ISO 9080:2003
(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 9080:2003 describes a method for estimating 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 9080:2003 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 présente 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.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 9080
First edition
2003-03-15
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
ISO 9080:2003(E)
©
ISO 2003
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Acquisition of test data . 3
5 Procedure . 3
6 Example of calculation for a semi-crystalline polymer, software validation. 7
7 Test report . 7
Annex A (normative) Methods of data gathering and analysis . 9
Annex B (normative) Automatic knee detection . 13
Annex C (informative) Example of application of SEM to stress rupture data. 15
Annex D (informative) SEM software. 23
Bibliography . 24
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ISO 9080:2003(E)
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, fittings 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.
It cancels and replaces ISO/TR 9080:1992, which has been technically revised.
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ISO 9080:2003(E)
Introduction
General
ISO/TR 9080, upon which this International Standard is based, is the result of considerable discussion within
working group 10 of subcommittee 5 of technical committee 138 of the International Organization for
Standardization (ISO) (referred to hereafter as ISO/TC 138/SC 5/WG 10), which was entrusted with the
development of the standard, which represents an agreed compromise incorporating features of several
accepted national procedures.
Furthermore, it is emphasized that the standard extrapolation method (SEM) described 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, which long years
of experience have shown to be satisfactory. This SEM is meant to be used to qualify a material in pipe form
prior to the introduction of such a material on the market.
A software package has been developed for the SEM analysis as described in Annex A and Annex B. A
Windows-based programme is available on diskette (see Annex D).
NOTE Use of this software package is recommended.
Principles
The suitability for use of a plastics pressure pipe is first of all determined by the performance under stress of
its material of construction, taking into account the envisaged service conditions (e.g. temperature). 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 environment can be water or air.
In certain cases, it is necessary to determine the value of the hydrostatic strength at either shorter lifetimes 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 (the ultimate stress).
NOTE The MRS value (at 20 °C) is usually based on data obtained using water as the internal and external test
medium. It is obvious that indeed all data are used for validation of regression curves at higher temperatures (e.g. 70 °C),
including the data obtained with air as the external medium (e.g. at 110 °C).
This International Standard provides a definitive procedure incorporating an extrapolation 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 system standards.
This multiple linear regression analysis is based on the rate processes most accurately described by
log (stress) versus log (time) models.
10 10
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
confidence limit of the 95 % confidence interval of 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. Taking into account
the extrapolation factors (see 5.1.4), the extrapolation time limit can go up to 100 years.
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ISO 9080:2003(E)
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 follows.
a) What is the maximum stress (or pressure) that a given pipe system can withstand at a given temperature
for a defined time?
b) How long will a pipe system last when subjected to a defined stress (or pressure) at a given 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.
Use of the methods
This extrapolation method is designed to meet the following two requirements:
1)
a) To estimate 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.
b) To estimate the value of the lower prediction limit (at 97,5 % probability level) of the stress, either at
different lifetimes or at different temperatures, or on occasion both.
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 type A and type B crack behaviour) is found or not (see
Annex B).
The materials have to be 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.
1) In various ISO documents, the lower prediction limit (LPL) is referred to as the lower confidence limit (LCL), where
LCL is the 97,5 % lower confidence limit for the mean hydrostatic strength.
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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 describes a method for estimating 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. The dimensions of the pipes to be tested may be specified in the
relevant product/system standards and, if so, are included in the test report.
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, Thermoplastics pipes for the conveyance of fluids — Resistance to internal pressure — Test
method
ISO 2507-1:1995, Thermoplastics pipes and fittings — Vicat softening temperature — Part 1: General test
method
2)
ISO 3126:— , Plastics piping systems — Plastics piping components — Measurement and determination of
dimensions
ISO 3146:2000, Plastics — Determination of melting behaviour (melting temperature or melting range) of
semi-crystalline polymers by capillary tube and polarizing-microscope methods
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, in bars, exerted by the medium in the pipe
2) To be published. (Revision of ISO 3126:1974)
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3.2
stress
σ
force per unit area, in megapascals, in the wall of the pipe in the hoop (circumferential) direction due to
internal pressure
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, in degrees Celsius, at which stress rupture data have been determined
3.4
maximum test temperature
T
t,max
maximum temperature, in degrees Celsius, at which stress rupture data have been determined
3.5
service temperature
T
s
temperature, in degrees Celsius, at which the pipe will be used
3.6
failure time
t
time, in hours, to occurrence of a leak in the pipe
3.7
long-term hydrostatic strength
σ
LTHS
quantity, in megapascals, with the dimensions of stress, which represents the predicted mean strength at a
temperature T and time t
3.8
lower confidence limit of the predicted hydrostatic strength
σ
LPL
quantity, in megapascals, 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
NOTE It is given by
σ = σ
LPL (T, t, 0,975)
3.9
knee
transition point between two modes of failure, which can be represented by a change in slope of a
log (stress) versus log (time) plot of hydrostatic stress rupture data
10 10
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3.10
branch
line of constant slope in the log (stress) versus log (time) plot representing the same failure mode
10 10
3.11
extrapolation time factor
k
e
factor for calculation of the extrapolation time limits
4 Acquisition of test data
4.1 Test conditions
The pipe stress rupture data shall be determined in accordance with ISO 1167. 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.
In cases of dispute, pipes of one diameter selected from the range 25 mm to 63 mm shall be tested. The pipes
tested shall be made from the same batch of material and come from the same extrusion run.
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, regularly spread
over at least five internal pressure levels. For statistical reasons, it is required that more than one observation
be recorded at each internal pressure level. 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 5.1.4). In the event of the
presence of a knee, a statistically adequate number of observations shall be collected for both branches, in
order to ensure sufficient precision of the result.
4.2.2 For all temperatures, failure times up to 10 h shall be neglected.
4.2.3 At temperatures u 40 °C, failure times up to 1 000 h may be neglected, provided that the number of
remaining observations conforms to 4.2.1. In that case, all points under the selected time and temperature
shall be discarded.
4.2.4 Test pieces which have not failed at the lowest internal pressure levels may be used as observations
in the multiple regression computations and for the determination of the presence of a knee. Otherwise, they
may be disregarded.
5 Procedure
5.1 Data gathering and analysis
NOTE The method is based on linear regression and calculation details given in Annex A. It requires testing at one or
more temperatures and times of one year or longer and is applicable whether or not indications are found for the presence
of a knee.
5.1.1 Required test data
Obtain test data in accordance with clause 4 and the following conditions, using two or more temperatures T ,
1
T , … , T :
2 n
a) Each pair of adjacent temperatures shall be separated by at least 10 °C.
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b) The highest test temperature T shall not exceed the Vicat softening temperature VST determined
t,max B.50
in accordance with ISO 2507-1:1995 minus 15 °C for amorphous or predominantly amorphous polymers,
or the melting temperature determined in accordance with ISO 3146:2000 minus 15 °C for crystalline or
semi-crystalline polymers.
c) The number of observations and the distribution of internal pressure levels at each temperature shall
conform to 4.2.
d) 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.
e) The data obtained at the lowest test temperature may be used down to 20 °C below this temperature,
provided that there is no change of state of the material.
Any failures resulting from contamination shall be disregarded.
5.1.2 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, the other belonging to the second branch.
Fit the multiple linear regression as described in Annex A independently, using all first-branch failures for all
temperatures and all second-branch failures for all temperatures.
When only using one temperature, the problem is reduced to simple linear regression analysis. In that case,
the use of the extrapolation factor k (see 5.1.4) is not applicable.
e
NOTE 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
be discarded for the calculation of the creep rupture branch.
5.1.3 Visual verification
Plot the observed failure points, the σ linear regression lines and the σ curves as a graph on a
LTHS LPL
log σ /log (time) scale.
10 10
5.1.4 Extrapolation time limits and extrapolation time factor k
e
Determine the extrapolation time limits using the following information and procedures.
The time limits t for which extrapolation is allowed, are bound to temperature-dependent values. The
e
extrapolation time factor k as a function of ∆T is based on the following equation:
e
DT = T − T
t
where
T is the test temperature to which the extrapolation time factor k is applied, T u 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 limit is calculated, T u T, in degrees Celsius;
s
T is the service temperature, in degrees Celsius;.
s
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ISO 9080:2003(E)
Calculate the extrapolation time t , in hours, using the following equation:
e
t = k t
e e max
When t is equal to 8 760 h (1 year), k represents the maximum extrapolation time t in years, to be used
max e e
only for extrapolation downwards in the temperature range. Obtain the maximum test time t , in hours, by
max
averaging the logarithms of the five longest failure times, which are not necessarily at the same stress level,
but at the same temperature. Test pieces that have not yet failed may be considered as “failures” for this
purpose. All those points shall belong to the population with which all calculations are performed.
Examples of the application of the extrapolation time limits 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 factor k are
e
assigned in 5.2 and 5.3.
Figure 1 — Extrapolation time limits in the case of extrapolation
without a knee at the highest test temperature
Figure 2 — Extrapolation time limits in the case of extrapolation
with a knee only at the highest test temperature
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ISO 9080:2003(E)
Figure 3 — Extrapolation time limits in the case of extrapolation
with knees at different test temperatures
5.2 Extrapolation factors for polyolefins (crystalline or semi-crystalline polymers)
For extrapolation of creep rupture data of polyolefins, the extrapolation time limits are based on an
experimentally determined lifetime at the relevant maximum test temperature and an Arrhenius equation for
the temperature dependence using the apparent activation energy calculated from the second branch of the
curve for stabilized polyolefins (which is 110 kJ/mol, i.e. a conservative value for the activation energy from
the second branch). This yields the extrapolation factors k given in Table 1.
e
Table 1 — Relationship between DT (= T – T) and k for polyolefins
t e
DT
k
e
°C
W 10 but < 15
2,5
W 15 but < 20
4
W 20 but < 25
6
W 25 but < 30
12
W 30 but < 35
18
W 35 but < 40
30
W 40 but < 50
50
W 50
100
5.3 Extrapolation factors for glassy, amorphous vinyl chloride based polymers
For extrapolation of creep rupture data for vinyl chloride based polymers, the extrapolation time limits are
based on an experimentally determined lifetime 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 second branch of the curve for vinyl chloride based
polymers (which is 178 kJ/mol). This yields the extrapolation factors k given in Table 2.
e
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ISO 9080:2003(E)
Table 2 — Relationship between DT (= T − T) and k for vinyl chloride based polymers
t e
∆T
k
e
°C
W 5 but < 10
2,5
W 10 but < 15
5
W 15 but < 20
10
W 20 but < 25
25
W 25 but < 30
50
W 30
100
For modified PVC materials, the extrapolation factors given in Table 2 shall be used if the continuous phase of
the modified PVC material is a vinyl chloride based polymer.
5.4 Extrapolation factors for polymers other than those covered in 5.2 and 5.3
For the polymers mentioned in 5.2 and for polymers not mentioned in this International Standard, the
extrapolation factors given in Table 1 shall be considered to be minimum values. If experimental evidence can
be given showing that, for a specific polymer, higher extrapolation factors are justified, these factors shall be
incorporated in this International Standard and it shall be permissible to use them instead of the factors given
in Table 1.
6 Example of calculation for a semi-crystalline polymer, software validation
An example of the calculation of the regression curves (at 20 °C, 40 °C and 60 °C) and an example of knee
detection in accordance with the procedures described in clause 5 is given in Annex C.
The data set given in Clause C.1 is considered as the software validation data set. If a programme other than
that mentioned in Annex D is used, the calculations performed with the software validation data set given in
Annex C shall yield the same results as presented in Annex C, including the three places of decimals.
7 Test report
The test report shall include the following information:
a) a reference to this International Standard;
b) complete identification of the sample, including manufacturer, material type, code number, source and
previous significant history, if any;
c) the dimensions of the pipes used for testing;
d) the outside test environment and the pressure medium inside the pipes;
e) a table of the observations, including, for each observation, the test temperature (in degrees Celsius), the
pressure level (in bars), the stress (in megapascals), the time to failure (in hours), a physical observation
of the type of failure (ductile, brittle or unknown), the date of the test and any other observations which
could be relevant;
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ISO 9080:2003(E)
f) the number of neglected data points under 1 000 h and the corresponding temperature, time to failure
and type of failure;
g) the model used to estimate σ and σ ;
LTHS LPL
h) the estimated parameters c and their standard deviations s , for each branch separately;
i i
i) a graph presenting observed failure points, σ linear regression line(s) and σ curve(s);
LTHS LPL
j) details of the software package used for the calculations;
k) any factors which may have affected the results, such as any incidents or any operating details not
specified in this International Standard.
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ISO 9080:2003(E)
Annex A
(normative)
Methods of data gathering and analysis
A.1 General model
The general 4-parameter model used in this International Standard is the following:
log t = c + c /T + c log σ + c (log σ)/T + e (A.1)
10 1 2 3 10 4 10
where
t is the time to failure, in hours;
T is the temperature, in kelvins (°C + 273,15);
σ is the hoop stress, in megapascals;
c to c are the parameters used in the model;
1 4
e is an error variable, having a Laplace-Gaussian distribution, with zero mean and constant
variance (the errors are assumed to be independent).
The 4-parameter model shall be reduced to a 3-parameter model if the probability level of c is greater than
3
0,05. In that case, c = 0, i.e.:
3
log t = c + c /T + c (log σ)/T + e (A.2)
10 1 2 4 10
A 2-parameter model shall be chosen if all the data points relate to the same temperature:
log t = c + c log σ + e (A.3)
10 1 3 10
The calculations for the 4-parameter model are given below. The corresponding calculations for other models
can be obtained by removing the appropriate terms. Due to possible ill-conditioning of the matrices to be
inverted, it is required to perform the computations in double precision arithmetic (14 significant digits). The
inversion of the matrices is performed by the classical Gauss-Jordan approach described in reference [1] (see
the Bibliography).
The following matrix notations are used:
11/TTlogσσ(log )/logt e
1101 101 1 101
1
Xy==## # # ;;#e=#
11/TTlogσσ(log )/ logte
Ν 10ΝΝ10 Ν 10Ν Ν
where N is the total number of observations.
T T
With c = (c , c , c , c ) , being the transposition operator, model (
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 9080
Première édition
2003-03-15
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 9080:2003(F)
©
ISO 2003
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ISO 9080:2003(F)
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ISO 9080:2003(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 1
3 Termes et définitions, symboles et abréviations. 1
4 Obtention des données . 3
5 Mode opératoire . 4
6 Exemple de calcul dans le cas d'un polymère semi-cristallin, validation du logiciel. 8
7 Rapport d'essai . 8
Annexe A (normative) Méthodes pour collecter les données et l'analyse . 9
Annexe B (normative) Recherche automatique d'un genou. 13
Annexe C (informative) Exemple d'application de la SEM à des résultats d'essais de rupture sous
contrainte. 15
Annexe D (informative) Logiciel SEM . 23
Bibliographie . 24
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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.
Elle annule et remplace l'ISO/TR 9080:1992, qui a fait l'objet d'une révision technique.
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Introduction
Généralités
Le rapport technique ISO/TR 9080, sur lequel la présente Norme internationale est basée, est le résultat
d'importantes discussions au sein du groupe de travail 10 du sous-comité 5 du comité technique 138 de
l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO) (appelé ci-après ISO/TC 138/SC 5/GT 10), qui a été
chargé du développement de la norme. Celle-ci est un compromis accepté qui incorpore des éléments de
plusieurs modes opératoires adoptés a des niveaux nationaux.
De plus, il est bien entendu que la méthode normalisée d'extrapolation (SEM) décrite 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. La SEM est
destinée à être utilisée en vue de la qualification d'une matière sous forme de tubes avant l'introduction d'une
telle matière sur le marché.
Un logiciel a été développé pour l'analyse SEM, telle que décrite dans l'Annexe A et l'Annexe B. Un
programme, basé sur Windows, est disponible sur disquette (voir l'Annexe D).
NOTE Il est recommandé d'utiliser ce logiciel.
Principes
L'aptitude à l'emploi des tubes plastiques, soumis à la pression, est, avant tout, déterminée par la
performance de tenue sous contrainte de leur matière constitutive, en tenant compte des conditions de
service envisagées (par exemple, la température). 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.
Dans certains cas, il est nécessaire de déterminer la valeur de la résistance hydrostatique à des durées plus
courtes ou à des températures plus élevées, ou, à l'occasion, aux 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), 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
(contrainte ultime).
NOTE La valeur de la MRS (à 20 °C) est habituellement basée sur des données obtenues en utilisant de l'eau
comme milieu d'essai interne et externe. Il est évident qu'effectivement toutes les données sont utilisées pour la validation
des courbes de régression à des températures plus élevées (par exemple 70 °C) y compris les données obtenues avec de
l'air comme milieu externe (par exemple à 110 °C).
La présente Norme internationale donne un mode opératoire décisif incorporant une 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 système 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 d'intervalle de confiance à 95 % de la valeur prévue. Cette convention est utilisée dans les
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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. En
tenant compte des facteurs d'extrapolation (voir 5.1.4), la limite d'extrapolation dans le temps peut être
repoussée à 100 ans.
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 de deux manières:
a) Quelle est la contrainte maximale (ou la pression) qu'un système de canalisation donné peut supporter à
une température donnée pendant une durée fixée?
b) Combien de temps peut tenir un système de canalisation soumise à une contrainte (ou une pression)
fixée, à 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 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.
Utilisation de la méthode
La présente méthode d'extrapolation est conçue de manière à satisfaire aux deux exigences suivantes:
1)
a) 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.
b) Estimer la valeur de la limite inférieure de la prévision (au niveau de probabilité de 97,5 %) de la
contrainte soit à des durées ou à des températures différentes soit aux deux, à l'occasion.
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.
1) Dans différents documents ISO, la limite inférieure de prévision (LPL) est désignée comme la limite inférieure de
confiance (LCL), où LCL est la limite inférieure de confiance à 97,5 % de la moyenne de la résistance hydrostatique.
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ISO 9080:2003(F)
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 A et le type B du comportement lors de la
rupture), ou non (voir l'Annexe B).
La matière à essayer doit être 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.
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NORME INTERNATIONALE ISO 9080:2003(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 présente 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.
Les dimensions des tubes à essayer peuvent être spécifiées dans les normes de système ou de produit
concernées et, dans ce cas, sont mentionnées dans le rapport d'essai.
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, Tubes en matières thermoplastiques pour le transport des fluides — Résistance à la pression
interne — Méthode d'essai
ISO 2507-1:1995, Tubes et raccords en matières thermoplastiques — Températures de ramollissement
Vicat — Partie 1: Méthode générale d'essai
2)
ISO 3126:— , Systèmes de canalisations plastiques — Composants plastiques — Détermination des
dimensions
ISO 3146:2000, Plastiques — Détermination du comportement à la fusion (température de fusion ou plage de
température de fusion) des polymères semi-cristallins par méthodes du tube capillaire et du microscope
polarisant
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, en bars, exercée par le fluide dans le tube
2) À publier (Révision de l'ISO 3126:1974)
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3.2
contrainte
σ
force par unité de surface, en mégapascals, dans la paroi du tube, exercée dans le sens circonférentiel, due à
la pression interne
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, en degrés Celsius, à laquelle les données sur la rupture sous contrainte ont été déterminées
3.4
température maximale d'essai
T
t,max
température maximale, en degrés Celsius, à laquelle les données sur la rupture sous contrainte ont été
déterminées
3.5
température de service
T
s
température, en degrés Celsius, à laquelle le tube sera utilisé
3.6
tenue
t
durée, en heures, avant l'apparition d'une fuite du tube
3.7
résistance hydrostatique à long terme
σ
LTHS
quantité, en mégapascals, ayant la dimension d'une contrainte, qui représente la résistance moyenne prévue
à la température T pendant une durée t
3.8
limite inférieure de confiance de la résistance hydrostatique prévue
σ
LPL
quantité, en mégapascals, 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, pendant une durée t
NOTE Elle est donnée par
σ = σ
LPL (T, t, 0,975)
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3.9
genou
point de transition entre deux modes de rupture; il se manifeste par un changement de pente de la courbe
log (contrainte) en fonction de log (temps) des données de rupture sous une contrainte hydrostatique
10 10
3.10
branche
ligne de pente constante de la courbe log (contrainte) en fonction de log (temps) correspondant au même
10 10
mode de rupture
3.11
facteur d'extrapolation
k
e
facteur pour le calcul de la limite d'extrapolation dans le temps
4 Obtention des données
4.1 Conditions d'essai
Les résultats des essais de rupture sous contrainte des tubes doivent être obtenus à l'aide du mode
opératoire décrit dans l'ISO 1167. 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.
En cas de contestation, il faut utiliser un tube d'un diamètre compris entre 25 mm et 63 mm. Les tubes
essayés doivent être produits avec le même lot de matériau et provenir de la même série d'extrusion.
4.2 Répartition des niveaux de pression et des gammes de tenues
4.2.1 À chaque température sélectionnée, un minimum de 30 points d'observations doit être obtenu,
régulièrement espacés sur au moins cinq niveaux de pression interne. Pour des raisons statistiques, il est
exigé qu'il y ait plus d'une observation enregistrée à chaque niveau de pression interne. Les niveaux de
pressions internes doivent être choisis de telle 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 5.1.4). Dans le cas de la présence d'un genou, un
nombre statistiquement suffisant d'observations doit être obtenu pour chacune des deux branches, afin de
garantir une précision satisfaisante des résultats.
4.2.2 À toutes les températures, les tenues inférieures ou égales à 10 h doivent être éliminées.
4.2.3 Les tenues jusqu'à 1 000 h peuvent être négligées aux températures inférieures ou égales à 40 °C,
pourvu que le nombre d'observations restant soit conforme au 4.2.1. Dans ce cas, tous les points sous la
tenue et la température choisies doivent être éliminés.
4.2.4 Les éprouvettes non rompues aux pressions internes les plus basses, peuvent servir d'observations
pour les calculs de régression multiple et pour la détermination de la présence d'un genou. Sinon elles
peuvent être éliminées.
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5 Mode opératoire
5.1 Acquisition des données et analyse
NOTE La méthode est fondée sur une régression linéaire. L'Annexe A indique les détails du calcul. Elle exige des
essais à une ou plusieurs températures et des tenues d'un an ou plus et s'applique qu'il y ait ou non des indications
relatives à la présence d'un genou.
5.1.1 Données expérimentales exigées
Obtenir des résultats d'essai selon l'Article 4, et, selon les conditions, ci-après, à deux ou plusieurs
températures T , T ,. T :
1 2 n
a) L'écart entre deux températures successives doit être au moins de 10 °C.
b) La température d'essai la plus élevée, T , ne doit pas être supérieure à la température de
t,max
ramollissement Vicat VST déterminée selon l'ISO 2507-1:1995, diminuée de 15 °C pour les
B.50
polymères amorphes ou à prédominance amorphe, ou bien à la température de fusion déterminée selon
l'ISO 3146:2000 diminuée de 15 °C pour les polymères cristallins ou semi-cristallins.
c) Le nombre d'observations et la répartition des niveaux de pression à chaque température doivent être
conformes à 4.2.
d) Pour obtenir une estimation optimale de σ , la gamme des températures d'essai doit être choisie de
LPL
telle sorte qu'elle inclut la température de service ou la zone des températures de service.
e) Les données, obtenues à la température d'essai la plus basse, peuvent être utilisées à 20 °C sous cette
température pourvu que l'état de la matière ne varie pas.
Les défaillances dues à une contamination doivent être éliminées.
5.1.2 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 et l'autre à la seconde branche.
Ajuster la régression linéaire multiple décrite dans l'Annexe A séparément en utilisant d'abord toutes les
ruptures de la première branche à toutes les températures, puis toutes les ruptures de la seconde branche à
toutes les températures.
Dans le cas d'une seule température d'essai, le problème est réduit à celui d'une simple régression linéaire.
Le facteur d'extrapolation k (voir 5.1.4) n'est alors plus applicable.
e
NOTE 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. De telles données (caractérisées habituellement par une courbe pratiquement
indépendante de la contrainte et reconnaissable de visu) doivent être éliminées pour le calcul de la branche des ruptures
par fluage.
5.1.3 Vérification visuelle
Porter les points de rupture observés, les droites de la régression linéaire de σ et les courbes σ sur un
LTHS LPL
diagramme avec une échelle log σ /log (temps).
10 10
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5.1.4 Limites d'extrapolation dans le temps et facteur d'extrapolation k
e
Déterminer les limites d'extrapolation dans le temps à l'aide des renseignements et des modes opératoires
suivants.
Les limites de temps, t , admises pour l'extrapolation, sont liées à des valeurs qui dépendent de la
e
température. Le facteur d'extrapolation dans le temps, k , fonction de ∆T, est fondé sur l'équation suivante:
e
∆T = 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 u T , en degrés Celsius;
t t,max
T est la température maximale d'essai, en degrés Celsius;
t,max
T est la température à laquelle la limite d'extrapolation dans le temps est calculée, T u T, en
s
degrés Celsius;
T est la température de service, en degrés Celsius;
s
Calculer la durée de l'extrapolation t , en heures, à l'aide de l'équation suivante:
e
t = k t
e e max
Si t est égal à 8 760 h (1 an), k représente la durée maximale d'extrapolation t , en années, à n'utiliser
max e e
que pour l'extrapolation aux températures décroissantes. Obtenir la durée maximale d'essai t , en heures,
max
en faisant la moyenne des logarithmes des cinq tenues les plus 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 «ruptures». Tous ces points doivent faire partie de la population à l'aide de laquelle
les calculs sont effectués.
Les Figures 1 à 3 donnent des exemples de l'application des limites d'extrapolation dans le temps. 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 aux Paragraphes 5.2 et 5.3.
Figure 1 — Limite d'extrapolation dans le temps, dans le cas d'une extrapolation
sans genou, à la température d'essai la plus élevée
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Figure 2 — Limite d'extrapolation dans le temps, dans le cas d'une extrapolation
avec seulement un genou, à la température d'essai la plus élevée
Figure 3 — Limites d'extrapolation dans le temps, dans le cas d'une extrapolation
avec genou, aux différentes températures d'essai
5.2 Facteurs d'extrapolation des polyoléfines (polymères cristallins ou semi-cristallins)
Pour l'extrapolation des résultats de rupture par fluage des polyoléfines, les limites d'extrapolation dans le
temps sont fondées 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 seconde branche supposée de la courbe pour des polyoléfines stabilisées (elle est de
110 kJ/mol, c'est-à-dire une valeur prudente pour l'activation d'énergie de la seconde branche). Cela donne
les facteurs d'extrapolation, k , du Tableau 1.
e
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Tableau 1 — Relation entre ∆T (= T − T) et k pour les polyoléfines
t e
∆T
k
e
°C
W 10 mais < 15 2,5
W 15 mais < 20 4
W 20 mais < 25 6
W 25 mais < 30 12
W 30 mais < 35 18
W 35 mais < 40 30
W 40 mais < 45 50
W 50 100
5.3 Facteurs d'extrapolation des polymères amorphes à base de chlorure de vinyle
Pour l'extrapolation des résultats de rupture par fluage pour des polymères à base de chlorure de vinyle, les
limites d'extrapolation dans le temps sont fondées sur une tenue, déterminée expérimentalement, à la
température maximale d'essai, qui est de 15 °C inférieure à la température de ramollissement Vicat, et, pour
l'influence de la température, sur une équation d'Arrhenius, en utilisant une estimation de l'énergie d'activation,
calculée à partir de la seconde branche supposée de la courbe du polymère de base de chlorure de vinyle
(elle est de 178 kJ/mol). Cela donne les facteurs d'extrapolation, k , du Tableau 2.
e
Tableau 2 — Relation entre ∆T (= T − T) et k
t e
pour les polymères à base de chlorure de vinyle
∆T
k
e
°C
W 5 mais < 10 2,5
W 10 mais < 15 5
W 15 mais < 20 10
W 20 mais < 25 25
W 25 mais < 30 50
W 30 100
Dans le cas des PVC modifiés, les facteurs d'extrapolation donnés au Tableau 2 doivent être utilisés si la
phase continue de la manière est un polymère à base de chlorure de vinyle.
5.4 Facteurs d'extrapolation d'autres polymères que ceux mentionnés dans les
paragraphes 5.2 et 5.3.
Les facteurs d'extrapolation du Tableau 1 doivent être considérés comme des minima pour les polymères
mentionnés en 5.2 et pour les polymères non cités dans la présente Norme internationale. S'il est possible de
prouver expérimentalement que des facteurs d'extrapolation plus élevés sont justifiés pour un polymère
donné, ces facteurs doivent être introduits dans la présente Norme internationale et être utilisés à la place des
facteurs du Tableau 1.
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6 Exemple de calcul dans le cas d'un polymère semi-cristallin, validation du logiciel
L'Annexe C donne un exemple de calcul des courbes de régression (à 20 °C, 40 °C et 60 °C) et un exemple
de mise en évidence d'un genou selon le mode opératoire décrit à l'Article 5.
La série de données de l'Article C.1 est considérée comme étant destinée à la validation du logiciel. Dans le
cas de l'utilisation d'un programme différent de celui de l'Annexe D, les calculs effectués avec la série de
données pour la validation du logiciel donné à l'Annexe C doivent fournir les mêmes résultats que ceux de
l'Annexe C, y compris pour les trois décimales.
7 Rapport d'essai
Le rapport d'essai doit comporter les
...
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