مزایای لوله پلی اتیلن به لوله‌های چدنی

از مقایسه ویژگی های ساختاری و عملکرد کوتاه مدت و بلند مدت لوله چدن نشکن و لوله پلی اتیلن فشرده High Density Polyethylene و نیز مقایسه اسـتانداردهای AWWA در هر مورد (AWWA C150) برای لوله چدن نشکن و AWWA C906 برای لوله پلی اتیلن)، و همچنین آزمایشات عملی انجام شده توسط انجمن تحقیقات لوله چدن نشکن ، انستیتو مواد مرکب ساختاری SCI Structural Composites. ، آزمایشگاه مهندسی پلاستیک (PEL) Plastics Engineering Laboratory، که همگی مراکز تحقیقاتی ایالات متحده می باشند، نتایجی استنباط گردیده که در زیر می‌آید.
جهت مقایسه منطقی در آزمایشات از مطلوب‌ترین جنس پلی‌اتیلن فشرده یعنی نوع PE 3408 به تصریح استاندارد AWWA C906 استفاده شده است. همچنین لوله‌های سایز 150 و 600 میلیمتر در هر دسته مورد مقایسه قرار گرفته‌اند.

نتایج مقایسه لوله چدن نشکن و پلی اتیلن

1- استحکام کششی

استحکام کششی لوله چدن نشکن بیش از 24 برابر لوله پلی اتیلن می باشد (شکل ١)
بعلاوه برخلاف لوله نشکن، لوله‌های پلی اتیلن حتی در مقادیر پایین تنش کششی دچار خزش می‌شوند.
هنگام کاهش سرعت بارگذاری روی لوله پلی اتیلن، یا هنگامی که لوله تحت بار ثابت برای مدت زمان طولانی قرار می گیرد، مولکول‌ها فرصت جداشدن و آزاد شدن از یکدیگر را دارند که این امر باعث تقلیل تنش مورد نیاز برای تغییر شکل و اعوجاج می‌شود.

تغییرات و نوسانات معمول در دمای نصب و عملکرد لوله چدن نشکن، تاثیری روی استحکام آنها ندارد. در دمای سرویس کاری لوله نشکن هیچ تغییر محسوسی در استحکام کششی ایجاد نمی‌شود. حتی در رنج‌های دمایی بالاتر (60 درجه سانتیگراد) برای لوله نشکن اتفاقی نمی‌افتد. لیکن بدلیل طبیعت پلیمری و ترموپلاستیکی لوله پلی اتیلن، عملکرد آن به‌شدت به دمای سرویس و کارکرد آن بستگی دارد. به همین منظور تولیدکنندگان لوله پلی اتیلن , لوله‌های تحت فشار خود را برای کارکرد در دمای بالای ۶٠ درجه سانتیگراد توصیه نمی‌کنند. هرچند در دمای بالاتر از 24 درجه‌سانتیگراد، پلی‌اتیلن استحکام کششی و پایداری ابعادی خود را از دست میدهد.
مقاومت در برابر فشار پلی اتیلن، نیز در بالاتر از ٢۴ درجه کاهش می‌یابد و در هنگام نصب جهت جلوگیری از تغییر شکل و اعوجاج دقت زیادی بایستی مصروف داشت.
از آنجائی که ضریب انبساط حرارتی پلی‌اتیلن تقریباً ١٨ برابر چدن نشکن است، این امکان وجود دارد که حین قرارگرفتن در معرض تغییرات شدید دمایی، لوله پلی اتیلن دستخوش جابجائی ناخواسته کلی و سراسری خط لوله گردد. شکل ٢ نشان میدهد که در ۴٣ درجه سانتیگراد استحکام کششی پلی‌اتیلن تقریباً ٧٠ درصد استحکام آن در ٢٣ درجه سانتیگراد می‌باشد. این کاهش استحکام در ۶٠ درجه سانتیگراد به ۵٠% می‌رسد.

2- مقاومت فشاری

مقاومت در مقابل فشار هیدرواستاتیک ترکیدگی لوله چدن داکتیل 1/6 برابر لوله پلی‌اتیلن است.
مستقیم‌ترین روش جهت اندازه‌گیری مقاومت لوله مقابل فشار، تست هیدرواستاتیک است. تمامی لوله‌های چدن نشکن که تا مرحله شکست تحت فشار قرار گرفتند فقط دچار ترک به طول ٣٧ تا ١٠٠ سانتیمتر شدند درحالی که تمامی لوله‌های پلی اتیلن پس از شکست دچار بادکردگی، انحنا، پیچش و اعوجاج گردیدند.

افزایش دائمی قطر نمونه‌های پلی‌اتیلن پس از آزادشدن فشار داخلی و پایان تست در جدول 1 آمده است. لوله چدن نشکن در کلاس فشار Psi350 دارای تحمل فشار اسمی Psi450 است.



هیچ لوله پلی اتیلنی تولید نشده است که قادر به تحمل فشار اسمی به بزرگی فشار اسمی قابل تحمل توسط لوله چدن نشکن باشد.

3- رابطه استحکام با زمان

استحکام لوله چدن نشکن با گذشت زمان کاهش نمی یابد. شکل 4 نشان دهنده منحنی خزش پلی اتیلن است که رابطه بین تنش اعمالی و زمان شکست را نشان می‌دهد. پس از گذشت ۴/١١ سال پلی اتیلن در تنش معادل ۵۵ درصد تنش ابتدایی می شکند. خط تنش – زمان شکست در منحنی شکل ۵، هنگامی که شکست از نرم به ترد، تغییر ماهیت می‌داد یک خم پیدا می کند. این نوع شکست ترد به خاطر شکل‌گیری ترک‌ها یا سوراخ‌های سوزنی در دیواره لوله رخ می‌دهد. این نوع شکست ناشی از مکانیزم‌های مکانیک شکست هستند که شامل جوانه‌زنی ترک، اشاعه و رشد ترک و شکست ناگهانی هستند.

4- استحکام ضربه

استحکام ضربه لوله چدن نشکن ١٢ برابر لوله پلی اتیلن است. استحکام ضربه یکی دیگر از مشخصات مهم انتخاب لوله است. این ویژگی بیشتر از سایر خواص، در شرایط حمل و نقل و نصب موثر است. شکل 5 استحکام ضربه لوله پلی‌اتیلن را با لوله نشکن مقایسه می‌کند. آزمایشات به هر دو روش شارپی و ایزود و در دمـــای 2±21 درجه سانتیگراد انجام شده است. همانند استحکام کششی، استحکام ضربه نیز در لوله چدن نشکن از دمای نصب تاثیر نمی‌پذیرد.

5- شیردارکردن

شیردار کردن لوله چدن نشکن راحتر، ارزانتر و سریعتر از لوله پلی اتیلن است. نصب شیر می تواند چه قبل و چه بعد از نصب لوله انجام شود. کلاس حداقل فشار کلیه قطرهای لوله چدن نشکن می‌تواند مستقیماً برای کارکرد سه چهارم اینچ شیردار شود. از طرفی کلاس حداقل فشار لوله نشکن 150 میلیمتر و بالاتر می‌تواند مستقیماً برای کارکرد ١ اینچ شیردار شود. حدیده کردن مستقیم لوله نشکن نیز در هر زمان و مکانی مجاز و امکانپذیر است. برعکس حدیده کردن مستقیم لوله پلی‌اتیلن توصیه نمی‌شود. برای اتصالات پلی‌اتیلن از روش جوش Fusion در جداره استفاده می‌شود. اینکار بوسیله یک دستگاه و وسیله مکانیکی انجام می‌شود که نیاز به ماشین جوش مخصوص، آداپتورهای گرم کننده، صفحه گرم کننده، منبع جریان AC ، ابزار اندازه‌گیری دمای سطح کار، لباس مناسب و الکل دارد. همچنین عمل جوش حتی در مواقع اضطراری نبایستی در شرایط مرطوب و بدون محصور کردن انجام گردد.

6- صرفه جویی در انرژی

 بزرگتر بودن قطر داخلی لوله چدن نشکن نسبت به اندازه اسمی، منجر به صرفه‌جویی قابل توجه در انرژی می‌شود در حالیکه قطر داخلی لوله پلی‌اتیلن به اندازه‌ عدد اسمی میباشد که با توجه به تئوری‌های خطوط لوله معادل به‌راحتی پی به صرفه‌جویی در مورد چدن نشکن می‌بریم.

7- نفوذ پذیری

 پلی‌اتیلن بشدت نفوذ‌پذیر بوده و نبایستی در بستر و خاک آلوده به هیدروکربن و هرنوع ترکیبات نفتی دیگر از آن استفاده شود. این مواد نفتی می‌تواند جداره لوله را در خود حل کرده و از دیواره لوله بداخل آن نفوذ نماید. این امر علاوه بر تضعیف لوله موجب تغییر مزه و بوی آب شرب می‌گردد. برخلاف پلی‌اتیلن، چدن نشکن به هیچوجه نفوذ‌پذیر نبوده و در مقابل هیدروکربن کاملاً پایدار است.

8- شرایط بستر

نظر به ضعف ذاتی لوله‌های پلی اتیلن، شرایط بستر در مورد این نوع لوله بسیار مهمتر از لوله چدن نشکن می‌باشد. بستر مناسب برای کنترل اعوجاج که تنها معیار طراحی لوله پلی‌اتیلن در مقابل بارهای خارجی است مورد نیاز است. استاندارد کارگذاری لوله پلی اتیلن بیان می دارد که بستر لوله باید شامل ریزترین ذرات ممکن خاک باشد که بستگی به قطر لوله دارد. بنابراین خاک اطراف لوله باید بقدری فشرده باشد که نیروهای جانبی را به صورت کاملاً یکنواخت به لوله اعمال نماید.
همچنین خاک بایستی عاری از هرگونه مواد آلی باشد. کف بستر باید مسطح و عاری از سنگ‌های بزرگ و کلوخه باشد چون این سنگ‌ها باعث کاهش استحکام در اثر ایجاد سایش و خراش لوله می گردند. لازم به یادآوریست بسیاری از این تمهیدات در عمل فراهم نمی‌گردد. برعکس بدلیل استحکام ذاتی چدن نشکن کف مسطح بدون خاک‌ریزی یا کف مسطح با خاک ریزی سبک برای بسیاری از کاربردها در مورد لوله چدنی کافی است.

9- اتصالات و قطعات

معمولاً بیشتر قطعات پلی‌اتیلن توسط همان تولید‌کنندگان لوله تولید نمی‌شود. با توجه به بکارگیری رزین‌های متفاوت توسط تولید‌کنندگان مختلف ملاحظات و جوش‌پذیری متفاوت قطعات در عمل مشکل ساز می شود. بایستی توجه داشت که متداولترین روش اتصال لوله‌های پلی‌اتیلن روش جوش حرارتی است که علاوه بر متاثر بودن از نوع رزین نیاز به دستگاه‌های خاص و پرسنل آموزش دیده دارد. رزین‌های متفاوت، عملکرد متفاوتی در هنگام جوش یا پس از اتصال از خود نشان می‌دهند. اتصال دو نوع ماده متفاوت (قطعات به لوله یا لوله به لوله) که فرایند‌های جوش متفاوتی نیز دارند می تواند اتصال را به مخاطره اندازد. همچنین این فرایند باعث ایجاد یک لایه داخلی در لوله می‌شود که بعضی از اوقات لازم است تا از میان برداشته شود. از طرفی در پیچ‌ها و تغییر جهت‌ها نیاز به خمش و تغییر جهت خود لوله داریم که این امر، می‌تواند باعث ایجاد تنش‌های ناخواسته در دیوا‌ره لوله گردد.
رنج گسترده طراحی‌های موجود در چدن نشکن باعث تنوع زیاد در قطعات می‌شود درحالیکه تمامی قطعات تولید شده از لحاظ جنس و مشخصات از یک استاندارد واحد تبعیت می‌کنند. اتصالات تایتون معمولترین نوع اتصال در لوله‌های نشکن می‌باشد که شرایط نصب آسانی دارد.

10- سیم‌هی ردیاب

چون پلی‌اتیلن ماده‌ای غیرفلزی است با ردیاب‌های فلز نمی توان محل آنها را در زیر زمین برای عملیات تکمیلی یا ترمیمی دنبال نموده و تشخیص داد. بنابراین سیم‌های ردیاب در بستر لوله بایستی قرار داده شود که به این صورت با ردیابهای فلزی امکان پیداکردن آنها فراهم ‌شود. اما بدلیل اینکه لوله چدن نشکن فلزی است نیازی به استفاده از سیم‌های ردیاب وجود ندارد.

11- گودبرداری‌های مجاور

لوله پلی‌اتیلن در برابر گود برداری‌های مجاور آسیب‌پذیرتر از لوله نشکن می‌باشد.

 12- شناوری

لوله پلی‌اتیلن روی آب شناور می‌شود. بنابراین هنگامی که احتمال آمدن سیل در بستر لوله می‌رود یا سطح آب‌های زیرزمینی در محل بالاست، تمهیدات خاصی بایستی اندیشیده شود. به این منظور لوله بایستی مهار شود. این مسائل معمولاً در مورد لوله چدن وجود ندارد.

13- اثر اشعه UV

هنگامی که لوله پلی‌اتیلن برای مدت زمان طولانی در معرض نور خورشید قرار گیرد، اشعه UV باعث تخریب سطح لوله می‌گردد. این پدیده به تخریب UV معروف است. براساس استاندارد ASTM وقتی لوله با جنس پلاستیک در محیط باز استفاده شود بایستی تدابیر پیشگیرانه در مورد آن رعایت گردد. در لوله چدن نشکن در معرض نور خورشید هیچ‌گونه تخریبی صورت نمی‌پذیرد.

14- اثر خراشیدگی

در مقایسه با لوله چدن نشکن، پلی‌اتیلن ماده بسیار نرمتری است. بنابراین در مقابل خراش‌ها و سایر صدمات ایجاد شده در حین حمل و نقل بسیار آسیب‌پذیرتر می‌باشد. در استاندارد لوله پلی‌اتیلن علاوه بر الزام بر عاری بودن لوله از ترک، بریدگی، سوراخ، حفرات، ناخالصی‌ها یا سایر نقایص، تاکید شده است که خراش‌هایی عمیق‌تر از ١٠ درصد ضخامت جداره بحرانی بوده و لوله با چنین خراش‌هایی قابل استفاده نمی‌باشد و بایستی تعویض شود. به‌دلیل استحکام لوله نشکن علاوه بر کاهش احتمال ایجاد اینگونه صدمات، خراش روی لوله تاثیر چندانی بر استحکام آن ندارد.

مزایای لوله پلی اتیلن به لوله‌های چدنی