مزایای لوله‌های پلی اتیلن بر لوله‌های فولادی ( کربن استیل)

مزایای استفاده از لوله‌های پلی اتیلن نسبت به لوله‌های فولادی ( کربن استیل)

از مقايسه ويژگي هاي ساختاري و عملكرد كوتاه مدت و بلند مدت لوله پلي‌اتيلن فشرده (HDPE – High Density Poly Ethytene ) و نيز مقايسه اسـتانداردهاي ساخت و تولید در هر مورد (AWWA C906 براي لوله پلي‌اتيلن و استاندارد های AWWA C200 براي لوله‌ فولادی) و همچنين آزمايشات عملي انجام شده انستيتو مواد مركب ساختاري (SCI) Structural Composites Incو آزمايشگاه مهندسي پلاستيك (PEL Plastics Engineering Laboratory،و انیسیتو پلاستیک پایپ PPI و اداره استاندارد صنعتی ایران كه همگي مراكز تحقيقاتي معتبر و صاحب نام مي‌باشند، نتايجي استنباط گرديده كه در زير مي‌آيد. جهت مقايسه منطقي در آزمايشات از مطلوب‌ترين جنس پلي‌اتيلن فشرده يعني نوع PE 100 به تصريح استاندارد AWWA C906 استفاده شده است.

این مقایسه بر اساس ویژگی های این دو نوع لوله گردآوری شده است و مقایسه بر اساس مشخصات ارائه شده سازندگان این نوع لوله ها می باشد که صرفنظر از استانداردهای موجود باید به عنوان مقایسه مورد توجه قرار گیرد .

مقدمه

لوله‌های پلی اتیلن سنگین (چگالی بالاHDPE) در حوزة وسیعی از خطوط لوله شهری، صنعتی، دریایی، حفاری، دفن زباله و کشاورزی به کار می‌روند. کاربرد مطلوب این دسته از لوله ها در موقعیت هایی چون سطح زمین، حالت مدفون، شناور و سطوح زیر دریا آزمایش و به اثبات رسیده است. این لوله ها قابلیت انتقال آب آشامیدنی، فاضلاب، موادشیمیایی، دوغاب، و پسماندهای خطرناک و گازهای فشرده را دارند.

شخصات مکانیکی لوله و اتصالات پلی اتیلن شرکت پارس اتیلن کیش

شرحمقدارواحد
ضریب زبری مانینگ۰٫۰۱۰= N
هيزن ويليامزC=150
آلاستيسيته پلي اتيلن کوتاه مدت۱۱۰۰Mpa
آلاستيسيته پلي اتيلن بلند مدت (۵۰سال)۸۰۰Mpa
مقاومت کششي کوتاه مدت۲۰Mpa
مقاومت کششي بلند مدت ۵۰ ساله۷Mpa
حداکثر دماي قابل تحمل(کوتاه مدت)۸۰Co
حداکثر دماي قابل تحمل(بلند مدت)۴۵Co
ضريب انبساط و انقباض۰٫۲mm/m Co
طول عمر با مواد اوليه PE100 در Co ۲۰۱۰۰سال
طول عمر با مواد اوليه PE 80 در ۲۰ Co۵۰سال
مقاومت شيميائي۱۴ – ۱٫۵PH
قابليت انعطافبا شعاع ۲۴تا۳۰ برابر قطر لوله قابليت خم دارد (تابع  SDRلوله)
ضريب انتقال حرارت۰٫۴[λ[w/m.k
قابليت آتش سوزيحرارت بيش از Co ۳۴۰سانتي گراد
مقاومت الکتريکي۱۴ ۱۰  <

کاربرد لوله های پلی اتیلن

موارد استفاده از لوله های پلی اتیلن سنگین بدین شرح است:

  • استفاده در شبکه های آبرسانی شهری و روستایی
    • استفاده در شبکه های فاضلاب شهری و روستایی
    • استفاده در شبکه های گازرسانی و زهکشی
    • سیستم های مایعات و فاضلاب صنعتی
    • شبکه های آبیاری تحت فشار (قطره ای و بارانی)
    • سیستم های آبیاری متحرک
    • پوشش کابل های مخابراتی و فیبر نوری
    • پوشش کابل برق
    • پوشش لوله های فلزی
    • به عنوان کانال های تهویه

مزایای کلی لوله پلی اتیلن سنگین نسبت به لوله فولادی

o ارزانی قیمت
o حمل و نقل آسان به علت سبکی
o عدم خوردگی و زنگ زدگی
o یکنواختی ضخامت جدارة لوله ها
o صاف و صیقلی بودن جدارة داخلی و در نتیجه حداقل ته نشین شدن رسوبات
o قابلیت انعطاف حتی در سرمای زیر صفر
o نشکن و ترک برنداشتن در اثر و فشار خارجی
o تولید در سیستم متریک و غیره با قطرهای متنوع و به طول های مورد نظر به صورت حلقه ای شکل
o عایق بودن در برابر حرارت
o سهولت طریقة اتصال آنها به هم؛ یعنی نصب سریع و نیاز کمتر به وسایل اتصال
o عدم لزوم ماشین آلات سنگین و حجیم جهت نصب و جوشکاری

ویژگی های لوله

این لوله ها، به دلیل عدم امکان نشت، فاسد شدن، نصب آسان و مقاومت در برابر حرکت خاک و فشار، حدود نیم قرن است که مورد مصرف قرار می گیرند. از طرفی چون پلی اتیلن ماده ای ویسکوالاستیک است و مثل تمامی ترموپلاستیک ها رفتار خزش از خود نشان می دهد، بر اثر مرور زمان دچار تغییر شکل می شود. چنین پدیده ای حتی در دمای معمولی و فشار نسبتاً کم نیز صورت می پذیرد و همانند دیگر پلاستیک ها، خواص مکانیکی پلی اتیلن به سه پارامتر زمان، حرارت و فشار وابسته است. بنابراین در محاسبات مربوط به طراحی لوله ها، همواره مقادیر خواص مکانیکی توسط آزمایشات طولانی مدت تعیین و الزاماً در یک فاکتور به نام فاکتور ایمنی تقسیم می شود در ادامه به بیان ویژگی های این لوله ها می پردازیم.

خزش و استحکام کششی

هنگامیکه لوله های پلیمری تحت فشار بارهای خارجی و داخلی قرار می گیرند ،پس از مدتی مشخصه های مکانیکی آنها تغییر شکل می یابد که این پدیده با نام خزش در لوله های پلیمیری از اهمیت بالائی برخوردار می باشد .
لوله های فولادی اصولا رفتار داکتیل دارند و مقاومت خزشی کمتری نسبت به گونه های دیگر لوله های مورد اشاره دارد برخلاف لوله فولادی، لوله‌هاي پلي‌اتيلن در مقادير تنش كششي دچار خزش مي‌شوند.در اینگونه موارد لوله فولادی از خود رفتار داکتیل نشان می دهد و می شکند .

هنگام كاهش سرعت بارگذاري روي لوله پلي‌اتيلن يا هنگامي كه لوله تحت بار ثابت براي مدت زمان طولاني قرار مي گيرد، مولكول‌ها فرصت جداشدن و آزاد شدن از يكديگر را دارند كه اين امر باعث تقليل تنش مورد نياز براي تغيير شكل و جلوگیری از عدم شکست می شود که دامنه کاربرد آن را برای اجرای پروژه های زیرزمینی با ریسک جابجائی زمین و یا ناصاف بودن آن ساده تر و کاربردی تر می نماید .هرچند تجارب سازندگان و پیمانکاران نشان می دهد لوله های پلی اتیلن در اینمورد از خود مقاومت بیشتری را نشان می دهد و با توجه به مولفه های شیمیائی مورد استفاده در مواد اولیه آن می تواند خزش بیشتری را قبل از پارگی تحمل نماید . رویه آزمون‌های استاندارد خزش در استاندارد انجمن امریکایی آزمون و مواد ASTM E139 آورده شده‌است.

بارگذاری خمشی و مقاومت فشاری 

مستقيم‌ترين روش جهت اندازه‌گيري مقاومت لوله مقابل فشار، تست هيدرواستاتيك است. تمامي لوله‌هاي پلی اتیلن كه تا مرحله شكست تحت فشار قرار گرفتند فقط دچار ترك به طول ٣٧ تا ١٠٠ سانتيمتر شدند.

افزايش دائمي قطر نمونه‌هاي پلي‌اتيلن پس از آزادشدن فشار داخلي و پايان تست در جدول ۱ آمده است. لوله های پلی اتیلن می تواند تا فشار ۱۰mpa را تحمل نماید و در برابر تغییرات زمین شناسی و زلزله بسیار مقاوم می باشد .ولی لوله های فولادی در برابر این تغییرات بسیار شکننده هستند .

سازگاری با محیط زیست 

تولید لوله های پلی اتیلن هیچگونه آثار زیست محیطی ندارد و لوله های پلی اتیلن نیز در مقابل حمله میکرو ارگانیسم ها مقاوم می باشند چراکه پلی اتیلن ماده تغذیه کننده ای برای آنها نمی باشد .با توجه به ترکیب اکسیژن با هوا و زنگ زدگی لوله های فولادی این نوع لوله ها می تواند به محیط زیست صدمه بزند ولی لوله های پلی اتیلن به عنوان لوله های دوستدار محیط زیست قلمداد می شوند .

مقاومت در برابر مواد شیمیائی

پلی اتیلن ها خانواده ای از گرمانرم ها (ترموپلاستیک ها) هستند که از طریق پلیمریزاسیون گاز اتیلن به دست می آیند. این پلیمریزاسیون تحت فشار و دمای بالا و در حضور کاتالیست های فلزی انجام می شود. تحت این شرایط، مولکول های اتیلن به زنجیره هایی به طول ۵۰ تا ۵۰۰۰۰ واحد تبدیل می شوند و گاز اتیلن به یک مادة جامد سفید کریستالی تغییر حالت می دهد.پلی اتیلن شامل ساختار بسیار ساده ای است، به طوری که ساده تر از تمام پلیمرهای تجاری است. یک مولکول پلی اتیلن زنجیر بلندی از اتم های کربن می باشد که به هر اتم کربن آن دو اتم هیدروژن چسبیده است. پلی اتیلنی که تعداد زنجیره های جانبی آن کم و طول آنها کوتاه باشد، پلی اتیلن سنگین (پلی اتیلن خطی) نامیده می شود. در این حالت هیچ شاخه ای در مولکول وجود ندارد. پلی اتیلن خطی سخت تر از پلی اتیلن شاخه ای است، اما پلی اتیلن شاخه ای آسانتر و ارزانتر ساخته می شود. شکل این پلیمر کریستالی است. پلی اتیلن خطی محصول نرمالی با وزن مولکولی ۲۰۰۰۰۰ تا ۵۰۰۰۰۰ گرم است که آن را تحت فشار و دماهای نسبتاً پایین پلیمریزه می کنند. چگالی آن بین ۹۴۱/۰ تا ۹۶۵/۰ گرم بر سانتی متر مکعب است و آن را بیشتر به وسیلة فرایند پلیمریزاسیون، که زیگلر ناتا نامیده می شود، تهیه می کنند. تفاوت های خواص پلی اتیلن نوع سبک و سنگین به اندازه ای زیاد است که کاربردهای آنها را کاملاً متفاوت می کند و می توان آنها را از دو خانوادة گوناکون فرض کرد.

لوله های پلی اتیلن از مقاومت قابل توجهی در مقابل مواد شیمیائی آلی و غیرآلی برحوردار می باشد از این منظر لوله های .در يك تحقيق كه بوسيله آزمايشگاه تحقيقات مهندسي و محيط زيست دانشگاه بركلي كاليفرنيا انجام شده است گزارش شده كه ۱۵ درصد لوله‌هاي فولادی نفوذ پذيري داشته‌اندو اصولا در برابر مواد شیمیائی مقاومت ندارند و نیاز به مقاوم سازی دارند. اين در حالي است كه پلی اتیلن در مقابل مواد شيميائي مقاومت دارد.

شرايط بسترسازی

شرايط بستر در مورد لوله های فولادی بسيار مهمتر از لوله پلی اتیلن مي‌باشد. بستر مناسب براي كنترل اعوجاج كه تنها معيار طراحي لوله های فولادی در مقابل بارهاي خارجي است مورد نياز است. استاندارد كارگذاري لوله های فولادی بيان مي‌دارد كه بستر لوله آماده سازی گردد. بنابراين خاك اطراف لوله بايد بقدري فشرده باشد كه نيروهاي جانبي را به صورت كاملاً يكنواخت به لوله اعمال ننمايد. همچنين خاك بايستي عاري از هرگونه مواد آلي باشد. كف بستر بايد مسطح و عاري از سنگ‌هاي بزرگ و كلوخه باشد چون اين سنگ‌ها باعث كاهش استحكام در اثر ايجاد سايش و خراش لوله مي‌گردند. لازم به يادآوريست بسياري از اين تمهيدات در عمل فراهم نمي‌گردد. برعكس بدليل استحكام ذاتي لوله های پلی اتیلن كف مسطح بدون خاك‌ريزي يا كف مسطح با خاك ريزي سبك براي بسياري از كاربردها در مورد لوله های پلی اتیلن كافي است. هرچند عدم رعایت این توع ترانشه گذاری نیز مشکلی برای لوله های پلی اتیلن فراهم نمی نماید .

استفاده از تكيه‌گاه (Saddle) براي نصب شير

استاندارد های موجود استفاده از Saddle را براي شيرگذاري اجباري كرده است. برعكس استفاده از Saddle براي لوله‌هاي پلی اتیلن در مصارف معمولي غيرضروري است.

اتصالات و قطعات

اتصال پذیری لوله پلی اتیلن ، ارزانتر و سريعتر از لوله فولادی است. چون سریعتر آب بندی می شود و نشتی ندارد و سرعت پروژه را افزایش می دهد با استفاده از مواد پلی اتیلن امکان ساخت انواع اتصالات وجود دارد که با استفاده از انواع روشهای جوشکاری می تواند خط لوله مطمئنی را طراحی و اجرا نمود .

بررسی اتصالات لوله

اتصالات این دسته از لوله ها با توجه به کاربردهای گوناگون شان متفاوت است. اتصالات الکتوفیوژن برای پروژه های گازرسانی و اتصالات پیچی برای پروژه های آبرسانی تا فشار ۱۰ اتمسفر استفاده می شود. برای بقیة پروژه ها از اتصالات جوشی پلی اتیلن طبق استاندارد DIN 16963 آلمان استفاده می شود. فاضلاب خانگی از قوانین اشاره شده تبعیت نمی کنند.
ویژگی اتصالات این لوله ها بدین شرح است:

o مقاومت بسیار خوب اتصالات پلی اتیلن در برابر شکستگی و ترک خوردگی ناشی از فشارهای خارجی
o مقاومت بالا در مقابل فشار و ضربه
o مقاوم در برابر مواد شیمیایی
o مقاوم در برابر خوردگی و ساییدگی
o مقاومت عالی در برابر ارتعاشات ناشی از زلزله
o مقاوم در برابر زنگ زدگی
o صاف و صیقلی بودن جدارة داخلی و خارجی
o عدم رسوب گیری و افت فشار بسیار کم ناشی از اصطکاک سطح داخلی
o انعطاف پذیری بالا، هزینة بسیار پایین نصب و اجرا، سرعت اجرا و عدم نیاز به ماشین آلات سنگین در زمان اجرای خطوط لوله های پلی اتیلن

شناوري و اجرای پروژه های دریائی

لوله پلي‌اتيلن روي آب شناور مي‌شود. بنابراين هنگامي كه احتمال آمدن سيل در بستر لوله مي‌رود يا سطح آب‌هاي زيرزميني در محل بالاست، تمهيدات خاصي بايستي انديشيده شود. به اين منظور لوله بايستي مهار شود. اما لوله های فولادی با توجه به ماهیت وزن بالا امکان شناوری را ندارند و عملا استفاده های در پروژه های دریائی ندارند .(بصورت غرقابی استفاده می شود ).

اثر خراشيدگي

در مقايسه با لوله فولادی، پلي‌اتيلن ماده بسيار نرمتري است. بنابراين در مقابل خراش‌ها و ساير صدمات ايجاد شده در حين حمل و نقل کمتر آسيب‌پذيرتر مي‌باشد.

سهولت حمل و نقل

با توجه به مقاومت در برابر ضربه و سهولت بارگذاری و سهولت در جابجائی لوله های پلی اتیلن حمل و نقل این نوع لوله ها بیشتر بوده و درصد از بین رفتن لوله در اثر حمل و نقل صفر بوده و این نوع لوله ها ضایعات حمل و نقل ندارد .ضمنا با توجه به وزن کمتر لوله های پلی اتیلنی هزینه حمل آن بسیار کمتر از نمونه های فولادی است.

بررسی رفتار لرزه ای لوله ها

لوله های فولادی: این لوله ها، به ویژه اگر در مسیرهای انحنادار یا دارای شکستگی استفاده شوند، در برابر زلزله مقاومند و آسیب پذیری آنها بیشتر در حالت برخورد عمود بر گسل اتفاق می افتد. این لوله ها در مقایسه با لوله های چدنی، بتنی و آزبست کمتر آسیب می بینند. اگر از خوردگی این لوله ها ممانعت شود، کاربرد آنها در مناطق زلزله خیز با خطر کم و متوسط وحتی بدون اتصال انعطاف پذیر قابل قبول است. لازم به ذکر است که در صورت اتصال جوشی و به صورت یکپارچه در آوردن خطوط لوله می توان انتظار عملکرد لرزه ای بهتر و مناسب تری از این لوله ها داشت.
لوله های پلی اتیلن سنگین: این لوله ها با جوش های فیوژن رفتار لرزه ای خوبی دارند و برای مناطقزلزله خیز توصیه می شوند. دارای انعطاف پذیری مناسبی هستند و در زلزله های گذشته کمتر دچار آسیب شده اند. اما با گذشت زمان در برابر کلر موجود در آب لایه لایه شده و بایستی نسبت به عمر آنها دقت کافی داشت.

مقایسه میزان ترمیم ناشی از زلزله در لوله ها

میزان حرکت در گسل و جنس لوله دو پارامتر اساسی در برآورد میزان خرابی لوله هاست؛ اگرچه خصوصیات مقاومتی خاک، زاویة استقرار خط لووله نسبت به جهت گسل و عمق کارگذاری لوله نیز جزء پارامترهای مؤثر می باشند. در شکل ۶ میزان ترمیم برای آسیب ناشی از حرکت گسل برای انواع لوله نمایش داده شده است.

نتیجه گیری :

با توجه به آنچه عنوان شد صرفنظر از محدودیت ها و اشکالات هر کدام از لوله های مورد مقایسه به نظر می رسد لوله های پلی اتیلن مشخصات بهتری را نسبت به محصول دیگر دارد که استفاده از آن را در پروژه ای اجرائی سهل تر می نماید و ضرر کمتری را نیز به مجریان و طراحان تحمیل می نماید که آنرا اقتصادی تر و با استقبال بیشتری مواجه کرده است که در نمودار ذیل می توان آنرا بصورت مشهود دید .

۱- مقاومت در برابر مواد شیمیایی: این لوله ها در برابر محیط های اسیدی و بازی، همچنین بسیاری از محلول ها و مواد شیمیایی مقاوم اند.

۲- وزن کم: این لوله ها دارای وزن کمتری نسبت به انواع لوله های فولادی، چدنی و بتنی اند که باعث سهولت حمل، بارگیری و نصب آسان لوله و اتصالات می شود.

۳- استحکام و انعطاف پذیری بالا و قابلیت تحمل تنش: استحکام و قابلیت تحمل تنش های کششی و فشاری و انعطاف پذیری بالای این لوله ها به کاربر امکان حمل و نصب لوله و اتصالات را در اجرای انواع پروژه های صنعتی می دهد.

۴- عدم نشت: این لوله ها، به دلیل دارا بودن ویژگی عدم نشت، گزینة مناسبی برای انتقال گاز هستند و از طرفی باعث کاهش تلفات و هزینه ها در پروژه های آبرسانی می شوند.

۵- مقاوم بودن در برابر ضربه: مقاومت بسیار بالای این لوله ها در مقابل ضربه نیاز به کارگیری فشارهای بالاتر لوله و اتصالات و خریداری تجهیزات ضد ضربه را منتفی می کند. این خاصیت در پروژه های بزرگ صنعتی باعث سهولت اجرا و کاهش بسیار زیاد هزینه های اجرا می شود، ضمن آنکه ضایعات اجرا را به میزان صفر کاهش می دهد. این عامل می تواند دلیل بسیارز موجهی برای جایگزینی لوله و اتصالات پلی اتیلن سنگین با انواع لوله های بتنی باشد.

۶- رسوب ناپذیری: به دلیل صیقلی و صاف بودن و داشتن زبری بسیار پایین سطح داخلی لوله، سیالات درون آن جریان سریعی دارند.

۷- مقاوم بودن در برابر سایش: این لوله مقاومت بالایی در مقابل ساییدگی دارد. بنابراین انتخابی خوب برای انتقال مایعات دارای مواد جامد غیر محلول است.

۸- مقاوم در برابر حمله جوندگان و ریز جاندارها: به دلیل فقدان ارزش غذایی و سختی سطح لوله و اتصالات، جوندگان نمی توانند به آنها آسیبی برسانند.

۹- عدم نیاز به پوشش و حفاظت کاتدی: این لوله ها به علت مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی نیازی به پوشش و حفاظت کاتدی ندارد.

۱۰- داشتن عمر طولانی: این لوله دارای دورة مصرف طولانی است. نکته ای که باید همواره در مباحث عمر مفید بدان توجه کرد، کیفیت و نحوة نصب و کارگذاری لوله است. تمامی سازه های مدفون به نوعی بخشی از ساختار خاک محسوب شده، لذا نیروهای وارده را با برهمکنشی که با یکدیگر دارند، تحمل می نمایند. در نتیجه نصب بی دقت لوله، می تواند باعث عملکرد ضعیف آن در بستر خاک شود.

۱۱- مقاوم در برابر حلال های آلی

۱۲- مقاوم در برابر اشعة فرا بنفش آفتاب

۱۳- مقاوم در برابر سرما و گرمای شدید

۱۴- سهولت در نصب و اجرای سریع و حمل و نقل آسان

۱۵- امکان استفاده از انواع اتصالات