Wytłaczanie rur dwuwarstwowych polietylenowych na Plastpolu
O innowacyjnej na skalę światową technologii wytłaczania rur dwuwarstwowych polietylenowych o średnicach do 800 mm mówił podczas ostatnich targów Plastpol w Kielcach dr Massimiliano Vailati. System opracowała włoska firma Tecnomatic, której przedstawicielem jest spółka PTC Artur Szreder.
W ostatnim dziesięcioleciu warunki i techniki instalacji rur z tworzyw sztucznych podążały za trendem postępu technologicznego związanego z rozpowszechnieniem się nowych metod instalacyjnych. Początkowo instalowano za pomocą technik podsypki z otwartym korytem piaskowym i przy wypełnianiu do pewnej wysokości materiałem powtórnego użytku. Obecnie instalacje mogą odbywać się w technologii trenchless, czyli bez konieczności wykopu. Zainteresowanie nowymi technikami wzrasta, głównie dzięki rozwojowi rynku rur z tworzyw sztucznych, a także wielu korzyściom ekonomicznym i środowiskowym jakie niesie ta technika.
Nowe metody instalacji możemy podzielić na dwie kategorie: technologie trenchless (bezwykopowe) i technologie sandless bedding (bez podsypki piaskowej).
Typowe metody w tej technologii to: pipe bursting, directional drilling, relining i ploughing-in. Dla wsparcia tej technologii powstała Międzynarodowa Organizacja dla Technologii Bezwykopowych. Rury instalowane w technologii bezwykopowej (TT) powinny być odporne na perforację pęknięć spowodowanych przez ostre obiekty znajdujące się w obsypce naturalnej.
W metodzie „bez podsypki piaskowej” Sandless Bedding do obsypania zainstalowanej rury wykorzystuje się materiał uzyskany podczas wykonywania wykopu. Pozwala to na znaczną oszczędność. Nie trzeba bowiem dostarczać z zewnątrz materiału do obsypania rury. Ponadto poprzez wykorzystanie materiału wcześniej wykopanego nie trzeba go wywozić z miejsca instalacji. Całkowita oszczędność może dochodzić nawet do 50 proc. kosztów instalacji. Jest to jednak zależne od rodzaju gleby, która może powodować większe naciski na rury.
Korzyści płynące z zastosowania technik niekonwencjonalnych to oszczędność kosztów, redukcja czasu instalacji, redukcja obszaru roboczego, ochrona środowiska oraz mniejsze zużycie energii.
Oszczędności dochodzące nawet do 60 proc. można osiągnąć poprzez zastąpienie tradycyjnych technik instalacyjnych technikami niekonwencjonalnymi. Czas instalacji uzależniony jest natomiast od obszaru i wymaganej jakości ukształtowania terenu. Używając niekonwencjonalnych technik instalacyjnych można też zredukować czas realizacji oraz znacznie zmniejszyć ilość zakłóceń spowodowanych hałasem, zanieczyszczeniem i utrudnieniami w ruchu. Ważną zaletą technik niekonwencjonalnych jest też redukcja przestrzeni na jakiej odbywają się prace instalacyjne. W ten sposób do przeprowadzenia robót wystarczają mniejsze przestrzenie, co implikuje mniejsze utrudnienia dla mieszkańców - w niektórych miastach ulice wybudowane mniej niż pięć lat temu nie mogą być otwierane dla prac instalacyjnych. Techniki niekonwencjonalne mają mniejszy wpływ na środowisko naturalne poprzez zmniejszenie masy wykopywanej gleby podczas prac instalacyjnych. Techniki te mają także ograniczony wpływ na warstwę wodonośną, co zapobiega drenażowi terenu.
Wskaźnik zużycia paliw płynnych i energii dowodzi, że techniki niekonwencjonalne są bardziej korzystne dla środowisk. Dzieje się tak dzięki mniejszemu zużyciu energii oraz mniejszej ilości materiału odpadowego. Przy ciągle rosnących kosztach energii, czynnik ten - niegdyś zaniedbywany przy instalacji rur - teraz stanowi istotne kryterium wyboru stosowanej techniki. Konsekwencją wymienionych powyżej zalet jest wciąż rosnąca popularność technik niekonwencjonalnych.
Oczywiste jest, że nowe przełomowe metody instalacji wymuszają powstanie nowej generacji rur z tworzyw sztucznych.
Większość nowoczesnych metod instalowania rur została opracowana tak, aby oprócz szybszej i tańszej instalacji, zredukować też do minimum zakłócenia w miejscu robót, co ma duże znaczenie w strefach zamieszkanych.
Nowe metody uprościły pracę, ale postawiły nowe wymagania wobec rur, które muszą charakteryzować się zwiększoną wytrzymałością na zarysowania warstwy zewnętrznej i podwyższoną wytrzymałością na obciążenia punktowe w swojej wewnętrznej warstwie. W celu zastosowania nowych metod instalacji rur potrzebne są więc nowe produkty. Chodzi tu głównie o rury, które miałyby powierzchnię zewnętrzną wielokrotnie trwalszą od normalnej oraz wyższą odporność na obciążenie punktowe, tak aby zapewnić lepszą żywotność rur.
Głównym kryterium doboru jest odporność na powolny wzrost pęknięć (SCG), np. przy technologii bez podsypki piaskowej podwyższona odporność na SCG powinna zapewnić oparcie się naciskom, czy tarciu o skały podczas instalacji. Uznaną metodą kontroli tego kryterium jest Próba Punktowego Obciążenia.
Rury wielowarstwowe spełniają nowe wymagania rynku. Europejski przemysł rur polietylenowych stworzył całą gamę rur wielowarstwowych, które spełniają nowe warunki instalacji i wyprodukowane są z super twardych poliolefin, a mianowicie polietylenu PE100 (PE100-RC). Doprowadziło to do poważnego wzrostu rynku specjalistycznych rur, który osiągnął znaczącą wielkość i penetrację w Europie. Oto bowiem od 80 proc. do 90 proc. zaprojektowanych i wyprodukowanych nowych systemów transportu wody i gazu bazuje obecnie na rurach z tworzyw sztucznych wykonanych w technologii wielowarstwowej.
Czynniki wspierające rozwój innowacyjności w technologii rur wielowarstwowych są wielowymiarowe. Oto bowiem rury wielowarstwowe oferują producentom możliwość wyróżnienia ich produktów na rynku i zaproponowania zoptymalizowanych rozwiązań dla końcowych użytkowników. Ta możliwość, połączona z dostępem do materiałów o wysokiej wytrzymałości, pozwala na zaprojektowanie najodpowiedniejszego rozwiązania z ekonomicznego punktu widzenia. Rury wielowarstwowe pozwalają znacznie zredukować koszty instalacji, zachowując przy tym ich integralność i trwałość.
Aby sprostać wymaganiom rynku zaprojektowanych zostało wiele rodzajów takich rur. Projekty te podzielić można na dwie grupy. Pierwsza z nich to rury z polietylenu ze zintegrowanymi funkcjonalnymi warstwami. Są to rury polietylenowe współwytłaczane czarne lub barwione, o tym samym MRS na zewnątrz i/lub wewnątrz rury (np. typowe rury 2-3 warstwowe zawierające PE100-RC). Druga rodzina to rury z polietylenu z warstwą zabezpieczającą. Są to rury polietylenowe z dodatkową warstwą z tworzywa termoplastycznego przylegającą, niezintegrowaną z rurą na jej zewnętrznej powierzchni (rury powlekane, np. PP).
Rozwój rynku spowodował w wielu krajach to, że każdy szanujący się producent urządzeń rozwija nowe technologie produkcji rur wielowarstwowych, tak aby zaspokoić potrzeby klientów. Tak samo robi np. włoski Tecnomatic. Firma ta w krótkim czasie przeszła drogę z dostawcy kompletnych linii do wytłaczania rur trójwarstwowych o średnicy do 500 mm do światowego lidera, oferującego kompletne linie do wytłaczania rur dwuwarstwowych o średnicy do 800 mm. Tecnomatic opracował serię rozwiązań technicznych, przemysłowych i komercyjnych, które pozwalają działać na różnych poziomach złożoności związanych z zachowaniem się materiału.
Flagowy projekt włoskiego koncernu, czyli linia do produkcji rur dwuwarstwowych o średnicach do 800 mm został zrealizowany przy pomocy kilku urządzeń.
Pierwsze z nich to wytłaczarka dla głównej warstwy wewnętrznej. Jej maksymalna wydajność to 1050 kg/h - HDPE. Drugie urządzenie wykorzystywane przez koncern przy stworzeniu swej nowości to wytłaczarka dla warstwy zewnętrznej. Jej maksymalna wydajność 350 kg/h - HDPE oraz całkowicie nowa wersja wielowarstwowej głowicy LC63ET2.
Właśnie technologia przepływu w głowicy jest przy omawianiu technologii produkcji rur dwuwarstwowych o średnicach do 800 mm kwestią niezwykle interesującą. Warto w tym celu przeanalizować ścieżkę roboczą, tak by zobaczyć jak zaprojektować, wykonać i przetestować specjalny typ głowicy. Filozofia firmy Tecnomatic została tu zastosowana w praktyce poprzez wykorzystanie programu do trójwymiarowej wizualizacji przepływu tworzywa wewnątrz głowicy.
W tej fazie zostało zoptymalizowanych kilka składników. Pierwszy z nich to podział strumienia opuszczającego ślimak w kierunku promieniowym na dwanaście kanałów w danej sekcji, a w konsekwencji sterowanie prędkości przepływu. Aby równo zasilić kanały i w rezultacie utrzymać skupioną i zrównoważoną dystrybucję przepływu użyto obracającej się dyszy umieszczonej na końcu ślimaka.
Kolejna nowość to podział strumienia w sekcji spiralnej na dwie oddzielne sekcje ze ścieżkami przeznaczonymi dla uwarstwienia, np. do zwiększenia przepływu o 50 proc. w stosunku natężenia od 5 do 1 (np. z 200 do 1000 kg/h) między wartościami maksymalnymi a minimalnymi zamiast tradycyjnego stosunku 3 do 1.
Natomiast separacja przepływu pozwala na sterowanie grubością warstw we wszystkich średnicach produkowanych rur. Metoda obliczeniowa użyta do określenia wewnętrznej zmienności przepływu może być zastosowana do odchyleń zewnętrznych, umożliwiając w ten sposób produkcję rur o większej średnicy, zgodnie ze wzrostem natężenia przepływającego tworzywa.
Ważną cechą omawianej technologii jest centrowanie warstwy zewnętrznej systemem tradycyjnym. Odbywa się tu centrowanie przeważającej warstwy, a w rezultacie całkowitej grubości z oddzielnym i niezależnym systemem zaprojektowanym do pracy bez ingerencji w zewnętrzną warstwę pokrywającą.
Trzeba też koniecznie wiedzieć, że droga przepływu tworzyw wewnątrz głowicy ustanowiona jest przez zakrzywione linie o określonej wielkości, tak aby ograniczyć jak w największym stopniu nieprzewidziane zmiany prędkości masy tworzywa. W następnej fazie przepływ ustalony geometrycznie zgodnie ze wspomnianymi kryteriami jest zawarty wewnątrz głowicy o określonej i podzielonej wielkości.
Dzieje się to po to, aby ograniczyć wagę oraz masę przeznaczoną do grzania, a także zmniejszyć koszty narzędzi z powodu zmiany wielkości, umożliwić prosty montaż i demontaż oraz uczynić termoregulację wydajną w celu uzyskania maksymalnej samostabilności przepływu pod względem temperatury oraz zrównoważonej dystrybucji.
Ostatnim etapem prac nad opracowaniem technologii służącej do produkcji rur dwuwarstwowych o średnicach do 800 mm było stworzenie systemu termoregulacji głowicy. W tej fazie przystąpiono do dodania systemu grzania i termoregulacji. Działano w następujących warunkach: przy istniejących ograniczonych wymiarach, powierzchnia całkowita wynosiła około 5 mkw. Konieczność ogrzania do temperatury powyżej 200 st. C spowodowała, że wybrano koncepcję stworzenia sieci rozprowadzania, mając na uwadze jak wiele energii jest rozpraszanej do otoczenia.
Postanowiono wyeliminować marnotrawstwo polegające na tym, że aby kompensować rozpraszane ciepło, firma musiała koniecznie użyć mocy grzewczej, która jest znacznie wyższa niż moc potrzebna do utrzymania temperatury. Zdecydowano się na geometrycznie symetryczną dystrybucję i równość przepływu.
W tym celu zdecydowano się na kilka rozwiązań. Wybrano niższej mocy grzałki, dokonano Izolacji zewnętrznej grzałek, termopary ustawiono zgodnie ze specyficznymi wymaganiami każdego z obszarów. Niektóre umieszczone są poziomo wewnątrz specjalnej obudowy z aluminium (ekranowanie). charakterystyczne punkty przesyłania ciepła regulowane są termicznie poprzez zastosowanie koncepcji bez chłodzenia, zamiast koncepcji z grzaniem. To przyczynia się do ustalenia i utrzymywania warunków prezentujących dostrzegalny poziom samostabilności cieplnej. Użyto też ochronny ekran izolacyjny. Część ta ma powierzchnię 0,6 mkw. i trzeba do niej dodać powierzchnię ponad 0,2 mkw. zajmowaną przez główki śrub, które częściowo przyczyniają się do efektu promieniowania.
Sześć termopar zostało umieszczonych wewnątrz głowicy, w końcowej części spirali. Są one ułożone pod kątem 60 st. i używane wyłącznie w celu odczytu temperatury. Celem jest wyświetlanie stanu cieplnego metalowej części, która współpracuje w rozchodzeniu się i kierowaniu dwoma przepływami. Ten stan cieplny powinien zostać doceniony zarówno jako wartość jak i jednorodność dystrybucji, którą należy połączyć z jednorodnym rozkładem wartości grubości. Jest to bardzo trudne dla asymetrii termicznej z odpowiadającą jej asymetrią przepływu. Gdy zrealizowany jest tylko jeden warunek, funkcja centrowania mechanicznego służy tylko do powtarzalnego centrowania przepływu, a nie do wyrównywania anomalii generowanych przez inne przyczyny.
Filozofia firmy Tecnomatic obejmuje również uważne odbieranie sygnałów i zarządzanie oparte na istotnych i obiektywnych faktach. Opis zmian w głowicy jest tylko częścią szerszej i bardziej kompletnej analizy, która analizuje całą ścieżkę przepływu, począwszy od granulki tworzywa do produktu finalnego w końcowym stadium produktu, z jego własnymi cechami charakterystycznymi i wymaganiami technicznymi dotyczącymi jakości.
