www.tubiad.org ISSN:2148-3736 El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi Cilt: 1, No: 3, 2014 (1-18) El-Cezerî Journal of Science and Engineering Vol: 1, No: 3, 2014 (1-18) ECJSE Makale / Research Paper Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi, Sektördeki Kullanım Alanları ve Performans Değerlendirmesi S.Subaşı 1, Ş. Eren 2, A.Subaşı 3, Ö.Güner 4 1 Düzce Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 81620 Düzce/TÜRKİYE 2 Ahi Evran Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, İnşaat Teknolojisi Bölümü, 40200 Kırşehir/TÜRKİYE 3 Düzce Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kompozit Malzeme Teknolojisi A.B.D. 81620 Düzce/TÜRKİYE 4 Düzce Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kompozit Malzeme Teknolojisi A.B.D., 81620 Düzce/TÜRKİYE Received/Geliş: 18.06.2014 Revised/Düzeltme: 23.06.2014 Accepted/Kabul: 19.07.2014 Özet: Otomotiv, havacılık, uzay ve savunma endüstrilerindeki hızlı gelişim hafif ve yüksek mukavemetli malzemelerin kullanımını gerekli kılmıştır. Bu amaçla cam elyaf takviyeli plastik kompozit malzemeler üretilmeye başlanmış ve yaygın bir şekilde kullanılmıştır. CTP nin farklı yüklere karşı dayanımı, çok yüksek korozyon dayanımı (yapısal olarak çelik ve ahşap malzemeye göre çürüme ve paslanma olmamasından dolayı periyodik bakıma ihtiyaç duyulmaması), hafifliği, montaj ve işçilik kolaylığı, kısa zamanda imalatı gibi özelliklere sahip olması bu malzemelerin yapılarda kullanılırken diğer geleneksel malzemelere karşı üstünlüğünün bir göstergesidir. Bütün bu özelliklerinin bir sonucu olarak CTP ler yüksek basınçlı boru üretiminde de kullanılmaktadırlar. Bu araştırmada, CTP lerin boru üretimindeki yeri ve önemine değinilmiş, CTP boru üretiminde kullanılan hammaddeler ve özelliklerinden bahsedilmiştir. Bunun yanında, CTP boru üretim yöntemleri açıklanmış ve üretilen CTP boruların sınıflandırılması, teknik özellikleri, kısa dönem performans deney yöntemleri belirtilmiştir. Ayrıca farklı projeler için tasarlanabilecek ve çeşitli ihtiyaçlara cevap verebilen daha yüksek performanslı CTP boru üretimine yönelik önerilerde bulunulmuştur. Anahtar kelimeler: CTP boru, yüksek basınçlı boru, cam elyaf, polimer, yüksek performans. The production of glass fiber reinforced polymer pipes, application areas in the sector and performance evaluation Abstract: Rapid development in the automotive, aviation, aerospace and defense industry has necessitated the use of lightweight and high strength materials. For this purpose glass fiber reinforced plastic composite materials has started to be produced and has been used widely. CTP have some properties such as resistance to different loads, very high corrosion resistance(structurally, according to steel and wood material doesn't needed a periodic maintenance due to lack of rot and corrosion), lightness, easy installation, easy labor and manufacturing in a short time. These properties shows that these materials used in structures are superior compared to other conventional materials. As a result of all these characteristics, GRP have been used in the production of highpressure pipes. In this study, it was referred to the place and importance in the production of GRP pipes, mentioned the raw materials used in the manufacture of GRP pipes and their properties. In addition, it was explained the GRP pipe production methods and specified the classification, technical properties, short-term performance test methods of produced GRP pipes. Also, it was made some suggestions for different projects could be designed and capable of responding to the various needs of higher performance for the production of GRP pipes. Keywords: GRP pipe, high pressure pipe, glass fiber, polymer, high performance. Bu makaleye atıf yapmak için Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö., Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi, Sektördeki Kullanım Alanları ve Performans Değerlendirmesi El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi 2014, 1(3); 1-18. How to cite this article Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö., The production of glass fiber reinforced polymer pipes, application areas in the sector and performance evaluation El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 2014, 1(3); 1-18.
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi 1. Giriş Cam elyaf takviyeli plastik(ctp) borular, yüksek korozyon, ısı direnci ve yüksek mukavemet özellikleri nedeniyle, yaygın olarak doğal gaz, petrol, termal su, atık su, ve hatta içme suyu gibi sıvı malzemelerin sualtı ve yeraltı taşımacılığı için kullanılmaktadır[1]. Kompozit Sanayicileri Derneği tarafından 2012 yılında yaklaşık olarak 1500 km boruya eşdeğer olan 150 bin ton CTP boru üretimi gerçekleştirildiği belirtilmekte, sektörde faaliyet gösteren firmaların 2012 yılı içerisinde yaklaşık olarak 400 milyon TL lik bir ciroya ulaşmış oldukları öngörülmekte ve bu toplam cironun yüzde 40 ının ihraç edilen ürünlerden elde edildiği belirtilmektedir. Ayrıca, 2013 yılında sektörde altyapı, sulama ve enerji projelerindeki yatırımların artarak devam edeceği düşünülmektedir[2]. Cam elyaf takviyeli plastik borular kısa ve/veya uzun cam elyaf içeren ve ana bileşenleri olarak doymamış polyester veya vinil ester gibi malzemeleri içeren kompozit yapılardır[3]. Birim uzunluğundaki ağırlığı dökme demir borularının % 20-25' i ve santrifüjlü(savurma) betonarme borularının %10' udur[4]. Hizmet ömrü boyunca aynı kalan doğal pürüzsüz iç yüzeyi nedeniyle, CTP boruları sürtünmeyi azaltır ve böylece beton, çelik ve asbest boruları gibi diğer geleneksel rakiplerinden daha düşük bir sıvı kaybı ortaya koyar. CTP boruları, aynı zamanda diğer borular ile karşılaştırıldığında düşük bir elastikiyet modülü sağlar. Bu özellik CTP'lerin iç şokları(örneğin su darbesi) yavaşlatmasına ve dolayısıyla CTP boru hatlarının uzun kullanım ömürlü olmasına yol açar[5]. Boru malzemesi üzerinde çevresel koşulların etki mekanizması, başlıbaşına ortama bağlıdır. Örneğin, bir alkalin ortamın etkisi cam elyafların filtreleme, çukurlaşma ve korozyonunu üretir. Asidik ortam ile yüklenen borunun teması deformasyon korozyonuna yol açabilir[3]. Tipik betonarme borular, kanalizasyon borusu olarak kullanıldıkları zaman kanalizasyondaki hidrojen sülfür nedeniyle korozyona karşı savunmasız kalır ve özellikle kış mevsimlerinde, otoyol ve havaalanı pist drenaj boruları olarak kullanıldığında buz çözücü tuzlarından gelen kalsiyum klorür sıvılara kötü direnç gösterir[4]. Boru malzeme parçaları, üzerinde agresif etkilere sahip olabilen çeşitli sıvılarla temas halinde olduğundan uzun vadeli su etkisinin bazı reçine bileşenlerinin çözünmesine neden olabileceği ve elyaf-reçine sisteminin ayrılmasına sebep olabileceği düşünülmelidir. Ancak, ana mekanizmaları ve sorumlu maddeleri doğrulamak için daha fazla araştırma gereklidir[3]. CTP borularda suyun uzun dönem etkisini araştırmak için standartlar geliştirilmiştir. Avrupa standardı EN1227 [6] sabit çap yönünde yükleme altında doymuş boru örneklerinin uzun dönem testleri için bir yöntem önermektedir. Bu test standardına göre, boru halkası örnekleri yaklaşık 10000 saat 'e kadar uygun koşulda tutulması gerekmektedir ve daha sonra çap yönünde daldırılmış bir durumda basınç kuvvetine tabi tutulması gerekmektedir. Daha uzun süreler için verilerin istatistiksel analizi ve verilere dayalı tahmin için kurallar da vardır[3]. Kompozit borular, kurulum esnasında veya kullanım halinde, darbe yüklerine maruz kalabilir. Bu yükler bazen görsel muayene ile fark edilmediğinde kompozit borularda potansiyel hasarlı bölgelere neden olabilir. Kalınlık doğrultusunda elyafların olmaması nedeniyle, kompozit borular enlemesine darbe yüklerine zayıftır. Buna ek olarak, sınır koşulları, boyutları, darbe hızı ve çevresel etkilere (deniz suyu, asit, nem, ısı etkisi, vb) kompozit borunun tepkisi değişebilir[1]. Şu anda, limit durumu tasarım yöntemleri ve performansa dayalı tasarım yöntemleri gibi gelişmiş tasarım yöntemleri sayesinde, boru-toprak etkileşimleri ve yapısal tasarım parametreleri üzerindeki çalışmalar kompozit malzemelerin özellikleri dikkate alınarak yapılmaktadır. CTP boruları 2
Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö. ECJSE 2014 (3) 1-18 yeraltında kurulu kompozit malzemeler olduğu için yapısal tasarım aşamasından üretim ve yerinde çalışma aşamalarına kadar geoteknik mühendisliği, malzeme mühendisliği ve inşaat mühendisliğine dayalı teorik yaklaşımlar ve sistematik çalışmalar gereklidir. Ancak, CTP borularının stabilitesi tipik olarak sorunlu bir konu olan yapısal ve malzeme kırılma özelliklerini dikkate almadan(tek esnek boru malzeme gibi dikkate alınan), izin verilebilir sehim ve anma rijitliği (nominal stiffness;sn) aracılığıyla kontrol edilir[4]. CTP boruları oldukça yüksek oranda et kalınlığına (örneğin 40-50mm) sahip olabilirken, malzeme bileşiminin elastikiyet modülü, dökme demir borular veya santrifüj betonarme borularla karşılaştırıldığında genellikle düşüktür(önemli derecede daha düşük rijitlik nedeniyle). Böylece CTP borular, dikey toprak basıncı ve nispeten büyük olan dolgudan sonra oluşan hareketli yükten dolayı deformasyonu tipik esnek boruların davranış özelliklerine sahip olma eğilimlerindedirler[4]. Esnek ve rijit borular sehim oranı ile veya borunun bağıl rijitliği ve dolgu malzemeleri ile ayırt edilir. Genel olarak yüksek elastikiyet modüllü ve kalın boru duvarı olan santrifüjlü betonarme boruları, dökme demir ve seramik boruları gibi borular rijit borular olarak sınıflandırılır iken, CTP, PE, PVC, ve koruge çelik borular gibi düşük elastikiyet modüllü ve ince boru duvarı olan borular esnek borular olarak sınıflandırılır. Farklı yapısal davranış özellikleri nedeniyle, esnek boruların ve rijit boruların temel olarak farklı üretim ve tasarım kriterleri ve yapım yöntemleri vardır[4]. Ürünün performansı esnek boru durumunda normal rijitlikle(sn), rijit boru durumunda dış mukavemet ile belirlenir. Tasarım aşamasında, esnek ve rijit borularda dolgu ve hareketli yükleri yansıtıcı farklı yöntemler vardır. Ayrıca, yapım aşamasında, yataklama ve dolgu için bu boruların farklı inşa standartları vardır[4]. İç basınca ve diğer servis yüklerine tabi tutulan CTP boruları, çember çekme dayanımının yanı sıra boyuna çekme dayanımı ve çember rijitliğini temsil eden kısa dönem hidrostatik kırılma dayanımını içeren, belirli tasarım koşullarını yerine getirmesi gereklidir. Boru rijitliği, dış yanal yüklere karşı çember sehimi için direnç ölçüsü olan borunun fiziksel bir özelliğidir[5]. Boru et kalınlığı, boru rijitliğine boru halkasının elastikiyet modülünden daha önemli ölçüde katkıda bulunur. Gerekli seviyedeki boru dayanımına ince cidarlı borular ile ulaşılabilmesine karşılık, boru rijitliği gereksinimleri CTP boru yapımında genellikle daha kalın et kalınlıkları kullanımını gerektiren montaj koşulları ile belirlenir. Sonuç olarak, CTP boru üreticileri, FRP(Fiber Takviyeli Plastik) tabakaları ile sadece kalınlığı geliştirmenin yerine ekonomik alternatif bir yöntem olarak borunun rijitliğini artırmak amacıyla FRP katları arasına emdirilmiş dolgu tabakası uygulamaya teşvik edilirler. Sertlik geliştirilmesinin yanı sıra polimer matrisi içine kum dolgu maddesi katılması olumsuz kür büzülmesi etkisini azaltmaya dayanarak boruların boyutsal kararlılığını arttırabilir [5]. Literatürde, CTP borularının kırılma analizleri ve mekanik özellikleri üzerinde farklı çalışmalar yapılmıştır. M. Farshad ve A. Necola, yapmış oldukları çalışmasında, CTP boru halka örnekleri üzerinde uzun dönem sünme testi gerçekleştirmişlerdir. CTP boru halka örneklerini 1000 saat süre ile su içinde bırakmışlar, ardından sabit ölü ağırlık altında su altında batırılmış durumda sünme deneyini gerçekleştirmişlerdir. Uzun süreli testlerde, test edilen boruların 1000 test saatine karşılık gelen dayanımının, kısa süreli dayanımın yaklaşık % 60 olduğunu ve ayrıca, 50 yıl için verilerin ekstrapolasyonu ile yaklaşık % 55 oranında bir dayanım azalması gösterdiğini belirlemişler ve sonuç olarak test edilen savurma döküm cam elyaf takviyeli polyester boruların, kanalizasyon ve drenaj sistemlerinde kullanılabileceğini belirlemişlerdir[3]. Karakuzu ve arkadaşları tarafından elyaf sarılı kompozit boruların yorulma ömrü üzerinde deniz suyunun etkisi ve enlemesine etkiyi incelenmiştir. Darbeli ve darbesiz numuneler daha sonra kompozit boruların yorulma ömrünü belirlemek için dinamik olarak iç hidrolik basınca tabi tutulmuştur. Sonuçlar, hem deniz suyu 3
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi etkisinin hem de enlemesine etkinin yorulma ömrü üzerinde önemli etkileri olduğunu belirlemişlerdir[1]. Deniz, M.E., ve arkadaşları filament sarma tekniği ile üretilen cam-epoksi kompozit borular üzerinde deniz suyunun etkilerini ve halkalı iç basınç altında yorulma ömrü üzerinde darbe yüklemesinin etkisini araştırmışlardır. Kompozit boruları 3, 6 ve 9 aylık süre ile deniz suyunda bekletmişler ve 3 farklı enerji seviyesinde(5, 7.5 ve 10 J) darbe testleri uyguladıktan sonra numuneler üzerinde yorulma testleri yapmışlar ve sonuç olarak yorulma ömrünün hem darbe enerjisine hem de deniz suyunda bekletme zamanına göre değiştiğini belirlemişlerdir. Darbe uygulanmayan numunenin yorulma ömrünün darbe uygulanan numuneninkinden daha büyük olduğunu ve ayrıca yorulma ömrünün, 3 aya kadar darbe uygulan numunelerde artış gösterdiğini ve maksimum değerine ulaştığını, daha sonra ise yorulma ömrünün, deniz suyunda bekletme zamanı içindeki artışa bağlı olarak azalma gösterdiğini belirlemişlerdir[1]. Farshad, M ve Necola, A., çalışmalarında, sülfürik asit ortamında çapsal yükleme altında elyaf sarma ilavesiyle elyaf sargılı cam elyaf takviyeli doymamış polyester borular(ctp) ile ilgili halka örnekleri üzerinde uzun süreli gerilme korozyon testlerinin etkilerini incelemişler ve bu tür boruların sanayi ve boru drenaj sistemlerinde direkt olarak kullanılabileceğini belirlemişlerdir[27]. 2. CTP Boru Üretiminde Kullanılan Standartlar CTP boru üretiminde genel olarak, TS EN 1796, TS EN 14364, ASTM D3517, ASTM D3262[24], ASTM D3754, AWWA C950, ISO 10466, 10467[25], 7685 ve ISO 10639 standartları kullanılmaktadır. Ayrıca BS 5480 ve DIN 16869[26] gibi diğer standardizasyon organizasyonları da CTP boru için performans spesifikasyonları yayınlamışlardır[7]. 3. CTP Boru Üretiminde Kullanılan Malzemeler 3.1. Takviye malzemeleri Takviye malzemeleri, reçine sistemlerinin mekanik özelliklerini arttırmak amacıyla kullanılırlar. Kompozit malzemelerde kullanılan elyaf türleri, cam elyaflar, bor elyaflar, silisyum karbür elyaflar, alümina elyaflar, aramid elyaflar, karbon elyaflarıdır. Takviyeler içinde en çok kullanılanı, cam elyaftır[8]. - Cam Elyafı E veya ECR camından oluşan ürün, üzeri uygun bağlayıcı ile kaplanmış devamlı cam elyaflarının birbirine paralel olarak biraraya getirilerek bobin halinde sarılması ile oluşturulan cam takviye malzemesidir. (ASTM D 3517[9] ye göre reçine ile uygun ölçülerde cam elyafı takviye amaçlı kullanılır)[10]. Şekil 1 de cam elyafına ait bir örnek resim görülmektedir. Şekil 1. Cam elyafı 4
Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö. ECJSE 2014 (3) 1-18 - Kırpılmış Cam Elyafı Takviye malzemesi olarak kullanılmak üzere E veya ECR camından oluşan cam elyafının 50-60 mm. uzunluklarda kesilip kırpılmasıyla oluşan cam takviye malzemesidir. (ASTM D 3517 ye göre reçine ile uygun ölçülerde cam elyafı takviye amaçlı kullanılır)[10]. Cam elyafı, ısı direncini, ısı yalıtımını, kimyasal direnci ve elektrik yalıtımını arttırır ve bununla birlikte çeşitli tiplerdeki polimer bağlayıcılarıyla birlikte kullanılır[4]. Tablo 1 de cam elyaf çeşitleri[11] ve Tablo 2 de cam elyaf türlerinin bazı özellikleri verilmiştir[12]. Şekil 2 de kırpılmış cam elyafına ait bir örnek resim görülmektedir. Tablo 1. Elyaf çeşitleri[11]. E Standart takviye malzemesidir. Düşük oranda alkali içerir(%1 den az). A Yüksek oranda alkali içerir(%10-15). E camına göre daha kötü özelliklere sahiptir. Daha az kullanılır. C E camına göre yüksek korozyon direnci sağlar, daha çok yüzey uygulamalarında kullanılır. E-CR Boron içermez. Aside karşı yüksek korozyon direnci vardır. Mekanik özellikleri E camıyla benzerdir. D Yüksek silika ve boron içerir, dielektrik uygulamalarında kullanılır, radyo frekanslarını geçirir. R,S-2 Mekanik özellikleri E camından daha iyidir. Maliyeti yüksek olduğundan sadece özel uygulamalarda kullanılır. AR Çimento takviyeleri için alkali dirençli cam fiberlerdir. Tablo 2. Cam elyafı üretilen çeşitli camların bazı özellikleri[12]. Özellikler E-Camı A-Camı M-Camı S-Camı C-Camı D-Camı R-Camı Özgül ağırlık (gr/cm 3 ) 2,54 2,45 2,89 2,49 2,45 2,16 2,58 Çekme dayanımı (Mpa) 3600 3100 3500 4500 3400 2450 4400 Kopma uzama oranı (%) 4,8 - - 5,4 4,8 - - Çekme E-Modülü (Gpa) 76 72 11,3 86 70 53 85 Kırılma indisi 1,548 1,512 1,635 1,523-1,47 - Isıl genleşme katsayısı (cm/cmk 0 ) 1,6x10-6 - - 1,7x10-6 2,2x10-6 3,1x10-6 - Lif çapı (mm) 3-20x10-3 - - 3-13x10-3 - - - Şekil 2. Kırpılmış cam elyafı 5
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi - Cam Dokuma Cam dokuma, cam elyafların aralıklı olarak hasır şeklinde dokunmasından meydana gelen takviye malzemesidir. (ASTM D 3517 ye göre reçine ile uygun ölçülerde cam elyafı takviye amaçlı kullanılır)[10]. Şekil 3 te cam dokumaya ait bir örnek resim görülmektedir. Şekil 3. Cam dokuma - Cam Keçe 50 mm uzunlukta kırpılan devamlı cam elyafının bir yüzey teşkil edecek şekilde homojen dağıtılıp uygun bir bağlayıcı ile preslenmesinden meydana gelen bir takviye malzemesidir[10]. Şekil 4 te cam keçeye ait bir örnek resim görülmektedir. Şekil 4. Cam keçe - Yüzey Tülü Yüzeylerdeki kimyasal dayanımı sağlayan astar tabakalarının(gerektiğinde) takviye edilmesi için kullanılan, metrekare ağırlığı 30-50 gram olan cam elyafı ve/veya termoplastik elyaftan yapılan bir takviye malzemesidir)[10]. Şekil 5 te yüzey tülü uygulamasına ait bir örnek resim görülmektedir. 6
Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö. ECJSE 2014 (3) 1-18 Şekil 5. Yüzey tülü uygulaması 3.2. Astar Tabakası Cam elyaf takviyeli boru ve bağlantı parçalarının akışkan ve/veya korozif ortam ile temas eden yüzeylerinde uygulanan kimyevi dayanıklılığı arttıran, tamamen saf reçineden oluşan bir tabakadır. (Bu tabaka kullanım şartlarına bağlı olarak termoplastik bir maddeden yapılabilir)[10]. 3.3. Reçine Dolgulu ya da dolgusuz termoset polyester veya epoksi reçinelerdir. ( BS 5480:1990[13] e uygun olacaktır)[10]. 3.4. Agrega Cam elyaf takviyeli boru yapımında, rijitlik performansını arttırmak amacı ile kullanılan ve büyüklüğü 0.05 mm ile 5 mm arasında değişen silisli kum gibi inert maddelerdir. (ASTM D 3517 ye uygun silisli kum)[10]. Şekil 6 da silis kumuna ait bir örnek resim görülmektedir. Şekil 6. Silis kumu Nem içeriğinin artışı, dayanımı azalttığından dolayı, nem içeriğinin %0.3 den daha az tutulması gerekir[4]. 7
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi 3.5. Dolgu Maddeleri Cam elyaf takviyeli boru ve bağlantı parçalarının yapımında, performansı arttırmak ve/veya maliyeti düşürmek amacı ile kullanılan 0.05 mm den küçük dane çapına sahip inert maddelerdir[9]. Kalsiyum karbonat, silika tozu, ya da yaklaşık 1-30 μm arasında tane boyutuna sahip uçucu kül genellikle dolgu maddesi olarak kullanılır. Dayanımdaki azalmayı önlemek için, nem içeriğinin % 0.3' den daha az olması gerekir[4]. 3.6. Katkı Maddeleri Cam elyaf takviyeli boru ve bağlantı parçalarının üretiminde reçinenin sertleştirilmesi, renklendirilmesi, diğer fiziksel ve kimyasal dayanıklılık değerlerinin artırılması amacı ile kullanılan maddelerdir[10]. 4. CTP Borularının Sınıflandırması 4.1. Basınç Sınıflarına Göre Cam takviyeli plastik borular standart olarak 5(beş) anma basıncı(pn) grubunda sınıflandırılırlar: PN 4 bar; PN 6 bar; PN 10 bar; PN 16 bar; PN 25 bar Ancak, proje gereği olarak cazibeliden 35 bar a kadar kademesiz farklı anma basınçlarında da üretilebilirler[10]. - Anma Basıncı Üretici tarafından 50(elli) yıllık kullanım ömrü baz alınarak hesaplanan, cam elyaf takviyeli plastik borunun kullanabileceği maksimum işletme basıncı seviyesidir[10]. 4.2. Rijitlik Sınıflarına Göre ISO 7685[14] ve TS EN 1796-2013[15] standartlarında rijitlik sınıflandırması N/m2 birimine göre yapılmıştır. AWWA C950[16] de ise rijitlik psi biriminde tanımlanmıştır ve N/m 2 birimindeki değerlere çok yakındır. Tablo 3 de ISO ve AWWA standartları arasındaki rijitlik karşılaştırması görülmektedir. Ne ISO da ne de AWWA da uzun dönem rijitlikle ilgili herhangi bir gereksinim tayin edilmemiştir[7]. Tablo 3. ISO 7685, TS EN 1796 ve AWWA C950 standartları arasındaki rijitlik karşılaştırması[7]. ISO 7685 ve TS EN 1796 (N/m 2 ) AWWA C 950 (psi) SN 1250 9 SN 2500 18 SN 5000 36 SN 10000 72 SN: Nominal Stifness(Anma Rijitliği) CTP borular proje şartlarına göre farklı rijitlik sınıflarında da üretilebilirler. 8
Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö. ECJSE 2014 (3) 1-18 - Anma Rijitliği Borularda rijitlik değeri, borunun doğal zemin ve geri dolgu malzemesi, statik, trafik gibi dinamik yükleri ile negatif basınçlara (vakum) karşı dayanımını belirleyen tepe yükü taşıma dayanımıdır. 5. CTP Borularının Üretim Şekli CTP boru üretim yönteminin iki farklı türü vardır. Birincisi 1960'ların sonunda geliştirilen elyaf sarma yöntemi ve diğeri 1970'lerin başında geliştirilmiş olan santrifüj(savurma) döküm yöntemidir[4]. 5.1. Elyaf Sarma Yöntemi Elyaf sarma yöntemi CTP boruları üretmek için en çok kullanılan üretim sürecidir. Bu işlem, çift taraflı ya da sürekli yöntem olarak iki farklı şekilde gerçekleştirilebilir. Çift taraflı yöntemde, ıslatılmış lifler mandrelin uzunluğu boyunca ileri ve geri giden bir gezici araç aracılığıyla bir döner mandrel üzerine uygulanır. Bu yüzden aynı zamanda ticari olarak sürekli olmayan filament sarma işlemi adını taşır. Sürme aracının zaman uyumlu ötelenme hızı ve mandrelin dönme hızı, farklı sarım açıları elde edilebilir. Şekil 7'de sürekli olmayan elyaf sarma yöntemi şematik olarak gösterilmektedir [5]. Şekil 7. Çift taraflı/süreksiz elyaf sarma prosesi[5]. Sürekli Elyaf Sarma Prosesi ile üretimde kullanılan ana makine silindir şeklinde bir mandrel oluşturan kirişlerin taşıdığı sürekli çelik bir banttan oluşur. Lojik Kontrol Sistemleri (PLC) ve bilgisayarlar (PC) denetiminde mandrelin hareketiyle dolgu maddesi kum, cam, elyaf, reçine ve yüzey malzemeleri hassas miktarlarda ölçülerek tatbik edilir. PLC - PC modülleri önceden programlanan tarifler doğrultusunda entegre proses kontrolü sağlar. Programa çap, rijitlik ve basınç sınıfı gibi temel bilgiler girilir. PC tüm makine set değerlerini hesaplar. Proses parametreleri ve boru kalınlığı sürekli takip ve kayıt altına alınarak raporlar düzenlenir. Laminat kürlenmesi ısıya bağlı olarak gelişir. Laminatın ısıtıcı elemanlarla doğrudan ısınması sağlanır. Kür bölgesinde laminat sıcaklığı değişik noktalarda ölçülür. Sıcaklık dağılımı PC monitöründen grafik olarak izlenir. Reçine çıkışı iki farklı hattan sağlanır. Yüksek korozif uygulamalarda borunun iç katına özel reçine, gövdesine ve dış kısmına ise normal reçine tatbik edilebilmektedir. Eksenel ve radial 9
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi hareketi olan boruya uyumlu kesme ünitesi, cam takviyeli borunun düzgün ve dik kesilmesini sağlar[7]. Şekil 8'de sürekli elyaf sarma yöntemi gösterilmektedir[7]. Şekil 8. Sürekli elyaf sarma yöntemi[7]. Sürekli elyaf sarma yöntemi ile üretilen borular üç ana tabakadan oluşmaktadır[10]: İç Yüzey Tabakası Boru iç yüzeyinde minimum 0.5 mm kalınlığında reçine bakımından zengin bir tabaka oluşturulur. Dayanım Tabakaları Bu bölümde imalatçısının tasarımına uygun olarak dayanım tabakaları yer almaktadır. Dış Yüzey Tabakası Boru dış yüzeyinde minimum 0.2 mm. kalınlığında reçine yönünden zengin bir tabaka oluşturulur[10]. 5.2. Santrifüj(Savurma) Döküm Yöntemi Tamamen otomatik ve elektronik kontrollü bu proseste CTP Boruları, dönen kalıp içine hammaddelerin boru dış yüzeyinden başlayıp belirlenen et kalınlığına gelene kadar beslenmesi yoluyla üretilmektedir. Bu önceden programlanmış ve sürekli tekrarlanan proseste, hammadde miktarları, kalıbın dönme hızı, tabaka tabaka oluşturulan boru katmanı, kalıp içi sıcaklık değerleri ölçülmektedir. Bir besleyici kol (feeder), belirtilen miktarda malzemeyi kalıp içerisine bırakmaktadır. Besleyici kol sonundaki kafadan, doldurma işlemi boyunca polimerize olmayacak şekilde formüle edilen reçine ve tasarım boyunda kesilen elyaflar kalıba dökülmektedir. Katmanlar içindeki elyafların dağılımı ve organizasyonu borunun tasarlanan çevresel ve eksenel yöndeki mukavemetlerini karşılayacak şekilde yapılmaktadır. Kalıp başlangıçta göreceli olarak yavaş döndürülmektedir. Tüm hammaddelerin besleme işlemi bitince sıkıştırma kuvvetini artırmak için kalıp devir hızı artırılmaktadır. Kalıp devir hızındaki artış ile tam bir sıkıştırma ve katı malzemeye 10
Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö. ECJSE 2014 (3) 1-18 geçiş (kürleşme) sağlanmaktadır. Besleme kolunun kalıp içerisindeki doğrusal ileri ve geri hareketiyle boru et kalınlığı tabaka tabaka üretilmektedir. Takviye malzemesi olan cam elyaflar boru cidarındaki nötr ekseninin her iki tarafına yerleştirilmekte, arada kalan boşluk da Silika kum, reçine ve cam elyaf ile doldurulmaktadır[6]. Şekil 9'da savurma döküm yöntemi gösterilmektedir[7]. Savurma döküm yöntemi ile üretilen borular dört ana tabakadan oluşmaktadırlar[9]. Dış Yüzey Tabakası Boru dış yüzeyinde minimum 0.2 mm. kalınlığında reçine yönünden zengin ve ultra-viole ışınlarına ve darbelere karşı boruyu koruyan kum karıştırılmış tabakasıdır. Dayanım Tabakaları Bu bölümde borunun kullanım şartlarına uygun tasarlanmış 10 adet dayanım tabakası yer almaktadır. Bariyer Tabakası Astar tabaka üstünde 2.0-2.5 mm.kalınlığında 2 ayrı katmandan oluşan reçine yönünden zengin, ağırlıkça % 10-40 arası cam elyafı ile takviye edilmiş, sızıntıları önleyen bariyer tabakasıdır. Astar Tabakası Borunun en iç yüzeyinde 1.0-2.5 mm. kalınlığında saf reçineden oluşan (standartlar bu tabakada cam elyafı olmasını yasaklar) tabakadır. 60 bara yakın merkezkaç kuvveti ile sıkışan bu tabaka cam gibi (1/100 mm. hassasiyetinde) pürüzsüzdür[10]. Şekil 9. Savurma döküm yöntemi[7]. 11
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi 6. Üretilen Ctp Boruları Üzerinde Yapılan Deneyler 6.1. Sızdırmazlık Deneyi ISO 10639:2004[17] temel standardına uygun olarak yapılan sızdırmazlık deneyinde kullanılan yöntemlerden biri tahribatsız deney yöntemidir. Bu test yönteminde cam elyaf takviyeli borular eksenel yönde yük getirmeyecek şekilde hidrostatik basınç deneyi cihazına yerleştirilir. Daha sonra deney numunesinin içinin su ile doldurulması suretiyle içindeki hava tamamen çıkarılıp, uç kısımları sızdırmaz şekilde kapatılır. ISO 7511:1999 Metod A[18] ya göre her boru anma basıncı(pn) sınıfının 1,5 katı bir basınçta 30 saniye süre ile basınca tabi tutulur ve daha sonra boruda sızma olup olmadığı kontrol edilir[17]. Şekil 10 da Sızdırmazlık deneyine ait bir resim gösterilmektedir. Şekil 10. Sızdırmazlık deneyi İkinci yöntem ise, yüksek basınçta üretilen küçük boru numunelerinin teste tabi tutulması esasına dayanır. Test basıncı, ürünün kısa dönem en yüksek basınç dayanımındakine yakındır ve deney parçasının sızdırmazlığı kontrol edilir. Yüksek basınç kullanıldığından dolayı, deney parçası daha sonra çalışma alanında kullanılamaz ve bu nedenle deney tahribatlı bir deneydir[17]. 6.2. Çember Çekme Dayanım Deneyi TS EN 1394[19] e göre çember çekme dayanım deneyi çeşitli yöntemlerle yapılabilir. Bu yöntemler, Patlatma Yöntemi, Yarık Disk Yöntemi, Şerit deney yöntemleridir[19]. 6.2.1. Patlatma deney yöntemi Kesilmiş boru parçaları, belirli bir zaman içinde gittikçe artırılarak borunun patlamasına neden olan bir iç basınca maruz bırakılır. Hidrostatik basınç uygulama sistemi, basınç uygulama işlemi başladıktan sonra, 1 dakika ile 3 dakika arasında deney parçasında bir hasar meydana getirebilmelidir. Şekil 11 de patlatma deney yöntemi gösterilmektedir[19]. 12
Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö. ECJSE 2014 (3) 1-18 Şekil 11. Patlatma deney yöntemi 6.2.3. Yarık Disk yöntemi(çember çekme) Ayrı borulardan kesilen halkalar, belirli bir zaman içinde kopma meydana gelinceye kadar yarık bir disk vasıtasıyla gittikçe artırılan bir çekme kuvvetine maruz bırakılır. Yarık diske, 1 dakika ile 3 dakika arasında hasar meydana gelecek şekilde, sabit bir ayırma hızı uygulanır. Uygulanan en büyük kuvvet ve hasar için geçen süre kaydedilir. Şekil 12 de yarık disk (çember çekme) yöntemi gösterilmektedir[19]. Şekil 12. Yarık Disk (çember çekme) deney yöntemi 6.2.4. Şerit deney yöntemi Boru cidarından çevresi boyunca kesilen şeritler, belirli bir zaman içinde kopma meydana gelinceye kadar artan bir çekme kuvvetine maruz bırakılır. Çenelere, 1 dakika ile 3 dakika arasında hasar meydana gelecek şekilde sabit bir ayırma hızı uygulanır. Şekil 13 te şerit (eksenel boyuna çekme) deney yöntemi gösterilmektedir[19]. Bu deney sonucunda bulunacak değerler ASTM D 3517-06, ASTM D 3754-06[20], AWWA C950-07 e uygun olmalıdır[7]. 13
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi Şekil 13. Şerit deney yöntemi(eksenel boyuna çekme) 6.3. Boyuna Çekme Dayanım Deneyi TS EN 1393[21] e göre boyuna çekme dayanım deneyi üç yöntemle yapılabilir: Bu deney yöntemlerinden en çok kullanılan yöntem, Çekme Şerit Deney Yöntemidir[21]. 6.3.1. Çekme Şerit Deney Yöntemi Bir borudan uzunluğu boyunca bir şerit kesilerek deney parçası olarak kullanılır. Anma boyutu DN 50 veya daha büyük olan ve çevresi boyunca filaman sarılmış borulara, malzemesinde cam kırpıntısı olan veya olmayan ve/veya sarılarak yapılmış fitilli borulara ve/veya dolgulu ve santrifüj dökümle imal edilmiş borulara uygulanır. Anma boyutu DN 200 veya daha büyük olan ve helisel sarımlı filamanlı borulara da uygulanabilir. Şekil 14 de şekillendirilmiş deney parçasının boyutları gösterilmektedir[21]. Şekil 14. Şekillendirilmiş deney parçasının boyutları[21]. Bu deney yönteminde, deney parçasında 1 dakika ile 3 dakika arasında kopma meydana getirecek şekilde çeneler sabit bir hızla ayrılır. Deney parçasına uygulanan newton cinsinden maksimum kuvvet kaydedilir[21]. Boyuna çekme dayanım deneyi sonucunda bulunacak değerler ASTM D 3517-06, ASTM D 3754-06, AWWA C950-07 ve TS EN 1796 (2013), TS EN 14364 (2013)[22] e uygun olmalıdır[7]. 14
Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö. ECJSE 2014 (3) 1-18 6.4. Rijitlik Deneyi Defleksiyon(seğim) ve rijitlik deneyi, 300+10 mm uzunluğundaki deney numunesinde gerçekleştirilir. ISO 10466[23], ve AWWA C 950 de, rijitliğin belirlenmesi için, 60±10 s içinde % 2,5 ila % 3,5 arasında bir sehime(defleksiyon) ulaşacak şekilde sabit oranda baskı kuvveti uygulanır (Şekil 15). Defleksiyon 2 dakika sabit tutulur. %3 defleksiyonda rijitlik değeri gerekli hesaplamalar yapılarak saptanır[7, 23, 16]. Şekil 15. Boru rijitliğinin belirlenmesi Defleksiyon testi için, numuneler öncelikle istenilen rijitlik değerine karşılık gelen ve Tablo 4 de belirtilen Seviye A defleksiyonuna maruz bırakılır ve borunun iç yüzeyinde boru çatlağı oluşup oluşmadığı kontrol edilir. Daha sonra numuneler Seviye B defleksiyonuna maruz bırakılır ve borunun yapısal tabakasında(kalınlık kısmında) boru çatlağı oluşup oluşmadığı kontrol edilir[7]. Tablo 4. ISO 10466/AWWA C950 de başlangıç defleksiyon gereksinimleri[7]. Sınıfı(N/m 2 Seviye A Seviye B ) (%) (%) SN 500 24,4 40,8 SN 625 22,7 37,8 SN 1000 19,4 32,4 SN 1250 18,0(18) 30,0(30) SN 2000 15,4 25,7 SN 2500 14,3(15) 23,9(25) SN 4000 12,2 20,4 SN 5000 11,3(12) 18,9(20) SN 8000 9,7 16,2 SN 10000 9,0(9) 15,0(15) 7. Sonuçlar ve Öneriler Cam elyaf takviyeli plastik(ctp) borular, yüksek korozyon, ısı direnci ve yüksek mukavemet özellikleri nedeniyle, yaygın olarak doğal gaz, petrol, termal su, atık su, ve hatta içme suyu gibi sıvı malzemelerin sualtı ve yeraltı taşımacılığı için kullanılmaktadırlar[1]. Literatür taramasında da belirtildiği gibi, cam elyaf takviyeli polyester boruların(ctp), kanalizasyon, sanayi ve boru drenaj 15
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi sistemleri vb. alanlarda direk olarak kullanılabileceği belirtilmektedir[3, 27]. Bütün bu özellikler neticesinde, Kompozit Sanayicileri Derneği, 2013 yılında CTP boru sektöründe altyapı, sulama ve enerji projelerindeki yatırımların artarak devam edeceğini belirtmektedir[2]. Çelik ve polietilen boruya, rakip gösterilen, CTP borularında, ağırlıklı olarak sulama ve içme suyu projelerinde aranan bir ürün olarak, kullanım sahasını genişletmesi beklenmektedir. Boru uygulamalarında, farklı malzemelerden üretilen boru türlerinin çelik, plastik, CTP, bakır ve beton borular olmak üzere 5 kategori - birbirinin pazarından pay alma mücadelesi, gerek yurtiçinde gerekse yurtdışında önümüzdeki yıllarda da devam etmesi beklenmektedir[28]. CTP boru üretiminde çok yüksek miktarlarda reçine tüketiminin olması ve bu tüketimin getirdiği ekonomik yükümlülük nedeniyle ihracattaki rekabet edebilme potansiyeli doğrudan olumsuz etkilenmektedir. CTP boru sektörünün gerek yurtiçinde gerekse yurtdışındaki pazar payının üst sıralara yükselebilmesi için daha fazla AR-GE faaliyetlerinin yapılması gerekmektedir. Bu amaçla yapılabilecek çeşitli AR-GE faailiyetleri ile ilgili aşağıda bazı öneriler verilmektedir. CTP boru üretiminde; Alternatif mineral dolgu ve lif takviyelerinin CTP boru üretiminde kullanılabilirliğine yönelik çalışmalar yapılabilir, Mineral katkıların kullanımında maksimum kompasiteyi sağlayacak ve polyester tüketim miktarını minimize edecek şekilde tane dağılımı belirlenebilir, Böylelikle, CTP boru üretiminde en önemli girdi maliyetini oluşturan polyester tüketim miktarı azaltılarak ekonomik ve/veya rekabet gücü yüksek boru üretimi sağlanabilir, Rijitlik parametrelerinin arttırılmasını sağlayacak farklı minerallerin tek başına veya hibrit kullanımına yönelik karışım optimizasyonları yapılabilir ve böylelikle CTP boru üretim maliyetinde herhangi bir artışa neden olmadan daha rijit boru üretimi sağlanabilir. Bazalt lif uygulamaları üzerinde, bu malzemenin potansiyel düşük maliyeti ile birlikte özellikle yüksek sıcaklıkta iyi mekanik performansı nedeniyle yeni bakış açıları ortaya çıkmaktadır. Bu ve benzeri lif malzemelerinin yüksek performanslı polimer kompozit boru üretiminde kullanımı araştırılmalıdır. Kaynaklar [1] M. E. Deniz, M. Özen, O Özdemir, R. Karakuzu, B. M. Icten. Environmental effect on fatigue life of glass epoxy composite pipes subjected to impact loading, Composites: Part B 44 (2013) 304 312. [2] http://www.kobiden.com/ctp-boru-uretiminde-kapasite-ulke-ihtiyacinin-uzerinde-19356h.htm, Son Erişim tarihi: 16.02.2014. [3] M. Farshad, A. Necola. Effect of aqueous environment on the long-term behavior of glass fiberreinforced plastic pipes, Polymer Testing 23 (2004) 163 167. 16
Subaşı S., Eren Ş., Subaşı A., Güner Ö. ECJSE 2014 (3) 1-18 [4] N. J. Jin, H. G. Hwang, J.H. Yeon. Structural analysis and optimum design of GRP pipes based on properties of materials, Construction and Building Materials, 38 (2013) 316 326. [5] R. Rafiee. Experimental and theoretical investigations on the failure of filament wound GRP pipes, Composites: Part B 45 (2013) 257 267. [6] BS EN 1227:1998. Plastics piping systems. Glass-reinforced thermosetting plastics (GRP) pipes. Determination of the long-term ultimate relative ring deflection under wet conditions. [7] http://www.superlit.com.tr/tr/katalog_pdf/pdf_katalog/katalog_turkce.pdf, Süperlit Boru Sanayi A.Ş., Son Erişim tarihi, 20.07.2013. [8] H. Yıldızhan. Polimer matrisli kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Eğitimi Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, Isparta, 2008. [9] ASTM D 3517. Standard Specification for Fiberglass (Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin) Pressure Pipe. [10] www2.dsi.gov.tr/sydk/insaat.../ctp_boru%20şartnamesi.doc. Cam takviyeli plastik (CTP) borular - DSİ Genel Müdürlüğü, Son Erişim tarihi, 20.07.2013. [11] http://www.kompozit.org.tr/documents/bildirimler/tez.pdf, Cam elyaf katkılı kompozitlerin betonun mekanik özelliklerine etkisi, Erişim tarihi, 19.07.2013. [12] H.Y. Ersoy. Kompozit malzeme, Literatür Yayınları, İstanbul, 2001. [13] BS 5480:1990 Specification for Glass Reinforced Plastics (GRP) Pipes, Joints And Fittings For Use For Water Supply Or Sewerage. [14] ISO 7685 Plastics Piping Systems-Glass-Reinforced Thermosetting Plastics (GRP) Pipes- Determination Of Initial Specific Ring Stiffness, 1998. [15] TS EN 1796, Haziran 2013. Plastik boru sistemleri- su temini için- basınçlı veya basınçsızdoymamış polyester reçine(up) esaslı cam takviyeli termoset plastik(ctp), TSE. [16] AWWA C 950-01, Feb. 15, 2007. Fiberglass Pressure Pipe, Approved by American National Standards Institute. [17] ISO 10639:2004. Plastics piping systems for pressure and non-pressure water supply -- Glassreinforced thermosetting plastics (GRP) systems based on unsaturated polyester (UP) resin. [18] ISO 7511:1999. Plastics piping systems -- Glass-reinforced thermosetting plastics (GRP) pipes and fittings -- Test methods to prove the leaktightness of the wall under short-term internal pressure. [19] TS EN 1394/Şubat 1999. ISO/DP 8521.2 nun hazırladığı Cam elyaf takviyeli termoset plâstik (GRP) borular ve ekleme parçaları başlangıç görünür çember çekme mukavemetinin tayini için deney metodu başlıklı deney standardına modifiye edilerek hazırlanan deney standardı. [20] ASTM D 3754 Standard Specification for Fiberglass (Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting- 17
ECJSE 2014 (3) 1-18 Cam Elyaf Takviyeli Polimer(CTP) Boruların Üretimi Resin) Sewer and Industrial Pressure Pipe. [21] TS EN 1393/Kasım 1997. ISO/DIS 8513 nun hazırladığı Cam elyaf takviyeli termoplâstikten yapılan borular-başlangıç boyca çekme özellikleri-deney parçası olarak bir boru ve şerit şeklinde deney parçası kullanılarak uygulanan deney metotları dokümanı esas alınarak hazırlanan deney standardı. [22] EN 14364:Feb. 15, 2013. Plastics piping systems for drainage and sewerage with or without pressure - Glass-reinforced thermosetting plastics (GRP) based on unsaturated polyester resin (UP) - Specifications for pipes, fittings and joints. [23] ISO 10466 Plastics Piping Systems-Glass-Reinforced Thermosetting Plastics(GRP) Pipes- Test Method To Prove The Resistance To Initial Ring Deflection, 15.11.1997. [24] ASTM D 3262. Standard Specification for Fiberglass (Glass-Fiber-Reinforced Thermosetting-Resin) Sewer Pipe. [25] ISO 10467:2004. Plastics piping systems for pressure and non-pressure drainage and sewerage -- Glass-reinforced thermosetting plastics (GRP) systems based on unsaturated polyester (UP) resin. [26] DIN 16869-1. Centrifugally cast and filled glass fibre reinforced polyester resin pipes Dimensions. [27] M. Farshad, A. Necola, Strain corrosion of glass fibre-reinforced plastics pipes, Polymer testing, 23 (2004) 517 521. [28] Fiberglass yapı, Cam elyaf takviyeli plastik (CTP) ürünlere alternatif ürün pazarlarındaki gelişmeler nelerdir, http://www.fiberglassyapi.com/index.php?option=com_content&view=article&id=39:camelyaf-takviyeli-plastik-ctp-urunlere-alternatif-urun-pazarlarindaki-gelismelernelerdir&catid=11&itemid=119, Son Erişim tarihi:16.06.2014 18