میثم فرهودی : دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی سوانح طبیعی، دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران ، کارشناس دفتر فنی پروژه تصفیه خانه فاضلاب شرق اهواز، شرکت کیسون

مقاله مقایسه فنی و اقتصادی انواع لوله‌های مورد استفاده در شبکه جمع‌آوری فاضلاب و انتخاب گزینه برتر در سومین همایش ملی آب و فاضلاب (با رویکرد اصلاح الگوی مصرف) در اسفند ماه سال 1388 در شهر تهران ارائه شده است.
چکیده : شبکه جمع آوری فاضلاب شامل تأسیساتی است که در زیرزمین کارگذاری شده و فاضلاب منازل را به طرف تصفیه خانه هدایت میکنند. این تأسیسات شامل تأسیسات موجود در ساختمان نمیباشد و عبارتند از فاضلاب رو، آدم رو ، اتاقک های بازدید , فاضلاب روها، عبارت از لوله ها یا سایر اشکال هندسی هستند که ممکن است بصورت ثقلی ، تحت فشار و یا تحت خلاء طراحی شوند. مقایسه انواع لوله‌ها بایستی در شرایط ویژه هر پروژه انجام گرفته و مناسب بودن یا نبودن یک نوع لوله با توجه به شرایط محیطی، امکانات بهره برداری و کارگذاری، بررسی و سپس انتخاب گردد. در این مقاله انواع لوله های مورد استفاده در طرح های عمرانی، برتری و مشکلات موجود این لوله ها در ارتباط با تأسیسات فاضلاب، مورد بررسی قرار گرفته و در انتها مقایسه فنی و اقتصادی از کل هزینه تمام شده تأسیسات جمع آوری فاضلاب با استفاده از این لوله‌ها انجام گرفته است. که نتایج زیر با توجه به مطالب فنی و اقتصادی که در ادامه بطور مفصل ذکر خواهد شد بدست آمد : 
– برای اقطار زیر 500 میلی متر بهترین گزینه استفاده از لوله های پلی اتیلن می باشد.
–  استفاده از لوله های سفالی با تمامی مزایای منحصر به فرد، به دلیل عدم تولید در داخل کشور و هزینه واردات آن از خارج، مقرون به صرفه نبوده لیکن همانطور که ذکر گردید می بایست بومی سازی تولید آن از سوی مسئولان مورد توجه بیشتری قرار گیرد.
– قیمت تمام شده اجرای لوله پلی اتیلن اسپیرال، تقریباً دو برابر لوله های پلی اتیلن کاروگیت می باشد و این به سبب هزینه اولیه خرید به دلیل سنگین بودن میباشد و لذا استفاده از لوله‌های پلی اتیلن اسپیرال به دلیل قیمت زیاد توجیه پذیر نمی باشد.
– استفاده از لوله های جی.آر.پی به دلیل هزینه بالاتر نسبت به لوله های پلی اتیلن دوجداره توصیه نمی گردد.

واژه های کلیدی: لوله سفالی، لوله چدنی، لوله فولادی، لوله آزبست سیمان، لوله پلی اتیلن، لوله جی آر پی

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
بخشی از فرایند جهانی حفاظت از محیط زیست و دستیابی به توسعه پایدار، در حفاظت از منابع آب و خاک با استفاده بهینه از آنها و انتقال و تصفیه پساب های شهری، روستایی و خصوصاً صنعتی تبلور می یابد و یکی از مهمترین چالش های فراروی این فرایند، استفاده از مناسبترین خطوط انتقال به لحاظ فنی، تکنولوژیکی، اقتصادی و زیست محیطی است.
گزینش نامناسب لوله علاوه بر اخلال در عملکرد صحیح سیستم و احیاناً آلودگی محیط زیست بار مالی هنگفتی را جهت تعمیر ، جایگزینی و یا نگهداری خطوط لوله بر هزینه های جاری متداول، تحمیل می نماید. عوامل متعددی در انتخاب و تعیین مشخصات لوله ها و جنس آنها باید در نظر گرفته شود. یک سازه مهندسی به همان اندازه به جنس زمین بستگی دارد به مواد فرآورده شده نیز وابسته است. به نقل از اسپانگلر  همه سازه ها، بدون توجه به موادی که از آن ساخته شده‌اند ، نهایت اً روی خاک یا سنگ و . . . قرار گرفته اند در مورد  فاضلاب روها، کانال ها، تونلها و دیگر سازه های زیرزمینی، خاک، نه تنها به عنوان مصالح زیرسازی که سازه روی آن استوار شده، بلکه به عنوان منشاء اصلی باری که این سازه ها در سیستم اجرا شده در معرض آن قرار دارند و باید برای تحمل آن طراحی شوند حائز اهمیت است.
هدف از طراحی ساز های خط لوله، ایجاد یک کنش و واکنش پایا بین لوله و خاک پیرامون آن می باشد، طوری که در آن شکل لوله تقریباً حلقوی باقی بماند.
قبل از اینکه به شرح انواع لوله ها بپردازیم لازم است تفاوت بین لوله سخت و انعطاف پذیر بیان شود. یک لوله سخت برای تحمل بار وارده فقط متکی به استحکام و سفتی خود می‌باشد. از سوی دیگر یک لوله انعطاف پذیر معمولاً قادر نیست بیشتر از قسمت کوچکی از بار وارده را با استفاده از استحکام خودش تحمل کند. یک لوله انعطاف‌پذیر برای ایجاد استحکامی که بتواند بار وارده را تحمل کند، به فشار واکنش زمین نیاز دارد. در واقع بار استاتیک عمودی زمین، از دیواره لوله به خاک پیرامون منتقل می شود.

لوله‌های سفالی

استفاده از لوله های رسی دارای یک تاریخ پنج هزار ساله است. البته تغییرات مهمی در روش تولید و همچنین نوع رس بکار رفته، بوجود آمده است که این تغییرات به نوبه خود بر ویژگی های لوله تولید شده تأثیر می گذارد. در گذشته سطح لوله رسی را با لعاب می پوشاندند ولی امروزه لوله های مدرن اغلب بدون لعاب هستند. لوله های سفالی در مقایسه با دیگر لوله های فاضلابی از خصوصیات منحصر به فردی از لحاظ فنی و هیدرولیکی برخوردارند و یکی از بهترین لوله ها برای هدایت فاضلاب شناخته شده‌اند . ساختن آنها بدین صورت انجام می‌گیرد که مانند ظرفهای سفالی، گل بدست آمده از خاک رس را توسط دستگاه های اکسترودر به شکل لوله مورد نظر در می آورده و در کوره هایی حرارت میدهند.
ذرات و جسم یکپارچه سنگ مانندی بوجود می آید. مقاومت فوق العاده این لوله ها در برابر مواد و اسیدهای خورنده فاضلاب، نفوذپذیری پایین این لوله ها در برابر آب، سطح صاف با ضریب زبری بسیار کم حتی کمتر از لوله های پلاستیکی، مقاومت استاتیکی خوب، سازگار بودن با محیط زیست و ارزان و در دسترس بودن مواد اولیه آن یعنی خاک رس را می توان از مزایای ویژه این نوع لوله‌ها برشمرد. یکی از عیوب این لوله ها، شکنندگی و سنگینی آنها در ترابری می باشد که از این حیث در رده لوله های بتنی و آزبست قرار می گیرد. در گذشته آسیب‌پذیری آنها در هنگام زلزله، دیگر ضعف این لوله ها محسوب می شد که امروزه با استفاده از اتصالی‌های لاستیکی برای اقطار پایین توانسته اند حالتی منعطف را در طول این لوله ها ایجاد نمایند. در اقطار بالا، پیوند این لوله ها معمولاً به صورت نری و مادگی و با کمک حلقه های لاستیکی انجام می گیرد که این نوع اتصالات نیز از نظر قابلیت انعطاف پذیری، شبکه را در برابر نیروهای جانبی محافظت می نماید. چنانچه نمونه ای از این لوله ها که در شبکه فاضلاب شهر تاکاساگو ایالت کوبه ژاپن بکار گرفته شده بود، پس از زلزله 6.5 ریشتری سال 1995 هیچگونه شکست یا نشت پس از زلزله در آن گزارش نشد.
در ایران علیرغم وجود منابع اصلی مواد اولیه آن یعنی خاک رس مناسب و هزینه بسیار پایین تهیه مواد اولیه بر خلاف دیگر لوله ها، به دلیل عدم تکنولوژی تولید در داخل کشور، نیاز به واردات آن از کشورهای دیگر بوده و به همین دلیل قیمت تمام شده آن در مقایسه با دیگر لوله های تولید شده در داخل، بیشتر می باشد و این امر استفاده از آنرا به لحاظ اقتصادی با تمام مزایای فنی ذکر شده، توجیه ناپذیر می کند. لذا لازم است مسئولان امر در جهت وارد کردن تکنولوژی و بومی کردن تولید آن و توجهات ویژه‌ای نمایند.

لوله چدنی

لوله های چدنی از قدیمی ترین انواع لوله است که در صنعت آب و فاضلاب استفاده شده است. چدن آلیاژی از آهن است که دارای بیش از 1.7 درصد کربن بوده و به علت داشتن گرافیت آزاد، به رنگ خاکستری است. ساخت آن به دو روش ریخته‌گری در قالب های ماسه ای و به روش گریز از مرکز  انجام می گیرد که البته به دلیل مرغوبیت لوله های ساخته شده به روش گریز از مرکز از نظر مقاومت تنشی و صافی سطوح داخلی، بیشتر از این روش استفاده می شود. مقاومت زیاد آن به لحاظ استاتیکی و مقاومت آن در برابر عوامل خورنده را می توان از مزایای این لوله ها برشمرد لیکن سنگینی و هزینه حمل و نقل و قیمت بالای آن باعث شده است که برای لوله های فاضلاب شهری کمتر مورد توجه قرار گیرد و استفاده از آن فقط در شبکه درونی ساختمانها به علت مقاومت استاتیکی زیاد آن، محدود گردد. در شبکه فاضالاب شهری تنها در حالت هایی که بخواهند فاضلاب را با تحت فشار از جایی به جای دیگر انقال دهند ممکن است کاربرد لوله های چدنی و حتی لوله های چدن نشکن توجیه پذیر باشد.

لوله‌های فولادی

لوله‌های فولادی نیز در صنعت آب و فاضلاب کاربرد زیادی دارند. این لوله‌ها در سایزهای بزرگتر از شش اینچ ساخته می شوند. از مزایای مهم لوله‌های فولادی، تحمل فشار زیاد آنها می‌باشد. این لوله‌ها در سایزهای بالا دارای ضخامت زیادی نبوده و برای خطوط انتقال با قطرهای بزرگ، بسیار مناسب است.
لوله‌های فولادی بدون پوشش خارجی در خاک مقاومت کمتری در برابر خوردگی دارند و به سرعت خورده می شوند. لذا استفاده از پوشش یا حفاظت کاتدی برای این لوله‌ها الزامی است. اتصالات بین لوله‌ها به وسیله جوش یا پرچ و یا اتصالات مخصوص مانند اتصال جانسون انجام می گیرد. عمر لوله‌های فولادی پوشش داده شده تا 40 سال میرسد. برای پوشش خارجی و داخلی این لوله‌ها از ملات سیمان و پوشش های آلی استفاده می شود. در ایران از عمده‌ترین کارخانه‌های ساخت لوله‌های فولادی، کارخانه لوله‌سازی اهواز است. دراین کارخانه صفحه‌های فولادی را با استفاده از پرسها ودستگاه های مختلف به شکل لوله درآورده و پس از جوشکاری داخلی و خارجی آن، لوله‌های فولادی تولید میگردند. ظرفیت تولید این کارخانه سالیانه در حدود 220 هزار تن می‌باشد.

لوله‌های بتنی

لوله‌های بتنی(مسلح و غیرمسلح) تنها در فاضلاب‌روهای ثقلی، مورد استفاده قرار میگیرند زیرا مقاومت آنها در تحمل فشارهای درونی کم می‌باشد. در ایران لوله‌های بتنی با قطر کمتر از 600 میل یمتر بصورت غیر مسلح ساخته شده و لوله‌هایی با اقطار بالاتر مسلح می گردند. از محاسن و معایب ای ن لوله ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
محاسن :
 – فن آوری بالا و تثبیت شده
– مقاومت حلقوی بسیار بالا
– دسترسی آسان به مواد اولیه و تولید داخلی به میزان کافی
– قابلیت استفاده در عمق های زیاد و امکان استفاده از بسترسازی بتنی جهت بالا بردن مقدار باربری لوله ها
معایب :
– وزن زیاد
– کم بودن مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی فاضلاب ها (نیاز به پوشش داخلی)
– امکان شکستگی برشی و خمشی بویژه در صورت عدم بسترسازی صحیح و انتخاب عرض ترانشه نامناسب
– عدم انعطاف پذیری در مقابل حرکت های زمین
– امکان تولید در طول های محدود
– غیر قابل باز یافت
– هزینه تعمیر بالا و تقریباً غیر ممکن
لوله‌های بتنی بسیار سنگین بوده و هزینه حمل و نقل آنها نسبت به قیمت لوله بالاتر است. بنابراین حمل لوله‌های بتنی در مسافتهای طولانی (بیش از 100 تا 150 کیلومتر) غیر اقتصادی می‌باشد.

لوله پلی اتیلن تک جداره

در سال های اخیر استفاده از لوله های پلی اتیلن در شبکه‌های آب و فاضلاب شهری و خطوط انتقال گاز معمول شده است. همچنین برای پوشش لوله های فاضلابی و نیز نوسازی جدار فاضلاب روهای فرسوده مورد استفاده قرار می گیرد.
پلی اتیلن با ازدیاد پلیمریزاسیون اتیلن تولید می شود. لوله های پلی‌اتین در دو نوع نرم و سخت تولید می شوند که در آبیاری بیشتر لوله های سخت مصرف می شوند. لوله های نرم فقط با اقطار 12 تا میلیمتر برای لوله های جانبی مورد استفاده دارند. این لوله ها در برابر مواد شیمیایی مثل حلال ها، اسیدها و بازها مقاومند. لوله های پلی اتیلن خاصیت ارتجاعی دارند. مخصوصاً پلی اتیلن نرم که پس از قراردادن روی زمین به آسانی خود را با پستی و بلندی های خاک هماهنگ می کنند.
بر خلاف لوله های تحت فشار که کلاس لوله بر اساس فشار کاری تعیین و ضخامت آن محاسبه می گردد برای لوله های فاضلابی، ضخامت جدار بر اساس ظرفیت باربری تعیین می گردد. ظرفیت باربری تمامی مجاری زیرزمینی ترکیبی از دو عامل زیر بستگی خواهد داشت:
الف) مقاومت ذاتی که به مشخصات هندسی و مکانیکی مصالح بستگی دارد
ب) فشار جانبی موجود در جناحین لوله
نکته قابل توجه دیگر آنست که با افزایش فشار کاری لوله تک جداره پلی اتیلن به دلیل افزایش ضخامت لوله، می بایست از لوله های بزرگتر استفاده کرد. به عنوان مثال برای استفاده از لوله تک جداره 16 بار بجای لوله دوجداره با قطر داخلی 250 میبایست از لوله DN355 استفاده کرد. زیرا ضخامت این لوله در حدود 48.5 میلیمتر بوده و قطر داخلی آن در حدود 258 میلیمتر خواهد شد. وزن این لوله معادل 45 کیلوگرم بر متر بوده که در مقایسه با لوله دوجداره که وزن آن در این کلاس سختی حلقوی معادل 5 کیلوگرم است بسیار بیشتر و غیر قابل توجیه اقتصادی خواهد بود

لوله دوجداره پلی اتیلن

لوله پلی اتیلن دوجداره در طبق استاندارد DIN 16961 تولید می گردند که در این استاندارد لوله ها براساس سختی به هفت کلاس طبقه بندی شده اند.طبقه بندی فوق صرفاً بر اساس مقاومت و باربری لوله تحت اثر نیرو های وارده بر آن می باشد که با توجه به اینکه لوله مورد نظر در چه نوع خاک و چه عمقی کار گذاری شده باشد یکی از کلاس های مورد نظر را می تواند داشته باشد .
لوله و اتصالات پلی اتیلن دارای محدوده کاربری وسیعی می باشند. در طی سال های متمادی با بهره گیری از روش های نوین پلیمریزاسیون، خواص مکانیکی پلی اتیلن بهبود یافته و نسل های متوالی آن با علائم مشخصه PE63 – PE80  و PE100 به ترتیب به بازار ارائه شده است.
تکنولوژی تولید لوله های پلی اتیلن دوجداره باعث تحول شگرفی در صنعت این نوع لوله ها گردیده است. لوله های دوجداره به دلیل طرح خاص جداره خارجی و انعطاف پذیری این لول هها، در صورت بستر سازی مناسب و تراکم کافی خاک اطراف و بالای لوله در زمان خاکریزی، از مقاومت مکانیکی کافی در مقابل بارهای ترافیکی و وزن خاک روی آن برخوردار می باشند. به عبارت دیگر لوله های دوجداره در مقایسه با لوله های تک جداره هم قطر خود (با سختی حلقوی یکسان)، وزن به مراتب کمتری دارند. این مسئله بویژه در اقطار بالا تأثیر بسزایی در هزینه‌های خرید و حمل و نقل خطوط لوله دارد و لذا تمایل به استفاده از لوله های دوجداره پلی اتیلن بسرعت در حال گسترش می باشد.
در زیر انواع روش های تولید لوله های با جداره پروفیله (دوجداره) آمده است :
– جداره یکپارچه اکسترود شده به همراه پروفیل‌هائی که به لوله متصل شده‌اند.
– جداره یکپارچه اکسترود شده با دیواره خارجی دنده‌دار
– لوله اسپیرال یا مارپیچی
محاسن و معایب لوله های پلی اتیلن را می‌توان بصورت زیر خلاصه نمود :
– در مقابل خوردگی مقاوم بوده و به پوشش داخلی و رو شهای حفاظتی نیازی ندارد.
– در برابر تغییرات درجه حرارت مقاومت قابل ملاحظه ای دارند
– مقاومت جداره داخلی لوله های پلی اتیلن در برابر فرسایش از سایر انواع لوله‌ها بیشتر است.
– وزن سبک
– نصب آنها ساده تر از سایر لوله هاست و به ماشین آلات سنگین نیاز ندارد.
– رسوب‌گذاری دراز مدت در داخل لوله‌ها، نسبت به سایر لوله ها کمتر است
– طول عمر زیاد ( حداقل 50 سال )
– انعطاف پذیری در جابجایی و رانش زمین و خم پذیری و قابلیت برش
– سیستم اتصال ارزان تر
– قابلیت جوش پلاستیک
– قابلیت تولید در طول های بلند 
– قابلیت بازیافت

مقایسه فنی لوله ها

به لحاظ مقاومت لوله ها نسبت به عوامل خورنده موجود در فاضلاب، بجز لوله های بتنی بدون پوشش داخلی و لوله های آزبست، بقیه لوله ها از جمله لوله های سفالی، جی.آر.پی و پلی اتیلن مقاومت خوبی در برابر خوردگی، اسیدهای فاضلابی، مواد شیمیائی و . . . داشته و از این حیث طول عمر این لوله‌ها به مراتب بیشتر از لوله های بتنی و آزبست خواهد بود. لازم به ذکر است استفاده از لوله های بتنی یا آزبست با پوشش داخلی می‌تواند مشکل این لوله‌ها را از این لحاظ حل نماید که این امکان نیز در اقطار بالای 500 امکان پذیر است. همچنین در بحث مواد خورنده فاضلابی که در فاضلاب صنعتی بیشتر با عنوان مواد اسیدی یا بازی با آن روبرو هستیم، می‌بایست از لوله‌های مقاوم استفاده نمود.
اتصالات کوپلینگی مورد استفاده در لوله های جی. آر. پی (از جنس خود لوله ها) با دو واشر می باشد و در نواحی اتصالات، آب بندی بطور کامل انجام میپذیرد. در صورتیکه لوله های بتنی آ ببندی مناسبی نداشته و نشت فاضلاب از آنها موجب زیان های اقتصادی و زیست محیطی می‌گردد. در لوله های پلی اتیلن نیز در صورت استفاده از جوش به تنهایی و یا همراه با سایر روش های اتصال آب بندی بطور کامل صورت می‌پذیرد. لوله های آزبست و سفالی نیز از روش کوپلینگ با واشرهای لاستیکی استفاده میکنند که از نظر آب بندی شرایط مناسب را ایجاد میکنند.
لوله های بتنی و سفالی معمولاً در طو لهای 2 الی 3 متری تولید میگردند. طول لوله های آزبست از 4 تا 6 متر 6 متر تولید میگردند. از آنجا که هر چه اتصالات کمتری میباشد و لوله های جی. آر. پی و پلی اتیلن در طو لهای 12در طول لوله بکار رود هزینه ها و احتمال ایجاد نشت کاهش می‌یابد از این حیث، لوله های پلی اتیلن و جی.آر.پی در رده اول و به ترتیب لوله های آزبست. بتنی و سفالی قرار م یگیرند. البته تکنولوژی اجرا عامل بسیار مهمی در آ ببندی لوله ها بوده و تعداد اتصالات، احتمال افزایش نشت را زیاد می کند. چه بسا لوله های با اتصال زیاد به دلیل تکنولوژی خاص ، کمتر از لوله های دیگر نشتی داشته باشند.
لوله های جی.آر.پی و پلی اتیلن چندین برابر از دیگر لوله ها، سبکتر میباشند. لذا در هنگام نصب جرثقیل های سبکتری مورد استفاده قرار می‌گیرد و جابجایی لوله ها آسانتر و هزینه عملیات نصب کمتر می باشد.
نگهداری لوله های جی.آر.پی، پلی اتیلن و سفالی با توجه به عدم نیاز آنها به پوشش داخلی و خارجی در صورت کارگذاری صحیح و مطابق با استانداردهای مربوطه و رعایت توصیه‌های کارخانه سازنده، به مراتب اقتصادی تر از لوله های بتنی و آزبست می‌باشد. هزینه نصب لوله های جی.آر.پی، پلی اتیلن و سفالی فقط یکبار انجام می شود درحالیکه لوله های بتنی نیاز به تعمیرات و بازبینی های مداوم دارند و عملاً در بسیاری موارد غیر قابل تعمیر می باشند.
آنچه در این مقاله ارائه شده خلاصه‌ای است از ویژگی های کلی پنج نوع لوله قابل مصرف در شبکه های جمع آوری و انتقال فاضلاب کشور است. جدول 2 در برگیرنده عواملی است که عموماً در بررسی این نوع لوله‌ها به منظور کاربرد در طرح های فاضلاب مد نظر می‌باشد و اکثر این عوامل در متن مقاله بصورت اجمالی عنوان گردیده‌اند.

نتیجه گیری

با توجه به مطالب فنی و اقتصادی بیان شده در فوق، می توان گفت برای اقطار زیر 500 میلیمتر بهترین گزینه استفاده از لوله های پلی اتیلن می باشد. استفاده از لوله های سفالی با تمامی مزایای منحصر به فرد، به دلیل عدم تولید در داخل کشور و هزینه واردات آن از خارج، مقرون به صرفه نبوده لیکن همانطور که ذکر گردید می‌بایست بومی سازی تولید آن از سوی مسئولان مورد توجه بیشتری قرار گیرد.
قیمت تمام شده اجرای لوله پلی اتیلن اسپیرال، تقریباً دو برابر لوله های پلی اتیلن کاروگیت می باشد و این به سبب هزینه اولیه خرید به دلیل سنگین بودن می باشد و لذا استفاده از لوله های پلی اتیلن اسپیرال به دلیل قیمت زیاد توجیه پذیر نمی باشد.
استفاده از لوله های جی.آر.پی به دلیل هزینه بالاتر نسبت به لوله های پلی اتیلن دوجداره توصیه نمیگردد. بنابراین برای تمامی قطرها بهترین گزینه از نظر فنی و اقتصادی لوله های پلی اتیلن کاروگیت می باشد. شایان ذکر است که قیمت های ذکر شده براساس استعلام گرفته شده در بهمن ماه 1387 می باشد، لذا روشن است که با توجه به تورم قیمت ها این مقادیر دارای تغییراتی در ماه‌های آینده خواهد شد.