مزايای لوله پلی اتيلن بر لوله های فولادی كربن استيل

از مقايسه ويژگي هاي ساختاري و عملكرد كوتاه مدت و بلند مدت لوله  پلياتيلن فشرده (HDPE –  High Density Poly Ethytene ) غو  نيز مقايسه اسـتانداردهاي  ساخت و توليد در هر مورد (AWWA C906 براي لوله  پلياتيلن و استاندارد هاي AWWA C200 براي لوله  فولادي) و همچنين آزمايشات عملي انجام شده انستيتو مواد مركب ساختاري ( Structural  (SCIComposites Incو آزمايشگاه مهندسي پلاستيك (Laboratory PEL Plastics Engineering،و انيسيتو پلاستيك پايپ PPI  و اداره استاندارد صنعتي ايران كه همگي مراكز تحقيقاتي معتبر و صاحب نام  ميباشند، نتايجي استنباط گرديده كه در زير مي آيد.   جهت مقايسه منطقي در آزمايشات از  مطلوبترين جنس پلي اتيلن فشرده يعني نوع PE 100 به تصريح استاندارد AWWA C906 استفاده شده است.

اين مقايسه بر اساس ويژگي هاي اين دو نوع لوله گردآوري شده است و مقايسه بر اساس مشخصات ارائه شده سازندگان اين نوع لوله ها مي باشد كه صرفنظر از استانداردهاي موجود بايد به عنوان مقايسه مورد توجه قرار گيرد .

مقدمه 

لوله هاي پلي اتيلن سنگين (چگالي بالاHDPE) در حوزة وسيعي از خطوط لولة شهري، صنعتي، دريايي، حفاري، دفن زباله و كشاورزي به

كار  ميروند. كاربرد مطلوب اين دسته از لوله ها در موقعيت هايي چون سطح زمين، حالت مدفون، شناور و سطوح زير دريا آزمايش و به اثبات

رسيده است. اين لوله ها قابليت انتقال آب آشاميدني، فاضلاب، موادشيميايي، دوغاب، و پسماندهاي خطرناك و گازهاي فشرده را دارند.

كاربرد لوله ها 

موارد استفاده از لوله هاي پلي اتيلن سنگين بدين شرح است:

• استفاده در شبكه هاي آبرساني شهري و روستايي
• استفاده در شبكه هاي فاضلاب شهري و روستايي
• استفاده در شبكه هاي گازرساني و زهكشي
• سيستم هاي مايعات و فاضلاب صنعتي
• شبكه هاي آبياري تحت فشار (قطره اي و باراني)
• سيستم هاي آبياري متحرك
• پوشش كابل هاي مخابراتي و فيبر نوري
• پوشش كابل برق
• پوشش لوله هاي فلزي
• به عنوان كانال هاي تهويه

مزاياي كلي لولة پلي اتيلن سنگين نسبت به لولة فولادي بدين قرار است 

• ارزاني قيمت
• حمل و نقل آسان به علت سبكي o عدم خوردگي و زنگ زدگي o يكنواختي ضخامت جدارة لوله ها
• صاف و صيقلي بودن جدارة داخلي و در نتيجه حداقل ته نشين شدن رسوبات o قابليت انعطاف حتي در سرماي زير صفر
• نشكن و ترك برنداشتن در اثر و فشار خارجي
• توليد در سيستم متريك و غيره با قطرهاي متنوع و به طول هاي مورد نظر به صورت حلقه اي شكل o عايق بودن در برابر حرارت

سهولت طريقة اتصال آنها به هم؛ يعني نصب سريع و نياز كمتر به وسايل اتصال o عدم لزوم ماشين آلات سنگين و حجيم جهت نصب و جوشكاري

ويژگي هاي  لوله  

اين لوله ها، به دليل عدم امكان نشت، فاسد شدن، نصب آسان و مقاومت در برابر حركت خاك و فشار، حدود نيم قرن است كه مورد مصرف قرار مي گيرند. از طرفي چون پلي اتيلن ماده اي ويسكوالاستيك است و مثل تمامي ترموپلاستيك ها رفتار خزش از خود نشان مي دهد، بر اثر مرور زمان دچار تغيير شكل مي شود. چنين پديده اي حتي در دماي معمولي و فشار نسبتاً كم نيز صورت مي پذيرد و همانند ديگر پلاستيك ها، خواص مكانيكي پلي اتيلن به سه پارامتر زمان، حرارت و فشار وابسته است. بنابراين در محاسبات مربوط به طراحي لوله ها، همواره مقادير خواص مكانيكي توسط آزمايشات طولاني مدت تعيين و الزاماً در يك فاكتور به نام فاكتور ايمني تقسيم مي شود در ادامه به بيان ويژگي هاي اين لوله ها مي پردازيم.

• خزش و استحكام كششي

هنگاميكه لوله هاي پليمري تحت فشار بارهاي خارجي و داخلي قرار مي گيرند ،پس از مدتي مشخصه هاي مكانيكي آنها تغيير شكل مي يابد كه اين پديده با نام خزش در لوله هاي پليميري از اهميت بالائي برخوردار مي باشد .

لوله هاي فولادي اصولا رفتار داكتيل دارند و مقاومت خزشي كمتري نسبت به گونه هاي ديگر لوله هاي مورد اشاره دارد برخلاف لوله فولادي، لوله هاي پلي اتيلن در مقادير تنش كششي دچار خزش مي شوند.در اينگونه موارد لوله فولادي از خود رفتار داكتيل نشان مي دهد و مي شكند .

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 جلوگيري از عدم شكست مي شود كه دامنه كاربرد آن را براي اجراي پروژه هاي زيرزميني با ريسك جابجائي زمين و يا ناصاف بودن آن ساده تر و كاربردي تر مي نمايد .هرچند تجارب سازندگان و پيمانكاران نشان مي دهد لوله هاي پلي اتيلن در اينمورد از خود مقاومت بيشتري را نشان مي دهد و با توجه به مولفه هاي شيميائي مورد استفاده در مواد اوليه آن مي تواند خزش بيشتري را قبل از پارگي تحمل نمايد . رويه  آزمونهاي استاندارد خزش در استاندارد انجمن امريكايي آزمون و مواد ASTM E139 آورده شده است.

• بارگذاري خمشي و مقاومت فشاري

مستقيم ترين روش جهت اندازه گيري مقاومت لوله مقابل فشار، تست هيدرواستاتيك است. تمامي لوله هاي پلي اتيلن كه تا مرحله شكست

تحت فشار قرار گرفتند فقط دچار ترك به طول 37 تا 100 سانتيمتر شدند.

افزايش دائمي قطر  نمونههاي پلي اتيلن پس از آزادشدن فشار داخلي و پايان تست در جدول 1 آمده است. لوله هاي پلي اتيلن مي تواند تا فشار 10mpa  را تحمل نمايد و در برابر تغييرات زمين شناسي و زلزله بسيار مقاوم مي باشد .ولي لوله هاي فولادي در برابر اين تغييرات بسيار شكننده هستند .

• سازگاري با محيط زيست

توليد لوله هاي پلي اتيلن هيچگونه آثار زيست محيطي ندارد و لوله هاي پلي اتيلن نيز در مقابل حمله ميكرو ارگانيسم ها مقاوم مي باشند چراكه پلي اتيلن ماده تغذيه كننده اي براي آنها نمي باشد .با توجه به تركيب اكسيژن با هوا و زنگ زدگي لوله هاي فولادي اين نوع لوله ها مي تواند  به محيط زيست صدمه بزند ولي لوله هاي پلي اتيلن به عنوان لوله هاي دوستدار محيط زيست قلمداد مي شوند .

• مقاومت در برابر مواد شيميائي

پلي اتيلن ها خانواده اي از گرمانرم ها (ترموپلاستيك ها) هستند كه از طريق پليمريزاسيون گاز اتيلن به دست مي آيند. اين پليمريزاسيون تحت فشار و دماي بالا و در حضور كاتاليست هاي فلزي انجام مي شود. تحت اين شرايط، مولكول هاي اتيلن به زنجيره هايي به طول 50 تا 50000 واحد تبديل مي شوند و گاز اتيلن به يك مادة جامد سفيد كريستالي تغيير حالت مي دهد. پلي اتيلن شامل ساختار بسيار ساده اي است، به طوري كه ساده تر از تمام پليمرهاي تجاري است. يك مولكول پلي اتيلن زنجير بلندي از اتم هاي كربن مي باشد كه به هر اتم كربن آن دو اتم هيدروژن چسبيده است. پلي اتيلني كه تعداد زنجيره هاي جانبي آن كم و طول آنها كوتاه باشد، پلي اتيلن سنگين (پلي اتيلن خطي) ناميده مي شود. در اين حالت هيچ شاخه اي در مولكول وجود ندارد. پلي اتيلن خطي سخت تر از پلي اتيلن شاخه اي است، اما پلي اتيلن شاخه اي آسانتر و ارزانتر ساخته مي شود. شكل اين پليمر كريستالي است. پلي اتيلن خطي محصول نرمالي با وزن مولكولي 200000 تا 500000 گرم است كه آن را تحت فشار و دماهاي نسبتاً پايين پليمريزه مي كنند. چگالي آن بين 941/0 تا 965/0 گرم بر سانتي متر مكعب است و آن را بيشتر به وسيلة فرايند پليمريزاسيون، كه زيگلر ناتا ناميده مي شود، تهيه مي كنند. تفاوت هاي خواص پلي اتيلن نوع سبك و سنگين به اندازه اي زياد است كه كاربردهاي آنها را كاملاً متفاوت مي كند و مي توان آنها را از دو خانوادة گوناكون فرض كرد.

لوله هاي پلي اتيلن از مقاومت قابل توجهي در مقابل مواد شيميائي آلي و غيرآلي برحوردار مي باشد از اين منظر لوله هاي .در يك تحقيق كه بوسيله آزمايشگاه تحقيقات مهندسي و محيط زيست دانشگاه بركلي كاليفرنيا انجام شده است گزارش شده كه 15 درصد لوله  هاي فولادي نفوذ پذيري داشته اندو اصولا در برابر مواد شيميائي مقاومت ندارند و نياز به مقاوم سازي دارند. اين در حالي است كه پلي اتيلن در مقابل مواد شيميائي مقاومت دارد.

• شرايط بسترسازي

شرايط بستر در مورد  لوله هاي فولادي بسيار مهمتر از لوله پلي اتيلن  مي باشد. بستر مناسب براي كنترل اعوجاج كه تنها معيار طراحي لوله هاي فولادي در مقابل بارهاي خارجي است مورد نياز است. استاندارد كارگذاري لوله هاي فولادي بيان  ميدارد كه بستر لوله آماده سازي 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 سنگ هاي بزرگ و كلوخه باشد چون اين سنگ ها 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 هاي پلي اتيلن  كف مسطح بدون خاك ريزي يا كف مسطح با خاك ريزي سبك براي بسياري از كاربردها در مورد لوله هاي پلي اتيلن كافي است. هرچند عدم رعايت اين توع ترانشه گذاري نيز مشكلي براي لوله هاي پلي اتيلن فراهم نمي نمايد .

استفاده از تكيه گاه (Saddle) براي نصب شير

استاندارد هاي موجود استفاده از Saddle را براي شيرگذاري اجباري كرده است. برعكس استفاده از Saddle براي لوله هاي پلي اتيلن  در مصارف معمولي غيرضروري است.

• اتصالات و قطعات

اتصال پذيري لوله پلي اتيلن ، ارزانتر و سريعتر از لوله  فولادي است. چون سريعتر آب بندي مي شود و نشتي ندارد و سرعت پروژه را افزايش مي دهد با استفاده از مواد پلي اتيلن امكان ساخت انواع اتصالات وجود دارد كه با استفاده از انواع روشهاي جوشكاري مي تواند خط لوله مطمئني را طراحي و اجرا نمود .

بررسي اتصالات لوله ها 

اتصالات اين دسته از لوله ها با توجه به كاربردهاي گوناگون شان متفاوت است. اتصالات الكتوفيوژن براي پروژه هاي گازرسـاني و اتصـالاتپيچي براي پروژه هاي آبرساني تا فشار 10 اتمسفر استفاده مي شود. براي بقية پروژه ها از اتصالات جوشي پلي اتيلن طبق اسـتاندارد DIN16963 آلمان استفاده مي شود. فاضلاب خانگي از قوانين اشاره شده تبعيت نمي كنند.

ويژگي اتصالات اين لوله ها بدين شرح است:

• مقاومت بسيار خوب اتصالات پلي اتيلن در برابر شكستگي و ترك خوردگي ناشي از فشارهاي خارجي o   مقاومت بالا در مقابل فشار و ضربه o   مقاوم در برابر مواد شيميايي o         مقاوم در برابر خوردگي و ساييدگي o مقاومت عالي در برابر ارتعاشات ناشي از زلزله o   مقاوم در برابر زنگ زدگي
• صاف و صيقلي بودن جدارة داخلي و خارجي

• عدم رسوب گيري و افت فشار بسيار كم ناشي از اصطكاك سطح داخلي

انعطاف پذيري بالا، هزينة بسيار پايين نصب و اجرا، سرعت اجرا و عدم نياز به ماشين آلات سنگين در زمان اجراي خطوط لوله هاي پلي اتيلن

شناوري و اجراي پروژه هاي دريائي

لوله پلي اتيلن روي آب شناور مي شود. بنابراين هنگامي كه احتمال آمدن سيل در بستر لوله مي رود يا سطح آب هاي زيرزميني در محل بالاست، تمهيدات خاصي بايستي انديشيده شود. به اين منظور لوله بايستي مهار شود. اما لوله هاي فولادي با توجه به ماهيت وزن بالا امكان شناوري را ندارند و عملا استفاده هاي در پروژه هاي دريائي ندارند .(بصورت غرقابي استفاده مي شود.

• اثر خراشيدگي

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

• سهولت حمل و نقل

با توجه به مقاومت در برابر ضربه و سهولت بارگذاري و سهولت در جابجائي لوله هاي پلي اتيلن حمل و نقل اين نوع لوله ها بيشتر بوده و درصد از بين رفتن لوله در اثر حمل و نقل صفر بوده و اين نوع لوله ها ضايعات حمل و نقل ندارد .ضمنا با توجه به وزن كمتر لوله هاي پلي اتيلني هزينه حمل آن بسيار كمتر از نمونه هاي فولادي است .

بررسي رفتار لرزه اي لوله ها 

لوله هاي فولادي: اين لوله ها، به ويژه اگر در مسيرهاي انحنادار يا داراي شكستگي استفاده شوند، در برابر زلزله مقاومند و آسيب پذيري آنها بيشتر در حالت برخورد عمود بر گسل اتفاق مي افتد. اين لوله ها در مقايسه با لوله هاي چدني، بتني و آزبست كمتر آسيب مي بينند. اگر از خوردگي اين لوله ها ممانعت شود، كاربرد آنها در مناطق زلزله خيز با خطر كم و متوسط وحتي بدون اتصال انعطاف پذير قابل قبول است. لازم به ذكر است كه در صورت اتصال جوشي و به صورت يكپارچه در آوردن خطوط لوله مي توان انتظار عملكرد لرزه اي بهتر و مناسب تري از اين لوله ها داشت.

لوله هاي پلي اتيلن سنگين

اين لوله ها با جوش هاي فيوژن رفتار لرزه اي خوبي دارند و براي مناطقزلزله خيز توصيه مي شوند. داراي انعطاف پذيري مناسبي هستند و در زلزله هاي گذشته كمتر دچار آسيب شده اند. اما با گذشت زمان در برابر كلر موجود در آب لايه لايه شده و بايستي نسبت به عمر آنها دقت كافي داشت.

مقايسة ميزان ترميم ناشي از زلزله در  لوله ها 

ميزان حركت در گسل و جنس لوله دو پارامتر اساسي در برآورد ميزان خرابي لوله هاست؛ اگرچه خصوصيات مقاومتي خاك، زاوية استقرار خط لووله نسبت به جهت گسل و عمق كارگذاري لوله نيز جزء پارامترهاي مؤثر مي باشند. در شكل 6  ميزان ترميم براي آسيب ناشي از حركت گسل براي انواع لوله نمايش داده شده است.

نتيجه گيري

با توجه به آنچه عنوان شد صرفنظر از محدوديت ها و اشكالات هر كدام از لوله هاي مورد مقايسه به نظر مي رسد لوله هاي پلي اتيلن مشخصات بهتري را نسبت به محصول ديگر دارد كه استفاده از آن را در پروژه اي اجرائي سهل تر مي نمايد و ضرر كمتري را نيز به مجريان و طراحان تحميل مي نمايد كه آنرا اقتصادي تر و با استقبال بيشتري مواجه كرده است كه در نمودار ذيل مي توان آنرا بصورت مشهود ديد .

• مقاومت در برابر مواد شيميايي

• اين لوله ها در برابر محيط هاي اسيدي و بازي، همچنين بسياري از محلول ها و مواد شيميايي مقاوم اند.

• وزن كم

•  اين لوله ها داراي وزن كمتري نسبت به انواع لوله هاي فولادي، چدني و بتني اند كه باعث سهولت حمل، بارگيري و نصب آسان لوله و اتصالات مي شود.

• استحكام و انعطاف پذيري بالا و قابليت تحمل تنش

• استحكام و قابليت تحمل تنش هاي كششي و فشاري و انعطاف پذيري بالاي اين لوله ها به كاربر امكان حمل و نصب لوله و اتصالات را در اجراي انواع پروژه هاي صنعتي مي دهد.