Zkoumání pórové struktury trubek vytvrzovaných na místě (CIPP)
U renovací potrubí metodou CIPP by měla instalační firma definovat i maximální proporcionální objem plynu ve stěně trubky. V žádném předpisu není striktně dána metoda pro jeho stanovení.
Článek byl oceněn a vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2020.
Maximální proporcionální objem plynu ve stěně trubky CIPP byl stanoven vyhodnocením snímků z digitálního optického mikroskopu a RTG tomografií. Pro srovnání jednotlivých metod byly zkoumány vzorky vytvrzené párou a vzorky vytvrzené UV zářením. Použití digitálního optického mikroskopu je ekonomicky výhodnější a dostupnější, není však tak přesné jako RTG tomografie. Větší objem plynu ve stěně trubky se vyskytuje u trubek vytvrzených párou, póry jsou uzavřené ve stěně trubky. U vzorků vytvrzených UV zářením se vyskytují i otevřené póry na povrchu trubky.
1 Úvod
Jednou z nejmladších metod patřící do skupiny bezvýkopových renovací potrubí je metoda trubek vytvrzovaných na místě. Metoda spočívá v zavedení rukávce nasyceného pryskyřicí do poškozeného potrubí a jeho následné vytvrzení. Tímto způsobem vznikne uvnitř poškozeného potrubí nové potrubí, které se vyznačuje lepšími hydraulickými vlastnostmi než původní potrubí.
Kromě fyzikálně mechanických vlastností jako je tloušťka stěny potrubí a hodnota počátečního krátkodobého modulu pružnosti v ohybu, by měla provádějící firma stanovit pro své produkty i maximální proporcionální objem vcházejícího nebo uvolňujícího se plynu ve stěně trubky. V normě ČSN EN ISO 11296-4 není striktně určen postup, jakým se má tato veličina stanovit. Je ale zmíněno, že pro ověření, že nebyla překročena maximální hodnota vcházejícího nebo uvolňujícího plynu, lze k prohlídce tenkých částí použít mikroskop. V případě stejnorodých kompozitů může poskytnout užitečné informace rovněž měření hustoty.
Cílem práce bylo prověření použitelnosti některých metod pro ověřování objemu vzduchu/plynu ve vytvrzeném kompozitu.
2 Literární přehled/popis současného stavu
Technika renovace potrubí metodou trubek vytvrzovaných na místě je relativně nová metoda, která se používá více než 45 let. Dlouho trvalo, než vůbec vznikly normy a standardy pro testování hotových produktů renovace. Vzhledem k tomu, že každá renovace je svým způsobem jedinečná, neexistují striktně stanovené hodnoty fyzikálně mechanických vlastností a konkrétní hodnoty stanovuje přímo výrobce.
Vodítkem tak mohou být zprávy výzkumných a testovacích středisek, ve kterých jsou shrnuty dosavadní zkušenosti z konkrétních realizací. Německý institut IKT Gelsenkirchen vydává každý rok souhrnnou zprávu z testování, která je zaměřena především na testování tloušťky kompozitu a na pevnostní charakteristiky [1]. Pórovitost lze přibližně určit z měrné hmotnosti trubky, konkrétní postupy popisují americké normy, např. ASTM D792. Měrná hmotnost trubky se určí na základě dílčích měrných hmotností pryskyřice a plstěného rukávce a jejich procentuálním zastoupení v kompozitu. Vliv na měrnou hmotnost má i plnivo pryskyřice [2], [3]. Norma ČSN EN ISO 11296-4 uvádí, že pro kontrolu maximální hodnoty vcházejícího nebo uvolňujícího plynu lze použít optický mikroskop [4], [5], [6].
3 Metodika
Experiment byl realizován na úřezech trubek vytvrzovaných na místě, které byly vyrobeny dvěma různými způsoby vytvrzení: vytvrzení pomocí páry a vytvrzení pomocí UV záření. V případě vzorků vytvrzovaných párou (vzorky s označením P) dochází k sycení rukávce pryskyřicí ve výrobním podniku. Obecně se u této metody předpokládá vyšší podíl objemu vzduchu ve stěně trubky. Vzduch sebou nese už samotná pryskyřice, do které se vzduch dostane v procesu míchání. Dalším technologickým krokem je sycení plstěného rukávce pryskyřicí. V této fázi se vzduch z rukávce odsává pomocí vývěvy, co zaručí lepší distribuci pryskyřice do plstěného rukávce. Počítá se však s tím, že úplné odsání přebytečného vzduchu z rukávce není technicky možné. UV metoda (vzorky s označením UV) se liší tím, že na místo instalace je dodán rukávec, který je nasycen pryskyřicí již z výroby. Pro výrobu se používá tkaná textilie z polymerních nebo skelných vláken. Vlákna jsou uspořádána, a tedy se předpokládá dokonalejší nasycení pryskyřicí a menší objem vzduchových pórů.
Pro účely experimentu byly použity vzorky s rozměry 40 × 40 mm a tloušťkou stěny 9 mm. Podíl vzduchu/plynu ve stěně kompozitu byl sledován dvěma metodami: snímání a vyhodnocení pomocí optického digitálního mikroskopu a využití RTG tomografie.
Použití digitálního optického mikroskopu
Obr. 1 Vyhodnocení snímku pořízeného digitálním optickým mikroskopem
První metoda byla založena na vyhodnocování snímků pořízených digitálním optickým mikroskopem Keyence VHX-950F s možností 20×, 50×, 100× a 200× zvětšení. Momentálně umožňuje maximální zvětšení 200×, co odpovídá 67,7× reálnému zvětšení.
Na dvě protilehlé hrany vzorku byla na plochu cca 2 cm2 nanesena kontrastní látka, která zvýraznila póry a tím usnadnila celé pozorování a vyhodnocování snímků.
Zvýrazněná plocha byla zkoumána a snímána při 50násobném zvětšení. Následně byly snímky zobrazeny v softwaru. Použitý software pak určil velikost každé vybarvené plochy a následně velikost celkové označené plochy a rovněž procentuální zastoupení z celkové snímané plochy. Způsob vyhodnocení snímků je zobrazen na Obr. 1. Na každém vzorku bylo provedeno 8 dílčích měření a výsledná hodnota podílu vzduchu byla stanovena jako průměr dílčích hodnot. Celkově bylo vyhodnocováno 5 vzorků od každé metody vytvrzování. Průměrné výsledné hodnoty měření jsou uvedeny v následující kapitole.
Použití RTG tomografie
U druhé metody byl použit výpočetní (CT) Tomograf Phoenix v|tome|x m 300. Jedná se o víceúčelový tomograf pro analýzu a 3D zobrazení velkého spektra materiálu, který pracuje s napětím až 300 kV/ 500 W. Systém nabízí špičkové zvětšení a pracovní napětí 300 kV bez ohledu na to, jestli je pozorovaný objekt menší než 1 μm.
Metoda počítačové tomografie umožňuje získat třídimenzionální model zkoumaného vzorku nedestruktivním a bezdotykovým způsobem. Umožňuje nedestruktivně zkoumat i vnitřní strukturu vzorku. RTG tomografie je založena na průchodu RTG záření zkoumaným vzorkem. RTG záření je elektromagnetické záření vlnové délky 10−8 až 10−12 m, přičemž energie záření se udává zpravidla v elektronvoltech. Princip CT tomografie spočívá v rotování vzorku kolem své osy, v prostoru mezi zdrojem RTG záření a detektorem. Zdroj vyzařuje RTG záření, které je částečně absorbováno zkoumaným vzorkem. Po přechodu vzorkem dopadá RTG záření na detektor, který mění RTG záření na elektrický signál. Platí, že čím vyšší hustotu má vzorek, tím víc RTG záření absorbuje. V průběhu rotování vzorku jsou v jednotlivých krocích snímány RTG obrazy – rentgenogramy. Z těchto obrazů vytvoří rekonstrukční software 3D model vzorku.
Obr. 2 Vyhodnocení pórovitosti vzorku P2 pomocí RTG tomografie
V případě analýzy pórové struktury pomocí RTG tomografie (Obr. 2) se vzorek velikosti cca 40 × 40 mm a tloušťky cca 9 mm virtuálně rozdělil na tři vrstvy stejné výšky. Pro experiment byla zajímavá nejen velikost vzduchových pórů, ale rovněž jejich prostorové rozložení a uspořádání ve stěně trubky. Z toho důvodu byla analyzována každá vrstva samostatně. Protože trubky vytvrzované na místě jsou samy o sobě heterogenní a rozložení pórů ani jejich objem není rovnoměrný a nějakým způsobem pravidelný, byly vzorky snímány také v různých řezech své šířky.
4 Výsledky
Použití digitálního optického mikroskopu
Vyhodnocením snímků z digitálního optického mikroskopu bylo možné stanovit obsah pórů z celkové sledované plochy. Výsledky analýzy vzorků vytvrzovaných párou jsou uvedeny v Tab. 1 a výsledky analýzy vzorků vytvrzovaných UV zářením jsou uvedeny v Tab. 2.
| Velikost pórů v μm2 | Póry z celkové snímané plochy v % | |
|---|---|---|
| P1 | 1755964 | 4,64 |
| P2 | 3901007 | 10,31 |
| P3 | 4184792 | 11,06 |
| P4 | 2344872 | 6,20 |
| P5 | 2043217 | 5,40 |
| Velikost pórů v μm2 | Póry z celkové snímané plochy v % | |
|---|---|---|
| UV1 | 1362138 | 3,60 |
| UV2 | 1540471 | 4,07 |
| UV3 | 1659715 | 4,39 |
| UV4 | 2713774 | 7,17 |
| UV5 | 1843722 | 4,87 |
Obr. 3 Vyhodnocení vrchní třetiny vzorku P2 použitím RTG tomografie
Použití RTG tomografie
Na snímcích z RTG tomografie jsou jasně viditelné vzduchové póry (černá místa). Celkový výpočet objemu vzduchu byl časově velmi náročný. Pro lepší orientaci bylo možné vybarvit póry podle jejich velikosti (Obr. 3).
Obr. 4 Snímek vzorku UV2 pořízen RTG tomografem
Na snímku vzorku UV2 (Obr. 4) jsou viditelné jednotlivé vrstvy tkané textilie rukávce (bílá místa) a vzduchové póry (černá místa), které jsou pravidelného kulovitého tvaru.
5 Diskuse
Pórová struktura vzorků byla zkoumána dvěma způsoby. Prvním způsobem bylo grafické vyhodnocení snímků z optického mikroskopu při zvětšení 50×. Póry u vzorků vytvrzovaných párou jsou převážně nepravidelného tvaru, přičemž se menší póry často spojují do jednoho většího póru. S největší pravděpodobností vznikly v stádiu sycení rukávce pryskyřičným systémem. Jsou tvořeny samotnými bublinami vzduchu v pryskyřici spojenými s prostory, které nebyly dokonale prosyceny pryskyřicí. Vzduch tvořil od 4,64 do 11,06 % objemu vzorku.
Trubky vytvrzované UV zářením obsahují menší podíl vzduchu a póry jsou pravidelného kulovitého tvaru. Maximální proporcionální objem vzduchu ve stěně vzorku byl 7,17 %. Vzhledem k velkým rozdílům ve výrobní fázi rukávců u obou metod, nejsou rozdíly v maximálním proporcionálním objemu vzduchu tak zásadní jak se ze začátku mohlo zdát.
Analýza snímků pořízených digitálním optickým mikroskopem byla relativně rychlá a jednoduchá. Nevýhodou bylo ruční obkreslování jednotlivých pórů, což mohlo vést k určitým chybám způsobeným lidským faktorem.
Vyhodnocování analýzy RTG tomografie bylo přesnější a plně automatizované, čímž došlo k omezení chyb způsobených lidským faktorem. V důsledku velkého počtu bodů a způsobu, jakým software vyhodnocuje objem vzduchových pórů je analýza časově náročná a dokonce se může stát, že program nedokáže vyhodnotit takové množství informací.
6 Závěr
Potvrdilo se, že vzorky vytvrzované UV zářením obsahují méně vzduchových pórů, než vzorky vytvrzované párou. Rozdíly v objemu vzduchu ve stěnách vzorků nebyly tak zásadní, jak se očekávalo vzhledem k rozdílům v technologii sycení a distribuci pryskyřice v rukávci. Problémem může být výskyt otevřených pórů na povrchu vzorků vytvrzovaných UV zářením, prostřednictvím kterých je umožněn průnik případných agresivních látek do stěny trubky.
Pro orientační stanovení a kontrolu maximálního proporcionálního objemu vzduchu ve stěně trubky se pozorování optickým mikroskopem jeví jako dostačující. Tato metoda je méně časově a ekonomicky náročná, než je analýza RTG tomografem.
Do budoucna se jako zajímavá může jevit otázka rozložení vzduchových pórů v stěně trubky a případný vliv na životnost a trvanlivost renovace.
Použité zdroje
- IKT-LinerReport 2017: CIPP Liner Quality: The Need to Pass all Four Tests [online]. 2018 [cit. 2019-11-17]. Dostupné z: https://www.ikt-online.org/wp-content/uploads/2018/02/ikt-linerreport-2017-english.pdf
- S. Alam, J. Matthews, R. Sterling, E. Allouche, A. Selvakumar, W. Condit, E. Kampbell & D. Downey | Shashi Dubey (Reviewing Editor) (2018) Evaluation of testing methods for tracking CIPP liners’ life-cycle performance, Cogent Engineering, 5:1, DOI: 10.1080/23311916.2018.1463594
- Selvakumar, A. & Allouche, Erez & Alam, Shaurav & Simicevic, Jadranka & Sterling, Raymond & Condit, Wendy & Matthews, John. (2012). A Retrospective Evaluation of Cured-in-Place Pipe (CIPP) Used in Municipal Gravity Sewers.
- ČSN EN ISO 11296-4. Plastové potrubní systémy pro renovace beztlakových kanalizačních přípojek a stokových sítí uložených v zemi – Část 4: Vyvložkování trubkami vytvrzovanými na místě. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018.
- ČSN EN ISO 11296-1. Plastové potrubní systémy pro renovace beztlakových kanalizačních přípojek a stokových sítí uložených v zemi – Část 1: Všeobecně. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018.
- ČSN EN ISO 11295. Návod na klasifikaci a navrhování plastových potrubních systémů používaných pro renovaci a výměnu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018.
For pipe renovation using the CIPP method, the installer company should also define the maximum proportional gas volume of any entrained air and/or evolved gas in the wall of the CIPP tube. There is no prescribed method fordetermining the maximum proportional gas volume in the wall of the CIPP. The maximum proportional volume of any entrained air and/or evolved gas in the wall of the CIPP tube was determined by evaluating pictures from a digital optical microscope and X-ray tomography. For comparison, various methods of curing have been researched (steam curing and the UV-curing). The usage of digital optical microscope is more economically and affordable, but not as exact as X-ray tomography. Greater gas volume in the pipe wall occurs in steam-cured pipes and the pores are enclosed in the pipe wall. In the case of UV-cured specimens there are also open pores on the pipe surface.