ویژگی‌ها و مزایای لوله‌های پلی‌اتیلن

طراحان، کارفرمایان و پیمانکاران هنگام انتخاب جنس لوله‌ها، جنسی را انتخاب می‌کنند که قابل اعتماد، با دوام طولانی مدت، و همراه با صرفه اقتصادی باشد.

لوله‌های پلی‌اتیلن تک جداره ، راهکاری مقرون به صرفه برای طیف وسیعی از کاربردهای لوله‌کشی، از جمله توزیع گاز طبیعی، آب و فاضلاب شهری، صنایع، تأسیسات دریایی، معدنی، دفن زباله، کانال‌های برق و مخابرات هستند. به علاوه لوله‌های پلی‌اتیلن برای تأسیسات هوایی، زیر زمینی، سطحی، شناور و دریایی، کارآمد هستند. طبق گفته دیوید آ. ویلوبی  از شرکت P.O.E. «یکی از دلایل اصلی رشد استفاده از لوله‌های پلاستیکی، صرفه جویی در هزینه‌های نصب، تأمین کارگر و تجهیزات مورد نیاز آن در مقایسه با لوله‌های قدیمیِ رایج است. اگر پتانسیلِ داشتن هزینه‌های نگهداری پایین تر و بیشتر بودن عمر مفید را هم به این موارد اضافه کنید علت رقابت شدید لوله‌های پلی‌اتیلنی را در بازارهای جهانی درمی یابیم.»(4)

یکی از اولین کاربردهای لوله‌های پلی‌اتیلن نیمه چگال  (MDPE) توزیع گاز طبیعی بود. در واقع بسیاری از سیستم‌هایی که در حال حاضر مشغول بکار هستند، از سال 1960 با موفقیت قابل توجه شروع به کار کرده‌اند. امروزه 95% لوله‌های زیر 12 اینچ انتقال گاز طبیعی نصب شده در آمریکا و کانادا، لوله‌های پلی‌اتیلن هستند. پلی‌اتیلن نه تنها در آمریکای شمالی، بلکه در سراسر جهان کالای منتخب است. تقریباً 50 سال است که لوله‌های پلی‌اتیلن در کاربردهای آب آشامیدنی مورد استفاده قرار گرفته‌اند و بطور پیوسته موفق به دریافت تأییدات و رشد در مصارف شهری شده‌اند. لوله‌های پلی‌اتیلن بر طبق استانداردهای AWWA، NSF و ASTM کنترل کیفی می‌شوند.

در زیر به برخی از مزایای خاص لوله‌های پلی‌اتیلن اشاره می‌شود:

     صرفه جویی در هزینه‌های چرخه عمر- در کاربردهای شهری، هزینه‌های چرخه عمر لوله‌های پلی‌اتیلن می‌تواند به طرز چشم‌گیری کمتر از سایر انواع لوله‌ها باشد. سطح داخلی کاملاً صاف لوله‌های پلی‌اتیلن موجب حفظ خواص ویژه جریان می‌شود و جوشکاری گرمایی  باعث حذف نشتی‌ها می‌گردد. ثابت شده است که این موارد ترکیب موفقی برای کاهش هزینه‌های عملکرد سیستم هستند.

     اتصالات بدون نشتی و کاملاً مهار شده- اتصال پلی‌اتیلن با استفاده از جوشکاری گرمایی موجب تشکیل اتصالات بدون نشتی می‌شود که استحکام آن‌ها همانند لوله و یا حتی قوی تر از آن است. استفاده از جوشکاری در کاربردهای شهری موجب حذف نقاط نشتی احتمالی می‌شود که این نقاط در سایر انواع لوله‌ها مانند لوله‌های PVC یا آهنی ضمن استفاده از اتصالات نَری- ماده‌گی  متداول در هر 10 تا 20 فوت وجود دارند. در همه این اتصالات نَری- ماده‌گی از واشرهای لاستیکی استفاده می‌شود که در طی زمان دچار استهلاک می‌شوند و احتمال نشتی پیدا می‌کنند، به همین دلیل «میزان نشتی قابل قبول آب » در آن‌ها 10% یا بیشتر است اما این میزان در لوله‌های پلی‌اتیلن با توجه به امکان استفاده از جوش، بطور نسبی صفر است. به علاوه نقاط جوش خورده پلی‌اتیلنی خاصیت خودمهاری  دارند که ضمن حفظ یکپارچگی اتصالات، باعث حذف نیاز به مهار کننده‌های ضربه گران قیمت و یا بلوک‌های ضربه گیر می‌شود. با وجود مزایایی که روش اتصال جوش لب به لب  دارد، مهندسان راه‌های دیگری هم برای اتصال لوله‌های پلی‌اتیلن در اختیار دارند که از جمله آن‌ها می‌توان از الکتروفیوژن  و اتصالات مکانیکی نام برد. در اتصالات الکتروفیوژن، لوله‌ها و یا اتصالات با استفاده از گرم کننده الکتریکی تعبیه شده در آن‌ها به یکدیگر اتصال می‌یابند. گاهی برای اتصال لوله به سایر قطعات مانند شیرآلات یا دیگر دستگاه‌ها بکاررفته به اتصالات مکانیکی نیاز است. برای اینگونه اهداف، اتصالات بخصوصی ایجاد شده که برای پاسخگویی به اکثر نیازهای کاربردی به وفور در دسترس است.

در سیستم‌های لوله‌های پلی‌اتیلن که به درستی طراحی و نصب شده‌اند، نیاز اندکی به نگهداری مستمر وجود دارد. لوله پلی‌اتیلن در برابر اغلب مواد شیمیایی متداول مقاوم بوده و مستعد خطر خوردگی گالوانیک و یا الکترولیز نیست.

     بازده هیدرولیکی -از آنجا که سطح داخلی لوله پلی‌اتیلن خالی از هرگونه زبری است، این لوله‌‌هادر رده «لوله‌های صاف » قرار می‌گیرند، گروهی که کمترین مقاومت در برابر جریان سیال را ایجاد می‌کند. در کاربردهای آبی، فاکتور C هازن ویلیامز  برابر با 150 است و در طول زمان تغییر نمی‌کند. در سایر جنس لوله‌ها، فاکتور C با گذشت زمان و در اثر خوردگی، بادکردگی و یا ایجاد بافت‌های زنده (ایجاد خزه‌ها،...) به شدت کاهش می‌یابد. لوله‌های پلی‌اتیلن بدون خوردگی، بادکردگی و یا رشد بافت‌های زنده، صافی سطح داخلی و قابلیت‌های جریانی خود را حفظ کرده و بازده هیدرولیکی سیستم را در طول عمر مورد نظر طراحی، تضمین می‌کند.

     مقاومت در برابر دما- بازه دمایی متداول عملکرد لوله‌های پلی‌اتیلن در شرایط کاری پرفشار 0 تا 140 درجه فارنهایت است. اما برای شرایط کاری کم فشار و برخی کاربردهای خاص، این ماده می‌تواند دماهای بسیار پایین تری را تحمل کند (تا 40- درجه فارنهایت و کمتر از آن)، همچنین فرمولاسیون‌های خاصی از پلی‌اتیلن نیز وجود دارد که می‌تواند در دماهای نسبتاً بالاتری به کار رود. آزمایش‌های گسترده و بکارگیری بسیار زیاد این لوله‌‌¬هادر محیط‌های بسیار سردا نشان داده است که این شرایط کاری تأثیر زیادی بر استحکام و خواص عملکردی لوله ندارد. بسیاری از رزین‌های پلی‌اتیلنی که در لوله‌های پلی‌اتیلن مورد استفاده قرار می‌گیرند، نه تنها در دمای استاندارد 73 درجه فارنهایت، بلکه در دماهای بالاتر مانند 140 درجه فارنهایت، مورد آزمون تنش قرار گرفته‌اند. عموماً لوله‌های پلی‌اتیلن نسبت به سایر مواد گرمانرمی مثل PVC در دماهای بالا، بیشترِ استحکامشان را حفظ می‌کنند. مواد پلی‌اتیلن تقریباً 50% از استحکامشان در دمای 73درجه فارنهایت را در دمای 140 درجه فارنهایت حفظ می‌کنند در حالیکه PVC در 140 درجه فارنهایت، نزدیک به 80% از استحکامش در 73 درجه فارنهایت را ازدست می‌دهد (5). در نتیجه لوله‌های پلی‌اتیلن را می‌توان در بسیاری از کاربردهای لوله‌کشی در طیف گسترده‌ای از تغییرات دمایی مورد استفاده قرار داد.

ویژگی‌‌هاو مزایای پلی‌اتیلن بسیار گسترده است و برخی از مهم‌ترین خواص آن در پاراگراف‌های قبل تشریح شد. بسیاری از ویژگی‌های عملکردی لوله‌های پلی‌اتیلن، نتیجه مستقیم تلفیق دو خاصیت فیزیکی مهم لوله‌های پلی‌اتیلنی است که در فشارهای مختلف آزموده شده‌اند. این دو خاصیت شامل خاصیت چقرمگی و رفتار ویسکوالاستیک هستند. پیشنهاد ما به خواننده این است که در زمان مرور فصل‌های بعدی این کتاب راهنما، این دو خاصیت را در ذهن داشته باشد.

     چقرمگی 

چقرمگی عبارت است از قابلیت تغییر شکل یک ماده تحت تأثیر تنش، بدون ایجاد شکستگی و یا نهایتاً گسیختگی. همچنین گاهی از قابلیت افزایش کرنش  (ازدیاد طول) به چقرمگی تعبیر می‌شود و این یکی از ویژگی‌های مهم لوله‌های پلی‌اتیلن، هم در هنگام استفاده بصورت رو زمینی و هم بصورت زیرزمینی می‌باشد. بعنوان مثال، در اثر وارد شدن بار از سطح زمین، لوله پلی‌اتیلن مدفون در خاک تغییر شکل می‌دهد و سطح مقطع دایره‌ای آن به بیضی تغییر می‌کند و قطر عمودی آن کاهش و قطر افقی اندکی افزایش یابد. افزایش قطر افقی باعث می‌شود دیواره خاکی به عرض لوله فشار آورند، این فشار مانع از تغییر شکل بیشتر لوله شده و نهایتاً به پایداری لوله می‌انجامد. این مسئله نهایتاً شکل‌گیری ساختار خاک - لوله را فراهم کرده و قابلیت تحمل بارهای عمودی زمینی یا سایر بارهای عمودی را به مواد چقرمه می‌دهد. این بارها می‌توانند باعث شکست لوله‌های مستحکم تر ولی با قابلیت کرنش پایین تر شوند. مواد چقرمه مانند پلی‌اتیلن که در لوله‌کشی‌های آب، گاز طبیعی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، می‌توانند افزایش تنش‌های موضعی حاصل از نصب نامناسب را، که در آن‌ها تخته سنگ‌ها، قلوه سنگ‌ها یا کنده‌های درختان ممکن است در موقعیتی قرار بگیرند که به سطح خارجی لوله فشار بیاورند، بصورت ایمن تحمل کنند. شرایط عمرانی زیاد دیگری وجود دارد که ممکن است منجر به تأثیراتی مشابه موارد فوق گردد، برای مثال می‌توان به خمش لوله بیش از حد کرنش مجاز، تقویت ناکافی لوله، هم راستاسازی نا موفق لوله برای اتصال به سازه‌های سخت و غیره اشاره کرد. وقتی لوله‌هایی با چقرمگی کم تحت چنین شرایط افزایش تنش موضعی قرار می‌گیرند، عملکرد مناسب مواد چقرمه مانند پلی‌اتیلن را ندارند.

موادی با چقرمگی و قابلیت کرنش کم، پاسخ متفاوتی به افزایش تنش می‌دهند. مواد حساس به کرنش، تحلیل تنش پیچیده‌ای دارند و در بخش‌هایی خاص از ماده پتانسیل افزایش تنش وجود دارد. اگر هریک از این تنش‌‌‌هااز حد اعلام شده در طراحی تجاوز نماید، توسعه ترک¬ها آغاز می‌شود و ممکن است به گسیحتگی کامل قطعه یا محصول بینجامد. در موادی مانند لوله‌های پلی‌اتیلن چقرمه هستند قابلیت ایجاد تغییر شکل موضعی بیشتر، بدون ایجاد تخریب غیر قابل برگشت مانند ایجاد ترک، وجود دارد. در واقع تغییر شکل موضعی باعث توزیع و اتلاف قابل ملاحظه تنش موضعی، بدون اثری مضر بر لوله می‌شود. در نتیجه عموماً طراحی ساختاری موادی را که در حالت چقرمه عمل می‌کنند، می‌توان بر اساس میانگین تنش انجام داد و این واقعیت موجب تسهیل بسزای پروتکل طراحی می‌شود. به منظور تضمین چقرمگی کافی (قابلیت کرنش)، ملزومات خاصی توسعه یافته است که در لیست خواص ساختاری موادی که از آن‌‌‌‌هاانتظار رفتار چقرمه می‌رود قرار دارد؛ به عنوان مثال می‌توان از ملزوماتی که برای لوله‌هایی از جنس «آهن چکش خوار» و فولاد نرم منتشر شده‌اند، نام برد. چقرمگی همواره بعنوان یکی از ویژگی‌های خاص و ذاتی لوله‌های پلی‌اتیلن مطرح بوده است و این یکی از دلایل اصلی استفاده مستمر از این ماده برای توزیع گاز طبیعی در آمریکای شمالی در بیش از 30 سال اخیر بوده است. چقرمگی نسل جدید لوله‌های پلی‌اتیلن به طرز چشم گیری در قیاس با نمونه‌های قدیمی- که به خودی خود در صنعت گاز، آب، فاضلاب، کاربردهای صنعتی، دریایی و معدنی در 50 سال پیش بسیار موفق عمل کرده بودند- بهبود یافته است.

توصیه می‌شود برای بحث با جزئیات بیشتر درباره این ویژگی منحصر به فرد مواد پلی‌اتیلن، بخصوص درباره نسخه‌های پربازده جدید این ماده، و مزیت‌های استثنایی در طراحی که با خود به دنیای لوله‌کشی آورده‌اند، به فصل 3، خواص مواد، مراجعه شود.

     خاصیت ویسکوالاستیک (کشسانی گرانرو)

لوله پلی‌اتیلن ماده‌ای با ساختمان ویسکوالاستیک است (6). پلی‌اتیلن به دلیل طبیعت مولکولی‌اش، ترکیب پیچیده‌ای از رفتار سیال گون و کشسان گون دارد. در نتیجه این ماده خواصی مابین بلورهای فلزی و سیالات بسیار گرانرو (کند روان) را از خود نشان می‌دهد. این مفاهیم در فصل خواص مهندسی این کتاب راهنما به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است.

طبیعت ویسکوالاستیک پلی‌اتیلن منجر به دو خاصیت مهندسی شده که در طراحی سیستم‌های لوله‌کشی آب پلی‌اتیلن بکار می‌روند: خزش  و میرایی تنش.

o    خزش مؤلفه¬ای از تغییر شکل است که به صورت مؤلفه جریان گرانرو وابسته به زمان تعریف می‌شود. خزش به پاسخ پلی‌اتیلن به یک بار ثابت در طول زمان نیز تعبیر می‌شود. هنگامی که پلی‌اتیلن تحت یک بار ثابت قرار می‌گیرد، بلافاصله دچار یک تغییر شکل می‌شود که توسط مدول الاستیک  که از منحنی تنش-کرنش کششی قابل پیش بینی است. علاوه بر این تغییر شکل آنی، ماده در بارهای زیاد با نرخ کند شونده‌ای به تغییر شکل ادامه می‌دهد و اگر بار به اندازه کافی زیاد باشد، ممکن است ماده دچار پکیدگی یا شکست شود. لوله‌های پلی‌اتیلن بر طبق استانداردهای صنعتی، جزء مواد سخت  طراحی شده‌اند که منطبق با نمونه‌های پیشنهادی صنعتی، تغییر شکل حاصل از تحمل بار، یا بعبارتی همان خزش، آنقدر کم شود که از نظر مهندسی قابل چشم پوشی باشد.

o    میرایی تنش  ویژگی منحصر به فرد دیگری است که حاصل طبیعت ویسکوالاستیک پلی‌اتیلن است. وقتی پلی‌اتیلن تحت کرنش ثابتی قرار می‌گیرد (تغییر شکل به یک اندازه مشخص) که مدتی حفظ می‌شود، بار یا تنشی که بواسطه تغییر شکل ایجاد می‌شود با گذشت زمان به آرامی کاهش می‌یابد، البته هرگز بطور کامل دفع نمی‌شود. این میرایی تنش در پاسخ به بار، اهمیت بسزایی در طراحی سیستم‌های لوله‌های پلی‌اتیلن دارد. این پاسخی است که موجب کاهش تنش در مقاطعی از لوله که تحت کرنش ثابت قرار گرفته‌اند، می‌شود.

پاسخ سیستم‌های لوله‌های پلی‌اتیلن به بار، به عنوان ماده‌ای ویسکوالاستیک، وابسته به زمان است. مدول الاستیک بدلیل خواص خزش و میرایی تنش پلی‌اتیلن، به طرز چشم گیری با گذشت زمان بارگذاری کاهش می‌یابد. مدول الاستیک لحظه ای  برای وقایع ناگهانی مانند چکش آبی در دمای 73 درجه فارنهایت، در حدود psi 150،000 است. برای اتفاقاتی که اندکی از وقایع ناگهانی طولانی مدت تر و البته هنوز کوتاه مدت هستند مانند نشست خاک و بار حاصل از موجودات زنده، مدول کوتاه مدت  پلی‌اتیلن در دمای درجه فارنهایت در حدود 110،000 تا psi 130،000 است؛ و مدول ظاهری به عنوان در بلند مدت به حدود 20،000 تا psi 30،000 کاهش می‌یابد.

همانگونه که از بحث‌های مختصر ما در اینجا مشخص شد، لوله‌های پلی‌اتیلن، لوله‌هایی چقرمه و با دوام هستند که خواص عملکردی منحصر بفردشان اجازه می‌دهد تا در گستره وسیعی از کاربردها و با تکنیک‌های مختلفی از ساخت و ساز بر اساس نیازهای پروژه، مورد استفاده قرار بگیرند. در فصول بعدی، اطلاعاتی کامل درباره خواص مهندسی پلی‌اتیلن، راهنمایی‌هایی برای طراحی سیستم‌های لوله‌کشی پلی‌اتیلن و تکنیک‌های نصب ارائه می‌شوند. همچنین پیش زمینه‌هایی در مورد اینکه لوله‌ها و اتصالات پلی‌اتیلنی چطور تولید می‌شوند و راهنمایی‌های درمورد روش مناسب کار با مواد پلی‌اتیلن در اختیار خواننده قرار می‌گیرد. چنین اطلاعاتی می‌تواند بعنوان پایه‌ای برای طراحی خوب، نصب و عملکرد موفق سیستم‌های لوله‌کشی پلی‌اتیلن مورد استفاده واقع شود.

 

مراجع

1.    The History of Plastics. (2005, May). www.americanplasticscouncil.org.

2.    Mruk, S. (1985, November). Plastic Pipe in Gas Distribution Twenty-Five Years of Achievement, Gas Industries.

3.    Shipments of PE Pipe, PPI Statistics Report. (2007). Plastics Pipe Institute, Irving, Texas.

4.    Willoughby, D. A. (2002). Plastic Piping Handbook, McGraw-Hill Publications, New York.

5.    PVC Pipe - Design and Installation. (2004). AWWA Manual M-23, American Water Works Association, Denver.

6.    PE Pipe - Design and Installation. (2006). AWWA Manual M-55, American Water Works Association, Denver.