سعید درودیانی : مرکز تحقیقات پلیمر

منتشر شده در نشریع علوم تکنلوژی پلیمر : مقاله 7، دوره 6، شماره 1، فروردین و اردیبهشت 1372

از آغاز کاربرد سیستمهای پلاستیکی در شبکه توزیع گاز طبیعی حدود 30 سال می گذرد. برای این منظور تاکنون از سه ترکیب پلی اتیلن پلی وینیل کلرید سخت و پلی وینیل کلرید ضربه پذیر استفاده شده است. پلی اتیلن در بیش از 90 درصد شبکه های پلاستیکی توزیع گاز نقش دارد. در انتخاب مواد مناسب برای ساخت لوله عوامل زیادی دخالت دارند. هر ماده با خواص ویژه خود تعیین کننده حوزه کاربرد و عوامل طراحی است. عوامل مؤثر در انتخاب مواد برای ساخت لوله های شبکه گاز رسانی عبارت اند از: نیروهای بیرونی (خاک ، وسایل نقبه و عوامل غیر طبیعی) نیروهای درونی (فشار مجاز داخلی و ترکیب شیمیایی گاز) ، خواص مواد (استحکام مکانیکی دراز مدت و درام ،چقرمگی با تردی و پایداری در برابر رشد سریع ترک) ، شیوه برقراری اتصال ، هزینه مواد و هزینه های نصب سیستم. در این مقاله مهمترین خواص پلی اتیلن برای استفاده در ساخت لوله های گاز رسانی و معیارهای پذیرش مورد بحث و بررسی قرار می گیرند.

 

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا و دوماهنامه علوم و تکنولوژی پلیمر , مقاله 7، دوره 6، شماره 1، فروردین و اردیبهشت 1372 مراجعه نماید

مقدمه
از دهه 1960 میلادی و آغاز به کار گیری لوله و اتصالهای پلی اتیلنب در شبکه توزیع گاز تاکنون تدوین معیارهایی برای انتخاب پلیمر مناسب و ارزیابی عملکرد سیستمهای گازرسانی ساخته شده از آن به عنوان مهمترین موضوع در این زمینه مطرح بوده است. با توجه به گذشت مدت نه چندان طولانی از آن زمان و نبود شواهد عینی واقعی کافی از عملکرد سیستمهای توزیع گاز ساخته شده از مواد پلاستیکی ، مرجع تصمیم گیریها عموما” نتایج سنجشهای آزمایشگاهی و تعمیم آن به شرایط عینی مصرف بوده اند. با تکامل دانش موجود از خواص مواد پلیمری مورد استفاده برای این منظور و مشاهده عملکرد واقعی سیستمهای گاز رسانی پلاستیکی، معیارهای گزینش رزین مناسب برای ساخت این سیستمها نیز روز به روز اصلاح می شود و بهبود پیدا می کند.
با توجه به مزایای لوله و اتصالهای پلی اتیلنی نسبت به نوع فلزی، کاربرد این سیستمها با سرعت زیادی در حال گسترش است که آمارهای موجود مؤید این موضوع است. تا سال 1960 سهم لوله های پلاستیکی در سیستمهای گاز رسانی فقط 0.1 درصد کل خطوط ساخته شده بود. امروزه ، لوله و اتصالهای پلاستیکی در بیش از 85 درصد خطوط توزیع تازه ساز امریکا سهیم بوده و شامل 16 درصد تمام خطوط لوله گاز در حال بهره برداری این کشور است. تا سال 1985 در امریکا 400 هزار کیلومتر و در کانادا بیش از 100 هزار کیلومتر لوله های پلی اتیلن برای توزیع گاز مورد استفاده قرار گرفته است. این موضوع منحصر به کشورهای پیشرفته نبوده و در کشورهای در حال توسعه نیز کاربرد لوله های پلی اتیلنی برای گاز رسانی معمول شده است. به عنوان نمونه به چند مورد اشاره می شود:

1- در مصر ، طرح گاز رسانی به 350 هزار مصرف کننده به طول 2000 کیلومتر ، شروع از سال 1980.
2- در الجزایر طرح گاز رسانی به 200 هزار مصرف کننده به طول 3000 کیلومتر ، شروع از سال 1979،
3- در ترکیه پروژه گاز رسانی به 600 هزار مصرف کننده به طول 2600 کیلومتر ،شروع از سال 1988.

علاوه بر این موارد طرحهایی نیز در هنگ کنگ ،لهستان ، تایوان و عمان در حال اجراست.
در ایران ، به عنوان دارنده یکی از بزرگترین ذخایر گاز طبیعی در جهان استفاده از این منبع انرژی اهمیت بسیار زیادی دارد. استخراج ، پالایش ذخیره سازی و انتقال و توزیع مراحل اصلی تکنولوژی گاز طبیعی را تشکیل می دهند. با توجه به اهمیت کاربرد گاز طبیعی در ایران و محدودیت امکانات توزیع آن به مصرف کننده توسعه مطالعه و پژوهش در عرصه توزیع و سیستمهای مربوط ضروری به نظر می رسد.
لوله و اتصالهای پلاستیکی و به ویژه پلی اتیلنی به سرعت جایگزین سیستمهای فلزی در شبکه گازرسانی می شوند.در این شبکه گاز با فشار مشخصی جریان دارد که میزان آن توسط شرکت گاز تعیین می شود. معمولا حداکثر فشار گاز در شبکه توزیع  8barاست و در مقاطع مختلف توزیع به تدریج از مقدار آن کاسته می شود.از شبکه اصلی توزیع مقدار فشار از 8bar به تدریج4bar ، 1bar ، 100mb و 30mb کاهش پیدا می کند. در انتخاب پلاستیکی برای ساخت لوله های گاز رسانی عوامل متغیر و زیادی مؤثرند که عبارت اند از: ترکیب شیمیایی گاز ، فشار توزیع گاز ، وضعیت منطقه توزیع گاز (تراکم جمعیت و شرایط خاک) ، دوام و عمر مطلوب ، وضعیت سیستم موجود ، هزینه ساخت سیستم و نصب آن، میزان مهارت افراد نصب کننده و همچنین استحکام مکانیکی ، چقرمگی یا تردی و وضعیت شکست ، پایداری در برابر اجزای موجود در خاک وگاز ، میزان سرمایه گذاری برای اتصال اجزای سیستم و تامین ابزار موزد نیاز و نیز ذخیره سازی ، جابه جایی و انتقال وجود خدمات جانبی ، سهولت انجام تعمیرات ، طول قابل اجرا برای لوله و اندازه های قابل دسترس لوله.
تجربیات چند دهه گذشته ، به ویژه در امریکای شمالی و اروپا ، نشان میدهد که تنها سه نوع پلاستیک پلی اتیلن (PE) پی وی سی سخت (PVC)و پی وی سی ضربه پذیر (HIPVC)از جنبه های اقتصادی و فنی برای استفاده در شبکه توزیع گاز مناسب اند.
در این مقاله مهمترین خواص پلی اتیلن برای کاربرد در ساخت لوله های گاز رسانی و معیارهای پذیرش مورد بحث و بررسی قرار می گیرند.روشهای پیشنهادی سازمان جهانی استاندارد (IOS)به دلیل فراگیر بودن و روی آوردن به آن از سوی تعداد زیادی از کشورهای دنیا مبنای این معیارها قرار داده شده اند.

بحث
در این بخش از مقاله خواصی چون چگالی ،شاخص جریان مذاب ، انقباض حرارتی استحکام کششی ، پایداری در برابر گاز طبیعی مقطر ، استحکام در برابر فشار داخلی ، قابلیت جوشکاری ، استحکام در دراز مدت دوام) و تغییر خواص ناشی از تأثیر عوامل جوی به ترتیب مورد بحث قرار می گیرند. دو خاصیت نخست روی رزین و بقیه خواص بر روی لوله ساخته شده انجام می شوند. با توجه به اهمیت ویژه خواص مکانیکی و ابعاد مختلف آن در لوله های پلاستیکی این موضوع در مقاله دیگری مورد بررسی و بحث قرار می گیرد.

چگالی
خواص پلی اتیلن وابستگی زیادی به چگالی آن دارد. پلی اتیلن ساخت فرایندهای مختلف ممکن است دارای چگالی در محدوده  90/0 تا 0/98gr/cm^2 باشند. برای ساخت لوله از انواع مختلف پلی اتیلن استفاده می شود ،لیکن دو نوع نیم سنگین (PE.MD) و سنگین (PE.HD)برای ساخت لوله های مورد استفاده در گاز رسانی به کار می روند. بر اساس استاندارد(1988) 4437-ISO چگالی اسمی رزین پلی اتیلن مصرفی در ساخت لوله های گاز رسانی(که نمونه براساس 1872-ISO تهیه و چگالی آن طبق روش ISO-1183اندازه گیری شده است) دست کم باید 0/93gr/cm^2 باشد.اجزای تشکیل دهنده آمیزه این رزین عبارت از مواد ضد اکسنده پایدار کننده ها در برابر پرتو فرابنفش و رنگدانه است. چنین پلی اتیلنی براساس بند 3 در استاندارد 1872-ISO در درجه بندی 4۰3 یا 5 قرار می گیرد.

شاخص جریان مذاب(MFI)
شاخص جریان مذاب معیاری از وزن مولکولی پلی اتیلن است.وزن مولکولی نیز مانند پگلی نقش مهمی در خواص پلی اتیلن دارد ، از این رو شاخص جریان مذاب پلی اتیلن مورد استفاده در ساخت لوله باید مشخص باشد. این خاصیت معمولا مطابق روش 1123-ISO اندازه گیری می شود (مقدار بارگذاری ۵ کیلوگرم در دمای °190C است). شاخص سیالیت مذاب پلی اتیلن برای ساخت لوله های گاز کمتر از یک می باشد.

انقباظ گرمایی
آزمون انقباض گرمایی لوله در دمای °110Cبه مدت 30 دقیقه براساس استاندارد ISO-4427 انجام میشود. در این آزمون میزان انقباض نباید بیشتر از3درصد باشد و پس از انجام آزمون نیز لوله باید عاری از هرگونه تاول زدگی و ترک خوردگی باشد.دستور کار آزمون در ISO-2506 مندرج است.

استحکام کششی
در آزمون کششی براساس دستور کار 6259-ISO در دمای °23C، میزان درصد ازدیاد طول تا پارگی نباید کمتر از 350 باشد.در این روش سرعت کشش50mm/min برای لوله با قطر110mm و 100mm/min برای لوله با قطر32mm است. نمونه ها برای آزمون کشش از راه منگنه زنی (punching)لوله ها به دست می آیند.

پایداری شیمیایی
لوله های پلی اتیلن برای گازرسانی باید از پایداری کافی در برابر برخی مواد موجود در گاز طبیعی برخوردار باشند ، زیرا این مواد می توانند در لوله به صورت مایع (مقطر) در آیند. میزان پایداری لوله در برابر این مواد از راه انجام آزمون غشاء داخلی با گاز مصنوعی متراکم (مخلوط تری متیل بنزن و دکان نرمال به نسبت مساوی) در داخل و آب در خارج لوله سنجیده می شود. قبل از انجام این آزمایش لوله برای مدت 1500 ساعت در دمای °C232 و تحت فشار معمولی نگهداری می شود.
براساس استاندارد 4437-ISO لوله باید فشار داخلی MPa2 را در دمای °C80 با مواد شیمیایی مورد نظر برای دست کم 30 ساعت تحمل کند.نمونه های لوله را می توان قبل از آزمایش در دمایC°80 به مدت 24 ساعت نگهداری کرد.این آزمایش روی لوله های به قطر 32 ، 40 ، 50mm و SDR11 انجام می شود SDR) مخفف standard dimension ratio و نسبت قطر اسمی خارجی لوله به ضخامت دیواره آن است).
معمولا نتیجه آزمایش پایداری شیمیایی به صورت نمودار های تغییرات تنش حلقه ای (hoop stress) برحسب زمان در دماهای مختلف نشان داده می شود. 

استحکام هیدروستاتیک لوله
میزان تحمل لوله در برابر فشار داخلی روی لوله به قطر32mm (SDR11)در دماهای مختلف °20C ،°60C و ° 80Cاندازه گیری می شود. محیط داخل و خارج لوله در این آزمون آب است و بر اساس استاندارد ۴۴۳۷-ISO استحکام هیدروستاتیک دراز مدت لوله برای زمان شکست 100 هزار ساعت در دمای°20C باید دست کم 8MPaتنش حلقه ای باشد. این آزمون ممکن است در دماهای بیشتر و به صورت تسریع شده انجام گیرد. در این صورت برای زمان شکست 50سال استحکام هیدروستاتیک لوله باید دست کم 6/5MPa باشد.
در اندازه گیری استحکام هیدروستاتیک کوتاه مدت باید تمام انداز های مختلف لوله تولید شده مورد آزمایش قرار گیرند. در استاندارد جهانی 4437)-(ISO لوله های پلی اتیلن بر پایه میزان استحکام هیدروستاتیک در شرایط مختلف به سه دسته تقسیم میشوند. همان طور که ملاحظه می شود لوله های دسته الف دردمای معمولی استحکام بیشتری دارند در حالی که لوله های دسته به در دمای زیاد استحکام بیشتری نشان می دهند. لوله های دسته ج در دمای زیاد عملکردی نظیر دسته Aدارند ، ولی در دمای عادی ضعیفتر از آن عمل می کنند. دستور کار انجام آزمایش تعین استحکام هیدروستاتیک لوله در سند ISO-1167 ارائه شده است.
دوام و استحکام دراز مدت لوله از طریق برون بابی  (Extrapolation)نتایج به دست آمده در آزمون فشار داخلی در دمای°C20 تعیین می شود و آزمون ترکیدن(Burst) در دمای °C60 انجام می گیرد. در صورتی که در دمای °C60 و تنش محیطی 5MPa ترکیدن لوله بیش از 10 هزار ساعت طول بکشد ، تعیین استحکام در °C20 از طریق انجام آزمون در دماهای °60C و °80C و تعمیم آن بر پایه قانون آرنیوس ضروری خواهد بود.
قابلیت جوشکاری
در ارزیابی قابلیت جوشکاری لوله های ساخته شده از رزین پلی اتیلن لازم است که این لوله ها به صورت لب به لب جوش گرمایی داده شوند و تحت آزمونهای مربوط قرار گیرند کیفیت اتصال بین دو لوله به وسیله روشهای مختلفی قابل بررسی و سنجش است که آزمونهای کشش ، خمش و کشش سریع و همچنین آزمون استحکام در برابر فشار داخلی آب و آزمون بارگذاری ساکن دراز مدت از آن جمله اند. تجربه نشان می دهد که از میان روشهای مختلف قابل اجرا ، آزمون کشش نمونه های لوله دارای اتصال جوش و آزمون استحکام در برابر فشار داخلی آب سودمندترند.اتصال نامطلوب باعث ایجاد شکست از ناحیه اتصال می شود، در حالی که در اتصال قابل قبول شکست در دو قطعه لوله پدید می آید. با توجه به تنوع نسبتا زیاد پلاستیکهای مورد استفاده در ساخت لوله های گاز رسانی ،لازم است که استحکام و پایداری اتصال از نظر سازگاری دو نوع پلاستیک نیز مورد بررسی قرار گیرد.
به طور خلاصه ، محل اتصال دو لوله پس از جوشکاری ابتدا از نظر ظاهری مورد بررسی عینی قرار می گیرد و سپس آزمونهای کشش و عملکرد دراز مدت روی آن انجام می یابد. این آزمونها شامل پایداری مکانیکی در برابر فشار داخلی آب در دمای °80Cو استحکام در برابر نیروی ساکن در دمای ° 80Cمی باشند. در این آزمونها باید شکست از نواحی غیر اتصالی و در طول دو لوله صورت گیرد.

فرسایش لوله بر اثر عوامل جوی
لوله های پلی اتیلن در فاصله زمانی ساخت و مصرف در شرایط مختلف نگهداری می شوند. هنگام نصب نیز ممکن است لوله برای مدت نسبتا" طولانی در معرض عوامل طبیعی نظیر آفتاب و باران قرار گیرد. با توجه به احتمال تخریب مولکولی پلی اتیلن و تغییر خواص آن لازم است که ارزیابی نسبتا دقیقی از این تغییر و میزان فرسایش به عمل آید. بر اساس استاندارد 4437-ISO درصد ازدیاد طول تا پارگی و استحکام در برابر فشار هیدرولیک داخلی نمونه های لوله باید در محدوده مجاز یاد شده باشند. طول تقریبی نمونه ها یک متر و قطر آنها مختلف است و در معرض انرژی تابشی دست کم معادل  3/5GJ/ m^2قرار گرفته اند.
در ضمن عوامل جوی نباید هیچ گونه تأثیر منفی بر قابلیت جوشکاری لوله ها داشته باشد. در این آزمون اطلاع از مقدار انرژی تابشی دریافتی عامل مهمی در تعیین مدت زمان انجام آزمایش است. مجموع انرژیهایی که از خورشید و تابشهای آسمانی به زمین می رسد به عوامل متعددی نظیر عرض جغرافیایی ، شرایط جوی و آلودگی هوا بستگی دارد. با تقریب مناسب ، مقدار انرژی در واحد زمان در محدوده طول موج 300 تا 3000nm در حدود 1000w/ m^2 است. در صورتی که محدوده طول موج 300 تا 800nm مورد نظر باشد مقدار انرژی در واحد زمان به 580w/ m^2 کاهش می یابد. این در مقدار عبارت اند از انرژی دریافتی در ساعت ۱۲ نیمروز با آسمان صاف در استوا.
براساس اندازه گیریهای انجام شده ، میانگین سالانه مقدار کل انرژی دریافتی در منطقه میامی (فلوریدای آمریکا) 6000MJ/ m^2 است. با توجه به در برداشتن 58 درصد سهم محدوده طیف مورد نظر 300 تا 800nm، مقدار انرژی برای این ناحیه  3480MJ/ m^2 خواهد بود. بدین ترتیب ،حداقل مدت نگهداری نمونه های لوله در معرض عوامل طبیعی و آفتاب برای انجام آزمون فرسایش در روش استاندارد 4437-ISO یک سال است . معمولا پس از 2 سال ، نگهداری لوله در معرض عوامل جوی و آفتاب نباید تغییر قابل توجهی در استحکام هیدرولیک لوله در شرایط دمای °C20 و °C80 به وجود آورد. برای تسریع انجام این آزمون می توان از منابع تابش پر انرژی استفاده کرد. لامپ زنون یکی از معمولترین منابع نوری مورد استفاده برای این منظور است. در صورت استفاده از لامپ زنون با انرژی تابش 940w/ m^2 (xenotest 1200cps) مدت نگهداری لوله در معرض آن به حدود 1028 ساعت کاهش پیدا می کند.

نتیجه گیری
کاربرد لوله و اتصالهای پلی اتیلنی در شبکه توزیع گاز بیش از 30 سال سابقه دارد. تجربه کار با این مواد نتایج مثبتی را به همراه داشته است. مواد اولیه مورد استفاده و تکنیکهای نصب و تجهیزات مربوط با سرعت بیشتری نسبت به گذشته در حال پیشرفت است. کاربرد لوله های پلی اتیلن در شبکه توزیع گاز از نظر ایمنی مسئله مهم و حساسی است. این موضوع وجود ضوابط قابل اعتماد را ایجاب می کند. ایجاد سختگیری در این مورد از طرفی بر درجه اطمینان می افزاید و از طرف دیگر از سرعت توسعه این صنعت می کاهد. معیارهای مورد بحث در این مقاله بر شواهد عینی ، تجربیات آزمایشگاهی و دانش بنیادی از خواص و رفتار مواد متکی است. برای تضمین ایمنی سیستمهای توزیع گاز از جنس پلی اتیلن ، ارزیابی دقیق رزین پلی اتیلن مورد استفاده در ساخت لوله ضرورت تام دارد. مهمترین معیارهای ارزیابی عملکرد لوله های ساخته شده از پلی اتیلن عبارت از استحکام در برابر فشار داخلی ، پایداری در برابر مواد تقطیر شده از گاز طبیعی، مقاومت در برابر نیروهای ضربه ای ، مقاومت نسبت به نشر سریع ترک های موجود ، مقامت نسبت به رشد کند ترکها ، پایداری در برابر عوامل محیطی و جوی و قابلیت جوشکاری است.

مراجع
[1] JI.V.DeBleu, Plastic Pipe Applied to Gas Distribution
World Wide, Proceedings of GRI 5th Plastic Piping Materials Workshop, June 19-21, 1985, Chicago, Illinois,
PP 13-18. 
[2] Commercial Bulletins, 1989-90. 
[3] Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk Othmer, Vol.11 (1980).
[4] ISO Documents, International Standard Organization, 1983. 
[5] JASTM Standards, Vol.08.04, 1989 Annual Book of ASTM Standards. 
[6] M. Wolters, "Some Design Aspects of Plastic Gas Distribution Pipeline Systems", 17th. World Gas
Conference, 1988. 
[7] M. Wolters, F.L. Scholten, "Resin Qualification of PE Gas Pipes", 9th Plastic Fuel Gas Pipe Symp., New Orleans,USA, NOV.1985. 
[8] D.Kockott, Polymer Degradation and Stability, 25 (1989), P194-7.
 

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا و دوماهنامه علوم و تکنولوژی پلیمر , مقاله 7، دوره 6، شماره 1، فروردین و اردیبهشت 1372 مراجعه نمای