Snelle scheurvoortplanting (RCP) in pvc-waterbuizen

Hard polyvinylchloride (pvc) wordt door de Nederlandse waterdistributiebedrijven veel gebruikt voor leidingmateriaal in drinkwaternetten. Gemiddeld bestaat 51% van het totale leidingnetwerk uit pvc [1].
De oudste pvc-buizen dateren uit het eind van de jaren ‘50 van de vorige eeuw. Er zijn relatief weinig schades in deze leidingen. De in het begin voorspelde levensduur van 50 jaar is achterhaald. In 2006 gepubliceerd onderzoek [2] naar de weerstand tegen langzame scheurgroei van oude pvc-buizen heeft laten zien dat voor dit leidingmateriaal een levensduur van 100 jaar of meer mogelijk is. In zeldzame gevallen kan echter langzame scheurgroei optreden. De scheursnelheden daarbij zijn zeer laag, meestal in de orde van 0,1 tot 5 mm per jaar.

Nieuwe inzichten
In de laatste vijf jaren heeft men zich steeds meer gerealiseerd dat zich naast langzame scheurgroei in pvc-buizen ook een ander breukverschijnsel kan voordoen.

Afbeelding 1. Water stroomt door de sneeuw  na RCP in een PVC waterleiding

Afbeelding 2. Pvc waterbuis met lange scheur door RCP

In sommige pvc-leidingen zijn namelijk meterslange, ‘momentane’ brosse scheuren in de lengterichting opgetreden (afbeeldingen 1 en 2). Ook in bochtstukken komen soms lange scheuren voor. Dit verschijnsel wordt Rapid Crack Propagation (RCP – snelle scheurvoortplanting) genoemd.

Bij waterbuizen van pvc kan de scheursnelheid in de wand wel 450 tot 600 meter/seconde zijn [3]. Deze scheursnelheden zijn dus zeer veel hoger dan bij langzame scheurgroei. Eén van de voorwaarden voor RCP is dat de waterdruk boven de zogenaamde kritische druk (P_c) ligt, waarover hieronder meer.

Er is nog een ander verschil met langzame scheurgroei.
Bij RCP propageert de scheur nog tot op vele meters van de oorspronkelijke initiatieplaats, ver buiten de invloedssfeer van die initiatieplaats. Het is daarom afspraak om hiervoor het woord ‘propagatie’ te gebruiken en niet het woord ‘groei’. Er is een vrijwel momentaan proces ontstaan dat – als het eenmaal gestart is – niet gemakkelijk meer stopt en ook geen relatie meer heeft met de condities op de oorspronkelijke initiatieplaats. Bij langzame scheurgroei is de relatie met de initiatie echter heel duidelijk. Er zijn dan vaak lokaal spanningsconcentraties aanwezig door slechte gebiedjes in het materiaal (zoals vervuiling met kleine deeltjes in de kunststof) of puntbelastingen door externe oorzaken. Langzame scheurgroei neemt sterk af of stopt als de scheur de rand van het gebied met lokale spanningsconcentraties bereikt.

Wat betekent dit verschil in breuktype nu voor een waterleiding?
Terwijl langzame scheurgroei slechts kleinere, vaak beheersbare, lekken tot gevolg heeft, veroorzaakt RCP vaak een scheur over de gehele buislengte. De scheur stopt altijd bij een mofverbinding, maar vaak ook niet eerder. Pvc-buizen hebben een lengte van 5 of 10 meter, soms zelfs 20 meter. De grote scheurlengte leidt vooral bij grotere diameters tot uitstroming van grote waterhoeveelheden (afbeelding 1). De kracht daarvan laat een grote ontgrondingskuil ontstaan, die onder het uitgestroomde water niet altijd opvalt en daarom voor verkeersdeelnemers gevaarlijk kan zijn.

Is de leiding gelegen in het land, in een berm of trottoir, zijn de gevolgen in het algemeen beperkt, hoewel opslagkelders kunnen onderlopen en de goederen daarin verloren kunnen gaan. In Duitsland leidde het door RCP onderlopen van een ondergrondse parkeergarage tot gevolgschade aan auto’s.
In het geval de leiding in een risicovolle omgeving is gelegen, kunnen de gevolgen nog groter zijn. Denk hierbij aan een spoorlijn die verzakt, een autosnelweg waarvan het asfalt afbreekt, stedelijke centra met verkeersknooppunten (ondergrondse stations) of een polder die gevaar loopt door een dijklichaam dat bezwijkt. Men wil het optreden van RCP dus voorkomen en daarom is onderzoek gestart.

Achtergronden van RCP
Voor het begrijpen van RCP in een kunststof buis is van het groot belang twee snelheden te onderscheiden [3], die beide in de orde van vele honderden meters per seconde liggen:
De scheursnelheid in de buiswand, bijna altijd in lengterichting, hoewel vertakking of zijwaarts afbuigen ook voorkomt.
De snelheid waarmee het water door het ontstane lek zijn druk verliest (de decompressiesnelheid) en de lokale drukval die daardoor optreedt.
Voor menselijke begrippen gebeurt alles echter momentaan. In afbeelding 3 wordt een momentopname van een propagerende scheur getoond, in twee gevallen. Op de bijbehorende tijdschaal van milliseconden kan de druk in de buis plaatselijk sterk verschillen, terwijl drukverschillen op de tijdschaal van seconden al vereffend zijn. De heersende druk bij de scheurtip (de rode punt) is cruciaal, want een propagerende scheur kan zich alleen vanuit de scheurtip verder naar rechts voortplanten, zolang de waterdruk bij de scheurtip boven de kritische druk P_c ligt.

De scheursnelheid en soms ook de decompressiesnelheid hangen van het soort kunststof en het soort medium af (tabel 1). Een lage scheurvoortplantingssnelheid (situatie a in afbeelding 3) zorgt ervoor dat RCP gemakkelijk weer stopt (arrest).

Afbeelding 3. Van links naar rechts propagerende scheur in een kunststof buis (boven) en het bijbehorende drukverloop in lengterichting van de buis (beneden), in twee situaties:
Decompressiesnelheid > scheursnelheid. Het rode punt ligt bij een waterdruk die voor verdere propagatie te laag geworden is en de scheur stopt (arrest).
Scheursnelheid > decompressiesnelheid. Dit leidt tot stationaire RCP (stippellijn naar rechts), omat de scheurtip onder alle omstandigheden de volle waterdtuk blijft voelen. Naar Greenschields [3] en iets aangepast.

Tabel 1. Scheurvoortplantings- en decompressiesnelheid van kunststof buizen in water [3]

Mits de waterduk hoog genoeg is, geldt voor met water gevulde pvc-buizen situatie b, want de scheurvoortplantingssnelheid is hoger dan de decompressiesnelheid (tabel 1). Daardoor blijft de waterdruk bij de scheurtip altijd voldoende hoog voor verdere propagatie en is er ook geen invloed van de buislengte.

Er bestaan twee genormeerde testmethoden voor RCP metingen aan kunststof buizen. De eerste is de zogenaamde Full Scale (FS) test [4], die de condities in lange praktijkleidingen zo dicht mogelijk benadert. Deze FS test wordt uitgevoerd aan minstens 14 meter lange buizen. Meestal wordt echter, vanwege de hoge kosten, de zogenaamde S4-test [5] aan relatief korte segmenten uitgevoerd. Als niet aan conditie b in afbeelding 3 is voldaan, is er een groot verschil tussen de resultaten van de FS test en de S4-test. Daarom gebruikt men voor PE gasbuizen een omrekeningsformule, die in de norm EN 1555 staat voorgeschreven.

Wat betreft het interne medium zijn er twee varianten:
De pneumatische S4-test, aan met lucht gevulde buizen – voorgeschreven voor PE gasbuizen
De hydrostatische S4-test [6], aan met water gevulde buizen.
Er zijn grote verschillen in de resultaten van variant 1 en 2, omdat het type medium veel invloed heeft.
Omdat bij watergevulde pvc-buizen aan conditie b in afbeelding 3 is voldaan, is daarvoor de P_c in de hydrostatische S4-test wel gelijk aan de P_c in de hydrostatische FS-test:

        P_c (S4) = P_c (FS)                    (1)

Dit is zeer belangrijk. Greenshields en Leevers [7] constateren dan ook dat RCP in met water gevulde pvc-buizen heel goed mogelijk is en dat wordt door de Nederlandse praktijkgevallen ondersteund. Voor met lucht gevulde pvc- (en PE-)buizen is de verhouding tussen scheur- en decompressiesnelheid weer geheel anders en geldt vergelijking (1) vaak niet.

Testmethoden en buismaterialen
In dit onderzoek is – wegens vergelijking (1) – gekozen voor de hydrostatische S4-test bij 3 °C, de laagste temperatuur die in waterleidingen is gemeten.
De scheurpropagatie moet echter op gang worden gebracht. Volgens de norm vindt deze initiatie plaats met een scherp stalen mes dat vanaf 6 meter hoogte op de afgedichte buis valt. De buis bevat water met een nauwkeurig ingestelde druk. Onder andere afhankelijk van deze druk treedt RCP op of niet. Testparameters: gewicht mes: 36 kg, breedte van het mes: 120 mm, valsnelheid: 11 m/s.

Afbeelding 4. Testopstelling voor hydrostatische S4-testen
Binnen het pvc-segment stroomt een gekoeld water/glycolmengsel voor een constante testtemperatuur (3 °C). Binnen de geïsoleerde stalen wand (opengeklapt) wordt gekoelde lucht doorgeleid.

Afbeelding 5. Stalen mes van 120 mm breed dat bovenop de buis valt, voor initiatie van de scheur
De breedterichting van het mes is de lengterichting van de buis (zie afbeelding 7). Het mes is verzwaard tot 36 kg.

Om buizen met verschillende diameters te kunnen vergelijken eist de norm dat voor elk getest segment de relatieve scheurlengte wordt bepaald. Dit is de scheurlengte in mm gedeeld door de nominale buiten-diameter in mm. Als de kritische relatieve scheurlengte (gedefinieerd als 4,7) wordt overschreden (voor een 315 mm buis is dit 1,48 meter), wordt de scheur kritisch, neemt het waterverlies enorm toe en spreekt men van RCP. Bij een relatieve scheurlengte korter dan 4,7 spreekt men van ‘arrest’ en blijft het waterverlies beperkt. De kritische druk P_c is gedefinieerd als de hoogste druk waarbij nog arrest is opgetreden, maar beneden de laagste druk waarbij al RCP is opgetreden [5].

Voor het onderzoek zijn 9 stuks 10 meter lange ∅ 315 mm pvc-buizen van een Nederlandse fabrikant gebruikt, geproduceerd in 2010 of 2012. De minimale wanddiktes waren 7,7 mm (0,63 MPa, SDR41), 9,2 mm (0,75 MPa, SDR34) en 12,1 mm (1,0 MPa, SDR26). De SDR is de diameter gedeeld door de wanddikte. Uit elke buis zijn 4 segmenten met de vereiste testlengte van 2,42 meter vervaardigd. In totaal zijn 25 S4-testen uitgevoerd. Bij elke SDR-waarde is de invloed van de waterdruk op de scheurlengte onderzocht.

Resultaten
Afbeelding 6 toont een voorbeeld van RCP, bij een waterdruk boven P_c. Afbeelding 7 toont een voorbeeld bij een druk beneden P_c waarbij geen scheur in de pvc-wand is geïnitieerd. Er zijn uitsluitend twee kerven van het mes. Dit segment geldt als inert. Inert zijn treedt bij met lucht gevulde PE en pvc-buizen niet op, maar bij met water gevulde pvc-buizen juist vaak. Qua scheurlengte ligt ‘arrest’ tussen deze beide uitersten in. De brosse scheurpropagatie is dan wel op gang gekomen, maar de relatieve scheurlengte is korter dan 4,7.

Afbeelding 6. RCP na de S4-test op een met water gevulde 315 mm pvc-buis
De scheur zet zich naar links door, tot bijna aan het einde van het buissegment (niet getoond).

Afbeelding 7. Buitenoppervlak van een ’inert’ buissegment (lengterichting horizontaal)
Het mes heeft een keer gestuiterd en zo een tweede kerf in lengte-richting veroorzaakt.

De meetresultaten zijn wegens overlapping van de drie soorten meetpunten over twee figuren verdeeld, zoals bij de afbeeldingen 8/9 en ook bij de afbeeldingen 12/13.

De bij diverse waterdrukken gemeten relatieve scheurlengtes zijn in afbeelding 8 (voor SDR41-buizen) en afbeelding 9 (voor SDR34 en SDR26-buizen) gegeven. Elke figuur toont de gemeten relatieve scheurlengte bij een gekozen waterdruk. De grens tussen ‘arrest’ en RCP is in beide figuren met een horizontale stippellijn aangegeven (bij 4,7). Uit deze resultaten kan de P_c (kritische druk) worden bepaald (tabel 2). De open symbolen in afbeelding 9 zijn punten die volgens de norm [5] niet meetellen. Alle kritische drukken liggen – bij 3 °C – in het gebied van gebruikelijke waterdistributiedrukken.

Tabel 2. Gemeten kritische druk P_c in de hydrostatische
S4-test van Ǿ315 mm pvc-buizen bij 3 °C

Afbeelding 8. Relatieve scheurlengte in de hydrostatische S4-test als functie van de waterdruk in SDR41-buizen
P_c = 1,95 bar. Bij hogere drukken treedt altijd RCP op. Bij lagere drukken is de buis ’inert’ (geen scheurinitiatie). De tussenvorm (‘arrest’) is er hier niet.

Afbeelding 9. Zoals in afbeelding 8, maar nu voor SDR34- en SDR26- buizen
De open rode en groene symbolen zijn uitbijters, veroor-zaakt door spreiding. De open rode driehoek bij 2,05 bar is het enige geval van arrest in het onderzoek, want de relatieve scheurlengte is iets korter dan 4,7

Visuele inspectie inerte segmenten
Dat sommige pvc-segmenten geen scheurinitiatie vertonen (inert zijn), is bijzonder. Bij PE en pvc-buizen die in lucht getest zijn is inertheid onbekend en treedt altijd minstens arrest op. Daarom zijn de inerte segmenten verder onderzocht. Afbeelding 10 toont het binnenoppervlak van het segment waarin het vallende mes geen scheurinitiatie heeft veroorzaakt.

De inerte segmenten vertonen in het binnenoppervlak een wit verkleurde baan in axiale richting (afbeelding 10). Dit is ‘stress whitening’, veroorzaakt door het vallende mes. Dit verschijnsel treedt op als lokaal vervormingen zijn opgetreden, waarbij zeer kleine holtes ontstaan met afmetingen in de orde van de golflengte van zichtbaar licht (450 tot 900 nanometer - 1 nanometer is 10-6 millimeter).

Afbeelding 10. Hetzelfde monster als in afbeelding 7, nu aan het binnenoppervlak,
met daarin een langwerpige witte verkleuring in axiale richting (horizontaal)

Door deze holtevormingen is een deel van de toegediende mechanische energie van het vallende mes door het pvc-materiaal geabsorbeerd. Daardoor was er niet voldoende energie over voor scheurinitiatie. In segmenten waarin wel RCP is opgetreden is geen stress whitening aangetroffen.

Discussie
Afbeelding 11 toont de gemeten invloed van de SDR-waarde op de P_c. Een aantal zaken valt op. De nu gemeten P_c-waarden zijn hoger dan die berekend met formules geleverd door Leevers et al [8]. De reden is niet onderzocht. Ook neemt de weerstand tegen RCP (P_c) toe met toenemende wanddikte.

Afbeelding 11. Gemeten invloed van de SDR- waarde op de PC van pvc-buizen in de hydrostatische S4-test en waarden berekend met de formules van Leevers et al [3,7,8]
De wanddikte neemt van rechts naar links toe. De rode driehoek van de meetwaarde voor SDR34-buizen ligt lager dan verwacht.

Tenslotte valt op dat de P_c van SDR34-buizen even groot is als de P_c van SDR41-buizen. Verwacht was dat dit meetpunt bij ongeveer 3 bar zou liggen. Daarom is nagegaan of de SDR34-buizen afwijken van de SDR41 en de SDR26-buizen. Onderzocht zijn de geleringsgraad, de samenstelling, de restspanning en de extrusiesnelheid. Eventuele verschillen kunnen misschien worden gemodelleerd.

Geleringsgraad en samenstelling
De geleringsgraad is bepaald volgens EN 1452, maar geëvalueerd volgens de methode van Kiwa Technology. Deze laatste methode onderscheidt 4 geleerniveaus: ondergegeleerd, matig gegeleerd, optimaal gegeleerd en overgegeleerd
Het blijkt dat alle buizen, ongeacht de SDR-waarde, overgegeleerd zijn, want er is met dichloormethaan geen aantasting bij 15 °C. Er is dus geen verschil in geleringsgraad tussen de buizen met verschillende SDR-waarden aantoonbaar. Wel wordt overgelering vaak gezien als leidend tot een minder goede weerstand tegen slagbelastingen [9,10,11].
De samenstelling van de pvc-buizen is met infraroodspectroscopie bepaald. Er blijken geen opvallende verschillen in samenstelling te zijn.

Restspanning en extrusiesnelheid
Voor de restspanning en de extrusiesnelheid zijn twee modellen ontwikkeld: een beschrijvend en een materiaalkundig model, waarmee de invloed van restspanning op de buiseigenschappen kwantitatief is berekend. Beide modellen geven vergelijkbare resultaten en tonen een sterk negatieve invloed van de restspanning [12]. Dit verklaart waarom voor de SDR34-buizen de kritische druk lager is dan 3 bar.

Conclusies
De gevonden waarden van de kritische druk P_c liggen – bij 3 °C – in het normale drukgebied voor pvc-waterdistributiebuizen in Nederland. Dit verklaart ook waarom in de laatste 8 jaren minstens 19 (en waarschijnlijk meer) RCP gevallen, in pvc-waterbuizen en -bochten, zijn opgetreden. Blijkbaar was er onder die omstandigheden voldoende initiatie-energie voorhanden.
Het gedrag van met water gevulde pvc-segmenten is bijna ‘binair’. Bij een lage testdruk is het segment inert (de scheurlengte in de pvc-buiswand is nul) terwijl boven de kritische druk P_c de scheur vrijwel altijd over de gehele segmentlengte doorloopt, tot aan de eindkap aan het andere uiteinde. Er is slechts één afwijking (uit 25 testen) met arrest (voortijdig stoppen van een reeds geïnitieerde scheur). Dit gedrag is geheel anders dan bij met lucht gevulde pvc- en PE-buizen, waarin beneden P_c arrest vaak voorkomt maar inertheid afwezig is.
De P_c-waarden die in de hydrostatische S4-test zijn gemeten (aan 2,42 meter lange segmenten) zijn gelijk aan de P_c-waarden die met de Full Scale-test aan 14 meter lange buizen kunnen worden gemeten. De P_c-waarden die in dit rapport zijn gegeven gelden dus ook voor gehele pvc-buizen.
De wanddikte (SDR-waarde of drukklasse) van de Ǿ315 mm buizen heeft sterke invloed op P_c. Bij SDR41-buizen is P_c 1,95 bar. Bij SDR26-buizen is de weerstand tegen RCP veel beter (P_c = 4,40 bar). Bij met water gevulde pvc-buizen neemt de weerstand tegen RCP dus toe met toenemende wanddikte. Dit is duidelijk anders dan bij pneumatische S4-testen [13,14]. Het loont dus om dikwandige pvc-waterbuizen te kiezen, om de kans op RCP te verminderen. Bi-axiaal geörienteerde pvc-buizen tonen een 16 maal hogere weerstand tegen slagbelasting dan hard pvc-(uPVC)-buizen [15]. Verwacht wordt dat de P_c hiervan hoger zal liggen dan van normale pvc-buizen. De P _c van de SDR34-buizen is echter lager dan verwacht. Dit wordt in [12] verklaard.

(Gewijz. 15/01/2015)

Literatuur
1. Drinkwaterstatistieken 2012, Vereniging van waterbedrijven in Nederland (Vewin).
2. Breen, J., TNO rapport MT-RAP06-18659/mso. Zie: http://www.bureauleiding.nl/kennisdossier/Duurzaamheid/Levensduurverwachting%20van%20bestaande%20PVC%20leidingen.pdf. Bezocht op 20-9-2013.
3. Greenshields C.J., Plast., Rubber & Composites, Process & Appl., 26, No. 9, (1997), 387 - 393.
4. ISO 13478:2007.
5. ISO 13477:2008.
6. Greenshields C.J., Davis P. and Leevers P.S., Plast., Rubber & Composites, Process. & Appl., 26, (1997), 404 - 411.
8. Greenshields C. J. and Leevers P.S., Int. J. Fracture, 79, 85-95, 1996.
9. P. Leevers and C. Argyrakis, Plastic Pipes XV, Vancouver, October 2010.
10. Mutter, F and Benjamin, P., Third Plastics Pipe Symposium, Southampton, 1974.
11. Bystedt J., Erlandsson A-M., Enequist B. and y176refsson Chr., J. Vinyl Technol., 9 (1987), 136.
12. Hermkens R., Wolters M., Weller J. and Visser R., Plastics Pipes XIV, Budapest, 22-24 September 2008, Session 3B.
13.  J., Scholten F.L., (2013). De invloed van restspanning op de weerstand van pvc-buizen tegen RCP, H2O-Online, http://www.vakbladh2o.nl/index.php?option=com_easyblog&view=entry&id=85&Itemid=171 .
13. http://www.polypipeinc.com/admin/upload/file/What%20You%20Need%20to%20Know%20About%20RCP.pdf. Bezocht op 20-9-2013.
14. http://ad.aga.susqtech.com/SiteCollectionDocuments/Presentations/OPS%20Conf/2010/1005PALERMO_RCP.pdf. . Bezocht op 8-3-2013.
15. Fumire J., Plastic Pressure Pipes, org.: AMI Ltd., UK, Duesseldorf, February 2011.2. 12.