Baquelite Liz, S.A.
Tubo Listileno PE80 e PE100
Manual Técnico
64-03, 68-03 – 27 de Novembro de 2013
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
Especificação Geral
Os tubos de polietileno Listileno PE80 e Listileno PE100, produzidos pela Baquelite Liz, destinamse à condução de água para consumo humano a temperaturas não superiores a 30ºC. As suas características e o seu controlo de qualidade são efectuados conforme a norma EN 12201-2.
São fabricados a partir de compostos de polietileno desenvolvidos especificamente para esta aplicação, contendo todos os aditivos necessários para garantir o seu bom funcionamento e durabilidade, e ensaiados conforme a norma EN 12201-1.
As pressões de trabalho nominais são definidas para uma temperatura de funcionamento de 20ºC. Se se intenciona utilizar a tubagem a uma temperatura superior, dev-se multiplicar a pressão nominal pelo factor de correcção apresentado na seguinte tabela:
Pode-se calcular o coeficinete para temperaturas intermédias por interpolação.
Não se recomenda a utilização de tubos de polietileno a temperaturas superiores. A duração da tubagem a essas temperaturas é sempre muito reduzida, mesmo quando se utilizam pressões muito baixas. Por exemplo, para uma utilização a 80ºC, a duração estimada do tubo seria de 1 ano, se fosse utilizado um coeficiente de 0,46.
Características da matéria prima
A matéria-prima utilizada para a produção dos tubos de polietileno consiste numa resina de polietileno à qual se acrescentou únicamente as substancias necessárias para assegurar a sua processabilidade e propriedades finais. A mais visível destas substâncias é o negro de fumo, que dá a cor preta ao composto, assim como a sua resistência aos raios UV.
O composto é ensaiado pelo seu produtor conforme o especificado na norma EN 12201-1, o que inclui a resistencia aos raios UV, às fissurações provocadas por impacto e por risco, e à pressão.
Os ensaios de pressão são feitos a várias temperaturas e pressões, obtendo-se pares de valores tensão circunferencial/tempo até ao rebentamento do tubo. A tensão circunferencial é uma propriedade do material que relaciona a pressão com o diâmetro e a espessura pela fórmula
P = 2σ e D e
em que σ é a tensão circunferencial, P la pressão correspondente, e a espessura do tubo y D o seu diâmetro externo. Se os pares de valores obtidos forem representados num gráfico com escalas logarítimicas, obtem-se um recta para cada temperatura. Extrapolando a recta correspondente a 20ºC para o tempo correspondente a 50 anos, obtemos o valor correspondente à tensão circunferencial. Depois de se efectuarem alguns ajustes devidos a tratar-se de uma extrapolação, obtem-se a resistência mínima necessária (MRS, a partir da expressão inglesa). Produzimos tubos com dois níveis de MRS, 8,0 e 10,0 MPa, conhecidos como PE80 e PE100. Dado a longa duração e complexidade destes ensaios, tem-se o máximo cuidado com o processamento do material e não se acrescenta nenhuma substância ao composto antes do seu processamento, de forma a garantir que o valor está correcto. Estes cálculos são apresentados com mais pormenor no Anexo I.
Outra característica importante do composto é o seu efeito na qualidade da água. Devido a este parâmetro estar regulamentado ao nível nacional, realizamos ensaios sobre tubos, produzidos com cada um dos compostos que utilizamos, num laboratório externo de forma a garantir a sua conformidade com a legislação.
Processo de produção
O processo de produção do tubo de polietileno inicia-se com a recepção do composto, onde asseguramos que o produto recebido está conforme com as especificações definidas. O composto fica armazenado de forma a minimizar a possibilidade de degradação.
O composto é alimentado a uma extrusora, onde é transportado por um parafuso dentro de um cilindro, sendo comprimido e aquecido de forma a obter uma fusão homogénea sem degradação do material. No final desse cilindro existe uma ferramenta que da a forma de tubo ao material.
O material sai num estado pastoso dessa ferramenta, entrando de imediato num cilindro metálico colocado numa câmara de vácuo, de modo que o material se ajuste pelo vácuo ao diâmetro do cilindro. Ao mesmo tempo, é arrefecido por chuveiros de água de forma a solidificar e manter a forma pretendida. O tubo passa de seguida por mais chuveiros de arrefecimento até chegar a um sistema de lagartas que desloca todo o tubo.
Depois do sistema de arrastamento, faz-se o acabamento, que pode consistir no corte dos comprimentos pretendidos ou no enrolamento de bobinas. Em ambas as situações, o tubo é medido por tacómetros, que comandam uma impressora que faz a marcação métrica e o corte, assegurando que as peças têm o comprimento especificado.
Características
geométricas dos tubos
Os tubos Listileno PE80 e PE100 têm os seus diâmetros e espessuras e respectivas tolerâncias definidas pela norma EN 12201-2, com os valores que apresentamos nas tabelas seguintes.
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico Tubo
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
Características físicas dos tubos
Os tubos Listileno têm a cor preta, devido à adição de negro de fumo, com quatro ou seis riscas longitudinais azuis. Quando examinados sem ampliação, as superfícies dos tubos são lisas, limpas e sem estrias ou outras deformações que possam alterar o comportamento do tubo. Outras características físicas exigidas pelas normas EN 12201, e que são verificadas periódicamente pelo fabricante do composto e pela Baquelite são as seguintes:
Característica Valor Norma de ensaio Tempo de inducção da oxidação (200ºC) > 20 min
Resistência à tracção da soldadura Rotura dúctil
EN 728
ISO 13953
Resistência à propagação lenta de fissuras Paragem da propagação ISO 13477, condição S4
Extensão na rotura > 350%
EN ISO 6259-1 e ISO 6259-3
Além destas características e da resistência à pressão, que são controladas no âmbito do sistema da qualidade, há outras propriedades intrínsecas do composto que apresentamos de forma indicativa:
Característica
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
Extensão
Reversão
Controlo de qualidade
O controlo de qualidade dos tubos Listileno PE80 e PE100 começa pela selecção dos fornecedores e dos graus de composto adquiridos. Verificamos que os fornecedores podem manter o nível de qualidade pretendido, tendo todos o seu sistema de gestão da qualidade certificado conforme a norma ISO 9001. Verificamos também que os ensaios das propriedades mais críticas dos compostos foram realizados em laboratórios independentes, e que os lotes que recebemos foram ensaiados nos seus laboratórios.
Os tubos produzidos são também controlados rigorosamente, verificando-se periodicamente as seguintes características:
● Diâmetro externo
● Espessura
● Ovalização
● Comprimento
● Aspecto superficial
● Marcação
● Índice de fluidez
● Extensão no ponto de rotura
● Resistencia à pressão interior (20ºC, 100h)
● Resistencia à pressão interior (80ºC, 165h)
● Resistencia à pressão interior (80ºC, 1000h)
● Tempo de indução da oxidação
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
Certificações
O tubo Listileno PE80 e PE100 está certificado pela SGS.
Condições de armazenamento e manipulação
Os tubos de polietileno são muito resistentes e duradouros. No entanto, deve-se alguns cuidados durante o seu armazenamento e manipulação:
• Evitar o contacto com susbtâncias químicas, tais como hidrocarbonetos, oxidantes e aromáticos;
• Evitar o contacto com superfícies quentes (>60ºC);
• Evitar o seu contacto com objectos ou superfícies com esquinas vivas (por exemplo os garfos normais de empilhadores, pregos no estrado de camiões), muito ásperos (por exemplo, pisos de gravilha) e outras situações que provoquem riscos no tubo;
• Não empilhar o tubo em alturas superiores a 1,5 metros durante o armazenamento, nem colocar pesos por cima dos tubos; os rolos podem ser armazenados de pé, mas nunca poderão ter muito peso concentrado numa área de apoio reduzida;
• Durante a sua manipulação, ter o cuidado de não contactar os tubos com objectos cortantes, nem os apoiar únicamente numa área pequena (por exemplo, agarrá-los com correntes ou ganchos).
Instruções de instalação em vala
O modo como os tubos são instalados em vala é muito importante para o seu comportamento e durabilidade, em especial em relação à resistência ao esmagamento. Recomendamos o seguinte procedimento para a colocação de tubagem Listileno em vala:
1. A vala deve ter uma largura tal que fique um espaço de 15 cm entre o tubo e cada uma das paredes;
2. Coloca-se um material granular na base da vala (pode ser a terra da excavação, sem rochas grandes e/ou afiadas) até uma altura de 10 cm, e compacta-se;
3. Instala-se o tubo e coloca-se mais material igual ao anterior até uma altura máxima de 30 cm, compactando-se com cuidado;
4. Repete-se o processo até que o tubo tenha pelo menos 15 cm do material por cima;
5. Acaba-se se encher a vala e volta-se a compactar.
Estas instruções não substituem as exigências legais de trabalho em vala, nem os regulamentos técnicos relativos à utilização de solos.
Instruções de instalação em edifícios e estruturas
Apesar de não ser previsível que estes tubos apresentem variações de comprimento da ordem dos sistemas de água quente, é importante que a sua instalação permita estes movimentos. Assim, deverse-ão seguir as mesmas regras que para instalações com outros tipos de materiais, que se podem resumir nos seguintes pontos:
• Entre os pontos de ancoragem (locais onde os tubos estão ligados rigidamente à estrutura), deve haver uma geometria que permita o ajuste do comprimento sem forçar estes pontos, tais como uma curva, uma curvatura, ou um ponto de expansão.
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
• Os restantes suportes à estrutura devem permitir que os tubos se movimentem longitudinalmente.
• Tem que se definir espaço livre à volta do tubo para que o mesmo possa alcançar o máximo de dilatação calculada.
• Deve-se ter o cuidado de não haver arestas cortantes com que o tubo possa entrar em contacto.
• Os acessórios de controlo, tais como as válvulas, deverão estar firmemente ancorados de forma que a sua operação não pressione o resto do sistema de tubagem.
Para efeitos de cálculo, pode-se considerar que o coeficiente de dilatação dos tubos Listileno é de 0,15 mm/m K. Para mais informações, recomendamos a consulta da norma CEN/TR 12108.
Processos de união
Soldadura topo-a-topo
A boa execução deste tipo de soldaduras depende de não haver variações súbitas das condições ambientais, pelo que o local de soldadura deverá estar protegido da chuva e das correntes de ar (incluindo as que possam vir pelo interior dos tubos). O procedimento também não permite interrrupções, pelo que se recomenda que a operação comece por verificar o bom funcionamento e limpeza de todo o equipamento. Deve-se em especial verificar que os espelhos de soldadura estejam perfeitamente limpos e desengordurados.
Muitos dos parâmetros são dados pelo fabricante do equipamento de soldadura, seguindo a sequencia ilustrada pelo gráfico que apresentamos de seguida.
t1- tempo de formação dos lábios; t2- tempo de aquecimento; t3- tempo de retirada do espelho; t4tempo de aumento de pressão de soldadura; t5- tempo de arrefecimento
Começa-se por limpar as pontas dos tubos que vão ser soldadas, e prendê-las no equipamento que assegura o seu alinhamento e fixação. De seguida aplica-se o equipamento de rectificação das superfícies e pressionam-se as mesmas até que o equipamento corte em todo o perímetro dos tubos, assegurando desse modo o seu paralelismo.
Afastam-se de seguida os tubos e retira-se o equipamento de rectificação, retirando todas as
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
rebarbas. Confirma-se que se conseguem apertar as pontas uma contra a outra. Coloca-se o espelho de aquecimento a uma temperatura entre 210ºC e 225ºC entre as duas pontas apertando-se o conjunto com a pressão P1 até que se forme um lábio à volta de todo o perímetro dos tubos. De seguida baixa-se a pressão para P2 e mentem-se durante o tempo especificado t2.
Passado esse tempo, afastam-se os tubos, retira-se o espelho se soldadura e voltam-se a apertar os tubos, devendo-se realizar todas estas operações num tempo inferior a t3. Se demorar mais que este tempo, deve-se considerar a soldadura como inválida, cortar as pontas dos tubos e recomeçar de novo. Ao voltar a por em contacto as pontas de tubo, aumenta-se gradualmente a pressão de modo a se atingir a pressão de arrefecimento, P5, no tempo especificado, t4. Deixa-se então a união sob esta pressão durante o tempo especificado t5.
Acessórios electrosoldáveis
Tal como a soldadura topo-a-topo, a qualidade desta soldadura depende das condições ambientais, pelo que se recomendam os mesmos cuidados.
As instruções e parâmetros de realização destas uniões são fornecidas pelo fabricante dos acessórios, mas seguem estes procedimentos básicos:
• Confirma-se que o corte dos tubos está perpendicular ao seu eixo, e raspam-se as superfícies dos tubos que vão entrar nos acessórios;
• Limpam-se e desengorduram-se as superfícies que vão derreter;
• Colocam-se os tubos dentro dos acessórios, verificando que estão inseridos até ao fundo e que o conjunto está fixo;
• Ligar o acessório à máquina de soldar e introduzir nesta os parâmetros definidos para o acessório;
• Quando a máquina de soldar assinale o fim da soldadura, verificar nos furos testemunha que o material está fundido;
• Pode-se desligar a máquina de soldar, mas não se pode permitir movimentos do conjunto soldado até passar o tempo de arrefecimento especificado pelo fabricante do acessório; mesmo passado este tempo, deve-se deixar que a temperatura de soldadura arrefeça completamente para colocar o tubo em pressão.
Uniões mecânicas
Existem vários sistemas de uniões mecânicas, em plástico e em metal, que podem ser utilizadas para a união de tubos em polietileno, entre os quais o comercializado pela Baquelite Liz. Devem fixar os tubos, em especial em relação à movimentação longitudinal, sem alterar significativamente as dimensões do tubo, e que deixem alguma distância entre a ponta do tubo e a linha de vedação, de forma a evitar a possibilidade de mau funcionamento a longo prazo devido à relaxação das tensões do material perto da zona de corte. Recomendamos que essa distância seja pelo menos de 10mm para os diâmetros inferiores a 40mm, e 25% do diâmetro nominal para os restantes diâmetros.
Cálculo das perdas de carga
O factor mais importante para o dimensionamento de um sistema de transporte de água é a diferença de altura entre o ponto mais alto e mais baixo do sistema. Ao dividir esse valor, expresso em metros, por 10, obtem-se um valor muito próximo da pressão, em bar, que o tubo irá suportar em carga.
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
Se o sistema não tem bombagem, sendo a circulação feita por gravidade, a pressão máxima corresponde à situação em que não há circulação de água, que é o valor calculado anteriormente.
Se o sistema tem bombagem e a possibilidade de cortar a circulação, por exemplo com uma válvula, mantendo a bomba em funcionamento, a tubagem tem que estar dimensionada para a pressão máxima da bomba, acrescida da pressão correspondente entre a altura da bomba e o ponto mais baixo do sistema.
Para o cálculo das perdas de pressão geradas pela circulação de água, pode-se utilizar a seguinte fórmula, baseada na fórmula de Manning-Strickler com o valor do coeficiente n de 0,008:
J =6,588 x10
em que J é a perda de pressão, em mH2O/m, Q é o caudal em m3/s, e Di é o diâmetro interior do tubo. No caso de se querer dimensionar o sistema através da equação de Bernoulli, deve-se obter o coeficiente de fricção para a tubagem, que é função da rugosidade da parede interior. Para estes cálculos, pode-se utilizar um valor de rugosidade absoluta de 0,01mm.
As peças que existam no sistema (acessórios e válvulas) podem ser tidos em conta como sendo um comprimento de tubo dado por um múltiplo do diâmetro interior. Os múltiplos são os seguintes:
aberta 7
Válvula de guilhotina a ¾ 40
Válvula de guilhotina a ½ 200
Válvula de guilhotina a ¼ 800
Deve-se também ter em conta a possibilidade de se originarem golpes de aríete devido ao fecho de válvulas. A intensidade dos mesmo depende do comprimento da tubagem, a velocidade da água e a velocidade de fecho. Recomenda-se que o fecho de válvulas seja sempre lento, de forma a evitar que o pico de pressão seja elevado.
Ensaios da instalação
Os ensaios de instalação têm que ter em conta o comportamento visco-elástico do polietileno, pelo que não é igual ao de instalações com materiais mais rígidos. Consiste numa fase preliminar, que inclui um ensaio de relaxação; um ensaio de queda de pressão e um ensaio principal. A pressão de ensaio é a pressão máxima de serviço, acrescentada de 1 bar, se já inclui os picos transientes de pressão, ou a pressão máxima de serviço acrescida de 50% ou de 5 bar, conforme o que seja mais
64-03, 68-03 – 27 de Novembro de 2013
p.11/15
pequeno.
É aconselhável que o tubo esteja fixo de forma que não haja movimentos devido à pressão. No caso do tubo estar instalado em vala, pode-se colocar algum do material de enchimento para a sua fixação, tendo o cuidado de manter as uniões visíveis.
O ensaio preliminar começa, como é natural, pelo enchimento do sistema, tendo o cuidado de eliminar todo o ar. Se possível, deve-se fazer o enchimento pelo ponto mais baixo, ou com um caudal de enchimento que permita a saída do ar, e abrir as purgas de ar que existam. Deve-se também ter o cuidado de confirmar, antes de iniciar o enchimento, que as válvulas intermédias que possam existir estão abertas.
Depois do enchimento, descomprimir o sistema para a pressão atmosférica, tendo o cuidado de não entrar ar. Esperar 60 minutos para o sistema estabilizar. Passado este tempo, subir rápidamente a pressão (em menos de 10 minutos) para a pressão de ensaio e mantê-la durante 30 minutos, bombeando água quando necessário, e confirmando se há alguma fuga visível. Parar depois a bombagem, fechando o sistema e mentendo-o sob pressão durante 1 hora. Medir a pressão no final deste período. Se desceu mais de 30% da pressão de ensaio, interrompe-se o ensaio e corrigem-se os problemas detectados (fugas, variações de temperatura e ar dentro do sistema). Só se pode retomar o ensaio depois de efectuar um novo período de relaxação à pressão atmosférica de 60 minutos.
Se não houve necessidade de interromper o ensaio para correcções, não se retira a pressão e passase ao ensaio de queda de pressão. Esvazia-se rápidamente o sistema até que a pressão baixe a um valor entre os 10 e os 15% da pressão de ensaio, medindo o volume de água que sai do sistema. Este volume não pode ultrapassar o valor dado pela fórmula
ΔV max =1,2⋅
em que ΔVmax é o volume máximo que pode sair do sistema em litros, V é o volume do sistema em litros, Δp a variação de pressão que mediu em bar, Ew o módulo de elasticidade da água (2,1x104bar a 20ºC) e Er o módulo de elasticidade do polietileno (9x103bar a 20ºC), D el diâmetro interno do tubo e e a espessura, em milímetros. Se o volume que saiu é superior a ΔV max tem que se purgar o sistema de ar e recomeçar o ensaio, passados os 60 minutos de relaxação.
Após a boa conclusão destes ensaios passa-se ao ensaio principal, que consiste em medir a pressão interna durante 30 minutos, registando periódicamente os valores. Durante este tempo, a pressão do sistema deverá aumentar. Para que o ensaio seja bem sucedido, não deve haver enhuma descida de pressão durante o período, uma vez que seria sinal de haver uma fuga. Em caso de dúvida, pode-se aumentar o ensaio até aos 90 minutos. No final deste tempo, a descida de pressão não pode ser menor que 0,25 bar da pressão máxima registada no ensaio.
Anexo I – Definição das características de pressão
O dimensionamento das tubagens de polietileno é calculado com o objectivo de se obter uma duração de 50 anos de funcionamento à pressão nominal e a uma temperatura de 20ºC. Como não é práctico realizar um ensaio que confirme a durabilidade do tubo nestas condições, fazem-se vários ensaios a pressões e temperaturas variadas de forma a se poder extrapolar o comportamento do tubo utilizando o modelo de Miner. Neste modelo, já verificado com outros materiais, os pares de valores tensão circunferencial de ensaio/tempo até ao rebentamento do tubo, obtidos a uma temperatura específica, descrevem uma recta quando representados num gráfico logarítmico. Neste ensaios, a rotura do tubo é dúctil, observando-se uma dilatação antes da rotura. Abaixo de uma certa tensão circunferencial, as rotura começam a ser frágeis, e os pares tensão/tempo passam a seguir outra recta. Como exemplo, apresentamos o gráfico obtido para um material, assinalando os pontos no gráfico correspondentes aos ensaios periódicos de pressão realizados.
Como o valor é obtido a partir de uma extrapolação, é muito importante ter em conta os erros de cálculo, o que se faz por meios estatísticos. O valor utilizado para classificar o polietileno é o mais baixo do intervalo de confiança de 97,5% para o valor a 20ºC e a 50 anos: se é superior a 10MPa, o material é um PE100; se estiver entre 8 e 10MPa, será um PE80.
O valor utilizado para o cálculo do tubo deve contar com um factor de segurança, que depende da aplicação do tubo. No caso da distribuição de água, esse factor é de 1,25. A tensão circunferencial utilizada para o dimensionamento dos tubos de água é então dada pela expressão
= MRS 1,25
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
Anexo II – Diâmetros interiores
Os diâmetros interiores dos tubos não são controlados directamente, sendo únicamente especificados o diâmetro externo e a espessura. Se utilizarmos as tolerâncias indicadas na norma, e controladas na produção, para os diâmetros externos e para as espessuras, podemos calcular a gama de diâmetros interiores possíveis. Indicamos esses valores nas tabelas seguintes:
Tubo de polietileno PE80 e PE100 – Manual Técnico
Anexo III – Bibliografia
Alferink, F.J.M. - The design of Buried Thermoplastic Pipes – TEPPFA, Marzo 1999
Coulson, J.M. y Richardson, J.F. - Tecnologia Química Vol.1 – 3ª Edición – Fundação Calouste
Gulbenkian 1980
Varios – Tuberías de Polietileno - Asetub
EN805:2000 – Water Supply. Requirements for systems and components outside buildings.
NP EN 12201-1:2004 – Sistemas de tubagens em plástico para abastecimento de água. Polietileno (PE). Parte 1: Aspectos gerais
NP EN 12201-2:2004 – Sistemas de tubagens em plástico para abastecimento de água. Polietileno (PE). Parte 2: Tubos
NP EN 12201-5:2004 – Sistemas de tubagens em plástico para abastecimento de água. Polietileno (PE). Parte 5: Aptidão ao uso do sistema
CEN/TR 12108:2012 - Plastics piping systems - Guidance for the installation inside buildings of pressure piping systems for hot and cold water intended for human consumption.