تكنيك لوله هاي چدنی

هند بوك تكنيك لوله هاي چدني

لوله و اتصالات چدن نشكن

مترجم :عليرضا خيرانديش

پيش گفتار :

چاپ پنجم هند بوك لوله هاي چدني پس ازآخرين چاپ د ر سال ١٩٩٦مورد تجديد نظر قرار گرفته است . توسعه هاي جديد در نصب بدون حفاري (ترانشه)و محاسبات روش هاي جديد در فصل ٢٠ ” روشهاي نصب بدون حفاري “آمده است .رويكرد به سمت شناخت سازه هاي خاص و كاربرد هاي جديد در ادامه در ٢١ فصل ” كاربرد هاي جديد”آمده است . در فصل ٢٢استانداردها تا جولاي ٢٠٠٦ به روز شده اند . در فصل هاي كه نزديك تر به كاربرد هاي عملي چدن نشكن مي باشند مثال هاي تجربي آورده شده است .

چاپ پنجم يك كار كلي از نويسندگان صنايع لوله چدن نشكن آلمان مي باشد . از همكاري آقايان پيتر برون , مارتين هر كر , ميكائيل ميشو , اودو مولر, منفرد والتر, دكتر يورگن راملز برگ , ولفگانگ رينگ , توماس روز باخ , روديگر ورنر كمال تشكر را داريم . برلين آگوست ٢٠٠٦

١- مقدمه

هزينه های انتقال آب و گاز وفاضلاب به صورت عمده ناشی از هزينه هاي خط لوله است لذا هزينه های خود لوله و نصب و نگهداری شبكه از اهميت بر خوردار مي باشند. براي تقريبا ١٥٠ سال زير ساختارهاي شهري براي تهيه آب و گاز منحصرا توسط لوله هاي چدني ساخته مي شوند و قسمت عمده ای از شبكه تهيه امروزی در هر مكان را تشكيل مي دهند . در طول سالها سيستم هاي لوله چدنی توسعه بيشتري يافته اند و توليد كنندگان با نياز هاي روز افزون براي لوله هاي سبك تر و اقتصادي تر مواجه هستند . تكنيك های اتصال مطمئن تر و ساده تر شده اند .ماده چدن نشكن امكان تحمل بار مكانيكی بيشتر همراه با كاهش وزن را سبب شده است ومحافظت در برابر حمله شيميايی از درون و خارج كامل تر شده است و به كمك اتصالات و قطعات متعلقه سيستم كاملي براي تمام كارها توسعه يافته است .سيستم لوله چدن نشكن و اتصالات و قطعات متعلقه امروزه بدون دردسر هستند و انتقال اقتصادی مايعات (آب و فاضلاب را مطمئن مي سازند .

شبكه های عمده لوله جهت انتقال آب (آب آشاميدنی و مصرفی و تجاری) و فاضلاب (خانگی و تجاری و صنعتی ) و گاز(نفتی و معدنی) به كار مي روند . خطوطي كه اغلب در بستر زمين قرار مي گيرند نيازمند كنترل و توجه دايم هستند لذا بايد از موادی باشند كه استحكام بالا و عمر طولانی داشته باشند و اتصالات آنها علی رغم تمام عوامل اثر كننده داخلی و خارجی آب بند باشد . خطوط لوله قرار گيرنده در زير زمين داراي تنش هاي چند گانه هستند كه ناشي از فشار داخلی سيال لوله و بارهاي ترافيكي و حركت زمين و لرزش خطوط است و فشارهای داخل و خارجی تركيب شده بانيروهاي استاتيكی و طبيعی مكانيكی و تنش های شيميایی روي لوله و نوسانات درجه حرارت همگي تاثير گذارند. پس خطوط لوله ای كه در زمين قرار مي گيرند بايد از ايمنی كافی برخوردار باشند.خسارات حمله بايد برآورد شده و عوامل آن شناخته شوند .در حالات شكست در كنار هزينه هاي متغير هزينه ها واقعي جهت شكافتن مثلا خيابان و ترميم آن و ترافيك ايجاد شونده در نظر گرفته شود از موارد فوق مي توان نتيجه گرفت كه چرا چدن به عنوان ماده سازنده لوله جاي خود را در ١٠٠ سال اخير پيدا و نگهداري كرده است. ١-٢ چدن در ساخت لوله منبع مورد اطمينان در رابطه با زمان و محل پيدايش و توليد چدن وجود ندارد اما مشخص است كه به عنوان مثال در چين بسيار زود تر از اروپا استفاده مي شده است . اولين پل معلق آهني ٣٠٠ سال قبل از ميلاد مسيح ساخته شده است .اولين لوله چدني در قرن ١٢ ميلادي در اروپا ساخته شده است و در نيمه اول قرن ١٥ اولين خطوط لوله چدني با دوام و استحكام فشاري در قلعه ها و كاخ ها استفاده شده است و امروزه چدن راه خود را به عنوان ماده چند صد ساله مورد استفاده در خطوط لوله ادامه مي دهد .

١-٢-١ خطوط لوله قديمي چدن خاكستري بيشتر از پانصد سال است كه لوله هاي چدني مورد استفاده بوده اند و از ابتدا ماده آنها چدن خاكستري بوده است و مدت زمان استفاده از آنها شناخته شده است .آنها از ابتدا جهت حمل آب آشاميدني و صنعتي و تجاري به كار مي رفته اند . خطوط لوله آب چدني قديمي زير به عنوان مثال آورده مي شوند : ١٤٥٥: قديمي ترين خط لوله چدني نصب شده است و جهت انتقال آب به كاخ ديلنبورگ به كار مي رفته است .(شكل ١.١ رانگاه كنيد )

شكل 1-1 لوله چدنی جهت انتقال آب كاخ ديلنبورگ

١٥٦٢ :در لانگن سازا , خط لوله آب براي آبخوری شهري

١٦٦١ :خط لوله آب براي كاخ در برانفلز .اين خط تا سال ١٨٧٥ كار كرده و در سال ١٩٣٢باز سازی گرديد.

١٦٦٤ :خط لوله در محوطه پارك قصر ورسای جهت آبرسانی براي بازي هاي آبی در آن زمان

شكل 1-2: لوله فلنجی پارك قصر ورسای

هم چنين بيشتر از ١٥٠ سال روشنايي عمومي شهر ها با استفاده از سوخت گاز كك تامين مي شده است كه شبكه توزيع گاز از جنس چدن خاكستري بوده است . از ميانه قرن نوزدهم در ادامه صنعتي شدن و توجه عامه به افزايش سطح استاندارد زندگي مصرف آب و گاز به صورت مستمر افزايش يافت ولذا لازم بود كه كيفيت شبكه هاي توزيع وابسته به كيفيت لوله بالا رود و كيفيت لوله چدني با توجه به ارتقائ سطح ريخته گري و آزمايشات خواص ماده بالا رفت و در شبكه توزيع شهري (آب آشاميدني و گاز)بدون استثنااز چدن خاكستري در توليد لوله ها استفاده شد.در جمهوري آلمان در ٥٠ سال اول قرن بيستم ٨٥ درصد شبكه از لوله هاي چدني استفاده شد و از سال ١٩٦٠ لوله چدني نشكن استفاده شد. طول خط لوله هاي چدني در سراسر دنيا بالغ بر ٢٠ ميليون كيلومتر مي باشد كه ٥ ميليون كيلومتر از آن لوله چدن نشكن است كه به صورت سالانه ٢٠٠٠٠٠كيلومتر افزايش مي يابد. دلايل اين افزايش بالا عبارتند از :

قوي بودن سازه • امنيت بالا و مقاوم بودن در برابر حوادث قهريه • آساني نصب • بهداشتي نگاه داشتن آب • طول عمر بالا • نرخ كم اتلاف مواد اوليه • هزينه ها ی صنعتي و سرمايه گذاري مناسب • قابليت استفاده عمومي

امروزه لوله هاي چدن نشكن مهم ترين جزئ خطوط لوله آب آشاميدني و فاضلاب در سراسر دنيا مي باشند .در پيشرفت ها ي اخير در فن آوري نصب مانند نصب بدون ترانشه و روشهاي مشابه و يا سيستم ها با فشار داخلي بسيار بالا و يا ساير بار هاي اعمالي از لوله هاي چدن نشكن به عنوان بهترين گزينه استفاده مي شود.

١-٢-٢ بهبود روش های توليد و خواص مواد

با توجه به افزايش تقاضا روش هاي توليد جديد در صنعت توليد لوله هاي چدني پايه گذاري گرديد.در ابتدا لوله ها به صورت يكپارچه د ر قالب ماسه اي ريخته- گري مي شد و از سال ١٩٨٨ به صورت پيوسته در قالب هاي ماسه اي گردان توليد مي شد. بزرگترين نو آوري در زمينه توليد اين لوله ها استفاده از روش گريز از مركز توسط يك فرد برزيلي با نام LAVAUD DE DMITRI بود .(فصل ٣-٣ روش هاي ريخته گري) در آلمان از سال ١٩٢٦ اين روش استفاده مي شود كه سبب توليد مكانيزه لوله گرديد . با گذشت زمان و نياز به افزايش فشار در شبكه ها ناشی از افزايش تقاضاي مصرف استحكام مورد نياز در چدن بالاتر رفت .به عنوان مثال در سال ١٩٠٠ استحكام كششي در لوله هاي ريخته گري شده در ماسه mm2/N 120 بود كه ٣٠ سال بعد و با استفاده از روش گريز از مركز به mm2/N 200رسيد . جديدترين و مهم ترين قدم در توسعه لوله هاي چدني توليد لوله ها از چدن نشكن بود .توصيف دقيق تر ماده چدن نشكن در فصل دوم آورده شده است . توليد لوله و اتصالات و متعلقات از چدن نشكن در فصل سوم به صورت مفصل توضيح داده مي شود.

١-٢-٣ لوله چدن نشكن جهت تامين خطوط گاز –آب و فاضلاب لوله هاي چدن نشكن نشکن و منعطف از سال ١٩٥١ در اروپا و از سال ١٩٥٥ در جمهوري فدرال آلمان توليد مي شود .توانايي انعطاف پذيري و ازدياد طول در لوله چدن نشكن به علت فرم خاص گرافيت در ساختار وجود دارد .امروزه استحكام كششي حداقل اين ماده mm2/N 420 مي باشد.

دركنار اين استحكام بالا و قابليت تغيير شكل همراه با پيشرفت علم متالورژي لوله نشکن پيش شرط استفاده در تمامي حوزه هاي زير ساختار خطوط شهري (آب و گاز و فاضلاب گرديده است. در تامين آب مانند آب آشاميدني و تجاري و صنعتي از ميانه سال ١٩٦٠ استفاده از اين لوله ها آغاز گرديد.مطابق با استاندارد 545 EN لوله هاي فشاري از جنس چدن نشکن در سايزهاي اسمي٦٠ تا ٢٠٠٠ فشار كاري مجاز مختلف طراحي مي شوند . تنش هاي خارجي معين ناشي از زمين و بار ترافيكي با درصد تغيير شكل4 %و ارتفاع خاكM 3.0 تا 14M در نظر گرفته مي شود. محدوده استفاده با توجه به اين فشار هاي مجاز در جدول ١.١ آمده است . در رابطه با تهيه گاز جهت انتقال گاز سوختي در شبكه توزيع گاز از لوله چدن نشكن با فشار كم و متوسط استفاده مي شود .مطابق با استاندارد 969 EN لوله هاي چدن نشکن در محدوده 60 DN تا 600 DN تا فشار كاري BAR 16 قابل تحويل مي باشند .همانند خطوط آب طبق اندازه اسمي و ضخامت تنش ها خارجي معين مانند زمين و بار ترافيكي ودر نظر گرفته مي شوند .تغيير شكل لوله تا 5.3 %و ارتفاع خاك پوشاننده از 3M.0 تا 19M مجاز است .

در مورد فاضلاب جهت انتقال فاضلاب خانگي و صنعتي و تجاري به خصوص در حالت هاي فشاري خط مانند شيب ها و يا حالت استفاده از دستك و نيز مناطق صعب العبور و شرايط نصب مشكل از لوله چدن نشكن استفاده مي شود. مطابق با استاندارد خطوط لوله فاضلابي 598 EN در مورد خطوط لوله فاضلابي لوله هاي چدن نشكن علاوه بر خطوط مد فون شونده ثقلي در خطوط باز در سايزهاي اسمي٦٠ تا ٢٠٠٠ نيز استفاده مي شوند. همانند خطوط ذكر شده فوق طبق اندازه اسمي و ضخامت تنش ها خارجي معين مانند زمين و بار ترافيكي ودر نظر گرفته مي شوند .تغيير شكل لوله تا 4 %و ارتفاع خاك پوشاننده از  8.5M تا 0.3M. مجاز است.

در كنار توضيحات مربوط به لوله موارد مربوط به لوله ها و اتصالات و قطعات متعلقه چدن نشكن در فصل هاي 5و6 بحث مي شوند و محاسبات استاتيكي در فصل 14 ارائه مي شود. ١-٣ روشهاي (تكنيك )پيوند (اتصال) همراه با توسعه بيشتر مواد چدني و روش هاي توليد و مطابق با افزايش فشار كاري در شبكه خطوط لوله روش هاي اتصال نيز بهبود يافته اند . در سيستم هاي لوله هاي چدني به صورت عمده دو روش اتصال به كار مي روند .

فلنجي اتصال ١-٣-١ يكي از قديمي ترين انواع اتصال لوله چدني است(شكل ١-٤ (و براي اولين بار در سال ١٨٨٢ ميلادي به صورت استاندارد درآمد يعني توسط اتحاديه تكنيسين هاي آب و گاز آلمان به همراه انجمن مهندسين آلمان معرفي شد .ترتيب سوراخ هاي آن جهت عبور پيچ ها امروزه متفاوت از اين استاندارد اوليه است .در سال ١٩٦٢ بدون توجه به نوع ماده سازنده تصويب شد كه سوراخ ها به صورت متقارن نسبت به دو ماده اصلي قرار گيرند و تعداد آنها در همه اندازه هاي اسمي بر چهار بخش پذير است . اتصال فلنجي به صورت مرجح در خطوط لوله روي زمين مانند ايستگاه هاي پمپاژ و تاسيسات سر چاه ها و مخازن بزرگ به كار مي روند . اين اتصال نيروهاي طولي را تحمل كرده و لي قابليت حركت را ندارند و تنش ها طولي و خمشي را از لوله اي به لوله ديگر انتقال مي دهند. ابعاد قسمت اتصال فلنج هاي چدني (قطر خارجي و قطر دايره سوراخ ها و قطر نگهدارنده واشر و تعداد و قطر پيچ ها و سوراخ ها )در استاندارد 2-EN1092 مشخص شده است .

اندازه هاي ساختاري ديگر براي فلنج هاي PN10 تا PN40 در مورد لوله هاي چدن نشكن و اتصالات نيز در اين استاندارد اروپايي مشخص شده است . يك اتصال فلنجي شامل دو فلنج و يك واشر آب بند و تعداد معيني پيچ شش گوش با مهره است .جنس واشر در هر حال بايد مطابق با هدف مورد استفاده باشد .لوله ها و اتصالات فلنجي از جنس چدن نشكن داراي صفحات نگهدارنده واشر مي باشند . شكل ١.٤ چنين اتصال فلنجي را نشان مي دهد .

شكل 1-4 اتصال فلنجی

١-٣-٢ اتصال سركاسه اي (در تنه ) تا قبل از ظهور اتصالات سر كاسه اي با آب بندي واشر (حدود سال ١٩٣٠ (لوله ها و اتصالات به صورت عمده داراي از چدن خاكستري با نوع اتصال سركاسه اي در تنه لوله به گونه اي بودند كه توانايي نگهداري تنش هاي طولي را نداشتند.(شكل ١-٥ )

شكل ١-٥ اتصال سركاسه و اسپيگات

نوع آنها غير الاستيك و صلب بود و در اثر حركت از آب بندي خارج مي شد. براي اطمينان از عملكرد يك خط لوله اتصال آن بايد به خصوط امن باشد.در مورد لوله هاي چدني مزيت اتصال سر كاسه اي با واشر زياد است كه سبب مي شود خط لوله بتواند حركت همراه با آب بندي كامل داشته باشد ودر برابر تنش هاي تكان دهنده ترافيكي و حركات زمين و كشش و پيچش مقاومت داشته باشد بدون آنكه آب بندي واشر در موقعيت اتصال تحت تاثير قرار گيرد . اطلاعات دقيق تر در رابطه با انواع مختلف آب بندها در فصل ١١ موجود مي باشد . ١-٣-٣ اتصال سر كاسه اي پيچي اتصالات سر كاسه اي پيچي در آلمان از سال ١٩٣٠ استفاده مي شده است . طراحي آن همراه با اندازه در 28601 DIN موجود مي باشد و سطح مقطع آن در شكل ١-٦ نمايش داده شده است .طرف داخلي سركاسه و طرف خارجي رينگ پيچي به صورت رزوه دار در ريخته گري تهيه مي شود.

شكل ١-٦ اتصال سر كاسه ای پيچی

در اين اتصال يك رينگ پيچي بروي آب بند لاستيكي فشرده مي شودكه داراي لبه هاي محافظتي در جلو و عقب از لاستيك سخت است كه در نشيمنگاه خود قرار مي گيرد و آب بندي بين سر كاسه و قسمت داخل شونده (اسپيگات )حاصل مي شود . لبه هاي محافظتي از ايجاد ترك ناشي از سياليت قسمت نرم واشر جلوگيري مي كنند . اين اتصال انحراف زاويه اي تا 3درجه را تحمل كرده كه در هنگام نصب پس از بسته شدن رينگ پيچي حاصل مي شود . اين اتصال امروزه در حوزه سايز هاي 80 تا 400 به كار مي رود .در قطعات الحاقي (متعلقات ) بسته شدن نيروهای طولي در نظر گرفته شده است . ١-٣-٤ اتصال سر كاسه ای پيچ و مهره اي اتصالات سر كاسه ای پيچ و مهره ای از سال ١٩٣٦ در آلمان استفاده مي شده است .

شكل ١-٧ اتصال سر كاسه پيچ و مهره اي

ساختار آن در استاندارد 28602 DIN به صورت مفصل مشخص شده است و در شكل ١-٧ سطح مقطع آن نمايش داده شده است .فشردگي واشر گوه اي شكل با لبه محافظتي از جنس سخت همانند اتصال سر كاسه اي پيچي عمل آب بندي را انجام مي دهد و زواياي انحراف مجاز پس ازمونتاژ اتصال ايجاد مي شوند كه مقدار آن حد اكثر تا 3در جه است. اين اتصال امروزه در حوزه سايز هاي 500تا 1000 به كار مي رود . ١-٣-٥ اتصال سر كاسه اي فشاري براي خطوط لوله هاي چدن نشكن امروزه اتصال سركاسه اي فشاري مطابق استاندارد 28603 DIN استفاده مي شود . سيستم اتصال از نوع تايتون در اتصال فشار سر كاسه اي در حوزه سايز هاي 80تا 1400به كار رفته و سيستم نوع استاندارد در اتصال فشاري سر كاسه اي در حوزه سايز هاي 350تا 2000به كار مي رود . اتصال تايتون (شكل ٨-١ (در آلمان از سال ١٩٥٧ استفاده مي شده است .

شكل ١-٨ اتصال سركاسه اسپيگات فشاری تايتون

واشر لاستيكي اين اتصال جهت آب بندي داراي دو قسمت سخت و نرم مي باشد . جزئيات مفصل تر اين اتصال در فصل ٧ تو ضيح داده شده است.