کاربردپلی اتیلن سنگین

کاربردپلی اتیلن سنگین

بررسی لوله های پلی اتیلن چگالی بالا

چکیده

لوله های پلی اتیلن سنگین کاربردهای بسیاری دارند. در این مقاله ضمن بررسی ساختار شیمیایی این دسته از لوله ها و ویژگی های آنها، به مقایسه این لوله ها با سایر لوله ها و اتصالات می پردازیم. در این رهگذر این لوله ها را با لوله های بتن مسلح، پی وی سی، چدن نشکن و فولادی مقایسه می کنیم و مزایا و معایب آنها و رفتار لرزه ای آنها را بررسی می کنیم.

مقدمه

لوله های پلی اتیلن سنگین چگالی بالا در حوزه وسیعی از خطوط لوله شهری، صنعتی، دریایی، حفاری، دفن زباله و کشاورزی به کار می روند 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. استفاده از لوله های پلی اتیلن در صنایع نفت و گاز سابقه ای طولانی دارد .

درمقایسه با سایر لوله ها کمترین میزان تعمیر و نگهداری را برای توزیع گاز شهری دارند. در گذشته به دلیل مسائل مربوط به نگهداری آنها در برابر خوردگی و آثاری که به مرور در نتیجه خوردگی ناشی از کلر موجود در آب در لوله های پلی اتیلن به وجود می آمد.

 ازاین لوله ها در شبکه های آبرسانی استفاده چندانی نمی شد؛ اما امروزه این نقیصه ها در لوله های پلی اتیلن سنگین برطرف شده است و استفاده از این لوله ها در شبکه های آبرسانی رو به رشد است.

بررسی ساختار شیمیایی

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 کا تالیست 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 ماده 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 آندو 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 را۹۴۱/۰تا۹۶۵/۰ گرم بر سانتی متر مکعب / ۰ تا ۹۶۵ / تحت فشار و دماهای نسبتاً پایین پلیمری زه می کنند.

 چگالی آن بین ۹۴۱ است و آن را بیشتر به وسیله 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 میکند و می توان آنها را از دو خانواده گوناکون فرض کرد.

ویژگی 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 صـورت 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.

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.

4

شکل ۱٫لوله های پلی اتیلن سنگین

 

 

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، گزینه 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 بسیار 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-مقاومبودن 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 دوره مصرف طولانی است. نکته ای که باید همواره در مباحث عمر مفید بدان توجه کرد، کیفیت و نحوه 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 اشعه 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

کاربرد لوله ها

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

. استفادهدر 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

. پوششکابل برق

. پوششلوله های فلزی

. به عنوان کانال های تهویه

بررسی اتصالات لوله ها

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 بقیه پروژه ها از اتصالات جوشی پلی اتیلن طبق استاندارد آلمان DIN 16963استفاده می شود. فاضلاب خانگی از قوانین اشاره شده تبعیت نمیکند .

ویژگی اتصالات این لوله ها بدین شرح است:

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

مقایسه این دسته از لوله ها با سایر لوله ها

مقایسه لوله های پلی اتیلن سنگین با چهار نوع دیگر لوله، که دارای مصرف زیادی هستند، می پردازیم.

لوله پلی اتیلن سنگین و لوله بتنی مسلح این دو لوله در موارد زیر با هم مقایسه شده اند:

الف) فنی و اجرایی:

  • . لوله پلیاتیلنسنگین به دلیل داشتن وزن کمتر نسبت به لوله بتنی دارای حمل و نصب آسانی است و سرعت لوله گذاری با آن بیشتر می باشد.
  • . عمر مفید بسیار بالاتر لوله پلی اتیلن سنگین نسبت به لوله بتنی با توجه به مقاومت بالای آن به فاضلاب
  • . روش های متنوع اتصال
  • . عمرانبارداری بالا و اشغال فضای کم انبار
  • . عدم نشت
  • . انعطافپذیری
  • . روشهای متنوع اتصال

ب) اقتصادی:

  • . قیمتلوله های بتنی در قطرهای مساوی یا بالاتر ۶۰۰ میلی متر بیشتر از لوله های پلی اتیلن سنگین است.
  • . هزینه حمل به دلیل سبکی و هزینه انبارداری به علت اشغال فضای کم برای لوله پلی اتیلن سنگین کمتر است.
  • . هزینه های تأمین سیمان، میلگرد و شن و ماسه، که ازعوامل تولید لوله هایی بتنی اند، باعث بالا بودن هزینه   تولید  لوله های بتنی نسبت به لوله های پلی اتیلن سنگین با آن بیشتر می شود .
  • . هزینهلولهگذاری برای قطرهای معادل در لوله های پلی اتیلنی سنگین بین ۲۵ تا ۴۰ درصد لوله های بتنی است.

ج) دوام:

  • لوله های پلی اتیلن سنگین در برابر سایش مقاومت بالایی دارند.

د) بهره برداری:

  • لوله هایی پلی اتیلن سنگین از نظر انجام عملیات ترمیمی و مقاومت در برابر جابجایی های زمین نسبت به لوله     های بتنی دارای مزایای بسیاری هستند. این عوامل، عمر مفید شبکه های اجرا شده و دوره طــــــرح را افزایش می دهد و نیاز به اصلاح شبکه را به تأخیر می اندازد.
  • در لوله های پلی اتیلن سنگین، امکان ایجاد انشعابات و اتصالات پس از اجرا و در طول بهره برداری بیشتر، ارزانتر و آسانتر است.

لوله پلی اتیلن سنگین و لوله پی وی سی:

در بررسی های انجام شده میان چند جنبه فنی و اقتصادی این دو نوع لوله، مزایای آنها نسبت به هم به صورت زیر بیان شده است:

۱- لوله ها ی پی وی سی سبک تر است و به ازای مقاومت مساوی به حجم مواد اولیه کمتری نیاز دارد. یک لوله پی وی سی در حدود ۶/۰تا ۷/۰ برابر لوله پلی اتیلن هم قطر خود وزن دارد.

۲- مواد اولیه لوله پی وی سی ارزانتر است. نیاز به انرژی در مراحل ساخت آن نیز به ازای واحد طول لوله کمتر است.

۳- قیمت تما م شده لوله پی وی سی تقریباً ۵۰ تا ۶۰ درصد لوله های مشابه از نوع پلی اتیلن سنگین می باشد.

۴-لوله های پی وی سی سختترند و درمقابل فشار و دما تغییر شکل کمتری میدهند.

شکل ۲٫ مقایسه تنش کششی لوله پلی اتیلن سنگین و چدن نشکن

۵-لوله های پلی اتیلن سنگین ازنظرزیست – محیطی کم خطرترازلوله های پی وی سی هستند.

۶-قابلیت بازیافت مواد پلی اتیلنی بیشتر است.

۷-. لوله پلی اتیلن سنگین در برابر اشعه فرابنفش مقاوم تر است.

۸-لوله پلی اتیلن سنگین به دلیل نرمی بیشتر در برابر ضربه مقاومتراست.

لوله پلی اتیلن سنگین و لوله چدن نشکن:

دربررسی های انجام شده بین این دو لوله، مزایای لوله چدن نشکن به لوله پلی اتیلن سنگین اینگونه بیان شده است:

۱- استحکام کششی:

استحکام کششی لوله چدن نشکن۲۴ برابر بیشتراست و برخلاف آن لوله های پلی اتیلن سنگین حتی درمقادیر پایین تنش کششی دچارخزش میشوند.

 

۲- عملکرد در شرایط دمایی:

تغییرات و نوسانات معمول در دمای نصب و عملکرد لوله چدن نشکن تأثیری روی استحکام آنها ندارد.

در دمای سرویس کاری لوله نشکن هیچ تغییر محسوسی، حتی در محدوده دمایی بالاتر از۶۰ درجه سانتی گراد، در استحکا م کششی ایجاد نمی شود، اما به دلیل طبیعت پلیمری و ترموپلاستیکی لوله پلی اتیلن، عملکرد آن به شدت به دمای سرویس و کارکرد آن بستگی دارد.

چون ضریب انبساط حرارتی پلی اتیلن ۱۸ برابر چدن نشکن است، این احتمال وجود دارد که در حین قرارگرفتن در معرض تغییرات دمایی شدید دستخوش جابه جایی سراسری خط لوله گردد.

شکل۳ نشان می دهد که در) دمای ۴۳ درجه سانتی گراد( ۱۱۰ درجه فارنهایت استحکام کششی پلی اتیلن سنگین تقریباً ۷۰ درصد استحکام آن در۷۳ درجه فارنهایت) / دمای ۲۳ درجه سانتی گراد ( ۴است.

این کاهش استحکام در) دمای ۶۰ درجه سانت یگراد( ۱۴۰ درجه فارنهایت به ۵۰ درصد میرسد.

۳- مقاومت فشاری:

شکل ۳٫ بررسی استحکام کششی لوله پلی اتیلن سنگین در رابطه با دما

مقاومت در برابر فشار۶ برابر  هیدرواستاتیک ترکیدگی لوله چدن داکتیل لوله پلی اتیلن سنگین است. مستقیم ترین روش برای اندازه گیری مقاومت لوله در برابر فشار، تست هیدرواستاتیک است.

 تمامی لوله های چدن نشکن که تا مرحله شکست تحت فشار قرار گرفتند فقط دچار ترک شدند، در حالی که تمامی لوله های پلی اتیلن سنگین پس از شکست دچار بادکردگی، انحنا، پیچش و اعوجاج گردیدند.

 

 

۴- استحکام در برابر ضربه:

استحکام در برابر ضربه لوله چدن نشکن ۱۲ برابر لوله پلی اتیلن سنگین است. این ویژگی به خصوص در شرایط حمل ونقل و نصب مؤثر است. آزمایشات به هر دو روش شارپی۲۱ درجه سانتی گراد انجام ± و ایزود در دمای ۲ شده است. همانند استحکام کششی، استحکام ضربه نیز در لوله چدن نشکن از دمای نصب تأثیر نمی پذیرد.

 

لوله پلی اتیلن سنگین و چدن نشکن

پلی اتیلن سنگین و لوله فولادی

شکل ۴٫ مقایسه مقاومت در برابر فشار هیدرواستاتیک لوله پلی اتیلن سنگین و چدن نشکن

مزایای لوله پلی اتیلن سنگین نسبت به لوله فولادی بشرح ذیل میباشد:

  • . ارزانیقیمت
  • . حمل ونقل آسان به علت سبکی
  • . عدم خوردگی و زنگ زدگی
  • . یکنواختی ضخامت جداره لوله ها
  • . صاف و صیقلی بودن جداره داخلی و درنتیجه حداقل ته نشین شدن رسوبات
  • . قابلیت انعطاف حتی در سرمای زیر صفر
  • . نشکستن و ترک برنداشتن در اثر و فشار خارجی
  • . تولید در سیستم متریک و غیره با قطرهای متنوع و به طول های موردنظر به صورت حلقه های شکل
  • . عایق بودن در برابر حرارت
  • . سهولت طریقه اتصال آنها به هم؛ یعنی نصب سریع و نیاز کمتر به وسائل اتصال
  • . عدم لزوم ماشین آلات سنگین و حجیم جهت نصب و جوشکاری

بررسی رفتار لرز های لوله ها:

در این بخش به بررسی رفتار لرزه ای لوله های چدن نشکن، آزبست سیمان، بتنی، فولادی و لوله های پلی اتیلن می پردازیم:

لوله های چدن نشکن:

لوله های چدن نشکن برخلاف لوله های چدن معمولی، که در برابر زلزله آسیب پذیرند لوله های چدن معمولی، که در برابر زلزله آسیب پذیرند لوله های چدن معمولی، که در برابر زلزله آسیب پذیرند.

لوله های بتنی:

شکل ۵٫ مقایسه استحکام در برابر ضربه لوله پلی اتیلن سنگین و چدن نشکن

این لوله ها نسبت به لوله های آزبست سیمان انعطاف پذیرترند، اما در حالت کلی برای مناطق زلزله خیز توصیه نمی شوند. این لوله ها در قطرهای بالا، به علت رفتار خمشی، کمتر دچار آسیب می شوند. لوله های بتنی هسته فولادی نسبت به سایر لوله های بتنی رفتار مناسب تری در برابر زلزله داشته اند.

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 برگسل 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 و حتی 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 لرزهای خوبی دارند و برای مناطق زلزله خیز توصیه می شوند. دارای انعطاف پذیری مناسبی هستند و در زلزل ههای 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:

شکل ۶٫ مقایسه میزان ترمیم براه آسیب ناشی ازحرکت گسل بر لوله ها

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