Planned changes in the PN-EN 489:2009 standard concerning the soil stress test of preinsulated heating network joints
Wstęp
Norma PN-EN 489:2009 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie – Zespół złącza stalowych rur przewodowych z izolacją cieplną z poliuretanu i płaszczem osłonowym z polietylenu [1] jest jedną z grupy norm Sieci ciepłownicze – System preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie, które określają właściwości oraz metody badań rur i elementów preizolowanych przeznaczonych do budowy wodnych sieci ciepłowniczych przesyłających nośnik ciepła o maksymalnej temperaturze roboczej do 140oC.
W normie PN-EN 489 m.in. określona jest metodyka badań złączy preizolowanych:
–– obciążenia od gruntu w skrzyni z piaskiem,
–– szczelności w zbiorniku z wodą oraz testy wybranych parametrów pianki PUR.
Projekt nowej edycji normy (prEN 489-1) przygotowywała w latach 2016 ÷ 2018 grupa robocza WGS/ TC 107 „Prefabricated district heating and district cooling pipe system”. Na przełomie lat 2017/ 2018 projekt przesłany został do narodowych komitetów normalizacyjnych w celu zgłaszania uwag do zaproponowanych zmian przez ekspertów krajów członkowskich działających w ramach grupy WG3. Ponieważ w grupie WG3 nie bierze czynnego udziału przedstawiciel PKN nie wszystkie uwagi wniesione przez stronę polską zostały zaakceptowane i wprowadzone do treści normy (omówione to zostanie w dalszej części artykułu).
Norma w wersji EN 489-1:2019 zostanie opublikowana w maju br., uzyska status normy europejskiej i automatycznie status normy polskiej PN-EN 489-1:2019.
Laboratorium Badawcze Veolia Energia Warszawa S.A. od wielu lat prowadzi badania złączy preizolowanych wg akredytowanej przez Polskie Centrum Akredytacji metodyki opartej na normie EN 489. Biorąc pod uwagę nasze doświadczenie, jak i dbałość o jakość materiałów preizolowanych stosowanych w Grupie Veolia, w tym w największym polskim przedsiębiorstwie ciepłowniczym – Veolia Energia Warszawa S.A. (dawniej SPEC), czujemy się zobowiązani do skomentowania zmian, jakie wprowadza obecna nowelizacja normy EN 489 i ich następstw dla producentów i użytkowników preizolowanych sieci ciepłowniczych.
Badania złączy preizolowanych wg normy EN 489:2009
Badania złączy preizolowanych polegają na ocenie odporności mechanicznej i szczelności.
Próbka ze złączem przesuwana jest ruchem posuwisto-zwrotnym w skrzyni z piaskiem (fot. 1) przy zachowaniu następujących parametrów:
–– temperatura robocza rury przewodowej 120oC (utrzymywana 24 godziny przed testem oraz przez czas trwania próby),
–– przykrycie warstwą zasypki piaskowej do wierzchu osłony rury o grubości 1 m (efektywne obciążenie od gruntu 18 kN/m2),
–– przemieszczenie (75 mm),
–– prędkość przemieszczenia do przodu (10 mm),
–– prędkości przemieszczenia do tyłu (50 mm),
–– liczba przesunięć do przodu i do tyłu bez przerwy (min. 100 cykli),
–– krzywa przesiewu piasku – charakterystyka frakcyjna piasku wg normy,
–– wilgotność piasku (max. 0,5%).
Następnie w zbiorniku z wodą (fot. 2) złącze poddawane jest zewnętrznemu działaniu cieczy o ciśnieniu (30 kPa) i temperaturze (23 ± 1)oC przez min 24 godziny, a po wyjęciu i wysuszeniu rozcinane.
Na fotografiach 4, 5, 6 pokazano złącza po testach w skrzyni z piaskiem.
Wynik badania jest oceniany po rozcięciu mufy (fot. 6 ÷ 10). Wynik próby jest pozytywny, jeśli stwierdza się brak przenikania wody do mufy.
Ocenę wizualną zawilgocenia pianki po rozcięciu próbek po próbie szczelności ułatwia rozpuszczona w wodzie fluoresceina, której wodny roztwór ma żółty kolor, natomiast w świetle UV wykazuje silną żółtozieloną fluorescencję. Pozwala to na dostrzeżenie nawet najmniejszego wycieku wody do mufy.
Przy badaniu typu, które pozwala na ocenę jakości konkretnego systemu złączy – wyroby są szczelne, izolacja spełnia wymagania określone w EN 489:2009 (od 2015 również w EN 253:2009+A2:2015- 12) [2] – wykonywane są badania:
–– obciążenia gruntem w skrzyni z piaskiem i szczelności w zbiorniku z wodą minimum trzech muf,
–– izolacji z dwóch złączy.
Badania izolacji obejmują testy: gęstości pozornej, wytrzymałości na ściskanie w kierunku promieniowym, chłonności wody po gotowaniu, wymiaru komórek, udziału komórek zamkniętych.
Zmiany w normach EN 489:2003 (PN-EN 489:2005) i EN 489:2009 (PN-EN 489:2009) w stosunku do pierwszej edycji normy EN 489:1993 (PN-EN 489:1999)
Najważniejsze zmiany wprowadzone w stosunku do pierwszej edycji normy to:
1. zalecenie stosowania piasku o maksymalnej wilgotności 0,5 %,
2. zmiana wymiarów wewnętrznych skrzyni,
3. usunięcie z normy EN 253:2009 [3] i przeniesienie do normy EN 489:2009 metod badań i wymagań dotyczących pianki PUR w złączach preizolowanych,
4. obniżenie z 30°C na (23 ± 1)°C temperatury badania szczelności w zbiorniku z wodą,
5. wprowadzenie wymagania prowadzenia badania korozji naprężeniowej (pękania naprężeniowego, odporności na działanie karbu) dla złączy zgrzewanych elektrycznie.
Najważniejszą zmianą, która zaostrzyła warunki1 prowadzenia badań obciążenia od gruntu, było określenie maksymalnej wilgotności piasku. Spowodowało to wzrost współczynnika tarcia pomiędzy próbką i piaskiem (wilgotny piasek umożliwiał tworzenie się „tunelu” wokół mufy). Skutek można zaobserwować przy badaniach złączy uszczelnionych taśmą lub opaskami termokurczliwymi (fot. 11, 12).
Istotny dla oceny jakości złączy zgrzewanych elektrycznie jest wymóg prowadzenia badań odporności na pękanie naprężeniowe.
Jednocześnie w normie EN 489:2009 usunięty został wymóg obligatoryjnego badania złączy zgrzewanych w skrzyni z piaskiem i zastąpiony obowiązkowym badaniem odporności na pękanie naprężeniowe (NCLT wg EN 253).
Zdaniem Laboratorium Veolia Energia Warszawa, popartym badaniami złączy różnych producentów prowadzonymi od kilkunastu lat, mając na uwadze, następujące fakty:
- badanie w skrzyni z piaskiem symuluje rzeczywistą pracę złącza rurociągu ułożonego w ziemi i pozwala ocenić jakość całego wyrobu,
- obowiązkowe wg EN 489:2009 badania odporności na pękanie naprężeniowe prowadzone są na losowo wybranych próbkach, norma nie określa jednoznacznie liczby i miejsc poboru próbek do badań, nie ma wskazań do badań próbek ze zgrzeiną wzdłużną ze złączy otwartych, złącza zgrzewane powinny być obligatoryjnie badane na obciążenie gruntem w skrzyni z piaskiem, a badanie odporności na pękanie naprężeniowe powinno być traktowane jako uzupełniające.
Znany jest przypadek badań typu złącza, którego wyniki badań po testach szczelności i odporności na pękanie naprężeniowe uznano za spełniające wymagania normy EN 489, natomiast próbka poddana badaniom w skrzyni z piaskiem i w zbiorniku z wodą była nieszczelna (fot. 13, 14).
Na fotografiach 15, 16 pokazano stanowisko do badania korozji naprężeniowej w LB Veolia Energia Warszawa S.A.
Główne zmiany/nowe wymagania wprowadzone do nowej edycji normy EN 489 (prEN 489-1)
1. Zmieniono tytuł i zakres normy. Nowy tytuł normy prEN 489-1brzmi: Rury dla ciepłownictwa – Rury zespolone podwójne i pojedyncze do sieci gorącej wody układane bezpośrednio w gruncie – Część 1: Zespoły złączy i izolacji termicznej dla rurociągów gorącej wody zgodnie z prEN 13941-1
Nowa edycja normy określa wymagania dla złączy rur preizolowanych pojedynczych i podwójnych.
2. Przeniesiono pojęcia i definicje z EN 489 do prEN 17248 [4].
Każda z norm dotyczących rur preizolowanych posiada własny zbiór terminów i definicji związanych z jej zakresem, który w większości przypadków jest spójny z definicjami zawartymi w pozostałych dokumentach. Mając na uwadze aktualne zmiany w zestawie norm europejskich Komitet CEN/TC107 podjął decyzję, aby wszystkie definicje przenieść do jednej z nowoopracowanych norm, której nadano indywidualny numer [5].
3. Sprecyzowano wymagania dla badań typu różnych rodzajów złączy.
Nowa edycja normy dzieli złącza na:
–– zgrzewane,
–– z uszczelnieniem. Wg pr EN 17248 złącze z uszczelnieniem (termokurczliwe lub termokurczliwe sieciowane) to złącze, którego wodoszczelność jest skutkiem: –– adhezji (przylegania) pomiędzy osłoną zespołu rurowego, a osłoną złącza, –– zastosowania dodatkowego spoiwa (mastyki i/lub kleju termotopliwego) umieszczonego pomiędzy osłoną a mufą.
PrEN 489-1 dopuszcza inne rodzaje złączy pod warunkiem spełnienia jej wymagań.
Wymagane badania dla złączy przedstawiono w tabeli 1.
Niestety pr EN 489-1 w dalszym ciągu dopuszcza wykonanie kompleksowych badań złączy zgrzewanych elektrycznie bez testu w skrzyni z piaskiem. Brak konkretnego zapisu był jedną z uwag wniesionych przez LB do CEN, która nie została uwzględniona.
Z uwagi na dbałość o jakość materiałów stosowanych zarówno w warszawskiej sieci ciepłowniczej, jak i innych przedsiębiorstwach ciepłowniczych deklarujemy, że procedura badania typu złączy preizolowanych w Laboratorium Badawczym Veolia Energia Warszawa S.A. będzie obejmować testy obciążenia od gruntu niezależnie od rodzaju złącza. Uważamy, że aby uniknąć zastosowania materiałów gorszej jakości, mogących prowadzić do rozszczelnień sieci koniecznością jest prowadzenie kompleksowej oceny każdego wyrobu.
4. Określono dokumenty wymagane przy dostarczaniu złączy do badań typu. Złącza mają być dostarczane do badań wraz z:
–– instrukcją montażu,
–– kartą katalogową wyrobu, i – jeśli to konieczne – kartą bezpieczeństwa wyrobu.
5. Przeniesiono z powrotem do normy EN 253 metody badania i wymagania dla pianki PUR.
6. Usunięto badanie udziału komórek zamkniętych w piance PUR.
Badanie prowadzone jest przy pomocy piknometru gazowego (fot. 17). Według obowiązującej edycji normy EN 489 w tworzywach zamknięto-komórkowych udział komórek zamkniętych nie powinien być mniejszy niż 88 %. Mniejszy udział komórek zamkniętych wpływa negatywnie na właściwości wytrzymałościowe i izolacyjne pianki. Parametr ten jest obligatoryjnie wymagany przy badaniu izolacji z rur preizolowanych [2] czy wyrobów do izolacji cieplnej wyposażenia instalacji przemysłowych [6].
Biorąc pod uwagę powyższe uważamy, że badanie udziału komórek zamkniętych w piance PUR ze złączy powinno być obligatoryjnie wymagane przez przedsiębiorstwa ciepłownicze mimo, że nie wymaga tego pr EN 489-1.
7. Usunięto badania izolacji ze złączy po starzeniu.
8. Dodano wymaganie załączania do sprawozdań z badań typu instrukcji montażu złączy.
9. Sprecyzowano wymagania dotyczące instrukcji montażu złączy. Instrukcja ma zawierać:
–– sposób oznakowania elementów składowych złączy: muf, uszczelnienia (jeśli jest dostarczane osobno), korków, pianki,
–– warunki składowania elementów składowych złączy,
–– warunki środowiskowe podczas wykonywania montażu,
–– wyposażenie i narzędzia potrzebne do wykonania montażu złącza,
–– procedurę wykonania złącza: czyszczenie, suszenie i przygotowanie powierzchni rury osłonowej, sposób wykonania złącza, warunki prowadzenia prób szczelności,
–– w przypadku dostarczania pianki w dużych pojemnikach (np. beczkach) niezbędne jest podanie ilości systemu surowcowego dla każdego wymiaru złącza,
–– procedury badania na placu budowy a jej zadaniem jest zapewnienie prawidłowego wykonania złącza.
10. Dodano wymóg przygotowania próbek do badań pod nadzorem jednostki badawczej.
Biorąc pod uwagę realia nie zawsze nadzór laboratorium nad przygotowaniem próbek do badań może być możliwy2. Rozwiązaniem może być nagranie filmu przez producenta podczas montowania złączy do badań i dostarczenie go do laboratorium wraz ze zleceniem na wykonanie badań.
11. Wprowadzono obowiązek stosowania w skrzyni z piaskiem sztywnej płyty oraz sprecyzowano wysokość piasku przy zasypywaniu próbki.
Zapis w aktualnej edycji normy mówi o przykryciu próbki piaskiem o grubości warstwy 1 m (efektywne obciążenie od gruntu 18 kN/m2) – opcjonalnie z wykorzystaniem sztywnej płyty naciskowej.
W prEN 489-1 wymaganie dotyczące obciążenia próbki pozostaje bez zmian, natomiast próbka ma być przykryta warstwą piasku o grubości 0,3 m i płytą o masie około 1200 kg..
Laboratorium Badawcze Veolia Energia Warszawa przygotowane jest na prowadzenie badań wg nowych wymagań (fot. 18), mimo wątpliwości związanych ze słusznością nowego wymagania. Jak wykazały badania porównawcze [7] rozkłady siły przy takim samym nacisku rejestrowane podczas przesuwania próbki w skrzyni z piaskiem, niezależnie od sposobu obciążenia próbek (naziom piasku 1 m czy 0,3 m + płyta), mają podobny charakter.
12. Wprowadzono wymóg wymiany piasku w skrzyni po każdym badaniu.
13. Przy badaniach typu zmniejszono liczbę badanych złączy z trzech na dwa.
Jest to kolejna ze zmian, wobec której mamy wątpliwości (była zgłoszona do CEN). Zmniejszenie liczby testowanych próbek zwiększa prawdopodobieństwo uzyskania pozytywnego wyniku badania dla złączy przypadkowych.
Zbadanie większej liczby złączy daje możliwość zidentyfikowania ewentualnych wad złączy z korzyścią zarówno dla producenta dbającego o jakość swoich produktów, jak i użytkownika – przedsiębiorstwa ciepłowniczego.
14. Wprowadzono nowe wymaganie dotyczące metody wygrzewania rury przewodowej.
W LB stanowisko do badania obciążenia od gruntu wyposażone jest w układ regulacji temperatury, którego zadaniem jest podgrzanie rury przewodowej do Realizację zadania zapewniają dwie nagrzewnice elektryczne z drutu oporowego umieszczone centralnie wewnątrz próbki na całej jej długości. Sterowanie i kontrolę pracy stanowiska, zbieranie i przetwarzanie danych pomiarowych zapewnia komputerowy układ sterowania. Oprogramowanie obsługiwane jest przez operatora z poziomu ekranu monitora przy zastosowaniu standardów przyjętych powszechnie w aplikacjach środowiska Windows.
Nowa edycja normy wprowadza wymaganie grzania rury przewodowej cieczą. Zastosowane rozwiązanie LB (elektryczne grzanie rury) zapewnia utrzymanie stałej wymaganej temperatury rury przewodowej w trakcie badania i jest to udokumentowane (rys. 1, 2).
W tej sytuacji rodzą się pytania – czy rzeczywiście sposób grzania rury przewodowej może wpłynąć na wynik badania obciążenia od gruntu? Jeśli wpływa, to jak? Czy jest to wymaganie uzasadnione technicznie? A może jest to po prostu zapis lobbystyczny promujący laboratoria, które takie rozwiązanie stosują.
Mimo wątpliwości, co do słuszności zapisu w pr EN 489-1, w LB prowadzone są prace nad zmianą sposobu grzania rury przewodowej.
15. Wyprowadzono wymóg ważenia po badaniu piasku wysypującego się ze skrzyni oraz określono maksymalny ubytek piasku na każdym końcu próbki podczas badania.
16. Sprecyzowano miejsce i liczbę pobierania próbek przy badaniu odporności na pękanie naprężeniowe złączy zgrzewanych.
Badania korozji naprężeniowej prowadzone są wg normy ISO 16770 [8].
Z każdej spoiny obwodowej i wzdłużnej należy pobrać trzy próbki do badań (rysunek 3, 4, 5), o wymiarach podanych w EN 253:2009+A2:2015.
17. Wprowadzono wymóg badania MFR dla korków wgrzewanych. Masowy wskaźnik szybkości płynięcia (MFR) korków wgrzewanych ma być badany zgodnie z normą EN ISO 1133-1 [9].
18. Wprowadzono wymóg i opisano próbę zginania dla korków wgrzewanych.
Badanie zginania korków wgrzewanych należy wykonywać zgodnie z normą EN 12814‑1 [10] – – rys. 6, 7, fot. 19, po zakończeniu próby szczelności, dla co najmniej 4 korków pobranych z dwóch złączy
Jest to jedna z najważniejszych zmian zaproponowanych przez CEN, zaostrzająca warunki prowadzenia testów złączy. Jej celem jest wyeliminowanie z rynku rozwiązań gorszych jakościowo.
19. Dodano wymagania dotyczące znakowania elementów złączy.
Na wszystkich elementach złącza oraz na opakowaniu kleju/ mastyki, jeśli są one dostarczane oddzielnie, należy nanieść następujące oznakowanie:
–– nazwa producenta i/lub wyrobu,
–– numer partii. Na korkach lub na opakowaniu zbiorczym korków, należy nanieść następujące oznakowanie:
–– identyfikacja producenta i/lub wyrobu,
–– dla korków wgrzewanych – wartość MFR.
20. Określono wymagania zawartości sprawozdania z badań.
Sprawozdanie z badań dotyczące badania typu ma zawierać co najmniej następujące informacje:
–– Opis złącza.
–– Numer normy, wg której wykonywane było badanie z rokiem wydania.
–– Klasyfikacja wg załącznika A normy.
–– Informacja o osłonie złącza (materiał, grubość ścianki).
–– Opis izolacji w złączu (prefabrykowana, spieniana wewnątrz formy, spieniana wewnątrz osłony złącza).
–– Lista elementów złącza (mufa, korek, klej, taśma termokurczliwa itp.), nazwa producenta i wyrobu.
–– Informacja o przygotowaniu próbki do badań (kto, kiedy, gdzie i co zostało zamontowane i nadzorowane).
–– Rozkład uziarnienia piasku oraz zawartość wilgoci dla każdej badanej próbki. –– Wymiary skrzyni z piaskiem.
–– Karta katalogowa wyrobu oraz instrukcja montażu.
–– Dokumentacja fotograficzna całej badanej próbki przed i po badaniach.
–– Wyniki badań zgodnie z załącznikiem B normy.
–– Deklaracja, czy badania dotyczą systemu z pojedynczym uszczelnieniem czy z podwójnym uszczelnieniem – w oparciu o istniejące sprawozdania dla elementów składowych.
–– Jeśli zostanie stwierdzona niezgodność z normą – wszelkie informacje o odstępstwach od wymagań.
–– Oświadczenie o wyniku badania typu – czy złącze spełnia wymagania normy.
21. Wprowadzono możliwość wydawania skróconych sprawozdań z badań pod nazwą Podsumowanie wyników badań.
Jest to bardzo istotna informacja, ponieważ obligatoryjnie narzuca nazwę skróconego sprawozdania. Laboratoria badawcze, takie jak nasze, nie mają prawa wydawać dokumentów pod nazwą certyfikat.
22. Sprecyzowano wymagania odnośnie do kwalifikacji monterów złączy izolacyjnych wiążąc je z wymaganiami nowej normy EN 13941-2:2019 [10]
Podsumowanie
Zmiany zaproponowane w pr EN 489-1 mają zdecydowanie różną wagę. Niektóre z nich (np. badanie korków) zaostrzają warunki prowadzenia testów złączy, ich celem jest wyeliminowanie z rynku rozwiązań gorszych jakościowo, inne (np. ograniczenie liczby próbek do testu obciążenia od gruntu, niejasny zapis dotyczący badania złączy zgrzewanych elektrycznie czy wyeliminowanie badania udziału komórek zamkniętych w izolacji muf) warunki te łagodzą i niestety nie idą w dobrym kierunku dla użytkowników sieci ciepłowniczych preizolowanych.
Norma pr EN 489-1 porządkuje tematy związane np. z klasyfikacją złączy, zawartością sprawozdań czy przeniesieniem informacji z jednej normy do drugiej, są to zmiany formalne. Wprowadza również zmiany techniczne, które naszym zdaniem, nie mają wpływu na wyniki testów (np. obowiązek stosowania płyty czy metoda wygrzewania rury badawczej w skrzyni z piaskiem), a mogą wprowadzić spore zamieszanie w laboratoriach badawczych realizujących badanie obciążenia od gruntu.
Część informacji zawartych w pr EN 489-1 przeznaczona jest dla producentów złączy (np. oznakowanie elementów złączy, wymaganie dotyczące dokumentów dostarczonych do badań wraz ze zleceniem), część dla laboratorium (zawartość sprawozdania z badań, obecność przy montażu).
L I T E R AT U R A
[1] PN-EN 489:2009 Zespół złącza stalowych rur przewodowych z izolacją cieplną z poliuretanu i płaszczem osłonowym z polietylenu
[2] PN-EN 253:2009+A2:2015-12 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie – Zespół rurowy ze stalowej rury przewodowej, izolacji cieplnej z poliuretanu i płaszcza osłonowego z polietylenu
[3] PN-EN 253:2009 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie – Zespół rurowy ze stalowej rury przewodowej, izolacji cieplnej z poliuretanu i płaszcza osłonowego z polietylenu
[4] prEN 17248 Sieci ciepłownicze i sieci chłodnicze zdalaczynne – terminy i definicje
[5] Ireneusz Iwko, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, sierpień 2018; Terminy i definicje związane z grupą norm polskich/ europejskich dotyczących systemu rur preizolowanych dla ciepłownictwa, s. 315 – 326
[6] PN-EN 14308+A1:2013-07 Wyroby do izolacji cieplnej wyposażenia budynków i instalacji przemysłowych – Wyroby ze sztywnej pianki poliuretanowej (PUR) lub pianki poliizocyjanurowej (PIR) produkowane fabrycznie – Specyfikacja
[7] Leon M. Kołodziejczyk, Katarzyna Abatorab, Instal 5/2010 Badania oddziaływania gruntu na złącze rur preizolowanych. Wpływ sposobu obciążenia próbki złożem piasku na wynik badania, s. 13 ÷18
[8] ISO 16770 Plastics — Determination of environmental stress cracking (ESC) of polyethylene – Full-notch creep test (FNCT)
[9] PN-EN ISO 1133-1:2011 Tworzywa sztuczne – Oznaczanie masowego wskaźnika szybkości płynięcia (MFR) i objętościowego wskaźnika szybkości płynięcia (MVR) tworzyw termoplastycznych – Część 1: Metoda standardowa
[10] PN-EN 12814-1:2002 Badania połączeń spawanych w półproduktach z tworzyw termoplastycznych – Część 1: Próba zginania
[11] EN 13941-2:2019 Sieci ciepłownicze – Projektowanie i montaż systemu izolowanych temicznie zespołów rur pojedynczych i podwójnych do sieci wody gorącej układanych bezpośrednio w gruncie – Część 2: Montaż
Ewa Kręcielewska – Kierownik Laboratorium Badawczego Veolia Energia Warszawa S.A., ewa.krecielewska@veolia.com