خواص مواد اوليه

سازگاری گسترده لوله‌های پلی‌اتیلن در بسیاری از کاربردهای تحت فشار و کم فشار، مرهون تعدادی از مزایای عملکردی این لوله‌ها است. یکی از مهم‌ترین آن‌ها، مصونیت پلی‌اتیلن از تخریب بوسیله خاک، رطوبت و آب است. پلی‌اتیلن بدلیل غیرهادی بودن در برابر جریان الکتریسیته، در برابر فرآیندهای خوردگی الکتروشیمیایی که بوسیله الکترولیت‌هایی مانند نمک‌ها، اسیدها و بازها ایجاد می‌شود، ایمن است. بعلاوه، لوله‌های پلی‌اتیلن در برابر حملات میکروبی آسیب پذیر نیستند و سطح داخلی صاف و نچسب آن‌ها فاکتور اصطکاکی  پایین دارد از این رو دارای مقاومتی استثنایی در برابر گرفتگی است.

یکی دیگر از مزایای عملکردی منحصر بفرد لوله‌های پلی‌اتیلن، انعطاف‌پذیری  آن‌هاست. این ویژگی باعث تسهیل عملیات نصب می‌شود زیرا قابلیت انجام تغییرات زاویه‌ای با استفاده از کمترین اتصالات را می‌دهد. همچنین انعطاف‌پذیری به لوله‌های طویل با قطر حداکثر 6 اینچ، قابلیت کلاف شدن می‌دهد. یکی دیگر از خواص عملکردی منحصر بفرد لوله‌های پلی‌اتیلن کرنش پذیری است، که بیانگر توانایی تغییر شکل زیاد بدون شکست است. یک لوله پلی‌اتیلن دفن شده، در پاسخ به باری که از سطح زمین به آن وارد می‌شود، می‌تواند بصورت ایمن کج شده و از خاک اطراف بعنوان نگهدارنده بهره ببرد. به طوری که اگر لوله پلی‌اتیلنی به طرز صحیحی نصب شده است، می‌تواند فشار حاصل از خاک و بار حاصل از موجودات زنده سطحی را تحمل کند درحالیکه همین مقدار بار می‌تواند در لوله‌هایی که بسیار محکم تر هستند، اما در اثر تغییر شکل‌های کوچک دچار ترک و گسست می‌شوند، باعث شکست شود. همچنین آزمایشات در عمل ثابت کرده‌اند که قابلیت کرنش پذیری بالای لوله‌های پلی‌اتیلن، آن‌ها را در برابر لرزش بسیار مقاوم کرده است.

لوله‌ها و اتصالات پلی‌اتیلنی را می‌توان با استفاده از فرآیندهای جوشکاری گرمایی  چنان به هم متصل نمود که به ایجاد جوش‌هایی ضد نشتی و کاملاً عایق بیانجامد که به محکمی خود لوله هستند. ترکیب این مزایا باعث می‌شود لوله‌های پلی‌اتیلن برای کاربردهای خاصی از جمله حفاری جهت‌دار افقی، ترکاندن لوله قدیمی ، و خروجی‌های تخلیه به دریا ، ارجحیت داشته باشند. در دو کاربرد نخست ذکر شده، استفاده از فرآیند جوشکاری لب به لب- که موجب عدم استفاده از اتصالات قطور تر می‌شود - موجب می‌شود بتوان عملیات نصب را با استفاده از کشیدن لوله انجام داد و امکان استفاده از لوله‌های قطور تر را فراهم می‌کند.

یکی دیگر از مزایای شناخته شده لوله‌های پلی‌اتیلن، استحکام آن‌هاست. هم لوله‌های پلی‌اتیلن و هم اتصالاتی که با جوشکاری گرمایی  در خط لوله بوجود آمده‌اند، بشدت در برابر رشد  یک نقص  ریز به یک ترک  بزرگ، مقاومت می‌کنند. این موضوع یکی از دلایل اصلی استفاده از لوله‌های پلی‌اتیلن در کاربردهای توزیع گاز است. لوله‌های پلی‌اتیلن حتی در دماهای پایین چغرمگی  خود را حفظ می‌کنند. بعلاوه، لوله‌های پلی‌اتیلن، مقاومت بسیار زیادی در برابر خستگی  دارند و در برابر نیروهای مختلف و متوالی اعمال شده بسیار مقاوم‌اند.

علیرغم مزایای ذکر شده و سایر مزایای لوله‌های پلی‌اتیلن، طراحی و کاربرد صحیح آن‌ها مستلزم داشتن شناخت کافی از رفتارهای پیچیده تر تنش-کرنش و تنش-شکست آن‌ها می‌باشد. لوله‌های پلی‌اتیلن بر اساس تناسب ساده بین تنش و کرنش (قانون هوک )، که مشخصه لوله‌های فلزی است، عمل نمی‌کنند بلکه قابلیت مقاومت آن‌ها در برابر شکست، با افزایش زمان تحمل بار، کاهش می‌یابد. علاوه بر این خصوصیات و سایر خواص مکانیکی، آن‌ها حساسیت بیشتری نسبت به دما و بعضی محیط‌های خاص دارند. در ضمن، پاسخ‌های مکانیکی لوله پلی‌اتیلن می‌تواند بسته به ماده خام پلی‌اتیلن که لوله از آن ساخته شده است، متفاوت باشد. این موضوع بیشتر به طبیعت پلیمر پلی‌اتیلن (یعنی وزن مولکولی، توزیع وزن مولکولی، درجه شاخه‌ای شدن (چگالی)) و همچنین تا حدی به نوع و مقدار افزودنی‌هایی که در ترکیب لوله مورد استفاده قرار گرفته‌اند، وابسته است. رفتار یک لوله پلی‌اتیلن خاص که برای کاربردی خاص انتخاب می‌شود، می‌بایست با طراحی و کارایی متناسب باشد. توصیف مختصری از رفتارهای مهندسی پلی‌اتیلن و ارائه فهرستی از مهم‌ترین خواص آن، یکی از مهم‌ترین اهداف این فصل است.

یکی دیگر از اهداف این فصل، ارائه مقادیر برای خواص مهمی است که در دسته بندی مواد و طراحی خطوط لوله مورد استفاده قرار می‌گیرند، و همچنین شرح مختصری از روش‌هایی است که این خواص بر اساس آن‌ها بدست می‌آیند.

پلاستیک‌های پلی‌اتیلنی

پلاستیک‌ها مواد جامدی حاوی یک یا بیش از یک ماده پلیمری هستند که می‌توانند توسط جریان یافتن ، تغییر شکل دهند. پلیمرها، بعنوان ترکیبات اصلی پلاستیک‌ها، طیف وسیعی از مواد شامل پلیمرهای طبیعی و مصنوعی را در بر می‌گیرند. تقریباً همه پلاستیک‌ها از پلیمر مصنوعی ساخته شده‌اند. پلیمرها، در نمونه‌های تجاری، بیشتر بصورت رزین آماده می‌شوند. بعنوان مثال، یک لوله پلی‌اتیلنی حاصل ترکیبی از رزین پلی‌اتیلن با رنگدانه ها، پایدار کننده‌ها، آنتی اکسیدانها و سایر مواد تشکیل دهنده‌ای است که برای محافظت از لوله و بهبود خواص آن در طی فرآیند ساخت و زمان سرویس دهی، لازم هستند.

پلاستیک‌ها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند، گرمانرم  و گرماسخت . گرمانرم‌ها مواد پلاستیکی هستند که در اثر حرارتبراحتی تغییر شکل می‌دهند و جریان می‌یابند، این مواد را می‌توان چندین بار قالب گیری کرده و مورد استفاده قرار داد. گرماسخت‌ها مواد پلاستیکی هستند که تحت حرارت پخت می‌شوند و شکل می‌گیرند، این مواد پس از شکل‌گیری سخت می‌شوند و دیگر در اثر گرم شدن تغییر شکل نمی‌دهند و جریان نمی‌یابند. از هر دو دسته برای تولید لوله‌های پلاستیکی استفاده می‌شود.

پلاستیک‌های گرمانرم شامل پلی‌اتیلن، پلی پروپیلن و پلی وینیل کلراید (PVC) می‌شود. حالت جامد گرمانرم‌ها حاصل از نیروهای فیزیکی است که زنجیره‌های پلیمری را غیر متحرک می‌کنند و از لغزش آن‌ها روی یکدیگر جلوگیری می‌نمایند. وقتی حرارت اعمال می‌شود، این نیروها ضعیف می‌شوند و به ماده اجازه می‌دهد نرم یا ذوب شود. همزمان با سرد شدن، زنجیره‌های مولکولی در حالت جامد از لغزش باز می‌ایستند و محکم کنار یکدیگر نگهداشته می‌شوند. گرمانرم‌ها را می‌توان در حالت رزین مذاب شکل‌دهی نمود و در اشکال مختلفی از قبیل لوله، اتصالات لوله، فلنج و یا شیرآلات، اکسترود یا قالب زنی کرد.

پلاستیک‌های گرماسخت پیش از شبکه‌ای شدن  شبیه به پلاستیک‌های گرمانرم هستند. شبکه‌ای شدن واکنشی شیمیایی است که طی آن زنجیره‌های پلیمری بوسیله اتصالات عرضی به یکدیگر پیوند شیمیایی می‌خورند. فرآیند شبکه‌ای شدن معمولاً همزمان یا بلافاصله بعد از شکل‌دهی محصول نهایی انجام می‌شود. شبکه‌ای شدن عبارت است از پیوند تصادفی مولکول‌ها به یکدیگر و تشکیل شبکه‌ای عظیم در مقیاس سه بعدی. رزین‌های گرماسخت بعد از پخت (شبکه‌ای شدن) یا افزودن عامل پخت ، شکلی نامحلول و ذوب ناشدنی و دائمی می‌یابند و نمی‌توان آن‌ها را بعد از شکل‌دهی و شبکه‌ای کردن، دوباره ذوب نمود. این تفاوت اصلی بین پلاستیک‌های گرمانرم و گرماسخت است. وقتی یک قطعه گرماسخت مورد اعمال حرارت قرار می‌گیرد، تجزیه در دمایی پایین تر از دمای ذوب اتفاق می‌افتد یعنی پیش از آنکه قطعه گرماسخت ذوب شود، تخریب می‌گردد. قابلیت پخت رزین‌های گرماسخت، ما را قادر می‌سازد تا ترکیباتی بسیار قوی را از ترکیب این مواد با تقویت کننده‌ها بسازیم. فایبرگلاس  یکی از معروف‌ترین تقویت کننده‌هاست و لوله‌های تقویت شده با فایبر گلاس، متداول‌ترین شکل لوله‌های گرماسخت هستند