プラスチック配管

プラスチックパイプは、プラスチックでできた管状の部分、または中空の円筒です。通常は円形の断面ですが、必ずしも円形である必要はありません。主に液体や気体 (流体)、スラリー、粉末、小さな固体の塊など、流動性のある物質を輸送するために使用されます。また、構造用途にも使用できます。中空パイプは、固体部材よりも単位重量あたりの剛性がはるかに高くなります。

プラスチック配管は、飲料水、廃水、化学薬品、加熱流体および冷却流体、食品、超高純度液体、スラリー、ガス、圧縮空気、灌漑、プラスチック圧力パイプシステム、および真空システムの輸送に使用されます。

プラスチックパイプには基本的に 3 つのタイプがあります。

パイプラインですぐに使用できる熱可塑性材料の均質マトリックスの 1 層で構成され た押し出しパイプ。

構造壁パイプと継手は、物理的、機械的、および性能上の要件を満たすために材料の使用に関して最適化された設計が施された製品です。構造壁パイプは、さまざまな用途向けの配管システムのカスタムメイドのソリューションであり、ほとんどの場合、ユーザーと協力して開発されます。

結合された 3 つの層の中間に柔軟な金属層を組み込んだパイプ。バリア パイプは、たとえば、以前の使用によって汚染された地面に敷設された場合に、パイプを通過する内容物 (特に飲料水) を強力な化学物質やその他の汚染物質からさらに保護するために使用されます。

ほとんどのプラスチックパイプシステムは熱可塑性材料から作られています。製造方法は、材料を溶かし、成形し、冷却することです。パイプは通常、押し出し成形によって製造されます。^[1]

プラスチック パイプ システムは、さまざまなサービス要件を満たします。プラスチック パイプ システムの製品規格は、CEN/TC155 規格委員会によって作成されています。これらの要件は、各アプリケーションごとに、その特定の特性とともに一連の欧州製品規格に記載されています。たとえば、次のようになります。

• 飲料水の輸送：衛生要件
• ガス輸送：最高の安全要件
• 輻射暖房および床暖房用プラスチックパイプ：数十年にわたる耐熱性
• 下水道用途：高い耐薬品性

プラスチックパイプは、各用途の特定の要件を満たすことができます。長い寿命にわたって、信頼性と安全性を保ちながらそれを実現します。^[2]成功の鍵となるのは、一貫して高い品質レベルを維持することです。プラスチックパイプ製品の場合、これらのレベルはさまざまな規格によって定義されています。プラスチックパイプの性能には、柔軟性と長寿命という2つの側面が基本的に重要です。^[3]

アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS) は、飲料水、スラリー、化学物質の輸送に使用されます。最も一般的に使用されるのは、DWV (排水・廃棄物・通気) 用途です。温度範囲は -40 °C から +60 °C と広範囲です。

ABS は熱可塑性材料で、もともとは 1950 年代初頭に油田や化学産業での使用を目的として開発されました。材料の多様性と相対的なコスト効率の良さから、エンジニアリング プラスチックとして人気を博しています。個々の化学成分の比率を変更することで、さまざまな用途に合わせて調整できます。

これらは主に、高い衝撃強度と剛性が不可欠な 産業用途で使用されます。

この材料は土壌や廃棄物用の非圧力配管システムにも使用されています。^[5]

塩素化ポリ塩化ビニル(CPVC) は、多くの酸、塩基、塩、パラフィン系炭化水素、ハロゲン、アルコールに対して耐性があります。溶剤、芳香族、一部の塩素化炭化水素に対しては耐性がありません。CPVC は uPVC よりも高温の液体を運ぶことができ、最大動作温度は 200 °F (93.3 °C) に達します。CPVC は温度閾値が高く、耐薬品性があるため、住宅、商業、産業用の水や液体の輸送で推奨される主な材料の 1 つです。

高密度ポリエチレン（HDPE） - HDPEパイプは強度、柔軟性、軽量性に優れています。融合すると漏れ率はゼロになります。^[6]

PB-1は、温水および冷水の飲料水用圧力配管システム、事前絶縁地域暖房ネットワーク、表面暖房および冷却システムに使用されます。主な特性は、溶接性、耐熱性、柔軟性、および高静水圧耐性です。標準タイプの 1 つである PB 125 は、最小必要強度 (MRS) が 12.5 MPa です。また、ノイズ伝達が低く、線熱膨張が低く、腐食や石灰化がありません。

PB-1配管システムは北米では販売されていません。ヨーロッパとアジアでの市場シェアは小さいですが、着実に成長しています。クウェート、イギリス、韓国、スペインなどの市場では、PB-1は強い地位を​​築いています。^[7]

ポリエチレンは、飲料水、廃水、有害廃棄物、圧縮ガスの安全な輸送に長年使用されてきました。2つの変種は、HDPEパイプ（高密度ポリエチレン）^[8]と、より耐熱性の高いPEX（架橋ポリエチレン、XLPEとも呼ばれる）です。

PE は 1950 年代初頭からパイプに使用されてきました。PE パイプは、さまざまなサイズで押し出し成形されています。PE は軽量で柔軟性があり、溶接も簡単です。内部の仕上げが滑らかなため、優れた流動特性が得られます。この素材の継続的な開発により、その性能が向上し、世界中の大手水道・ガス会社での使用が急速に増加しています。

パイプは、ライニングやトレンチレス技術、いわゆるノーディグアプリケーションにも使用されます。このアプリケーションでは、地上を混乱させることなく溝を掘ることなくパイプが設置されます。ここでは、パイプを使用して古い配管システムをライニングし、漏水を減らして水質を改善できます。したがって、これらのソリューションは、エンジニアが古い配管システムを修復するのに役立ちます。掘削は最小限で、プロセスは地下で迅速に実行されます。

また、PE パイプ材料については、いくつかの研究で、50 年を超える予想寿命という長い実績が実証されています。

架橋ポリエチレンは、一般にXLPEまたはPEXと呼ばれます。これは熱可塑性材料で、ポリマー鎖の架橋方法に応じて3つの異なる方法で製造できます。PEXは1950年代に開発されました。ヨーロッパでは1970年代初頭からパイプに使用されており、ここ数十年で急速に普及しています。コイル状に供給されることが多く、柔軟性があるため、継手なしで構造物に巻き付けることができます。氷点下からほぼ沸騰までの温度範囲で強度があるため、温水および冷水設備、ラジエーター、床下暖房、除氷、天井冷却用途に最適なパイプ材料です^[9]

耐熱ポリエチレン (RT) または PE-RT は、ポリエチレンの従来の特性を拡張します。特殊な分子設計と製造プロセス制御により、高温での強度が向上します。

PE-RT は低温や高温への耐性があるため、幅広い温水および冷水パイプ用途に最適です。

ポリプロピレンは、食品、飲料水、超純水のほか、製薬業界や化学業界での使用に適しています。

PPはポリプロピレンから作られた熱可塑性ポリマーです。1950年代に初めて発明され、1970年代からパイプに使用されています。優れた耐衝撃性と優れた剛性、高い耐薬品性を兼ね備えたこの素材は、下水道用途に適しています。最大60°C（140°F）（連続）の動作温度範囲で優れた性能を発揮するため、この素材は土壌および廃棄物の屋内排出システムに適しています。最大90°C（194°F）（短期）の高温挙動を示す特別なPPグレードは、屋内温水供給に適しています。^[10]

ポリフッ化ビニリデン(PVDF) は、プラスチック配管用途に適した、耐薬品性と耐熱性に優れた、反応性が非常に低い熱可塑性 フッ素ポリマーです。PVDF 樹脂は、フッ化ビニリデンモノマーの重合によって生成されます。PVDF 樹脂は、PVDF パイプやその他の多くの製品の製造に使用されます。

PVDF パイプは不活性で耐久性に優れているため、さまざまな業界や用途で選ばれています。PVDF パイプは、攻撃的で腐食性の高い溶液を配管できるため、化学プロセス業界で最も多く使用されています。また、PVDF パイプは、高純度用途、半導体製造、電子機器/電気、医薬品開発、核廃棄物処理でも一般的に使用されています。

PVDF 配管の仕様と性能特性は、加圧システム条件下で 248 °F (120 °C) まで PVDF パイプを承認しています。このパイプは、軍事試験標準方法 508、81-0B によれば、菌類の増殖を助長しません。他の一般的な熱可塑性パイプ (uPVC、CPVC、PE、PP) とは異なり、PVDF は紫外線やオゾンによる酸化損傷に敏感ではないため、屋外での長期使用が承認されています。^[11]

uPVC または PVC-U は、食塩と化石燃料から得られる熱可塑性材料です。このパイプ材料は、すべてのプラスチック材料の中で最も長い歴史を持っています。最初の uPVC パイプは 1930 年代に作られました。1950 年代初頭、uPVC パイプは腐食した金属パイプの代わりとして使用され、増加する農村部、後には都市部の人口に新鮮な飲料水をもたらしました。uPVC パイプは NSF 規格 61 に従って飲料水に安全であると認定されており、北米および世界中で配水管や送水管に広く使用されています。uPVC は家庭の排水管に使用が許可されており、衛生下水道に最もよく使用されるパイプです。

その後すぐに、下水道、土壌および廃棄物、ガス（低圧）、ケーブル保護の分野での圧力および非圧力用途がさらに増えました。この素材は、公衆衛生および福祉に大きく貢献しています。

ポリ塩化ビニルまたは uPVC (非可塑性ポリ塩化ビニル) パイプは温水配管には適しておらず、2006 年以降、米国では住宅用給水配管内での使用が制限されています。コード IRC P2904.5 uPVC 記載なし。

uPVC は、動作温度範囲全体にわたって高い耐薬品性を備えており、動作圧力の幅も広いです。最大動作温度は 140 °F (60 °C)、最大作動圧力は 450 psi (3,100 kPa) と報告されています。長期的な強度特性、高い剛性、コスト効率により、uPVC システムはプラスチック配管設備の大部分を占めており、現在、さまざまな用途で 2,000,000 マイル (3,200,000 km) を超える uPVC パイプが使用されていると推定されています。

標準的なポリ塩化ビニル素材をベースに、他の 3 つのバリエーションが使用されています。

OPVC または PVCO と呼ばれる変種の 1 つは、プラスチック パイプ技術の歴史において重要な画期的な出来事です。この分子指向の二軸高性能バージョンは、より高い強度と優れた耐衝撃性を兼ね備えています。

延性がある変種としては、アクリルまたは塩素化PEで改質されたポリ塩化ビニルMPVCがあります。この延性が高く、破壊抵抗が高い材料は、ひび割れや応力腐食に対する耐性が重要となる、需要の高い用途で使用されます。いくつかの研究で、uPVCパイプの長い実績が調査されています。ドイツのKRVとオランダのTNOでの最近の調査では、uPVC水圧パイプは、正しく設置された場合、100年以上の耐用年数があることが確認されました。^[12]

プラスチック パイプは 50 年以上にわたって使用されています。プラスチック配管システムの予想寿命は 100 年を超えます。いくつかの業界調査でこの予測が実証されています。

プラスチックパイプ材料は、常に長期圧力テストに基づいて分類されてきました。パイプ壁の応力の関数として測定された破損時間は、いわゆる回帰曲線で示されます。

測定された故障時間に基づく外挿は50年に達すると計算されています。50年で予測される故障応力が分類の基準とされました。この値は50年でのMRS（最小必要応力）と呼ばれます。^[13]

プラスチック配管システムが故障する理由としては、設置時の製品の接着不良や、木の根の浸入などによる自然発生的な物理的損傷などが挙げられます。また、プラスチックパイプは乾燥した暑い夏に故障する頻度が高くなることが分かっています。^[14]

プラスチック パイプは、リング剛性によって分類されます。いくつかの製品規格で説明されている推奨剛性クラスは、SN2、SN4、SN8、SN16 です。SN は公称剛性 (kN/m2) です。パイプの剛性は、設置中に外部荷重に耐えるかどうかに重要です。数値が高いほど、パイプの剛性が高くなります。^{[引用が必要]}

正しく設置された後、パイプのたわみは限定的なものにとどまりますが、しばらくの間はある程度続きます。プラスチック パイプは、埋め込まれている土壌に対して「柔軟」に動作します。つまり、時間の経過とともにさらにたわむかどうかは、パイプの周囲の土壌の沈下によって決まります。^{[引用が必要]}

基本的に、パイプは土の動き、つまり技術者が言うところの埋め戻しの沈下に従います。つまり、パイプの設置が適切であれば、土の沈下も良好になります。それ以上のたわみは制限されます。^[要出典]

フレキシブル パイプの場合、土壌負荷は周囲の土壌によって分散され、支えられます。パイプのたわみによって生じる応力とひずみは、パイプ壁内で発生します。ただし、誘発される応力が許容限界値を超えることはありません。^[要出典]

パイプ材料の熱可塑性挙動は、誘発される応力が低いレベルまで緩和されるようなものであり、誘発されるひずみは許容レベルをはるかに下回っています。^{[引用が必要]}

この柔軟な動作は、パイプが破損しないことを意味します。パイプは破損することなく機能を維持しながら、より大きなたわみを示すだけです。^{[引用が必要]}

しかし、剛性パイプは本質的に柔軟性がなく、地盤の動きに追従しません。地盤沈下がどうであれ、剛性パイプは地盤荷重をすべて支えます。つまり、剛性パイプに過度の荷重がかかると、応力値の限界に早く達して破損します。^[要出典]

したがって、プラスチックパイプの柔軟性は安全性をさらに高めるという結論に達することができる。埋設パイプには柔軟性が求められる。^[15]

パイプ、継手、バルブ、および付属品は、プラスチック圧力パイプ システムを構成します。各パイプ システムのパイプの直径の範囲は異なります。ただし、サイズは 12 ～ 400 mm (0.472 ～ 15.748 インチ) および3 ⁄ 8～ 16 インチ (9.53 ～ 406.40 mm) の範囲です。パイプは押し出し成形されており、通常、LDPE および HDPE の場合、3 m (9.84 フィート)、4 m (13.12 フィート)、5 m (16.40 フィート)、および 6 m (19.69 フィート) の直線長と、25 m (82.02 フィート)、50 m (164.04 フィート)、100 m (328.08 フィート)、および 200 m (656.17 フィート) のコイル長で利用できます。

パイプ継手は成型されており、さまざまなサイズがあります。90° イコール T 型 (ストレートおよび径違い)、45° T 型、クロス イコール、90° エルボ (ストレートおよび径違い)、45° エルボ、短半径ベンド 90° ソケット/カップラー (ストレートおよび径違い)、ユニオン、エンド キャップ、径違いブッシュ、スタブ、フル フェイス、およびブランク フランジ。バルブも成型されており、さまざまなタイプがあります。ボール バルブ(マルチポート バルブとも呼ばれる)、バタフライ バルブ、スプリング チェック、ボール チェック、およびスイング チェックの逆止弁、ダイヤフラム バルブ、ナイフ ゲート バルブ、グローブ バルブ、圧力リリーフ/減圧バルブ。アクセサリには、溶剤、クリーナー、接着剤、クリップ、バッキング リング、およびガスケットがあります。

ウィキメディア・コモンズには、プラスチックパイプに関連するメディアがあります。

• NCCER (2006)。プラスチックパイプと継手：研修生ガイド。Prentice Hall。ISBN 0-13-160042-7。
• David Willoughby (2002)。プラスチック配管ハンドブック。McGraw-Hill Professional。ISBN 0-07-135956-7。
• Thomas Sixsmith & R. Hanselka (1997)。熱可塑性配管システム設計ハンドブック。Marcel Dekker Ltd. ISBN 0-8247-9846-5。
• David A. Chasis (1988)。プラスチック配管システム。Industrial Press。ISBN 0-8311-1181-X。
• ISO 技術委員会 TC 138 - 流体輸送用プラスチックパイプ、継手、バルブ
• ASTMプラスチックパイプ規格
• プラスチックパイプ協会 (PPI)
• プラスチックパイプおよび継手協会 (PPFA)
• 欧州プラスチックパイプおよび継手協会 (TEPPFA)