Hướng dẫn lựa chọn ống PP cho mục đích cấp nước nóng & lạnh trong tòa nhà.

Hướng dẫn lựa chọn ống PP cho mục đích cấp nước nóng & lạnh tịa nhà Lê Cao Chiến - Trung tâm TB,MT&ATLĐ – Viện VLXD Giới thiệu chung Ống nhựa PP (polypropylene) PE (polyethylene) hai loại ống polyolefin sử dụng phổ biến Việt Nam để dẫn nước nóng nước lạnh tòa nhà Trong tương lai, việc sử dụng hai loại vật liệu tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ chủ yếu tính chất vật liệu tuyệt vời chứng minh với thời gian chấp nhận ngày tăng nhà cung cấp vật tư, kiến trúc sư, quan chức chủ đầu tư Hệ thống tiêu chuẩn quốc gia TCVN có tương đối đầy đủ tiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật phương pháp thử nghiệm liên quan để đánh giá chất lượng ống phụ tùng Bài viết trình bày hướng dẫn sơ lược để lựa chọn thông số kỹ thuật ống nhằm đáp ứng yêu cầu thiết kế mục đích sử dụng để dẫn nước nóng & lạnh đặc biệt việc lựa chọn ống liên quan tới dẫn nước nóng tịa nhà Hình 1: Nhiệt độ ứng dụng loại vật liệu polyolefin khác Phân loại Các vật liệu polyethylene (PE) polypropylene (PP) polyolefin tạo trình trùng hợp đồng trùng hợp khí etylen propylene với có mặt chất xúc tác nhiệt độ áp suất vừa phải Các loại ống phụ tùng polyolefin ứng dụng để dẫn nước nóng tịa nhà thường sử dụng loại sau: 2.1 Ống PE - PE thông thường: Phù hợp sử dụng cho ứng dụng dẫn khí nước lạnh (nhiệt độ ổn định nhiệt cho loại vật liệu tới 50oC) – Tiêu chuẩn áp dụng tiêu chuẩn TCVN 7305 (ISO 4427) - PE-RT (Polyethylene of raised temperature resistance): Là loại vật liệu PE với khả cải thiện đáng kể độ bền dài hạn nhiệt độ cao để sử dụng cho hệ thống đường ống cấp nước nóng, lạnh ứng dụng cơng nghiệp Vật liệu có cấu trúc phân tử đồng vi cấu trúc tinh thể, cải thiện độ bền thủy tĩnh dài hạn nhiệt độ cao mà không cần tạo liên kết ngang cho vật liệu Tiêu chuẩn áp dụng tiêu chuẩn ISO 22391 - PE khâu mạch (PE-X cross linked polyethylene): PE-X tạo từ vật liệu PE thông thường cách thay đổi cấu trúc phân tử tạo liên kết ngang q trình hóa học vật lý nhằm tăng đáng kể khả chịu nhiệt độ cao dài hạn, kháng hóa chất kháng vết nứt chậm phù hợp với ứng dụng dẫn nước nóng Tiêu chuẩn áp dụng tiêu chuẩn ISO 15875 2.2 Ống PP Hình 2: Cấu trúc loại Polypropylen khác - PP-H (homopolymer polypropylen): loại vật liệu sản xuất cách trùng hợp propylene PP-H có tính kháng hóa chất cao thường ứng dụng ngành cơng nghiệp chịu hóa chất Vật liệu có độ cứng cao, độ bền học độ bền va đập nhiệt độ thấp kém; - PP-B (polypropylene block copolymer): sản phẩm tạo từ q trình đồng trùng hợp propyle với ethylene (có tỷ lệ ethylene (2-7%)) PP-B thường sử dụng cho ứng dụng không chịu áp dẫn nước thải, ống dẫn cáp; - PP-R (polypropylene random copolymer): sản phẩm từ q trình đồng trùng hợp với ethylene (có tỷ lệ ethylene (2-7%) Còn PP-R loại vật liệu cải tiến độ ổn định nhiệt thời gian dài, kháng vết nứt chậm đặc tính hàn nhiệt nên sử dụng phổ biến để dẫn nước nóng lạnh tòa nhà đường ống gia nhiệt - PP-RCT (PolypropyleneRandom Crystalline Temperature): Là loại vật liệu PP-R có cấu trúc tinh thể đặc biệt nhằm cải thiện khả chịu áp nhiệt độ cao cho vật liệu PP Vật liệu PP-RCT cho phép nhà thiết kế lựa chọn đường ống mỏng số trường hợp sử dụng đường kính nhỏ Điều dẫn tới công suất thủy lực cao khả chịu áp lực cao so với ống PP-R tiêu chuẩn Tiêu chuẩn Ống dẫn nước nóng nhà Việt Nam chủ yếu sử dụng ống phụ tùng PP Tiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật ống PP qui định tiêu chuẩn TCVN 10097 (ISO 15874), Hệ thống ống chất dẻo dùng để dẫn nước nóng nước lạnh – Polypropylen (PP) bao gồm phần sau: - TCVN 10097-1:2013 (ISO 15874-1:2013), Phần 1: Qui định chung - TCVN 10097-2:2013 (ISO 15874-2:2013), Phần 2: Ống - TCVN 10097-3:2013 (ISO 15874-3:2013), Phần 3: Phụ tùng - TCVN 10097-5:2013 (ISO 15874-5:2013), Phần 5: Sự phù hợp với mục đích hệ thống hợp TCVN 10097-7:2013 (ISO 15874-7:2013), Phần 7: Hướng dẫn đánh giá phù Một số hướng dẫn lựa chọn loại ống phù hợp với mục đích sử dụng Để lựa chọn thơng số ống phụ tùng dẫn nước nóng phù hợp với mục đích sử dụng yêu cầu thiết kế, cần phải biết thông tin như: Lĩnh vực sử dụng, nhiệt độ thiết kế, áp suất thiết kế, kích thước ống theo yêu cầu qui định tiêu chuẩn Đối với ống phụ tùng sử dụng để dẫn nước lạnh thiết kế vận hành nhiệt độ 20oC với tuổi thọ thiết kế đảm bảo trì hoạt động 50 năm Cịn với mục đích dẫn nước nóng phân loại theo nhóm điều kiện vận hành, nhóm liên quan tới lĩnh vực áp dụng tuổi thọ thiết kế 50 năm, đưa cụ thể Bảng Bảng 1: Phân loại điều kiện vận hành Loại ứng dụng TD Tmax Tmal (nhiệt độ thiết kế) (nhiệt độ thiết kế tối đa) (nhiệt độ cố) o C năm 60 o Lĩnh vực ứng dụng đặc trưng o C Giờ 95 100 Cấp nước nóng (60oC) 80 95 100 Cấp nước nóng (70oC) 50 4,5 65 100 Gia nhiệt sàn nhiệt độ thấp 70 2,5 100 100 Gia nhiệt sàn với nguồn tản nhiệt nhiệt độ thấp 90 100 100 Nguồn tản nhiệt nhiệt độ cao C năm 49 80 70 49 20 0,5 30 20 40 25 20 0,5 40 20 60 25 20 14 60 25 80 10 a) Ứng dụng cấp nước nóng b) Ứng dụng gia nhiệt sàn Hình 3: Lĩnh vực áp dụng ống PP Lĩnh vực ứng dụng qui định tiêu chuẩn đưa hướng dẫn không bắt buộc phải thực Ứng dụng cụ thể phải thỏa thuận bên liên quan để lựa chọn phân loại ứng dụng phù hợp Tại Việt Nam ống PP chủ yếu sử dụng để dẫn nước nóng tịa nhà, chưa có qui định nhiệt độ thiết kế cho hệ thống đường ống dẫn nước nóng Tuy nhiên tiêu chuẩn quốc gia liên quan tới bình nước nóng nhà qui định nhiệt độ bình đóng trở lại 70oC ± 1oC (TCVN 7898:2009) Do đó, thiết kế nên lựa chọn loại ứng dụng – cấp nước nóng 70oC Từ thông số thiết kế loại ống áp suất làm việc, ta lựa chọn loại ống phù hợp với lĩnh vực theo điều TCVN 10097-2:2013 (Đối với ống PP-R quy định Bảng tiêu chuẩn này) Bảng 2: Thông số lựa chọn ống PP-R theo TCVN 10097 Ví dụ: Để lựa chọn ống chịu nhiệt PP-R dùng hệ thống dẫn nước nóng nhà với nhiệt độ thiết kế 70oC, áp suất thiết kế hệ thống cấp nước pD bar Khi theo qui định tiêu chuẩn lĩnh vực áp dụng ống ứng dụng Ống phải đảm bảo bền trì hoạt động liên tục áp suất thiết kế bar thời gian 49 năm nhiệt độ 70oC, năm nhiệt độ tối đa 80oC 100h nhiệt độ xẩy cố 95oC Với hai thông số thiết kế loại ứng dụng áp suất thiết kế bar ta có giá trị ống tính tốn tối đa tra từ Bảng – Điều theo TCVN 10097-2:2013 Scal, max = 2,6 Điều có nghĩa để phù hợp với mục đích dẫn nước nóng 70oC, áp suất bar, phải lựa chọn ống PP-R phù hợp có giá trị S Scal khơng lớn giá trị thiết kế Scal, max = 2,6 Giá trị S định danh ống theo catalog công bố nhà sản xuất Ví dụ từ giá trị S cơng bố nhà sản xuất Bảng 3, lựa chọn ống PP-R phù hợp phải có giá trị S khơng lớn giá trị thiết kế Scal, max = 2,6 Do phải lựa chọn loại ống có thơng số danh nghĩa S2.5/SDR6 – PN20 phù hợp với ứng dụng tính tốn Bảng 3: Giá trị S công bố nhà sản xuất (Nguồn: http://www.binhminhplastic.com.vn/san-pham-chi-tiet/ong-pp-r/ong-pp-r-508.html) Khi thơng số S danh nghĩa ống tính tốn Scal hoăc sử dụng giá trị Scal,max để xác định chiều dày thành tối thiểu ống theo cơng thức sau: Trong đó: S giá trị dãy ống để ký hiệu ống; dn đường kính danh nghĩa ống; en chiều dày thành danh nghĩa ống tương đương với chiều dày thành tối thiểu ống Ví dụ đường ống thiết kế ống có đường kính danh nghĩa DN25 (dn=25mm) từ Scal,max=2,6 ta tính chiều dày thành nhỏ ống emin=4,03 mm Do đó, lựa chọn loại ống DN25 phù hợp dẫn nước nóng 70oC, áp suất bar loại ống có chiều dày thành phải lớn en>4,03 mm (Bảng cho thấy ống DN25x4,2; S2.5/SDR PN20 (với en = 4,2mm) phù hợp) Các nhà sản xuất ống PP-R Việt Nam công bố định danh ống thường không công bố thông số S (dãy ống) theo qui định TCVN 10097 (ISO 15874) mà hay sử dụng thông số SDR PN tương tự việc định danh ống PE PVC Việc không định danh thông số S gây bất tiện cho người sử dụng lựa chọn loại ống PP-R để phù hợp theo tiêu chuẩn ISO TCVN hai hệ thống tiêu chuẩn không sử dụng việc định danh ống PP-R theo hai thông số Do dó lựa chọn người sử dụng phải tính giá trị chiều dày thành nhỏ en từ Scal,max ví dụ tính tốn thơng số S theo thông số SDR công bố công thức sau: Từ cơng thức tính tốn dãy thơng số S tương ứng với thơng số SDR sau: Bảng 5: Bảng thông số S SDR tương ứng S 6,3 3,2 2,5 SDR 17 13,6 11 7,4 Do tính tốn lựa chọn ống cấp nước nóng cần phải quan tâm đến giá trị SDR ống để lựa chọn giá trị S phù hợp có mặt thị trường Đối với việc tính toán thiết kế cho ống dẫn nước lạnh vật liệu PP-R, nhà sản xuất Việt Nam thường hay khuyến cáo sản phẩm ống PN10, PN16 sử dụng cho dẫn nước lạnh (ký hiệu xanh thân ống), ống PN20 PN25 sử dụng cho dẫn nước nóng (ký hiệu đỏ thân ống), xem Bảng Bảng 6: Các giá trị danh nghĩa ống PP-R nhà sản xuất (Nguồn: http://nhuatienphong.vn/p-nhuatienphong/d-9081/56129/ong-ppr) Tuy nhiên theo qui định TCVN 10097 (ISO 15874) cho ống PP thơng số PN khơng áp dụng để định danh cho loại ống PP-R Qui định TCVN 10097 (ISO 15874) ống PP dẫn nước lạnh phải có giá trị S nhỏ Scal,max tính cơng thức: Trong đó: ứng suất thiết kế 20oC tương ứng với thời gian sử dụng 50 năm; pD áp suất thiết kế 10 bar, tính MPa (tương ứng với 1MPa); Bảng 7: Giá trị ứng suất thiết kế vật liệu PP Đối với vật liệu PP-B 20oC 50 năm nhỏ , Scal, max = 6,22; Do lựa chọn thông số S ống PP để dẫn nước lạnh phải nhỏ Scal, max = 6,22 đảm bảo yêu cầu tiêu chuẩn Thông số PN hệ thống tiêu chuẩn định nghĩa áp suất danh nghĩa ống, ký hiệu số tương ứng với áp suất vận hành cho phép tính bar 50 năm nhiệt độ 20oC xác định sở độ bền yêu cầu tối thiểu MRS vật liệu chế tạo ống, hệ số thiết kế (hay hệ số an tồn) tỷ số kích thước chuẩn SDR theo công thức sau: Độ bền yêu cầu tối thiểu vật liệu PP-R MRS=8 MPa, hệ số an tồn C=1,5, từ tính thông số danh nghĩa tương ứng Bảng Bảng 8: Bảng so sánh thông số danh nghĩa PP-R Dãy ống Tỷ lệ kích thước chuẩn Áp suất danh nghĩa (S) (SDR) (PN) 20 41 2,5 16 33 3,2 12,5 26 8,3 17,6 11 10 3,2 7,4 16 2,5 20 25 Do lựa chọn ống PP-R với mục đích dẫn nước lạnh 20oC với áp suất thiết kế 10 bar cần sử dụng loại ống SDR11/ S5/ PN 10 đảm bảo yêu cầu Tuy nhiên nhiệt độ trung bình năm Việt Nam miền Bắc (dưới 24oC) miền Nam (24-28oC), nên tính tốn thiết kế phải tính đến ảnh hưởng điều kiện nhiệt độ Có thể vào đường cong tham chiếu độ bền mong muốn ống PP-R theo nhiệt độ tiêu chuẩn để lựa chọn cấp áp suất phù hợp với điều kiện thực tế Hình 4: Đường cong tham chiếu độ bền mong muốn PP-R Ví dụ hệ số suy giảm áp suất cho ống PP-R theo nhiệt độ 30oC xấp xỉ 0,83 qui định 20oC hệ số Từ tính tốn lựa chọn ống PP-R dẫn nước lạnh điều kiện nhiệt độ 30oC với áp suất thiết kế 10bar cần phải sử dụng loại ống có cấp chịu áp tối thiểu PN 12 đảm bảo yêu cầu tuổi thọ thiết kế Đánh giá thử nghiệm Để chứng minh ống sản xuất đáp ứng yêu cầu quy định khả chịu áp, nhà sản xuất ống phải tiến hành đánh giá thử nghiệm điển hình (type testing) tiêu độ bền áp suất bên tiến hành thử nghiệm lần đầu hệ thống mới, có thay đổi polymer thay đổi phụ gia hay mở rộng sản phẩm Ví dụ ống PP-R yêu cầu độ bền áp suất bên qui định phần tiêu chuẩn TCVN 10097-2:2013 Tiêu chuẩn qui định thử nghiệm bốn điều kiện 20oC 1h; 95oC 22 giờ; 95oC 165h 95oC 1000h qui định – Điều – Bảng 10 - TCVN 10097-2:2013 (ISO 15874-2:2013): Bảng 9: Thơng số đặc tính học ống PP theo TCVN 10097 Ví dụ: Để đánh giá chất lượng ống PP-R - DN25x5,1mm - SDR5/S2 – PN25, Phòng thử nghiệm tiến hành thử nghiệm mẫu ống bốn điều kiện 20oC 1h; 95oC 22h; 95oC 165h 95oC 1000h Ứng suất vòng theo yêu cầu tiêu chuẩn đưa Bảng để phòng thử nghiệm tính tốn áp suất thử tương ứng với điều kiện thử Bảng 10: Thông số thử nghiệm độ bền áp suất thủy tĩnh Điều kiện thử Ứng suất vòng,  20oC 95oC 22 16,0 MPa 4,3 MPa Đường kính ngồi danh nghĩa, dn 25 mm Chiều dành thành danh nghĩa, en 5,1 mm Áp suất thử nghiệm, p 82,01 bar 22,04 bar 95oC 165 95oC 1000 3,8 MPa 3,5 MPa 19,48 bar 17,94 bar Sau điều hòa mẫu thử điều kiện thử (20oC 95oC) theo thời gian qui định TCVN 6149-1 (ISO 1167-1) Mẫu ống thử nghiệm chịu áp suất thủy tĩnh bên không đổi suốt khoảng thời gian qui định giờ, 22 giờ, 165 1000 mẫu bị phá hủy Trong suốt trình trì, mẫu thử giữ mơi trường nhiệt độ không đổi Ống thử nghiệm phải không bị phá hủy mẫu thử toàn trình thử nghiệm chứng minh đáp ứng khả chịu áp suất thủy tĩnh theo yêu cầu tiêu chuẩn ống cấp nước nóng 70oC, áp suất thiết kế 10 bar Và cấp chịu áp danh nghĩa PN25 cho mục đích cấp nước lạnh 20oC Hình 5: Mẫu thử nghiệm khả chịu áp ống phụ tùng PP-R Phịng thí nghiệm Trung tâm Thiết bị, Mơi trường & An tồn Lao động Viện Vật liệu xây dựng có khả thử nghiệm toàn tiêu học, vật lý hóa học tất loại vật liệu ống nhựa PVC, PP, PE với đường kính ống 1-2 m theo nhiều hệ thống tiêu chuẩn TCVN, ISO, EN, DIN, BS, AS, ASTM,… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 10097, Hệ thống ống chất dẻo dùng để dẫn nước nóng nước lạnh – Polypropylen (PP) [2] TCVN 8491, Hệ thống ống chất dẻo dùng cho hệ thống cấp nước,thoát nước cống rãnh đặt ngầm mặt đất điều kiện có ápsuất – Poly(vinyl clorua) khơng hố dẻo (PVC-U) [3] TCVN 7305, Hệ thống ống nhựa - Ống polyetylen (PE) phụ tùng để cấp nước [4] TCVN 6149, Ống, phụ tùng hệ thống phụ tùng nhựa nhiệt dẻo dùng để vận chuyển chất lỏng – Xác định độ bền với áp suất bên 10 [5] ISO 10508:2006, Plastics piping systems for hot and cold water installations — Guidance for classification and design [6] DIN 8077:2008-09, Polypropylene (PP) pipes - PP-H, PP-B, PP-R, PP-RCT Dimensions Chi tiết liên hệ: Trung tâm Thiết bị, Môi trường & An toàn lao động – Viện Vật liệu xây dựng Địa chỉ: Ngõ 235 đường Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Điện thoại: 043.558.5928; 0915.502.834; 0912.181.479; Fax: 043.858.1112; Website: http://vibm.vn; Email: thietbimoitruong@vibm.vn; tamnt.tbmt@gmail.com 11 ... ? ?ng theo c? ?ng thức sau: Trong đó: S giá trị dãy ? ?ng để ký hiệu ? ?ng; dn đư? ?ng kính danh nghĩa ? ?ng; en chiều dày thành danh nghĩa ? ?ng tư? ?ng đư? ?ng với chiều dày thành tối thiểu ? ?ng Ví dụ đư? ?ng ? ?ng. ..th? ?ng đư? ?ng ? ?ng cấp nước n? ?ng, lạnh ? ?ng d? ?ng c? ?ng nghiệp Vật liệu có cấu trúc phân tử đ? ?ng vi cấu trúc tinh thể, cải thiện độ bền thủy tĩnh dài hạn nhiệt độ cao mà kh? ?ng cần tạo liên kết ngang... sau: Từ c? ?ng thức tính tốn dãy th? ?ng số S tư? ?ng ? ?ng với th? ?ng số SDR sau: B? ?ng 5: B? ?ng th? ?ng số S SDR tư? ?ng ? ?ng S 6,3 3,2 2,5 SDR 17 13,6 11 7,4 Do tính tốn lựa chọn ? ?ng cấp nước n? ?ng cần phải