Uszczelnienia elastomerowe w systemach rurociągowych

Ze względu na obecną sytuację geopolityczną w Europie i wojnę na Ukrainie, słysząc słowo "rurociąg" odruchowo myślimy o przemyśle naftowym czy gazowym. Rurociągi mają jednak szersze zastosowanie, a ich historia sięga czasów starożytnych (choć nie były powszechnie stosowane w średniowiecznej Europie). Archeolodzy odkrywający ruiny antycznych miast napotykali w nich pozostałości przewodów doprowadzających wodę pitną i odprowadzających ścieki, co świadczy o tym, że już wówczas ludzkie społeczności dążyły do poprawy swoich warunków bytowych. Obecnie, zwłaszcza w wielkich aglomeracjach miejskich, w wielopiętrowych budynkach, bez rurowych systemów przesyłowych z pewnością nie cieszylibyśmy się wysokim poziomem życia i dobrym zdrowiem, a i nasze relacje z sąsiadami nie byłyby harmonijne.

Wiele ciekawych informacji na temat historii rurociągów, przede wszystkim doprowadzających wodę pitną i odprowadzających ścieki, znaleźć można w monografii Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych udostępnianej przez Dolnośląską Bibliotekę Cyfrową. Dowiadujemy się z niej, że pierwsze przewody funkcjonowały jako kanały o przepływie grawitacyjnym. Na najstarsze ślady tego typu rozwiązań budowlanych natrafiono podczas badań prowadzonych na terenie dzisiejszej północnej Syrii. Znaleziono tam m.in. ślady kanałów ułożonych z rur ceramicznych o przekrojach prostokątnych i kołowych. Bardzo interesujący system odprowadzania ścieków i wód opadowych rurami z blachy miedzianej odkryto w pobliżu świątyni władcy starożytnego Egiptu z V dynastii, króla Sahure (2458-2446 r. p.n.e.).

W miastach sumeryjskich kanały ściekowe były budowane z rur glinianych bądź murowane z wypalanych cegieł i przykrywane prostokątnymi płytami ceramicznymi. Miasto-państwo Ur (2447 r. p.n.e.) położone na terenie dzisiejszego południowego Iraku posiadało pełny system kanalizacyjny.

W czasach starożytnych w krajach arabskich przewody do transportu wody budowano najczęściej z rur ceramicznych. Ich średnica dochodziła nawet do 1000 milimetrów w świetle. Około roku 97 p.n.e. Sekstus Julius Frontinius opublikował pracę na temat kutych i lutowanych rur ołowianych. Od tego czasu rozpoczynają się nowe możliwości zaopatrywania miast w wodę. Nie zdawano sobie jednak wówczas sprawy z zagrożeń, jakie niesie spożywanie wody pitnej skażonej toksycznym ołowiem - poszczególne rury łączono ze sobą przez lutowanie.

W Europie w kolejnych wiekach po okresie Wędrówek Ludów (IV-VII w.) zanikła troska o sprawy związane z higieną. Nieczystości wylewano wprost na ulice albo do przydrożnych rowów, a w wyniku takich praktyk często wybuchały epidemie. Jedynie klasztory i zamki posiadały kanalizację. Rury w tamtym czasie wykonywano z żeliwa szarego, jednak technologia ich wytwarzania była bardzo czasochłonna. Przed wprowadzeniem rur żeliwnych w XV w. bardzo rozpowszechnione były rury drewniane produkowane z przewiercanych pni drzew iglastych, do których łączniki wykonywano z kutego żelaza.

Powstanie nowoczesnych systemów kanalizacyjnych wiązało się z tzw. rewolucją przemysłową i gwałtownym rozwojem miast. W tym okresie kanały o małych średnicach budowano głównie z kamionki, do budowy kanałów o większych przekrojach używano cegły i kamienia. W połowie XIX w. pojawiły się nowe materiały konstrukcyjne: beton i żelbet. Od lat 30. XX w. rozpoczęła się ekspansja przewodów z tworzyw sztucznych. Wraz z materiałami wykorzystywanymi do budowy systemów przesyłu wody i ścieków zmieniały się również materiały uszczelniające.

Najstarszym materiałem, z którego wykonywano rury jest kamionka. Dawniej rury kamionkowe układane w wykopach otwartych uszczelniano sznurem konopnym bądź pakułami impregnowanymi substancjami bitumicznymi. Obecnie, w związku z rozwojem technologii bezwykopowych, opracowano inny system rur kamionkowych, którego istotnym elementem są złącza ze stali molibdenowej z uszczelką kauczukowo-elastomerową. Złącza kielichowe rur żeliwnych również zmodernizowano, wprowadzając uszczelnienia gumowe.

Innym rozwiązaniem są rury polimerobetonowe, w których mieszanina kruszyw mineralnych związana jest wysoko reaktywną żywicą poliestrową. Każda rura zaopatrzona jest z jednej strony w złącze, z którym zintegrowana jest uszczelka elastomerowa, która musi spełniać określone wymagania.

Przewody z tworzyw termoplastycznych mogą być łączone techniką zgrzewania, natomiast w przypadku elementów wykonanych z duroplastów - np. z tworzywa kompozytowego GRP - stosuje się m.in. łączniki z żywicy poliestrowej wzmacnianej włóknem szklanym i zaopatrzone w elastomerowe uszczelki (EPDM).

Elementy gumowe stanowią nieodłączną część współczesnych systemów wodociągowych i odprowadzających ścieki. Są to zazwyczaj uszczelnienia złączy lub okładziny rur mające zapobiegać korozji. Muszą one zapewnić trwałość i szczelność wodociągu czy systemu odpływowego przez wiele lat, dlatego powinny spełniać szereg wymagań.

Od 2011 r. na terenie Unii Europejskiej obowiązuje rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011, ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych, w tym wyrobów do uszczelniania złączy, a więc i uszczelnień elastomerowych. Wspomniane wcześniej wymagania znajdują odzwierciedlenie w zharmonizowanych normach dla wyrobów budowlanych oraz w udzielaniu europejskich aprobat technicznych. Do uszczelnień z elastomerów znajdujących zastosowanie w systemach wodociągowych i odwadniających odnoszą się bezpośrednio następujące normy:

• ISO 4633:2015 Rubber seals - Joint rings for water supply, drainage and sewerage pipelines - Specification for materials (Uszczelnienia gumowe - uszczelnienia złączy rur wodociągowych, odwadniających i kanalizacyjnych - specyfikacja materiałów)
• ISO 9631:2018 Rubber seals - Joint rings for pipelines for hot-water supply up to 110°C - Specification for the material (Uszczelnienia gumowe - uszczelnienia złączy rur doprowadzających gorącą wodę o temperaturze do 110°C - specyfikacja materiałów)
• PN-EN 681-1:2002/A3:2006 Uszczelnienia z elastomerów - Wymagania materiałowe dotyczące uszczelek złączy rur wodociągowych i odwadniających - Część 1: Guma
• PN-EN 681-2:2003/A2:2006 Uszczelnienia z elastomerów - Wymagania materiałowe dotyczące uszczelek złączy rur wodociągowych i odwadniających - Część 2: Elastomery termoplastyczne.

Norma ISO 4633:2015 odnosi się do uszczelnień stosowanych w instalacjach do przesyłu wody pitnej (do 50°C) oraz w systemach drenażowych, kanalizacyjnych i odprowadzających wodę deszczową (przepływ ciągły do 45°C, okresowy do 95°C).

Norma PN-EN 681-1:2002 zawiera wymagania dotyczące materiałów stosowanych jako uszczelnienia gumowe złączy rur przeznaczonych do przesyłania:

• zimnej wody pitnej o temperaturze do 50°C
• gorącej wody pitnej i wody nieprzeznaczonej do picia o temperaturze do 110°C

oraz do systemów odwadniania, kanalizacji i odprowadzania wody deszczowej (przepływ ciągły o temperaturze do 45°C i przepływ przerywany o temperaturze do 95°C).

W normie PN-EN 681-2 określono wymagania dotyczące materiałów na uszczelki formowe z elastomerów termoplastycznych (TPE) stosowane w załącznikach systemów termoplastycznych przewodów rurowych do:

• bezciśnieniowego odprowadzania ścieków (przepływ przerywany, w temperaturze do 95°C, wewnątrz budynków)
• bezciśnieniowego odwadniania i kanalizacji, pod ziemią (przepływ ciągły w temperaturze do 45°C i przepływ przerywany w temperaturze do 95°C)
• odprowadzania wody deszczowej.

Właściwości elastomerów, trwałość wyrobów pozostających w kontakcie z różnymi mediami, zależą przede wszystkim od ich budowy cząsteczkowej. Kauczuki zbudowane są z długich, splątanych ze sobą makrocząsteczek, które w wyniku wulkanizacji zostają połączone poprzecznymi wiązaniami chemicznymi - siarkowymi bądź nadtlenkowymi.

W nowo powstałej strukturze występuje ok. 10% wolnej przestrzeni, co z jednej strony zapewnia pożądaną elastyczność gumy, zaś z drugiej umożliwia wnikanie do wnętrza materiału różnorodnych mediów i odpowiada za występowanie niepożądanych zjawisk - relaksacji naprężeń i pełzania, skracających czas eksploatacji wyrobów gumowych.

Wyroby gumowe charakteryzowane są przez szereg parametrów. Do podstawowych i powszechnie oznaczanych w specjalistycznych laboratoriach należą: twardość, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie przy zerwaniu, wytrzymałość na rozdzieranie, odkształcenie trwałe po ściskaniu czy odporność na ozon i zmiana objętości w wodzie (lub oleju). Szczegółowy opis wykonywania wymienionych badań zawarty jest w konkretnych normach międzynarodowych, do których odnoszą się także wspomniane wcześniej normy dotyczące uszczelnień złączy systemów wodociągowych i kanalizacyjnych. Ocenie podlega również wygląd powierzchni wyrobów (ISO 9691:1992 Rubber - recommendations for the workmanship of pipe joint rings - description and classification of imperfections; Guma - zalecenia dotyczące wykonania uszczelnień złączy rur - opis i klasyfikacja niedoskonałości) - uszczelnienia powinny być wolne od wad mogących mieć wpływ na ich prawidłowe działanie.

W celu oszacowania zmian właściwości fizykochemicznych wyroby gumowe bada się często w trakcie całego okresu eksploatacji. Taki sposób postępowania wiąże się jednak z wysokimi kosztami i jest czasochłonny, dlatego bada się próbki poddane przyspieszonemu starzeniu (w podwyższonej temperaturze lub agresywnym środowisku), zaś wyniki badań ekstrapoluje się przy zastosowaniu odpowiednich technik do rzeczywistego czasu eksploatacji. Przykładowo, na tej podstawie szacuje się, że trwałość uszczelnień wykonanych z EPDM przekracza 500 lat.

Jak już wspomniano, guma nie jest całkowicie odporna na chemikalia i czynniki środowiskowe. W zależności od rodzaju użytego kauczuku, wyroby mogą mieć znaczną bądź niską odporność na określone czynniki. Dlatego w celu osiągnięcia zamierzonej żywotności wyrobów oraz zapewnienia niskiej częstotliwości konserwacji zapobiegawczej, ważny jest prawidłowy dobór elastomerów.

Poszukując odpowiedniego kauczuku należy mieć na uwadze skład chemiczny mediów, w których eksploatowany będzie wyrób. Istotną właściwością gumy stosowanej w uszczelnieniach jest odporność na środki dezynfekujące (bardziej ogólnie: czynniki utleniające), które wykorzystuje się w systemach wodociągowych. Zbyt niska odporność na tego typu substancje może znacznie skrócić żywotność uszczelnień. Można jednak kontrolować tę właściwość poprzez stosowanie odpowiednich przeciwutleniaczy.

Przy doborze materiału na uszczelnienia gumowe rozpatruje się ponadto następujące właściwości:

• odporność na ścieranie i wtłaczanie w szczelinę
• zakres temperatur pracy
• zdolność do regeneracji dynamicznej - wyrażoną w postaci trwałego odkształcenia przy ściskaniu, relaksacji naprężeń i odbojności.

Wtłaczanie w szczelinę, związane ze zbyt dużym odkształceniem, może być przyczyną niewłaściwego montażu, nadmiernego odkształcenia uszczelki i powstawania pęknięć na jej powierzchni. W przypadku uszczelnień gumowych poddawanych cyklicznym zmianom temperatury podczas eksploatacji może się zdarzyć, że następują zmiany wymiarów, które powodują nieszczelność. Jest to istotnie ważne, gdy wyroby gumowe pracują w temperaturze bliskiej temperaturze zeszklenia (Tg) elastomeru, w której przechodzi on gwałtownie w stan szklisty, stając się kruchym. W tej postaci nie nadaje się do zastosowań inżynierskich.

Z drugiej strony, w podwyższonej temperaturze w gumie zachodzą procesy związane z niestabilnością zespołu sieciującego, co powoduje wzrost twardości i sztywności gumy w całej objętości i prowadzi do powstawania spękań.

W przypadku uszczelnień bardzo ważnym zagadnieniem jest zdolność do regeneracji dynamicznej. Ściśnięte wstępnie uszczelnienie elastomerowe traci bowiem siłę uszczelniającą w wyniku skurczu termicznego (w niskiej temperaturze o-ring kurczy się bardziej niż obudowa, w której jest zamocowany), jak również na skutek zmniejszania się naprężeń w odkształconej gumie w miarę upływu czasu (relaksacja naprężeń). Jeśli naprężenie uszczelniające spadnie do zera, wówczas uszczelka przestaje spełniać swoją funkcję. Szybkość zmian powstających w uszczelnieniu na skutek relaksacji jest trudna do oszacowania, choć wiadomo że fizyczna relaksacja naprężeń jest proporcjonalna do logarytmu czasu. Pod uwagę trzeba brać jednocześnie zmiany chemiczne zachodzące w gumie, które przebiegają proporcjonalnie do czasu.

W przypadku uszczelnień można więc zdefiniować pewne rodzaje uszkodzeń krytycznych, którymi są:

• wzrost lub spadek sztywności poza wartość graniczną
• powstawanie spękań powierzchniowych
• osłabienie w wyniku działania mediów
• utrata sprężystości w wyniku relaksacji naprężeń
• wtłaczanie w szczeliny.

Najlepszą metodą oszacowania czasu eksploatacji jest przeprowadzenie badań przyspieszonych. W takim przypadku należy jednak dokładnie zaplanować doświadczenie, aby uwzględnić wszystkie mechanizmy niszczenia wyrobu.

Karol Niciński

Literatura

McGilp L., Pipelines 101: The history of pipelines and how they are used in modern living, https://www.src.sk.ca/blog/pipelines-101-history-pipelines-and-how-they-are-used-modern-living, 21.11.2018 [dostęp: 12.05.2022]

Madryas C., Kolonko A., Wysocki L., Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002, ISBN 83-7085-642-X, https://dbc.wroc.pl/publication/1021/edition/1158/konstrukcje-przewodow-kanalizacyjnych-madryas-cezary-wysocki-leszek-kolonko-andrzej?language=pl, [dostęp: 12.05.2022]

Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/?uri=celex%3A32011R0305, [dostęp: 12.05.2022]

Manual of Water Supply Practices M75, Elastomers for Waterworks: pipes, valves and fittings, American Water Works Association, Denver 2020, ISBN 978-1-64717-004-2

Common o-ring failure modes, https://www.prepol.com/services/why-do-o-rings-fail-a-brief-guide-to-o-ring-failure-modes, [dostęp: 16.05.2022]

Gannon M., Effects of aging on elastomer seals, https://www.sealingandcontaminationtips.com/effects-of-aging-on-elastomer-seals/, 26.02.2021 [dostęp: 16.05.2022]

The lifetime of pipe seals, https://www.trelleborg.com/en/seals-and-profiles/news-and-events/2015-the-lifetime-of-pipe-seals, 17.07.2015 [dostęp: 16.05.2022]