm 0,033 = 6,6 mm Eksempler på stor tøyning i PE-ledninger, se: «Provtryckning Svenskt Vatten utvecklingsprojekt», Foredrag av Gunnar Bergsman på konferansen til 4S ledningsnät 2. oktober 2013.
Trykkledninger av plast - dimensjonering og levetid Sannsynlig levetid ved riktig dimensjonering og bygging: PVC-U: minst 100 år http://www.teppfa.eu/ PE: minst 100 år http://www.teppfa.eu/ (forutsetter lavt innhold av klor (på norsk nivå)), samt at tøyning ikke blir for stor GRP: 50 100 år GRP krever riktig dimensjonering og omhyggelig legging. For stor tøyning og vanninntrenging må unngås.
Trykkløse ledninger av plast - deformasjon og tøyning Deformasjon d/d m av nedgravde, fleksible rør pga. jordlast. Beregnes gjerne ved hjelp av formler på følgende form: d/d m = K Q j / (SR + SS) (m/m) der: d = deformasjon (m) D m = midlere rørdiameter (m) (i rørveggens nøytralakse) Q j = jordlast (MPa) (1 MPa = 10 6 N/m 2 ) SR = rørets ringstivhet (MPa) (avhengig av rørmaterialets elastisitetsmodul E, og derfor av varigheten på jordlasten) SS = stivheten til omfyllingsmasser og fundament (MPa) K = konstant
Trykkløse ledninger: Samvirke mellom rørledning og jordlast Like etter igjenfylling av ledningsgrøften er det kun elastisk tøyning i rørveggen Etter 2 år (vanligvis 1 3 år) er den samlede tøyningen økt vesentlig på grunn av siging i rørveggen av plast: Den elastiske tøyningen er blitt mindre Den plastiske tøyningen er blitt større εe1 Etter 3 minutter har den elastiske tøyningen økt til εe1. Den plastiske tøyningen er da tilnærmet 0. Etter 2 år er den plastiske tøyningen økt fra 0 til εp2, mens den elastiske tøyningen er redusert fra εe2 til εe1.
Hvordan svikter trykkløse ledninger? For trykkløse ledninger (avløpsledninger) kan vi ha følgende typer svikt (de viktigste): For stor deformasjon Sprø brudd pga. sakte sprekkvekst Kjemisk brudd (for nedgravde ledninger mest aktuelt for PE og PP)
Trykkløse ledninger av plast - dimensjonering og levetid Vi har bestemt at levetiden for nye VA-ledninger skal være minst 100 år. Hvor godt er 100 år levetid dokumentert? (forutsatt at ledningene er lagt etter dagens regler) PVC-U med ensartet rørmateriale og jevntykk rørvegg (NS-EN 1401): Ganske godt dokumentert. http://www.teppfa.eu/ Noen usikkerhet knyttet innholdet av mineralsk pulver. PP med ensartet rørmateriale og jevntykk rørvegg (NS-EN 1852): Uten tilsetting av store mengder mineralsk pulver. Teppfa-rapporten fra 2014 http://www.teppfa.eu/industry-studies/ stiller to viktige tilleggskrav til dokumentasjon av kvalitet. Når disse kravene er oppfylt, er 100 års levetid dokumentert.
Trykkløse ledninger av plast - dimensjonering og levetid Vi har bestemt at levetiden for nye VA-ledninger skal være minst 100 år. Hvor godt er 100 år levetid dokumentert? (forutsatt at ledningene er lagt etter dagens regler) PP og PE Rør med konstruert rørvegg (NS-EN 13476): Teppfa-rapporten fra 2014 http://www.teppfa.eu/industry-studies/ stiller to viktige tilleggskrav til dokumentasjon av kvalitet. Når disse kravene er oppfylt, er 100 års levetid dokumentert. Vil dette medføre at kravene til veggtykkelse øker for de minste rørdiametrene? PVC-U Rør med konstruert rørvegg (NS-EN 13476): Her mangler vi rapporter fra undersøkelser som Teppfa-rapporten fra 2014. Hva er faren for sakte sprekkvekst. Rør etter EN 13 476 får i Østerrike ikke nasjonal godkjenning («GRIS-godkjenning»). Finnes det rørfabrikanter som produserer rør etter minstekravene i NS-EN 13476?.