Tubazioni in polietilene per il trasporto di acqua

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1 Tubazioni in polietilene per il trasporto di acqua

2 A. Pavan R. Frassine Tubazioni in polietilene per il trasporto di acqua Manuale per la progettazione, la posa e la gestione delle reti idriche 12 3

3 A. PAVAN R. FRASSINE Politecnico di Milano, Milano In allegato CD-ROM: Programma PiPEs Springer-Verlag fa parte di Springer Science+Business Media springer.it Springer-Verlag Italia, Milano 2005 ISBN Quest opera è protetta dalla legge sul diritto d autore. Tutti i diritti, in particolare quelli relativi alla traduzione, alla ristampa, all uso di figure e tabelle, alla citazione orale, alla trasmissione radiofonica o televisiva, alla riproduzione su microfilm o in database, alla diversa riproduzione in qualsiasi altra forma (stampa o elettronica) rimangono riservati anche nel caso di utilizzo parziale. Una riproduzione di quest opera, oppure di parte di questa, è anche nel caso specifico solo ammessa nei limiti stabiliti dalla legge sul diritto d autore, ed è soggetta all autorizzazione dell Editore. La violazione delle norme comporta le sanzioni previste dalla legge. L utilizzo di denominazioni generiche, nomi commerciali, marchi registrati, ecc, in quest opera, anche in assenza di particolare indicazione, non consente di considerare tali denominazioni o marchi liberamente utilizzabili da chiunque ai sensi della legge sul marchio. Progetto e impaginazione: Valentina Greco, Milano Progetto grafico della copertina: Simona Colombo, Milano Stampa: Signum Srl, Bollate (MI)

4 Indice Presentazione VII 1. Introduzione 1 2. Il polietilene nel trasporto di acqua La materia prima Proprietà meccaniche Altre caratteristiche Ciclo di produzione Estrusione Stampaggio ad iniezione Controllo finale dei prodotti Certificazione di prodotto Progettazione della tubazione Progettazione idraulica Progettazione meccanica Resistenza meccanica alle onde sismiche Opere fuori terra Ancoraggi Condotte subacquee Curvature massime ammissibili Forza di trascinamento Esempio di progettazione Giunzioni Saldature Giunzioni per fissaggio meccanico Verifica delle giunzioni Affidabilità delle reti Tecniche di posa Progettazione della trincea Caratteristiche della trincea Posa di condotte interrate Tecnologie di posa trenchless Realizzazione di attraversamenti e parallelismi Posa in terreni contaminati Effetto del cloro 125

5 VI Indice 7. Capitolato d opera e collaudo Capitolato d opera Collaudo Esercizio, manutenzione, riparazione e riabilitazione delle reti Perdite negli acquedotti Sistemi di telecontrollo Tecnologie per la riabilitazione Tecnologie per la sostituzione Vantaggi delle reti in polietilene Vantaggi pratici Vantaggi economici Affidabilità e sicurezza Mercato europeo del polietilene Qualità dell acqua 152 Appendice A. Struttura e proprietà del polietilene 153 A.1. Architettura delle molecole e cristallizzazione 153 A.2. Correlazioni proprietà-struttura 156 A.3. Viscoelasticità ed effetto della temperatura 157 A.4. Comportamento a lungo termine di tubi in pressione 160 A.5. Resistenza alla frattura per propagazione rapida 163 Appendice B. Disponibilità di tubi e raccordi 165 B.1. Tubi 165 B.2. Raccordi 167 Appendice C. La norma UNI EN C.1. Requisiti della materia prima 173 C.2. Requisiti dei tubi 175 C.3. Requisiti dei raccordi 178 Appendice D. Norme e certificazioni 181 D.1. Differenze tra decreto, circolare, norma e certificazione 181 D.2. Circolari e decreti 185 D.3. Normative 186 D.4. Qualificazione degli operatori 189 Tabelle 191 Bibliografia essenziale 203 Elenco fonti delle figure 206 Indice analitico 207

6 Presentazione L iniziativa di realizzare un manuale per la progettazione, la posa e la gestione di tubazioni in polietilene per il trasporto dell acqua è nata dall esigenza di raccogliere, elaborare e rendere disponibili ai progettisti delle reti idriche, al personale delle aziende di posa e ai tecnici di gestione dei servizi idrici le conoscenze sviluppate nel corso degli anni dai produttori di materia prima, dai trasformatori, dai laboratori di ricerca e dagli enti di normazione e certificazione. Il manuale presenta dati, metodi e raccomandazioni utili per sviluppare appieno, nel rispetto delle normative vigenti sul territorio italiano, le potenzialità di sicurezza e affidabilità offerte dall utilizzo del polietilene nel trasporto di acqua potabile. Esso vuol costituire uno strumento professionale di pratica utilità per la progettazione, realizzazione, installazione ed esercizio delle reti a partire dalla scelta dei materiali fino alla messa in opera o per la scelta delle tipologie di intervento per la riabilitazione di reti esistenti. Gli argomenti trattati nel manuale sono parte di un patrimonio di conoscenze disponibile presso il Politecnico di Milano, e in particolare presso la Fondazione Laboratorio Prove Materie Plastiche (POLIlampol). Tali conoscenze si sono sviluppate nel corso di un attività pluridecennale di studio e caratterizzazione dei materiali e dei manufatti, di consulenza e di supporto tecnicoscientifico nel settore delle tubazioni in plastica, che ha permesso di attivare contatti molto stretti con l intera filiera del settore e di esplorare a fondo le caratteristiche presentate dalle tubazioni in polietilene. Si è così evidenziato come il risultato finale dell opera dipenda, oltre che da una sua corretta progettazione, che tenga conto della natura del materiale, anche dalle modalità di esecuzione che precedono la messa in servizio della tubazione. Il contenuto del manuale è aggiornato allo stato dell arte delle conoscenze e delle normative esistenti al momento della sua pubblicazione. Poiché non è possibile sviluppare appieno in un opera di questa natura il dettaglio delle conoscenze disponibili e poiché le normative nazionali ed internazionali vengono continuamente modificate, si consiglia di approfondire e mantenere aggiornato il contenuto del manuale tramite il contatto costante con gli operatori e la consultazione continua delle normative e della letteratura tecnico-scientifica di settore. Milano, ottobre 2004 Gli Autori Gli autori desiderano ringraziare Giovanni Castiglioni, Patrizio Coldani, Angela Depinto, Gabriele Depinto e Davide Verzanini della Fondazione Laboratorio Prove Materie Plastiche (POLIlampol) che hanno contribuito a vario titolo alla preparazione di questo manuale. Si ringrazia inoltre l'ing. Francesco Briatico Vangosa, ricercatore del Politecnico di Milano, per lo sviluppo del programma di progettazione allegato.

7 1. Introduzione Il polietilene (PE) utilizzato per la produzione di tubi è stato sviluppato a partire dagli anni 50 attraverso successive generazioni (dal PE63 fino al PE100) diventando uno dei materiali più utilizzati al mondo per la realizzazione di reti per il trasporto di acqua e di gas. In Europa sono attualmente prodotti tubi in PE con diametri da 16 mm fino a 1600 mm (Fig. 1.1) per pressioni nominali d esercizio fino a 25 bar. Le reti in PE presentano ottime prestazioni idrauliche e meccaniche, con costi di installazione e di manutenzione inferiori rispetto a quelle realizzate con i materiali tradizionali. Le particolari proprietà del PE lo rendono idoneo anche per la sostituzione o riabilitazione di vecchie condotte già esistenti. I principali vantaggi legati all utilizzo di questo materiale sono: leggerezza: agevola le operazioni di trasporto e di movimentazione dei tubi; lunghezza elevata: i tubi di diametro fino a 110 mm possono essere forniti in rotoli, riducendo quindi il numero di giunzioni necessarie; affidabilità delle giunzioni: il PE è saldabile con semplici tecniche quali la saldatura ad elementi termici per contatto (testa a testa) (Fig. 1.2) o per elettrofusione; flessibilità: consente di effettuare le giunzioni anche fuori dallo scavo e di posare successivamente le tubazioni adattandole al tracciato, riducendo i tempi ed i costi di posa rispetto ai materiali tradizionali (Fig. 1.3); tecniche di posa: per la riabilitazione delle reti esistenti, oltre alle tradizionali tecniche di posa (Fig. 1.4), è possibile utilizzare tecniche senza scavo (trenchless), che riducono i disagi sociali e ambientali; capacità di assorbire le sollecitazioni provenienti dal terreno dovute per esempio ad assestamenti, terremoti o gelo; assenza di corrosione ed elevata resistenza agli agenti chimici; coefficiente d attrito e scabrezza minimi: riducono le perdite di carico, permettendo portate più elevate a parità di sezione di passaggio, ed eliminano la formazione d incrostazioni, mantenendo l efficienza idraulica nel tempo; identificabilità mediante colorazione in massa: i tubi sono identificati grazie a colori codificati (blu o nero con strisce blu per l acqua, giallo o nero con strisce gialle per il gas); vita utile di progetto di 50 anni, con un aspettativa di vita di oltre 100 anni per il PE100.

8 2 1. Introduzione Fig. 1.1 Esempio di tubo in PE di grande diametro Fig. 1.2 Saldatura testa a testa di tubi in PE Fig. 1.3 Flessibilità di un tubo in PE durante la posa Fig. 1.4 Realizzazione di una trincea stretta per la posa di tubi in PE La qualità dei tubi in PE per applicazioni in pressione è determinata da tre proprietà fondamentali: resistenza alla pressione interna a lungo termine (minimum required strength, MRS); resistenza alla propagazione lenta della frattura (slow crack growth, SCG); resistenza alla propagazione rapida della frattura (rapid crack propagation, RCP). Queste caratteristiche sono esaminate dettagliatamente nel capitolo 2.

9 1. Introduzione 3 La continua innovazione della materia prima e delle tecnologie di realizzazione delle reti idriche, la pubblicazione di norme di sistema e di prodotto da parte dei maggiori organismi internazionali (ISO, CEN) e nazionali (UNI) e i costanti controlli sul prodotto effettuati dagli organismi di certificazione, hanno permesso un continuo sviluppo delle applicazioni di tubi in PE. Il tasso annuo di crescita dell utilizzo di tubi di PE per il trasporto di acqua e di gas in Europa è stimato per i prossimi anni pari a circa il 5%, a fronte di previsioni di calo per i materiali tradizionali come l acciaio, la ghisa o il cemento.

10 2. Il polietilene nel trasporto di acqua Il PE è un materiale sintetico prodotto per polimerizzazione dell etilene. Il processo di sintesi ad alta pressione fu sviluppato per la prima volta in Inghilterra nel 1933 e la prima applicazione pratica si ebbe nel 1939 con la produzione di cavi sottomarini per telecomunicazioni. Intorno alla prima metà degli anni 50, grazie allo sviluppo di una nuova generazione di catalizzatori di sintesi, fu possibile ottenere un maggiore controllo sulla struttura delle molecole. Di conseguenza comparve sul mercato una vasta gamma di PE monomodali molto versatili, con proprietà di notevole interesse per il settore tecnico. La continua evoluzione dei processi di sintesi e dei prodotti ha portato infine, a partire dal 1989, alla disponibilità di una nuova generazione di resine bimodali. Per le sue caratteristiche intrinseche, il PE è particolarmente adatto per la realizzazione di tubi e raccordi per il trasporto di acqua potabile. Questo capitolo è dedicato all esame delle principali proprietà del PE per questa specifica applicazione La materia prima Il PE è un polimero termoplastico composto da catene polimeriche, a loro volta costituite dalla ripetizione di un numero molto elevato di unità più semplici (unità monomeriche) come di seguito indicato: -[CH 2 -CH 2 ]- n in cui n è detto grado di polimerizzazione. Le caratteristiche fondamentali della struttura molecolare del PE sono: peso molecolare: è indice della lunghezza delle catene. Più lunghe sono le catene, più elevate sono la viscosità allo stato fuso e la resistenza a fessurazione; distribuzione dei pesi molecolari: le molecole che costituiscono il PE non hanno tutte la stessa lunghezza ed il peso molecolare è pertanto una media dei pesi delle diverse molecole. La distribuzione dei pesi molecolari può variare da stretta a larga in funzione delle condizioni di polimerizzazione, influenzando la lavorabilità del PE allo stato fuso; essa può essere inoltre monomodale (con un unico picco) o bimodale (con due picchi distinti) come illustrato in Appendice A.1; ramificazioni: le macromolecole presentano un certo numero di catene laterali (ramificazioni) di lunghezza variabile in funzione delle condizio-

11 6 2. Il polietilene nel trasporto di acqua ni di polimerizzazione. Il numero e la lunghezza delle ramificazioni hanno un influenza importante su alcune proprietà come la resistenza alla fessurazione e allo stress cracking. La struttura molecolare influenza in modo diretto alcune importanti proprietà del PE. Allo stato fuso gli effetti più significativi si manifestano sulla viscosità, che viene valutata convenzionalmente attraverso l indice di fluidità (Melt Flow Rate - MFR). Allo stato solido si osservano invece variazioni del grado di cristallinità, misurato convenzionalmente attraverso la densità (Mass Volume Standard - MVS). Il PE è infatti un materiale semicristallino che contiene una fase cristallina all interno della quale le catene si ripiegano su se stesse in modo regolare formando cristalliti e una fase amorfa a struttura disorganizzata, avente densità inferiore, che lega i cristalliti tra loro. Un aumento della percentuale di fase cristallina presente nel materiale (grado di cristallinità) comporta quindi un aumento della sua densità. All aumentare della densità si osserva un incremento dei valori di alcune proprietà meccaniche, quali ad esempio lo sforzo di snervamento e il modulo elastico. I due tipi principali di PE 1 utilizzati per la produzione di tubi sono: PE80 2 monomodale a media densità (MDPE) (detto di seconda generazione): prodotto per la prima volta nel 1980, è costituito da catene con ramificazioni lunghe (long chain branching) e corte (short chain branching). Presenta buona flessibilità ed elevata resistenza alla fessurazione grazie alla presenza delle ramificazioni nella zona amorfa; PE80 2 bimodale a media o alta densità (MDPE o HDPE) e PE100 2 bimodale ad alta densità (HDPE) (detti di terza generazione): prodotti per la prima volta nel 1989, questi materiali sono definiti bimodali per la presenza di due picchi nella curva di distribuzione del peso molecolare. I PE bimodali sono costituiti da due frazioni di PE (a basso ed alto peso molecolare) ottenute per polimerizzazione in due reattori in serie. Presentano un notevole miglioramento delle proprietà fondamentali rispetto ai materiali precedenti. I valori medi delle più importanti proprietà fisiche e meccaniche di questi materiali sono riassunti in Tabella Esiste sul mercato un terzo tipo: PE80 monomodale ad alta densità o HDPE (detto di prima generazione) che presenta tuttavia una minore resistenza alla propagazione lenta della frattura. 2 Da un punto di vista normativo, la classificazione di PE80 e PE100 è definita dalla norma UNI EN : 2004.

12 2.2. Proprietà meccaniche 7 Tabella 2.1 Valori indicativi delle principali proprietà del PE Proprietà Unità di misura MDPE80* HDPE80 HDPE100 Densità, ρ PE (resina naturale) kg/dm 3 0,938 0,943 0,949 Melt Flow Rate (190 C/5 kg)** g/10 min 0,2 1,4 0,2 1,4 0,2 1,4 Sforzo di snervamento, σ y MPa Allungamento a rottura % >350 >350 >350 Modulo elastico a: - breve termine, E s MPa lungo termine, E l MPa Durezza Shore D Temperatura di rammollimento VICAT (forza applicata: 50 N) C Coefficiente di dilatazione termica lineare, α mm/m C 0,18 0,22 0,22 Conduttività termica W/m C 0,4 0,4 0,4 Costante dielettrica - 2,5 2,5 2,5 Resistenza all impatto (Charpy) - con intaglio a 23 C kj/m 2 > 17 > 21 > 23 - con intaglio a - 30 C kj/m 2 > 5 > 6 > 11 Coefficiente di Poisson, ν - 0,4 0,4 0,4 Resistenza minima richiesta (MRS) MPa Sforzo di progetto, σ s MPa 6,3 6,3 8,0 * monomodale e bimodale ** secondo la norma UNI EN : Proprietà meccaniche Le principali caratteristiche richieste al PE per tubazioni in pressione sono la resistenza alla pressione interna a lungo termine (curve di regressione), la resistenza alla propagazione lenta della frattura (fessurazione) sotto sforzo costante e la resistenza alla propagazione rapida della frattura Resistenza a lungo termine Il PE ha un comportamento viscoelastico intrinsecamente diverso da quello della maggior parte dei materiali da costruzione non polimerici. Oltre ad

13 8 2. Il polietilene nel trasporto di acqua una caratteristica risposta elastica, il PE presenta infatti anche un comportamento viscoso. Una descrizione dei principali effetti legati a questo tipo di comportamento è riportata in Appendice A.3. Uno dei principali effetti della viscoelasticità è il fenomeno di deformazione progressiva sotto carico (creep), che si manifesta anche per bassi livelli di sollecitazione applicata. L entità del fenomeno di creep dipende dal tempo, dalla temperatura e dallo sforzo applicato. L effetto complessivo di questi parametri è considerato nella determinazione della resistenza a lungo termine di tubi in PE (curve di regressione) utilizzata per il calcolo della vita utile del tubo Curve di regressione Il valore di sforzo massimo che il materiale può sopportare a 20 C, estrapolato ad un tempo convenzionale di 50 anni, è determinato mediante prove di resistenza alla pressione interna eseguite su tubi per oltre ore (più di 1 anno) in accordo con la norma EN ISO 9080: Le prove sono condotte a tre diverse temperature allo scopo di accelerare i fenomeni di deformazione e di cedimento, sottoponendo i campioni a diverse pressioni e misurando il tempo necessario per provocare la fessurazione del tubo. Lo sforzo circonferenziale s c [MPa] agente sulla parete del tubo è funzione della pressione e delle dimensioni del tubo e può essere calcolato in base alla seguente equazione: ( y, min) p σ c = dem e 20 e y, min dove p è la pressione [bar] e d em e e y,min sono rispettivamente il diametro esterno medio e lo spessore minimo di parete [mm] misurato. Riportando in un diagramma doppio-logaritmico lo sforzo circonferenziale s c in funzione del tempo di rottura al variare della temperatura di prova ed estrapolando i risultati delle prove a 20 C, si ottiene la curva di regressione per il materiale considerato alla suddetta temperatura. Per ogni prova deve inoltre essere verificata la tipologia di rottura: duttile, contraddistinta dalla tipica deformazione a bolla del tubo in prossimità della zona di cedimento, oppure fragile, per la quale la rottura del tubo avviene per propagazione di un difetto che cresce lentamente attraverso lo spessore di parete del tubo fino a diventare passante (propagazione lenta della frattura, detta anche stress cracking). Quest ultimo fenomeno è caratterizzato da piccole deformazioni e dall assenza di deformazioni macroscopiche del materiale in prossimità della zona di frattura.

14 2.2. Proprietà meccaniche 9 Fig Curva di regressione in accordo con la norma EN ISO 9080: 2003 Le curve di regressione mostrate in Fig. 2.1 presentano due tratti lineari con diversa pendenza. Ad esempio, considerando una singola temperatura di riferimento: per elevati valori di sforzo applicato (quindi per tempi di rottura limitati) la curva mostra una pendenza moderata. In questa regione si verificano rotture di tipo duttile; per valori minori di sforzo applicato (quindi per tempi di rottura elevati) la curva può mostrare un aumento della pendenza con conseguente formazione di un ginocchio. In questo caso si verificano rotture di tipo fragile. L assenza di ginocchio nei tempi di esecuzione della curva di regressione è un indice di ottima resistenza del materiale alla propagazione lenta della frattura. Le curve di regressione permettono di: determinare il valore di sforzo s LPL 3 per il quale è prevista la resistenza del tubo per 50 anni alla temperatura di 20 C con un limite di confidenza pari al 97,5%. La procedura di calcolo è riportata in Appendice A.4.1; 3 LPL = Lower Prediction Limit.

15 10 2. Il polietilene nel trasporto di acqua verificare che il ginocchio non si presenti nell intervallo di tempo di interesse per il progetto. Per alcuni tipi di PE di recente formulazione non si osserva la presenza di un ginocchio nemmeno per estrapolazione a tempi molto maggiori di 50 anni (anche oltre 100 anni). In Fig. 2.2 è mostrata, a titolo di esempio, la curva di regressione di un PE100 (s LPL > 10 MPa), la quale a 80 C non presenta ginocchio almeno per tempi fino a ore (equivalenti ad un tempo di vita pari a 100 anni a 20 C). Questo dimostra l eccellente resistenza del materiale alla propagazione lenta della frattura. Fig Curva di regressione per un PE100 in accordo con la norma EN ISO 9080: Classificazione MRS La classificazione MRS (Minimum Required Strength) di diversi tipi di PE è definita dalla norma UNI EN : 2004, ed è basata sul valore di s LPL, in accordo con la norma UNI EN ISO 12162: 1997 come riportato in Tabella 2.2.

16 2.2. Proprietà meccaniche 11 Tabella 2.2. Classificazione MRS al variare del valore di s LPL s LPL [MPa] MRS [MPa] 2,50-3,14 2,5 3,15-3,99 3,15 4,00-4,99 4 5,00-6,29 5 6,30-7,99 6,3 8,00-9, ,00-11,19 10 Il valore di MRS così ottenuto permette di calcolare la pressione nominale PN massima ammissibile [bar] di un tubo in base alla seguente relazione: MRS en PN = 20 C d e ( ) n n dove C (coefficiente complessivo di servizio o progetto) è un fattore di sicurezza pari a 1,25 nel caso del trasporto di acqua in pressione e d n e e n sono rispettivamente il diametro esterno e lo spessore di parete nominali [mm]. Qualora la temperatura di esercizio sia superiore a 20 C è necessario considerare che il valore di MRS si riduce. La norma UNI EN : 2004 fornisce le indicazioni necessarie per il calcolo del coefficiente di riduzione (paragrafo 4.2). La temperatura di esercizio continuativo per condotte di PE in pressione non deve superare i 40 C Resistenza alla propagazione lenta della frattura (SCG o stress cracking) La determinazione della resistenza del materiale alla comparsa di fenomeni di frattura di tipo fragile, misurata in prove di pressione di tipo convenzionale, può richiedere tempi molto lunghi anche operando a temperature elevate. A questo scopo è stata sviluppata una prova chiamata Notch Pipe Test (NPT; UNI EN ISO 13479: 1999) la quale consiste nel sottoporre un tubo, preventivamente intagliato sulla superficie esterna, a pressione e temperatura elevate.

17 12 2. Il polietilene nel trasporto di acqua Questa prova permette di verificare in tempi relativamente brevi la resistenza del materiale alla propagazione di rotture fragili innescate dalla presenza di intagli o graffi accidentali sulla superficie del tubo (causati ad esempio da pietre), da fenomeni termoossidativi o dalla presenza di inclusioni o eterogeneità (contaminazioni) nella parete del tubo. Le condizioni di temperatura, pressione e tempo minimo di resistenza sono riportate nella Tabella 2.3. Tabella 2.3. Requisiti minimi per la prova NPT in accordo con la norma UNI EN : 2004 Materiale Temperatura Pressione applicata Tempo minimo [ C] [bar] di resistenza [ore] PE ,0 165 PE , Resistenza alla propagazione rapida della frattura (RCP) A causa di urti accidentali subiti dalla tubazione e in presenza di sacche d aria nella condotta, si possono verificare le condizioni per uno scoppio improvviso della stessa. Tale fenomeno è favorito da elevate pressioni di esercizio, basse temperature ed elevati spessori di parete. Questa concomitanza di eventi è estremamente rara in una condotta idraulica ben progettata e gestita, pertanto la resistenza del materiale alla propagazione rapida della frattura (RCP) non costituisce un criterio di verifica per tubazioni per il trasporto di acqua. La resistenza del materiale alla propagazione rapida della frattura deve essere presa in considerazione soltanto per tubi con spessore di parete maggiore o uguale a 32 mm. L esecuzione della misura è eseguita con i test S4 o full scale (ISO 13477: 1997 e UNI EN ISO 13478: 1999) descritti in Appendice A Requisiti per la classificazione del materiale La normativa italiana relativa ai tubi in PE per il trasporto di acqua in pressione (UNI EN : 2004) prevede l impiego dei materiali classificati come PE80 (MRS pari a 8 MPa) e PE100 (MRS pari a 10 MPa). Tale classificazione è ottenuta sulla base di un profilo costituito da diverse proprietà (Tabella 2.4).

18 2.2. Proprietà meccaniche 13 Tabella 2.4. Principali requisiti di classificazione PE80 - PE100 Proprietà PE80 PE100 Metodo di prova MRS 8,0 MPa 10,0 MPa EN ISO 9080: 2003 SCG oppure Resistenza 8,0 bar 9,2 bar UNI EN ISO 13479: 1999 alla propagazione per 165 ore per 165 ore lenta della frattura (NPT a 80 C) RCP (S4 a 0 C per tubo 8,0 bar 10,0 bar ISO 13477: 1997 con e n > 32 mm) Resistenza alla pressione 10,0 MPa 12,4 MPa UNI EN 921: 1995 interna (20 C) per 100 ore per 100 ore Resistenza alla pressione 4,5 MPa 5,4 MPa UNI EN 921: 1995 interna (80 C) per 165 ore; per 165 ore; 4,0 MPa 5,0 MPa per 1000 ore per 1000 ore OIT* (200 C) 20 minuti 20 minuti UNI EN 728: 1998 * l OIT (Oxidation Induction Time) è una misura che verifica che il polimero sia sufficientemente stabilizzato al fine di prevenire la degradazione dovuta a fenomeni termoossidativi (vedere paragrafo 2.3.2) La resistenza a lungo termine, la resistenza alla propagazione lenta (SCG) e quella alla propagazione rapida della frattura (RCP) sono le principali proprietà utilizzate per la classificazione delle resine in accordo con le norme internazionali (ISO 4427: 1996 e UNI EN : 2004) Evoluzione tecnologica del PE Le norme di prodotto definiscono il livello di qualità minima necessario affinché un certo materiale o prodotto sia idoneo per una data applicazione e costituiscono pertanto una piattaforma tecnica per il loro utilizzo. Nell ottica di un continuo miglioramento qualitativo sono stati messi a punto e resi disponibili alcuni materiali della classe PE100 le cui superiori proprietà sono evidenziate nella Tabella 2.5.

19 14 2. Il polietilene nel trasporto di acqua Tabella 2.5. Confronto fra i requisiti di qualità del PE100 richiesti dalle norme UNI EN : 2004, UNI EN 1555: 2004, ISO 4427:1996 e ISO 4437:1997 e valori caratteristici di alcuni tipi di PE100 Proprietà Metodo di prova Norma Alcuni PE100 Resistenza alla pressione Test pressione a 20 C > 100 h > 200 h interna (frattura duttile) e 12,4 MPa (UNI EN 921: 1995) Resistenza alla propagazione NPT a 80 C e 9,2 bar > 165 h > 500 h lenta della frattura, SCG (UNI EN ISO 13479: 1999) (frattura fragile) Resistenza alla propagazione S4 test a 0 C Da misurare* > 10 bar rapida della frattura (RCP) (ISO 13477: 1997) * P c MOP ,4 18 Da quanto riportato emerge che la ricerca applicata alla formulazione di nuovi PE è rivolta al miglioramento delle seguenti proprietà: resistenza alla pressione interna (creep); resistenza alla propagazione lenta della frattura (stress cracking, SCG); resistenza alla propagazione rapida della frattura (RCP). Queste proprietà sono adeguatamente certificate da Organismi accreditati al controllo Altre caratteristiche Resistenza all abrasione Nonostante la sua durezza sia inferiore rispetto a quella dei materiali tradizionalmente utilizzati per la realizzazione di condotte, il PE offre un altissima resistenza all abrasione (Tabella 2.6). Tabella 2.6. Resistenza all abrasione (valutata sotto l azione di un getto d acqua contenete il 10% di particelle di silice alla velocità di 14 m/s e con un angolo di incidenza di 70 per un tempo fissato) Materiale Perdita in massa [mg] Perdita in volume [mm 3 ] PE MDPE Ferro Acciaio

20 2.3. Altre caratteristiche Resistenza alla foto-termoossidazione L impiego di opportuni componenti (additivi o pigmenti) aggiunti al polimero base dal produttore di materia prima previene l insorgere di fenomeni degradativi e consente il mantenimento delle prestazioni a lungo termine del manufatto. Protezione dall irraggiamento solare. La componente ultravioletta della radiazione solare può provocare, durante lo stoccaggio o l esercizio, la degradazione del PE se questo non è adeguatamente protetto. Il principale additivo utilizzato per proteggere il PE dall azione del sole è il nero fumo (carbon black). Il nero fumo è utilizzato in percentuali in massa variabili tra 2 e 2,5% e la sua dispersione (dimensione degli agglomerati), valutata secondo la metodologia indicata nella norma ISO 18553: 2002, deve essere conforme ai requisiti della norma UNI EN : Il nero fumo protegge stabilmente dall azione dannosa della radiazione UV. Nel caso di tubi e raccordi di colore blu, la protezione del materiale dall azione dei raggi UV non è più affidata al nero fumo, bensì ad appositi agenti chimici aggiunti nella resina. Essi offrono una resistenza all irraggiamento (UNI EN 1056: 1998) superiore o uguale a 3,5 GJ/m 2, equivalente all esposizione diretta ai raggi solari, in Italia, per un periodo stimabile tra 6 e 12 mesi in funzione dell intensità dell irraggiamento. Il tempo di stoccaggio dei manufatti può essere prolungato adottando coperture adeguate (teli opachi o tettoie). In caso di esposizione diretta per tempi superiori a quelli indicati, è necessario verificare che la rispondenza del materiale ai requisiti di norma sia stata mantenuta. Protezione dai fenomeni termoossidativi. Il materiale adeguatamente stabilizzato dal produttore della materia prima, correttamente trasformato ed utilizzato non è soggetto a fenomeni termoossidativi. La norma UNI EN : 2004 prescrive che il compound sia fornito dalle aziende produttrici completo di ogni additivo atto a garantire la processabilità della materia prima e la durabilità del manufatto. 4 È altresì utile verificare che la misura della ripartizione (omogeneità di copertura) del nero fumo nel manufatto (valutata secondo la norma ISO 18553: 2002) sia minore o uguale al grado C2.

21 16 2. Il polietilene nel trasporto di acqua Azione dei roditori L azione dei roditori su manufatti in materiale polimerico crea incisioni esterne. Questo effetto interessa anche altri materiali. Nel caso delle tubazioni in PE, tuttavia, la superficie liscia della parete esterna non offre ai denti sufficiente appiglio per causare danni significativi Crescita microbiologica La crescita microbiologica e/o microbica sulla parete interna dei componenti utilizzati nei sistemi di tubazioni per il trasporto dell acqua è inevitabile, indipendentemente dal materiale utilizzato. Il trattamento dell acqua con cloro o altre sostanze contribuisce al suo contenimento. Attualmente non sono completamente note né le condizioni e i meccanismi di formazione microbica, né i motivi per cui alcuni materiali sembrano supportare diversi livelli di crescita. Studi condotti dall APME (Association of Plastics Manufacturers in Europe) indicano che la quantità di organismi cellulari presenti nell acqua non è correlata con la quantità di biomembrana formatasi sulla superficie interna della tubazione. Alcuni paesi europei hanno sviluppato metodi per la valutazione della crescita microbica sui materiali. L istituto olandese KIWA, nell ambito del programma di ricerca co-normativo dell EAS (European Approval Scheme), sta conducendo da alcuni anni un analisi comparativa dei metodi utilizzati in Gran Bretagna, Germania e Olanda, allo scopo di formulare un metodo armonizzato di prova. Il metodo in fase di elaborazione è fondato sul KIWA BPP (potenziale di produzione di biomassa), che si basa sulla misurazione dell ATP (Adenosin Trifosfato) con un metodo statico ad immersione. L APME ha condotto una ricerca utilizzando un metodo che prevede un flusso dinamico di acqua. Allo stato attuale non è ancora disponibile un documento conclusivo né una proposta di standardizzazione di questa attività. Purtuttavia, l esperienza fin qui maturata ha dimostrato che tali fenomeni non costituiscono un fattore limitante all impiego delle tubazioni in PE Requisiti per l utilizzo nel trasporto d acqua potabile I sistemi di tubazioni in PE sono utilizzati per la fornitura di acqua potabile fin dagli anni cinquanta. Per questo impiego, i materiali devono soddisfare particolari requisiti nazionali. Allo scopo vengono svolte prove sull acqua erogata per verificare che sapore, odore ed aspetto non siano alterati dal contatto con il materiale. Sono inoltre condotte prove per dimostrare che sostanze dannose non siano rilasciate nell acqua dal PE e per valutare la crescita di microrganismi acquatici.

22 2.3. Altre caratteristiche 17 Attualmente esistono alcune differenze tra le regolamentazioni e i metodi usati nei diversi Paesi europei per le tubazioni in materiale polimerico anche se si stanno sviluppando nuove prove e definendo nuovi requisiti. In Italia è attualmente in vigore il Decreto Legislativo n 31 del 2 febbraio 2001 pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n 52 del 3 marzo 2001, emendato con il Decreto Legislativo n 27 del 2 febbraio 2002 pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale n 58 del 9 marzo 2002, il quale definisce i requisiti dell acqua per usi umani. Il DM 174 del 6 aprile 2004, pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale del 17 luglio 2004 dal titolo Regolamento concernente i materiali e gli oggetti che possono essere utilizzati negli impianti fissi di captazione, trattamento, adduzione e distribuzione delle acque destinate al consumo umano, stabilisce, tra l altro, l idoneità dei manufatti in materiale polimerico per il trasporto di acqua potabile. Al fine di armonizzare le indicazioni a livello europeo e di assicurare che nessun prodotto, attualmente approvato secondo gli schemi nazionali, venga disapprovato dalle nuove legislazioni e regolamentazioni, il gruppo di Regolamentatori Europei dell Acqua, RG-CPDW (Gruppo regolatore per la costruzione di prodotti in contatto con l acqua potabile) sta elaborando un documento, EAS (European Approval Scheme), basato sulla direttiva 98/83/EC dell Unione Europea, di futura emanazione. L industria dei tubi in materiale polimerico è rappresentata dalle associazioni TEPPFA (The European Plastics Pipe and Fitting Association) e APME (Association of Plastics Manufacturers in Europe). La relativa attività di normazione è svolta dal CEN TC 155/AHG 37. Periodici aggiornamenti su tale attività sono riportati nel notiziario del Comitato Tecnico TC 155 del CEN.