ISO 9080:2012
(Main)Plastics piping and ducting systems — Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation
Plastics piping and ducting systems — Determination of the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation
ISO 9080:2012 specifies a method for predicting the long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials by statistical extrapolation. The method is applicable to all types of thermoplastics pipe at applicable temperatures. It was developed on the basis of test data from pipe systems.
Systèmes de canalisations et de gaines en matières plastiques — Détermination de la résistance hydrostatique à long terme des matières thermoplastiques sous forme de tubes par extrapolation
L'ISO 9080:2012 décrit une méthode d'estimation de la résistance hydrostatique à long terme des matières thermoplastiques à l'aide d'une extrapolation par les statistiques. La méthode peut être utilisée pour tous les types de tubes thermoplastiques aux températures appropriées. Elle a été développée sur la base de données d'essai provenant de systèmes de canalisations.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 9080
Second edition
2012-10-15
Plastics piping and ducting systems —
Determination of the long-term
hydrostatic strength of thermoplastics
materials in pipe form by extrapolation
Systèmes de canalisations et de gaines en matières plastiques —
Détermination de la résistance hydrostatique à long terme des matières
thermoplastiques sous forme de tubes par extrapolation
Reference number
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ISO 2012
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction . v
0.1 General . v
0.2 Principles . v
0.3 Use of the methods . vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Acquisition of test data . 3
4.1 Test conditions . 3
4.2 Distribution of internal pressure levels and time ranges . 3
5 Procedure . 3
5.1 Data gathering and analysis . 3
5.2 Extrapolation time factors for polyolefins (semi-crystalline polymers) . 6
5.3 Extrapolation time factors for glassy, amorphous vinyl chloride based polymers . 7
5.4 Extrapolation time factors for polymers other than those covered in 5.2 and 5.3 . 7
6 Example of calculation, software validation . 7
7 Test report . 8
Annex A (normative) Methods of analysis . 9
Annex B (normative) Automatic knee detection .13
Annex C (informative) Application of SEM to stress rupture data of a semi-crystalline polymer .14
Annex D (informative) Application of SEM to stress rupture data of a vinyl chloride based polymer .22
Annex E (informative) Software for calculation of stress-rupture data according to ISO 9080 .28
Bibliography .29
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International
Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 9080 was prepared by Technical Committee ISO/TC 138, Plastics pipes, fitings and valves for the transport
of fluids, Subcommittee SC 5, General properties of pipes, fittings and valves of plastic materials and their
accessories — Test methods and basic specifications.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 9080:2003), which has been technically revised.
The following changes have been made:
— all references to lifetime have been removed, as this standard only deals with the mathematics for
extrapolation and the calculation of long-term strength;
— a more accurate description of the number and distribution of the observations and of the use of the
extrapolation has been included;
— the observations in the example of Annex C have been modified in order to comply with the specifications
of this standard and, consequently, the results of the regression calculations have been updated;
— a second set of observations has been added in Annex D in order to provide an evaluation according to
the 3-parameter model (see Annex C), and according to the 4-parameter model (see Annex D);
— a second software package has been evaluated and included in Annex E.
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Introduction
0.1 General
This Standard Extrapolation Method (SEM) is meant to be used to evaluate the long-term hydrostatic strength
of a material in pipe form. Product standards have specific requirements for the physical and mechanical
properties of the material used for the intended application. It is emphasized that the Standard Extrapolation
Method (SEM) described in this document is not intended to be used to disqualify existing procedures for
arriving at design stresses or allowable pressures for pipelines made of plastics materials, or to disqualify
pipelines made of materials proven by such procedures, for which experience over many years has been
shown to be satisfactory.
Software packages have been developed for the SEM analysis as described in Annex A and Annex B. Windows-
based programmes are commercially available (see Annex E). Use of these software packages is recommended.
0.2 Principles
The suitability of a plastics material for a pressure pipe is determined by its long-term performance under
hydrostatic stress when tested in pipe form, taking into account the envisaged service conditions (e.g.
temperature). For design purposes, it is conventional to express this by means of the hydrostatic (hoop) stress
which a plastics pipe made of the material under consideration is expected to be able to withstand for 50 years
at an ambient temperature of 20 °C using water as the internal test medium. The outside test environment can
be water or air. This method is not intended to imply service life. In certain cases, it is necessary to determine
the value of the hydrostatic strength at either shorter design times or higher temperatures, or on occasion both.
The method given in this International Standard is designed to meet the need for both types of estimate. The
result obtained will indicate the lower prediction limit (LPL), which is the lower confidence limit of the prediction
of the value of the stress that can cause failure in the stated time at a stated temperature.
This International Standard provides a definitive procedure incorporating an extrapolation method using
test data at different temperatures analysed by multiple linear regression analysis. The results permit the
determination of material-specific design values in accordance with the procedures described in the relevant
product standards.
This multiple linear regression analysis is based on the rate processes most accurately described by log (stress)
versus log (time) models.
In order to assess the predictive value of the model used, it has been considered necessary to make use of
the estimated 97,5 % lower prediction limit (LPL). The 97,5 % lower prediction limit is equivalent to the lower
97,5 % confidence limit for the predicted value. This convention is used in the mathematical calculations to be
consistent with the literature. This aspect necessitates the use of statistical techniques.
The method can provide a systematic basis for the interpolation and extrapolation of stress rupture characteristics
at operating conditions different from the conventional 50 years at 20 °C (see 5.1.5).
Thermoplastic materials in pipe form such as mineral filled thermoplastic polymer, fibre reinforced thermoplastics,
plasticized thermoplastics, blends and alloys may have further considerations with regards to prediction of long
term strength which have to be taken into account in the corresponding product standards.
It is essential that the medium used for pressurizing the pipe does not have an adverse effect on the pipe. In
general, water is considered to be such a medium.
Long consideration was given to deciding which variable should be taken as the independent variable to
calculate the long-term hydrostatic strength. The choice was between time and stress.
The basic question the method has to answer can be formulated in two ways, as indicated below:
a) What is the maximum stress (or pressure) that a given material in pipe form can withstand at a given
temperature for a defined time?
b) What is the predicted time to failure for a material in pipe form at a given stress and temperature?
Both questions are relevant.
If the test data for the pipe under study does not show any scatter and if the pipe material can be described
perfectly by the chosen empirical model, the regression with either time independence or stress independence
will be identical. This is never the case because the circumstances of testing are never ideal nor will the
material be 100 % homogeneous. The observations will therefore always show scatter. The regressions
calculated using the two optional independent variables will not be identical and the difference will increase
with increasing scatter.
The variable that is assumed to be most affected by the largest variability (scatter) is the time variable and it
has to be considered as a dependent variable (random variable) in order to allow a correct statistical treatment
of the data set in accordance with this method. However, for practical reasons, the industry prefers to present
stress as a function of time as an independent variable.
0.3 Use of the methods
The purpose of this extrapolation method is to estimate the following:
1)
a) The lower prediction limit (at 97,5 % probability level) of the stress which a pipe made of the material
under consideration is able to withstand for 50 years at an ambient temperature of 20 °C using water or air
as the test environment. In accordance with ISO 12162, the categorised value of this lower prediction limit
is defined as MRS and is used for classification of the material.
b) The value of the lower prediction limit (at 97,5 % probability level) of the stress, either at different design
times or at different temperatures, or on occasion both. In accordance with ISO 12162, the categorised
value of this lower prediction limit is defined as CRSθ and is used for design purposes.
,t
There are several extrapolation models in existence, which have different numbers of terms. This SEM will use
only models with two, three or four parameters.
Adding more terms could improve the fit but would also increase the uncertainty of the predictions.
The SEM describes a procedure for estimating the lower prediction limit (at 97,5 % probability level) whether a
knee (which demonstrates the transition between data type A and type B) is found or not (see Annex B).
The materials are tested in pipe form for the method to be applicable.
The final result of the SEM for a specific material is the lower prediction limit (at 97,5 % probability level) of the
hydrostatic strength, expressed in terms of the hoop stress, at a given time and a given temperature.
For multilayer pipes, the determination of the long-term hydrostatic pressure strength of the products is carried
out in accordance with ISO 17456.
For composite and reinforced thermoplastics pipes, guidance on the use of this method is given in the
product standards.
Guidance for the long-term strength of a specific material with reference lines is given in the appropriate
product standard.
1) In various ISO documents, the lower prediction limit (LPL) is defined incorrectly as the lower confidence limit (LCL),
where LCL is the 97,5 % lower confidence limit for the mean hydrostatic strength.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 9080:2012(E)
Plastics piping and ducting systems — Determination of the
long-term hydrostatic strength of thermoplastics materials in
pipe form by extrapolation
1 Scope
This International Standard specifies a method for predicting the long-term hydrostatic strength of thermoplastics
materials by statistical extrapolation. The method is applicable to all types of thermoplastics pipe at applicable
temperatures. It was developed on the basis of test data from pipe systems.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document
(including any amendments) applies.
ISO 1167-1, Thermoplastics pipes, fittings and assemblies for the conveyance of fluids — Determination of the
resistance to internal pressure — Part 1: General method
ISO 1167-2, Thermoplastics pipes, fittings and assemblies for the conveyance of fluids — Determination of the
resistance to internal pressure — Part 2: Preparation of pipe test pieces
ISO 2507-1:1995, Thermoplastics pipes and fittings — Vicat softening temperature — Part 1: General test method
ISO 3126, Plastics piping systems — Plastics piping components — Measurement and determination of dimensions
ISO 11357-3, Plastics — Differential scanning calorimetry (DSC) — Part 3: Determination of temperature and
enthalpy of melting and crystallization
ISO 12162, Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure applications ― Classification,
designation and design coefficient
ISO 17456, Plastics piping systems — Multilayer pipes — Determination of long-term strength
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
internal pressure
p
force per unit area exerted by the medium in the pipe, in bars
3.2
stress
σ
force per unit area in the wall of the pipe in the hoop (circumferential) direction due to internal pressure, in megapascals
NOTE It is derived from the internal pressure using the following simplified equation:
pd()−e
em y,min
σ =
20e
y,min
where
p is the internal pressure, in bars;
d is the mean outside diameter of the pipe, in millimetres;
em
e is the minimum measured wall thickness of the pipe, in millimetres.
y,min
3.3
test temperature
T
t
temperature at which stress rupture data have been determined, in degrees Celsius
3.4
maximum test temperature
T
t,max
maximum temperature at which stress rupture data have been determined, in degrees Celsius
3.5
service temperature
T
s
temperature at which the pipe will be used, in degrees Celsius
3.6
time to failure
t
time to occurrence of a leak in the pipe, in hours
3.7
maximum test time
t
max
time obtained by averaging the logarithms of the five longest times to failure, in hours
3.8
extrapolation time
t
e
time limit for which extrapolation is allowed, in hours
3.9
long-term hydrostatic strength
σ
LTHS
quantity with the dimensions of stress, which represents the predicted mean strength at a temperature T and
time t, in megapascals
3.10
lower confidence limit of the predicted hydrostatic strength
σ
LPL
quantity with the dimensions of stress, which represents the 97,5 % lower confidence limit of the predicted
hydrostatic strength at a temperature T and time t, in megapascals
NOTE It is given by
σ = σ
LPL (T, t, 0,975)
3.11
knee, data type A, data type B
point of intersection of two branches at the same temperature; data points used to calculate the first branch are
designated as type A, data points used to calculate the second branch are designated as type B
3.12
branch
line of constant slope in the log (stress) versus log (time) plot representing the same failure mode
10 10
2 © ISO 2012 – All rights reserved
3.13
extrapolation time factor
k
e
factor for calculation of the extrapolation time
4 Acquisition of test data
4.1 Test conditions
The pipe stress rupture data shall be determined in accordance with ISO 1167-1 and ISO 1167-2. The
determination of the resistance to internal pressure shall be carried out using straight pipes.
The mean outside diameter and minimum wall thickness of each pipe test piece shall be determined in
accordance with ISO 3126.
For all calculations, the pipes tested shall be of the same nominal dimension and made from the same batch
of material and come from the same production run.
For existing materials evaluated according to ISO/TR 9080:1992 or ISO 9080:2003, the initial data set may be complemented
by additional data produced from other batches to meet the requirements of 4.2. In such case, the additional data should
be spread regularly at each temperature and documented in the test report.
4.2 Distribution of internal pressure levels and time ranges
4.2.1 For each temperature selected, a minimum of 30 observations shall be obtained, spread over the
testing time. Internal pressure levels shall be selected such that at least four observations will occur above
7 000 h and at least one above 9 000 h (see also 5.1.5). In the event of prediction based on the second branch,
a minimum number of 20 observations is required for the second branches, with a minimum of 5 observations
per temperature.
4.2.2 For all temperatures, times to failure up to 10 h shall be neglected.
4.2.3 At temperatures ≤ 40 °C, times to failure up to 1 000 h may be neglected, provided that the number
of remaining observations conforms to 4.2.1. In that case, at the selected temperature(s), all points below the
selected time shall be discarded.
4.2.4 Test pieces which have not failed above 1 000 h may be used as observations in the multiple linear
regression computations and for the determination of the presence of a knee. Otherwise, they should be
disregarded, provided that the number of remaining observations conforms to 4.2.1.
5 Procedure
5.1 Data gathering and analysis
5.1.1 General
The method is based on multiple linear regression and calculation details given in Annex A. It requires testing
at two or more temperatures and times of 9 000 h or longer and is applicable whether or not indications are
found for the presence of a knee.
5.1.2 Required test data
Obtain test data in accordance with Clause 4 and the following conditions, using two or more
temperatures T , T , …, T :
1 2 n
a) Each pair of adjacent temperatures shall be separated by at least 10 °C and at most 50 °C.
b) One of the test temperatures shall be 20 °C or 23 °C.
c) The highest test temperature T shall not exceed the Vicat softening temperature, VST , determined in
t,max B50
accordance with ISO 2507-1:1995 minus 15 °C for glassy amorphous polymers, or the melting temperature
determined in accordance with ISO 11357-3 minus 15 °C for semi-crystalline polymers.
d) The number of observations and the distribution of internal pressure levels at each temperature shall
conform to 4.2.
e) To obtain an optimum estimate of σ , the range of test temperatures shall be selected such that it
LPL
includes the service temperature or range of service temperatures.
Failures resulting from contamination may be disregarded, provided that the number of remaining observations
conforms to 4.2.1.
All valid data points shall be used in the calculations.
For most materials, the test environment and test temperatures are specified in the relevant product standards.
5.1.3 Detection of a knee and validation of data and model
Use the procedure given in Annex B to detect the presence of any knee.
After detecting a knee at any particular temperature, split the data set into two groups, one belonging to the first
branch (data type A), the other belonging to the second branch (data type B).
Fit the multiple linear regression as described in Annex A independently, using all first-branch (type A) data
points for all temperatures and all second-branch (type B) data points for all temperatures.
When studying the data for the occurrence of a knee, attention should be paid to the occurrence of a degradative
failure. Such data (usually characterized by a nearly stress-independent line and visually recognizable) should not
be considered for the calculation, but should only be used for determination of the extrapolation time (see 5.1.5).
If the automatic knee detection does obviously not correspond with the visual examination of the diagram, then
the data points type A and type B in the region of the predicted knee can be manually reclassified to better align
the knee point position with the data. In this case all data points at higher stresses than the stress level of the
reclassified transition from type A to type B data points shall be declared type A and all data points at lower
stresses shall be declared type B. The extrapolation shall be performed again without automatic knee detection.
It is recommended in this case that more data points beyond the time of the predicted knee are obtained.
The reasons for following the manual procedure and details of the changes made for the analysis shall be
justified and included in the test report, see Clause 7.
5.1.4 Visual verification
Plot the observed data points, the σ linear regression lines and the σ curves as a graph on a log σ /
LTHS LPL 10
log (time) scale.
5.1.5 Extrapolation time and extrapolation time factor
Determine the extrapolation time t using the following information and procedures.
e
4 © ISO 2012 – All rights reserved
The time limits t for which extrapolation is allowed, are bound to be temperature-dependent values. The
e
extrapolation time factor k as a function of ΔT is based on the following equation:
e
ΔT = T − T
t
where
T is the test temperature to which the extrapolation time factor k is applied, T ≤ T , in degrees
t e t t,max
Celsius;
T is the maximum test temperature, in degrees Celsius;
t,max
T is the temperature for which the extrapolation time is calculated, T ≤ T, in degrees Celsius;
s
T is the service temperature, in degrees Celsius.
s
Calculate the extrapolation time t , using the following equation:
e
t = k t
e e max
Obtain the maximum test time t , by averaging the logarithms of the five longest times to failure, which are
max
not necessarily at the same stress level, but at the same temperature. Test pieces that have not yet failed may
be considered as data points for this purpose. All those points shall belong to the population with which all
calculations are performed.
If the data at the maximum test temperature are not used for determination of the regression model, these
data are only used for the determination of the maximum test time t and consequently for the extrapolation
max
time t . Such choices of calculation shall be justified and reported. Extrapolation is not permitted above the
e
temperature range of the regression model.
The data obtained may be used for predicting the strength down to 20 °C below the lowest test temperature,
provided that there is no change of state of the material, e.g. glass transition.
NOTE It is recommended that test data be generated at the lowest predicted temperature to demonstrate performance.
Examples of the application of the extrapolation time factor are presented in Figures 1 to 3. Figure 2 represents
the case that a knee has been detected only at the highest temperature. Figure 3 refers specifically to the case
that a knee has been detected at higher temperatures. Values of the extrapolation time factor k are assigned
e
in 5.2 and 5.3.
NOTE In cases like Figure 2, t is positioned at the time of the knee point.
max
Figure 1 — Extrapolation time in the case of extrapolation
without a knee at the highest test temperature
Figure 2 — Extrapolation time in the case of extrapolation
with a knee only at the highest test temperature
Figure 3 — Extrapolation time in the case of extrapolation
with knees at different test temperatures
5.2 Extrapolation time factors for polyolefins (semi-crystalline polymers)
For extrapolation of stress rupture data of polyolefins, the extrapolation time is based on an experimentally
determined time to failure at the relevant maximum test temperature and an Arrhenius equation for the
temperature dependence using the apparent activation energy calculated from the third (degraded) branch of
the curve for stabilized polyolefins (which is 110 kJ/mol, i.e. a conservative value for the activation energy from
the third branch). This yields the extrapolation time factors k given in Table 1.
e
6 © ISO 2012 – All rights reserved
Table 1 — Relationship between ΔT ( = T – T) and k for polyolefins
t e
ΔT
k
e
°C
≥ 10 but < 15 2,5
≥ 15 but < 20 4
≥ 20 but < 25 6
≥ 25 but < 30 12
≥ 30 but < 35 18
≥ 35 but < 40 30
≥ 40 but < 50 50
≥ 50 100
5.3 Extrapolation time factors for glassy, amorphous vinyl chloride based polymers
For extrapolation of stress rupture data for vinyl chloride based polymers, the extrapolation time is based
on an experimentally determined time to failure at the maximum test temperature, which is 15 °C below the
Vicat softening temperature, and an Arrhenius equation for the temperature dependence, which employs the
estimated activation energy calculated from the assumed third (degraded) branch of the curve for vinyl chloride
based polymers (which is 178 kJ/mol). This yields the extrapolation time factors k given in Table 2.
e
Table 2 — Relationship between ΔT ( = T − T) and k for vinyl chloride based polymers
t e
ΔT
k
e
°C
≥ 5 but < 10 2,5
≥ 10 but < 15 5
≥ 15 but < 20 10
≥ 20 but < 25 25
≥ 25 but <
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 9080
Deuxième édition
2012-10-15
Systèmes de canalisations et de gaines
en matières plastiques — Détermination
de la résistance hydrostatique à long
terme des matières thermoplastiques
sous forme de tubes par extrapolation
Plastics piping and ducting systems — Determination of the long-
term hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by
extrapolation
Numéro de référence
©
ISO 2012
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Publié en Suisse
ii © ISO 2012 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction . v
0.1 Généralités . v
0.2 Principes . v
0.3 Utilisation de la méthode . vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Obtention des données . 3
4.1 Conditions d’essai . 3
4.2 Répartition des niveaux de pression et des gammes de tenues . 3
5 Mode opératoire . 3
5.1 Acquisition des données et analyse . 3
5.2 Facteurs d’extrapolation dans le temps des polyoléfines (polymères semi-cristallins) . 7
5.3 Facteurs d’extrapolation des polymères amorphes vitreux à base de chlorure de vinyle . 7
5.4 Facteurs d’extrapolation d’autres polymères que ceux mentionnés en 5.2 et 5.3 . 8
6 Exemple de calcul, validation du logiciel . 8
7 Rapport d’essai . 8
Annexe A (normative) Méthodes d’analyse .10
Annexe B (normative) Recherche automatique d’un genou .14
Annexe C (informative) Application de la SEM à des résultats d’essais de rupture sous contrainte pour
un polymère semi-cristallin .15
Annexe D (informative) Application de la SEM à des résultats d’essais de rupture sous contrainte pour
un polymère à base de chlorure de vinyle .23
Annexe E (informative) Logiciel pour le calcul des résultats d’essais de rupture sous contrainte
conformément à l’ISO 9080 .29
Bibliographie .30
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales,
en liaison avec l’ISO participent également aux travaux. L’ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d’élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur publication
comme Normes internationales requiert l’approbation de 75 % au moins des comités membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de droits
de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir
identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L’ISO 9080 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 138, Tubes, raccords et robinetterie en matières
plastiques pour le transport des fluides, sous-comité SC 5, Propriétés générales des tubes, raccords et
robinetteries en matières plastiques et leurs accessoires — Méthodes d’essais et spécifications de base.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 9080:2003), qui a fait l’objet d’une révision
technique. Les modifications suivantes ont été apportées:
— la présente norme ne traitant que de mathématiques pour l’extrapolation et le calcul de la résistance à long
terme, toutes les références à la durée de vie ont été retirées;
— une description plus précise du nombre et de la distribution des observations ainsi que de l’utilisation de
l’extrapolation a été ajoutée;
— les observations dans l’exemple de l’Annexe C ont été modifiées afin d’être conformes aux spécifications
de la présente norme et, par conséquent, les résultats des calculs de régression ont été mis à jour;
— une deuxième série d’observations a été ajouté dans l’Annexe D afin de fournir une évaluation selon le
modèle à 3 paramètres (voir l’Annexe C) et selon le modèle à 4 paramètres (voir l’Annexe D);
— un second logiciel a été évalué et ajouté dans l’Annexe E.
iv © ISO 2012 – Tous droits réservés
Introduction
0.1 Généralités
La présente méthode normalisée d’extrapolation (SEM, standard extrapolation method) est destinée à être
utilisée en vue d’évaluer la résistance hydrostatique à long terme d’une matière sous forme de tube. Les normes
de produit comportent des exigences spécifiques relatives aux propriétés physiques et mécaniques de la
matière utilisée pour l’application prévue. Il est bien entendu que la méthode normalisée d’extrapolation (SEM)
décrite dans le présent document n’est pas destinée à rejeter des modes opératoires existants de détermination
des contraintes de calcul ou des pressions admissibles des canalisations en matières plastiques, ni à rejeter
des canalisations à base de matières qui, contrôlées selon ces modes opératoires, donnent satisfaction depuis
de nombreuses années.
Des logiciels on été développés pour l’analyse SEM, telle que décrite dans l’Annexe A et l’Annexe B. Des
programmes, basés sur Windows, sont disponibles sur le marché (voir l’Annexe E). L’utilisation de ce type de
logiciel est recommandée.
0.2 Principes
L’aptitude d’une matière plastique pour un tube soumis à la pression est déterminée par sa performance à long
terme sous contrainte hydrostatique lorsqu’elle est soumise à essai sous la forme d’un tube, en tenant compte
des conditions de service envisagées (par exemple, la température). Pour des raisons de conception, par
convention, cela s’exprime à l’aide de la contrainte hydrostatique (circonférentielle) à laquelle un tube en plastique
à base de la matière considérée, est estimé pouvoir résister pendant 50 ans à la température ambiante de
20 °C, avec de l’eau comme milieu interne d’essai. Le milieu extérieur peut être de l’eau ou de l’air. La présente
méthode ne présume pas de la durée de vie en service. Dans certains cas, il est nécessaire de déterminer
la valeur de la résistance hydrostatique pour des durées de conception plus courtes ou des températures
plus élevées, ou, à l’occasion, pour les deux. La méthode donnée par la présente Norme internationale est
conçue de manière à répondre aux besoins de ces deux types d’estimation. Le résultat obtenu indique la limite
inférieure de prévision (LPL, lower prediction limit), qui est la limite inférieure de confiance de la prévision de la
valeur de la contrainte qui peut provoquer la rupture en un temps et à une température donnés.
La présente Norme internationale donne un mode opératoire décisif incorporant une méthode d’extrapolation
utilisant des données d’essai obtenues à différentes températures, analysées à l’aide d’une régression linéaire
multiple. Les résultats permettent de déterminer les valeurs de calcul spécifiques à la matière, selon les modes
opératoires décrits dans les normes de produit concernées.
La présente régression linéaire multiple s’appuie sur les processus les plus fidèlement décrits par les modèles
log (contrainte) en fonction de log (temps).
10 10
Afin d’estimer la valeur des prévisions du modèle utilisé, il a été considéré comme nécessaire d’utiliser la
limite inférieure de prévision à 97,5 % (LPL). La limite inférieure de prévision à 97,5 % est équivalente à la
limite inférieure de confiance à 97,5 % pour la valeur prévue. Cette convention est utilisée dans les calculs
mathématiques, afin d’être en accord avec la littérature. Cela nécessite l’utilisation de techniques statistiques.
La méthode peut constituer une base pour l’interpolation et l’extrapolation des caractéristiques des contraintes
de rupture à des conditions de service différentes de la condition conventionnelle de 50 ans à 20 °C (voir 5.1.5).
Les matières thermoplastiques en forme de tube telles que le polymère thermoplastique rempli de minéraux,
les thermoplastiques renforcés de fibre, les thermoplastiques plastifiés, les mélanges et les alliages peuvent
faire l’objet de considérations supplémentaires concernant la prédiction de la résistance à long terme qui doit
être prise en compte dans les normes de produit correspondantes.
Il est essentiel que le milieu utilisé pour la mise sous pression des tubes n’ait pas d’influence défavorable sur
le tube. L’eau est, en général, considérée comme étant un milieu de cette nature.
De longues considérations ont été nécessaires pour déterminer quelle variable devait être prise comme
variable indépendante pour calculer la résistance hydrostatique à long terme. Il y avait le choix entre le temps
et la contrainte.
La question de base, à laquelle la méthode doit répondre, peut se poser des deux manières suivantes:
a) Quelle est la contrainte maximale (ou la pression) qu’une matière donnée sous forme de tubes peut
supporter à une température donnée pendant une durée fixée?
b) Quel est le temps estimé avant rupture pour une matière sous forme de tube soumise à une contrainte et
une température donnée?
Les deux questions sont pertinentes.
Si les données expérimentales relatives au tube considéré ne sont pas dispersées et si la matière constitutive
de ce tube peut être parfaitement décrite par le modèle empirique retenu, la régression est identique si la
variable indépendante est soit le temps, soit la contrainte. Or, ce n’est jamais le cas, car les circonstances
d’essai ne sont jamais parfaites et la matière n’est pas homogène à 100 %. Les observations sont donc
toujours dispersées. Par conséquent, les régressions calculées en utilisant les deux variables indépendantes
optionnelles ne sont pas identiques et la différence augmente avec la dispersion.
Il est admis que le temps est la variable la plus sensible à une grande variation (dispersion); il doit être considéré
comme la variable dépendante (variable aléatoire) afin de permettre un traitement statistique correct des
données, selon la présente méthode. Cependant, pour des raisons pratiques, l’industrie préfère représenter la
contrainte en fonction du temps, pris comme variable indépendante.
0.3 Utilisation de la méthode
L’objet de la présente méthode d’extrapolation est:
1)
a) d’estimer la limite inférieure de la prévision (au niveau de probabilité de 97,5 %) de la contrainte à laquelle
un tube, à base de la matière considérée, peut résister pendant 50 ans à la température ambiante de
20 °C, avec de l’eau ou de l’air comme ambiance d’essai; conformément à l’ISO 12162, la valeur de cette
limite inférieure de la prévision est définie comme valeur de la MRS et permet d’établir une classification
de la matière;
b) d’estimer la valeur de la limite inférieure de la prévision (au niveau de probabilité de 97,5 %) de la
contrainte soit à des durées de conception ou à des températures différentes, soit aux deux à l’occasion;
conformément à l’ISO 12162, la valeur de cette limite inférieure de la prévision est définie comme valeur
de la CRSθ,t et elle est utilisée à des fins de conception.
Il existe de nombreux modèles d’extrapolation, qui diffèrent entre eux par le nombre de leurs termes. La
présente SEM utilise seulement des modèles à deux, trois ou quatre paramètres.
L’ajustement peut être amélioré en ajoutant davantage de termes, mais l’incertitude des prévisions augmenterait.
La SEM décrit un mode opératoire pour estimer la limite inférieure de prévision (au niveau de probabilité de
97,5 %), qu’il y ait un genou (preuve de la transition entre le type de données A et le type B) ou non (voir l’Annexe B).
La matière est soumise à essai sous forme d’un tube pour que la méthode soit applicable.
Le résultat final de la SEM, pour une matière donnée, est la limite inférieure de la prévision (au niveau de
probabilité de 97,5 %) de la résistance hydrostatique, exprimée en termes de contrainte circonférentielle à une
durée et à une température données.
Pour les tubes multicouches, la résistance hydrostatique sous pression à long terme des produits doit être
déterminée conformément à l’ISO 17456.
1) Dans différents documents ISO, la limite inférieure de prévision (LPL, lower prediction limit) est improprement définie
comme la limite inférieure de confiance (LCL, lower confidence limit), où LCL est la limite inférieure de confiance à 97,5 %
de la moyenne de la résistance hydrostatique.
vi © ISO 2012 – Tous droits réservés
Pour les tubes thermoplastiques renforcés et les composites, les lignes directrices pour l’utilisation de la
présente méthode sont données dans les normes de produit.
Des lignes directrices pour la résistance à long terme d’une matière spécifique, ainsi que des lignes de
référence, sont données dans les normes de produit appropriées.
NORME INTERNATIONALE ISO 9080:2012(F)
Systèmes de canalisations et de gaines en matières
plastiques — Détermination de la résistance hydrostatique à
long terme des matières thermoplastiques sous forme de tubes
par extrapolation
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale décrit une méthode d’estimation de la résistance hydrostatique à long terme
des matières thermoplastiques à l’aide d’une extrapolation par les statistiques. La méthode peut être utilisée
pour tous les types de tubes thermoplastiques aux températures appropriées. Elle a été développée sur la
base de données d’essai provenant de systèmes de canalisations.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 1167-1, Tubes, raccords et assemblages en matières thermoplastiques pour le transport des fluides —
Détermination de la résistance à la pression interne — Partie 1: Méthode générale
ISO 1167-2, Tubes, raccords et assemblages en matières thermoplastiques pour le transport des fluides —
Détermination de la résistance à la pression interne — Partie 2: Préparation des éprouvettes tubulaires
ISO 2507-1:1995, Tubes et raccords en matières thermoplastiques — Température de ramollissement Vicat —
Partie 1: Méthode générale d’essai
ISO 3126, Systèmes de canalisations en plastiques — Composants en plastiques — Détermination des dimensions
ISO 11357-3, Plastiques — Analyse calorimétrique différentielle (DSC) — Partie 3: Détermination de la
température et de l’enthalpie de fusion et de cristallisation
ISO 12162, Matières thermoplastiques pour tubes et raccords pour applications avec pression — Classification,
désignation et coefficient de calcul
ISO 17456, Systèmes de canalisations en matières plastiques — Tubes multicouches — Détermination de la
résistance à long terme
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
3.1
pression interne
p
force par unité de surface, exercée par le fluide dans le tube, en bars
3.2
contrainte
σ
force par unité de surface dans la paroi du tube, exercée dans le sens circonférentiel, due à la pression interne,
en mégapascals
NOTE Elle est dérivée de la pression interne, à l’aide de l’équation simplifiée suivante:
pd()−e
em y,min
σ =
20e
y,min
où
p est la pression interne, en bars;
d est le diamètre extérieur moyen du tube, en millimètres;
em
e est l’épaisseur minimale de paroi du tube, en millimètres.
y,min
3.3
température d’essai
T
t
température à laquelle les données sur la rupture sous contrainte ont été déterminées, en degrés Celsius
3.4
température maximale d’essai
T
t,max
température maximale à laquelle les données sur la rupture sous contrainte ont été déterminées, en degrés Celsius
3.5
température de service
T
s
température à laquelle le tube sera utilisé, en degrés Celsius
3.6
tenue
t
durée avant l’apparition d’une fuite du tube, en heures
3.7
durée maximale d’essai
t
max
durée obtenue en faisant la moyenne des logarithmes des cinq tenues les plus longues, en heures
3.8
durée de l’extrapolation
t
e
limite temporelle pour laquelle une extrapolation est admise, en heures
3.9
résistance hydrostatique à long terme
σ
LTHS
grandeur ayant les dimensions d’une contrainte, qui représente la résistance moyenne prévue à la température
T pendant une durée t, en mégapascals
3.10
limite inférieure de confiance de la résistance hydrostatique prévue
σ
LPL
grandeur ayant les dimensions d’une contrainte, qui représente la limite inférieure de confiance à 97,5 % de la
résistance hydrostatique prévue à une température T et pendant une durée t, en mégapascals
NOTE Elle est donnée par
σ = σ
LPL (T, t, 0,975)
3.11
genou, type de données A, type de données B
point d’intersection de deux branches à la même température; les points de données utilisés pour calculer la
première branche sont de type A, ceux utilisés pour calculer la seconde branche sont de type B
2 © ISO 2012 – Tous droits réservés
3.12
branche
ligne de pente constante de la courbe log (contrainte) en fonction de log (temps) correspondant au même
10 10
mode de rupture
3.13
facteur d’extrapolation
k
e
facteur pour le calcul de la durée d’extrapolation
4 Obtention des données
4.1 Conditions d’essai
Les données de rupture sous contrainte des tubes doivent être déterminées conformément à l’ISO 1167-1 et à
l’ISO 1167-2. La détermination de la résistance à la pression interne doit être réalisée avec des tubes rectilignes.
Le diamètre extérieur moyen et l’épaisseur minimale de paroi de chaque éprouvette doivent être déterminés
selon l’ISO 3126.
Pour l’ensemble des calculs, les tubes soumis à essai doivent avoir la même dimension nominale, être produits
avec le même lot de matériau et provenir de la même série d’extrusion.
Dans le cas de matériaux existants évalués conformément à l’ISO/TR 9080:1992 ou l’ISO 9080:2003, les données
initiales peuvent être complétées par des données supplémentaires obtenues à partir d’autres lots, en vue de
répondre aux exigences mentionnées en 4.2. Dans ce cas, il convient que ces données complémentaires soient
réparties de manière régulière à chaque température et qu’elles soient documentées dans le rapport d’essai.
4.2 Répartition des niveaux de pression et des gammes de tenues
4.2.1 Pour chaque température sélectionnée, un minimum de 30 points d’observations doit être obtenu,
régulièrement espacés sur la durée de l’essai. Les niveaux de pressions internes doivent être choisis de sorte
qu’il y ait, au moins, quatre observations au-dessus de 7 000 h et au moins une au-dessus de 9 000 h (voir
aussi 5.1.5). En cas de prévision basée sur la seconde branche, un nombre minimal de 20 observations est
nécessaire pour les secondes branches, avec un minimum de 5 observations par température.
4.2.2 À toutes les températures, les tenues inférieures ou égales à 10 h doivent être éliminées.
4.2.3 À des températures ≤ 40 °C, les tenues jusqu’à 1 000 h peuvent être négligées, à condition que le
nombre d’observations restantes soit conforme à 4.2.1. Dans ce cas, à la (aux) température(s) sélectionnée(s),
tous les points situés sous la durée sélectionnée doivent être éliminés.
4.2.4 Les éprouvettes non rompues au-dessus de 1 000 h peuvent servir d’observations pour les calculs de
régression linéaire multiple et pour la détermination de la présence d’un genou. Sinon, il convient qu’elles soient
éliminées, à condition que le nombre d’observations restantes soit conforme à 4.2.1.
5 Mode opératoire
5.1 Acquisition des données et analyse
5.1.1 Généralités
La méthode est fondée sur une régression linéaire multiple, dont les détails du calcul sont donnés à l’Annexe A.
Elle exige des essais à au moins deux températures et des durées de 9 000 h ou plus et s’applique qu’il y ait
ou non des indications relatives à la présence d’un genou.
5.1.2 Données expérimentales exigées
Obtenir des résultats d’essai selon l’Article 4, et, selon les conditions mentionnées ci-après, à deux températures
ou plus T , T , …, T .
1 2 n
a) L’écart entre deux températures successives doit être au moins de 10 °C et au plus de 50 °C.
b) L’une des températures d’essai doit être de 20 °C ou de 23 °C.
c) La température d’essai la plus élevée, T , ne doit pas être supérieure à la température de ramollissement
t,max
Vicat, VST , déterminée selon l’ISO 2507-1:1995, diminuée de 15 °C pour les polymères amorphes
B50
vitreux, ou bien à la température de fusion déterminée selon l’ISO 11357-3 diminuée de 15 °C pour les
polymères semi-cristallins.
d) Le nombre d’observations et la répartition des niveaux de pression interne à chaque température doivent
être conformes à 4.2.
e) Pour obtenir une estimation optimale de σ , la gamme des températures d’essai doit être choisie de telle
LPL
sorte qu’elle inclut la température de service ou la zone des températures de service.
Les défaillances dues à une contamination peuvent être éliminées, à condition que le nombre d’observations
restantes soit conforme au 4.2.1.
Tous les points de données valides doivent être inclus dans les calculs.
Pour la plupart des matières, l’environnement et les températures d’essai sont spécifiées dans les normes de
produit appropriées.
5.1.3 Recherche d’un genou et validation des données et du modèle
Utiliser le mode opératoire donné à l’Annexe B pour la recherche d’un genou.
Après avoir repéré un genou à une quelconque température particulière, scinder les données en deux groupes,
l’un correspondant à la première branche (type de données A) et l’autre à la seconde branche (type de données B).
Ajuster la régression linéaire multiple décrite dans l’Annexe A séparément en utilisant d’abord tous les points
de la première branche (type de données A) à toutes les températures, puis tous les points de la seconde
branche (type de données B) à toutes les températures.
Lors de l’étude de la présence d’un genou, il convient d’attirer l’attention sur le fait qu’il peut s’agir d’une
rupture due à une dégradation. Il convient que de telles données (caractérisées habituellement par une courbe
pratiquement indépendante de la contrainte et reconnaissable de visu) ne soient pas prises en compte pour le
calcul, mais qu’elles soient utilisées uniquement pour la détermination de la durée de l’extrapolation (voir 5.1.5).
S’il s’avère évident que la recherche automatique d’un genou ne correspond pas à l’examen visuel du
diagramme, les points de données de type A et de type B situés dans la région du genou prévu peuvent faire
l’objet d’une reclassification manuelle en vue d’obtenir un meilleur alignement de la position du genou avec les
données. Dans ce cas, tous les points de données situés à des niveaux de contrainte plus élevés que celui de
la transition de type A en type B, nouvellement définie, doivent être déclarés de type A et tous les points situés
à des niveaux de contrainte inférieurs doivent être considérés comme étant de type B. L’extrapolation doit être
réalisée sans recherche automatique d’un genou. Il est recommandé, dans ce cas de figure, d’obtenir un plus
grand nombre de points de données au-delà de la durée du genou prévu.
Les raisons pour appliquer le mode opératoire manuel ainsi que les détails des changements apportés pour
l’analyse doivent être justifiés et inclus dans le rapport d’essai (voir Article 7).
5.1.4 Vérification visuelle
Porter les points de données observés, les droites de la régression linéaire de σ et les courbes σ sur
LTHS LPL
un diagramme avec une échelle log σ /log (temps).
10 10
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5.1.5 Durée d’extrapolation et facteur d’extrapolation
Déterminer la durée d’extrapolation, t , à l’aide des renseignements et des modes opératoires suivants.
e
Les limites de temps, t , admises pour l’extrapolation, sont liées à des valeurs qui dépendent de la température.
e
Le facteur d’extrapolation dans le temps, k , fonction de ΔT, est fondé sur l’équation suivante:
e
ΔT = T − T
t
où
T est la température d’essai considérée à laquelle le facteur d’extrapolation dans le temps, k , est
t e
appliqué, T ≤ T , en degrés Celsius;
t t,max
T est la température d’essai maximale, en degrés Celsius;
t,max
T est la température à laquelle la durée d’extrapolation est calculée, T ≤ T, en degrés Celsius;
s
T est la température de service, en degrés Celsius.
s
Calculer la durée de l’extrapolation, t , à l’aide de l’équation suivante:
e
t = k t
e e max
Obtenir la durée maximale d’essai t , en faisant la moyenne des logarithmes des cinq tenues les plus
max
longues, pas nécessairement au même niveau de contrainte, mais à la même température. Les éprouvettes
non rompues peuvent, dans ce sens, être considérées comme des points de données. Tous ces points doivent
faire partie de la population à l’aide de laquelle les calculs sont effectués.
Si les données obtenues à la température maximale d’essai ne sont pas utilisées pour la détermination du
modèle de régression, ces données doivent uniquement être utilisées pour la détermination de la durée
maximale d’essai t , et donc pour la durée d’extrapolation t . Les choix faits pour les calculs doivent être
max e
justifiés et mentionnés dans le rapport d’essai. L’extrapolation n’est pas autorisée au-delà de la gamme de
température du modèle de régression.
Les données obtenues peuvent être utilisées pour prévoir la résistance à des températures inférieures de
20 °C maximum par rapport à cette température, à condition que l’état de la matière ne varie pas (par exemple,
transition vitreuse).
NOTE Il est recommandé que les données d’essai soient générées à la température prévue la plus basse pour
démontrer la performance.
Des exemples de l’application du facteur d’extrapolation dans le temps sont présentés dans les Figures 1 à 3.
La Figure 2 représente le cas où il n’y a de genou qu’à la température la plus élevée. La Figure 3 concerne le
cas typique où un genou est décelé aux températures élevées. Les valeurs du facteur d’extrapolation, k , sont
e
indiquées en 5.2 et 5.3.
NOTE Dans les cas similaires à la Figure 2, t est positionné au niveau du point du genou.
max
Figure 1 — Durée d’extrapolation dans le cas d’une extrapolation
sans genou à la température d’essai la plus élevée
Figure 2 — Durée d’extrapolation dans le cas d’une extrapolation
avec un genou seulement à la température d’essai la plus élevée
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Figure 3 — Durée d’extrapolation dans le cas d’une extrapolation
avec genou à différentes températures d’essai
5.2 Facteurs d’extrapolation dans le temps des polyoléfines (polymères semi-cristallins)
Pour l’extrapolation des résultats de rupture sous contrainte des polyoléfines, la durée de l’extrapolation est
fondée sur une tenue déterminée expérimentalement, à la température maximale d’essai, et, pour l’influence
de la température, sur une équation d’Arrhenius, en utilisant l’énergie apparente d’activation calculée à partir
de la troisième branche (dégradée) de la courbe pour des polyoléfines stabilisées (elle est de 110 kJ/mol,
c’est-à-dire une valeur prudente pour l’énergie d’activation de la troisième branche). Cela donne les facteurs
d’extrapolation, k , du Tableau 1.
e
Tableau 1 — Relation entre ΔT (= T – T) et k pour les polyoléfines
t e
ΔT
k
e
°C
≥ 10 mais < 15 2,5
≥ 15 mais < 20 4
≥ 20 mais < 25 6
≥ 25 mais < 30 12
≥ 30 mais < 35 18
≥ 35 mais < 40 30
≥ 40 mais < 50 50
≥ 50 100
5.3 Facteurs d’extrapolation des polymères amorphes vitreux à base de chlorure de vinyle
Pour l’extrapolation des résultats de rupture sous contrainte pour des polymères à base de chlorure de
vinyle, la durée de l’extrapolation est fondée sur une tenue, déter
...
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