عندما يبحث أصحاب العمل والمقاولون عن أنابيب قوية وموثوقة وفعالة من حيث التكلفة لمشاريعهم، يُعد البولي إيثيلين خيارهم الأول. تُعد أنابيب البولي إيثيلين أحادية الجدار حلاً اقتصاديًا لمجموعة واسعة من تطبيقات الأنابيب، بما في ذلك توزيع الغاز الطبيعي، ومياه الشرب والصرف الصحي البلدية، والصناعات، والمنشآت البحرية، والتعدين، ومدافن النفايات، وقنوات الكهرباء والاتصالات. لمزيد من المعلومات حول الأنابيب أحادية الجدار، اتبع مقال “خصائص أنابيب البولي إيثيلين أحادية الجدار”.
كما أن هذه الأنابيب فعالة للمنشآت الهوائية، وتحت الأرض، والسطحية، والعائمة، والبحرية. وفقًا للسيد “ويل آبي” من شركة P.O.E.، فإن أحد الأسباب الرئيسية لنمو استخدام الأنابيب البلاستيكية هو توفير تكاليف التركيب وتوفير العمالة والمعدات اللازمة مقارنة بالأنابيب القديمة الشائعة. إذا أضفت إمكانية انخفاض تكاليف الصيانة وزيادة العمر الافتراضي، فستفهم سبب المنافسة الشديدة لأنابيب البولي إيثيلين في الأسواق العالمية.
يُعد الاستخدام في توزيع الغاز الطبيعي أحد أقدم تطبيقات أنابيب البولي إيثيلين متوسطة الكثافة (MDPE). اليوم، 95% من أنابيب نقل الغاز الطبيعي التي يقل قطرها عن 12 بوصة والمثبتة في الولايات المتحدة وكندا هي من أنابيب البولي إيثيلين. يُعد البولي إيثيلين الخيار الأول من حيث مادة الأنابيب الصناعية في جميع أنحاء العالم.
بعد مرور 50 عامًا على الاستخدام المستمر لأنابيب البولي إيثيلين في نقل مياه الشرب، لا تزال هذه المادة تحصل على الموافقات الدولية وتنمو في الاستخدامات البلدية. تخضع أنابيب البولي إيثيلين لمراقبة الجودة وفقًا لمعايير NSF و AWWA و ASTM.
والآن نذكر ما يجعل الأنابيب المصنوعة من البولي إيثيلين متميزة:
- دورة حياة طويلة: الاستخدام البلدي لأنابيب البولي إيثيلين له تكاليف دورة حياة منخفضة جدًا. السطح الداخلي الأملس تمامًا لأنابيب البولي إيثيلين يحافظ على خصائص التدفق الخاصة، واللحام الحراري يمنع التسربات. لقد ثبت أن هذه التركيبة ناجحة في تقليل تكاليف تشغيل النظام.
- وصلات محكمة تماماً وخالية من التسرب: يؤدي ربط البولي إيثيلين باستخدام اللحام الحراري إلى تشكيل وصلات محكمة لا تسمح بالتسرب تكون قوتها مساوية لقوة الأنبوب نفسه أو حتى أقوى منه. ويُزيل استخدام اللحام في التطبيقات الحضرية النقاط المحتملة للتسرب الموجودة في أنواع الأنابيب الأخرى مثل أنابيب PVC أو الحديد، والتي تنتج عن استخدام وصلات ذكر-أنثى كل 10 إلى 20 قدمًا. ففي جميع هذه الوصلات من نوع ذكر-أنثى، تُستخدم حلقات مطاطية تتعرض للتآكل مع مرور الوقت وتصبح عُرضة للتسرب، ولهذا فإن “معدل التسرب المقبول للمياه” فيها يبلغ 10% أو أكثر، بينما يكون هذا المعدل في أنابيب البولي إيثيلين -نظرًا لإمكانية استخدام اللحام- صفرًا نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع نقاط اللحام في البولي إيثيلين بخاصية التثبيت الذاتي، والتي تحافظ على سلامة الوصلات وتلغي الحاجة إلى مواقف الصدمات باهظة الثمن أو كُتل امتصاص الصدمات. وعلى الرغم من المزايا التي تتمتع بها طريقة اللحام المحوري، يستخدم المهندسون طرقًا أخرى أيضًا لربط أنابيب البولي إيثيلين، من بينها الانصهار الكهربائي و الوصلات الميكانيكية.
في وصلات الانصهار الكهربائي، يتم توصيل الأنابيب أو الوصلات ببعضها البعض باستخدام سخّان كهربائي مدمج فيها.
أحيانًا تكون هناك حاجة إلى وصلات ميكانيكية لربط الأنبوب بمكونات أخرى مثل الصمامات أو الأجهزة المستخدمة الأخرى. لهذه الأغراض، تم تطوير وصلات خاصة متوفرة على نطاق واسع لتلبية معظم الاحتياجات التطبيقية.
- خوردگی و مقاومت در برابر مواد شیمیایی: لوله هاي پلی اتیلن از زنگ زدن، پوسیدن و سوراخ شدن در امان هستند. همچنین باعث رشد موجودات زنده درون یا بیرون لوله نمی شوند. لوله پلی اتیلن مقاومت شیمیایی فوق العاده اي دارد. اگرچه لوله هاي پلی اتیلن از خاك طبیعی که از نظر شیمیایی فعال است تأثیر نمی پذیرد اما مانند هر لوله دیگري، اگر خاك با حلال هاي آلی (مثل نفت و گازوئیل آلوده شده باشد ممکن است نیاز به روش هاي نصبی باشد که از لوله پلی اتیلن در برابر تماس با حلال آلی محافظت کند. البته محافظت در برابر نفوذ انحلالی حتی در لوله هاي فلزي و سایر انواع لوله هایی که با استفاده از واشر به یکدیگر متصل می شوند هم لازم است. عموما براي همه سیستم هاي لوله کشی که در خاك آلوده نصب می شوند، در هنگام نصب استفاده از راهکارهاي حافظتی که تضمین کننده کیفیت سیال مورد انتقال هستند، ضروري است.
- انعطاف پذیري و مقاومت در برابرخستگی:لوله هاي پلی اتیلن در محل نصب می توانند نهایتا تا شعاع حدود ۳۰ برابر قطر
اسمی خود خم شوند که بسته به ضخامت دیواره لوله این مقدار می تواند کمتر باشد. به عنوان مثال لوله پلی اتیلن ۱۲ اینچی در محل نصب و در حالت سرد می تواند تا شعاع ۳۲ فوت تغییر شکل دهد. این موضوع باعث حذف بسیاري از اتصالاتی می شود
که براي تغییرات زاویه اي در سیستم لوله کشی به کار می روند و همچنین باعث سهولت نصب می گردد پلی اتیلن در برابر خستگی مقاومتی استثنایی دارد و تحت بالاترین فشار عملیاتی، می تواند چندین نوسان فشار تا ۱۰۰ % بالاي بیشینه فشار کاري خود را بدون هیچ اثر منفی روي قابلیت هاي عملکردي طولانی مدت حفظ کند.
- مقاومت لرزه اي: چقرمگی، انعطاف پذیري لوله هاي پلی اتیلن همراه با دیگر خواص ویژه آن از جمله اتصالات بدون نشتی و کاملا مهار شده حاصل از جوش، آن را براي نصب در محیط هاي خاکی فعال و محل هاي در معرض زلزله کاملا مناسب گردانیده است.
- المزايا الهيكلية:خصائص مثل الوزن الخفيف، والمرونة، والوصلات المعزولة تمامًا والخالية من التسرب، توفر مجتمعةً طرق تركيب اقتصادية وفريدة لا يمكن تحقيقها بالمواد الأخرى. في العديد من المنشآت، يمكن لأساليب التركيب مثل الحفر الموجه الأفقي، وإعادة تأهيل الأنابيب باستخدام انفجار الأنابيب القديمة، والخط المنزلق (Slip-lining)، والحفر والاستبدال، وتركيب الأنابيب بشكل شبه عائم أو عائم، أن تُسهل البناء بشكل ملحوظ وتؤدي إلى توفير كبير في الوقت والتكلفة.
يعد تركيب أنظمة أنابيب البولي إيثيلين -التي تزن حوالي ثُمن وزن الأنابيب الفولاذية ذات القطر المماثل، وباستخدام وصلات محكمة ومتكاملة ومتوافقة مع ظروف العمل المختلفة- أسهل ولا يتطلب معدات رفع ثقيلة. تُنتَج أنابيب البولي إيثيلين بأطوال قياسية تبلغ 50 قدمًا أو أكثر، وتُلف في ملفات كبيرة بأقطار تبدأ من 6 بوصات فما فوق. تتوفر ملفات بأطوال تزيد عن 1000 متر لبعض الأقطار المحددة. تتحمل أنابيب البولي إيثيلين الصدمات، خاصة في الظروف الجوية الباردة حيث تكون الأنابيب الأخرى عرضة للتشقق والكسر، بشكل أفضل بكثير من أنابيب PVC.
نظرًا لأن وصلات البولي إيثيلين الملحومة باللحام المحوري لها نفس متانة الأنبوب، فيمكن توصيلها على الأرض بأطوار كبيرة جدًا، ثم وضعها مباشرة في الخندق، أو سحبها عبر مسار البئر باستخدام الحفر الموجه، أو استخدامها في عملية إعادة تأهيل الأنابيب (Pipe Rehabilitation). من الجدير بالذكر أن ظروف موقع البناء تؤثر بشكل كبير على اختيار طريقة التركيب.
- المتانة: تُعد منشآت أنابيب البولي إيثيلين اقتصادية وأقل تكلفة على المدى الطويل بسبب الخصائص الفيزيائية للأنبوب، والوصلات الخالية من التسرب، وانخفاض تكاليف الصيانة. تقدر صناعات أنابيب البولي إيثيلين العمر الافتراضي لهذه الأنابيب، بشرط تصميم وتركيب نظام الأنابيب بشكل صحيح واستخدامه وفقًا للمعايير الصناعية المنشورة وتوصيات الشركة المصنعة للأنبوب، بمتوسط يتراوح بين 50 و 100 عام. تؤدي هذه الديمومة والعمر الطويل إلى نوع من التوفير في تكلفة استبدال هذه الأنابيب. في أنظمة أنابيب البولي إيثيلين المصممة والمثبتة بشكل صحيح، هناك حاجة محدودة للصيانة المستمرة. كما أن أنبوب البولي إيثيلين مقاوم لمعظم المواد الكيميائية الشائعة وغير معرض لخطر التآكل الجلفاني أو التحليل الكهربائي.
- لكفاءة الهيدروليكية: نظرًا لأن السطح الداخلي لأنبوب البولي إيثيلين أملس تمامًا وخالٍ من أي خشونة، فإن هذه الأنابيب تُصنف ضمن فئة الأنابيب الملساء، وهي المجموعة التي تخلق أقل مقاومة لتدفق السوائل.
- مقاومة درجات الحرارة:النطاق الحراري الشائع لأداء أنابيب البولي إيثيلين في ظروف العمل عالية الضغط هو من 0 إلى 140 درجة فهرنهايت. ولكن لظروف العمل منخفضة الضغط وبعض التطبيقات الخاصة، يمكن لهذه المادة تحمل درجات حرارة منخفضة جدًا.
خضعت العديد من راتنجات البولي إيثيلين المستخدمة في أنابيب البولي إيثيلين لاختبارات الإجهاد ليس فقط عند درجة الحرارة القياسية البالغة 73 درجة فهرنهايت، ولكن أيضًا عند درجات حرارة أعلى مثل 140 درجة فهرنهايت. بشكل عام، تحتفظ أنابيب البولي إيثيلين بقوتها في درجات الحرارة المرتفعة أكثر من المواد الحرارية الأخرى مثل PVC. تحتفظ مواد البولي إيثيلين بحوالي 50% من قوتها عند 73 درجة فهرنهايت عندما تكون عند 140 درجة فهرنهايت، بينما يفقد PVC عند 140 درجة فهرنهايت ما يقرب من 80% من قوته عند 73 درجة فهرنهايت. نتيجة لذلك، يمكن استخدام أنابيب البولي إيثيلين في العديد من تطبيقات الأنابيب عبر نطاق واسع من التغيرات في درجات الحرارة.
- المتانة (Toughness): المتانة هي قدرة المادة على التشوه تحت تأثير الإجهاد دون حدوث كسر أو فشل في النهاية. كما يُشار أحيانًا إلى قدرة الاستطالة العالية على أنها متانة، وهذه إحدى الخصائص المهمة لأنابيب البولي إيثيلين، سواء عند استخدامها فوق الأرض أو تحتها.
على سبيل المثال، نتيجة للتطبيق من سطح الأرض، يتشوه أنبوب البولي إيثيلين المدفون في التربة ويتحول مقطعه العرضي الدائري إلى شكل بيضاوي، حيث ينخفض قطره العمودي ويزيد قطره الأفقي قليلاً. يؤدي زيادة القطر الأفقي إلى ضغط التربة على عرض الأنبوب، وهذا الضغط يمنع المزيد من التشوه ويؤدي في النهاية إلى استقرار الأنبوب. يوفر هذا في النهاية تكوين هيكل تربة-أنبوب ويمنح المواد المتينة قدرة على تحمل الأحمال الرأسية الأرضية أو الأحمال الرأسية الأخرى. يمكن أن تتسبب هذه الأحمال في فشل الأنابيب الأقوى ولكن ذات قدرة استطالة أقل.
يمكن للمواد المتينة مثل البولي إيثيلين المستخدمة في أنابيب المياه والغاز الطبيعي والصناعية تحمل بأمان زيادات الإجهاد الموضعي الناتجة عن التثبيت غير السليم، حيث قد توضع الصخور أو الحصى أو جذوع الأشجار في وضع يضغط على السطح الخارجي للأنبوب. توجد العديد من ظروف البناء الأخرى التي قد تؤدي إلى تأثيرات مشابهة لما ورد أعلاه، على سبيل المثال، ثني الأنبوب بما يتجاوز إجهاد الاستطالة المسموح به، والتعزيز غير الكافي للأنبوب، والمحاذاة غير الناجحة للأنبوب للاتصال بالهياكل الصلبة، وما إلى ذلك.
اقرأ المزيد: خصائص أنبوب البولي إيثيلين لتوزيع الغاز
يوجد إمكانية لإحداث تشوه موضعي أكبر دون حدوث تلف لا رجعة فيه مثل التَّشقق. في الواقع، يؤدي التشوه الموضعي إلى توزيع وتبديد كبير للإجهاد الموضعي دون تأثير ضار على الأنبوب. نتيجة لذلك، يمكن بشكل عام تصميم المواد التي تعمل في حالة متانة على أساس متوسط الإجهاد، وهذه الحقيقة تُسهِّل بروتوكول التصميم إلى حد كبير.
- الخاصية اللزجة المرنة (Viscoelasticity):أنبوب البولي إيثيلين هو مادة ذات بنية لزجة مرنة. بسبب طبيعته الجزيئية، يمتلك البولي إيثيلين مزيجًا معقدًا من السلوك الشبيه بالسائل والشبيه بالمرونة. نتيجة لذلك، تظهر هذه المادة خصائص وسيطة بين البلورات المعدنية والسوائل عالية اللزوجة (البطيئة التدفق).
تؤدي الطبيعة اللزجة المرنة للبولي إيثيلين إلى خاصيتين هندسيتين تُستخدمان في تصميم أنظمة أنابيب مياه البولي إيثيلين:
الزحف (Creep) وإخماد الإجهاد (Stress Relaxation)
- الزحف: هو عنصر من عناصر التشوه يُعرَّف على أنه عنصر التدفق اللزج المعتمد على الزمن. كما يُفسَّر الزحف على أنه استجابة البولي إيثيلين لحمل ثابت مع مرور الوقت. عندما يتعرض البولي إيثيلين لحمل ثابت، فإنه يخضع فورًا لتشوه آني يمكن التنبؤ به بواسطة معامل المرونة من منحنى الإجهاد-الاستطالة الشد. بالإضافة إلى هذا التشوه الفوري، تستمر المادة في التشوه تحت الأحمال العالية بمعدل يتناقص تدريجيًا، وإذا كان الحمل كبيرًا بما يكفي، فقد تتعرض المادة للالتواء (Buckling) أو الفشل.
- إخماد الإجهاد: هي خاصية فريدة أخرى ناتجة عن الطبيعة اللزجة المرنة للبولي إيثيلين. عندما يتعرض البولي إيثيلين لاستطالة ثابتة ويُحافظ على التشوه عند مقدار محدد لفترة من الزمن، فإن الحمل أو الإجهاد الناتج عن التشوه يتناقص تدريجيًا مع مرور الوقت، على الرغم من أنه لا يختفي تمامًا. يعد إخماد الإجهاد هذا استجابة للحمل ذا أهمية كبيرة في تصميم أنظمة أنابيب البولي إيثيلين. إنها الاستجابة التي تقلل من الإجهاد في أقسام الأنبوب الخاضعة لاستطالة ثابتة.
البولي إيثيلين: مادة عالية الأداء
من أهم خصائص البولي إيثيلين هي **عدم توصيله للكهرباء**، مما يمكنه من العمل بشكل جيد في ظروف متنوعة. هذه الأنابيب محمية من عمليات التآكل الكهروكيميائي التي تسببها الكهارل مثل الأملاح والأحماض والقواعد. بالإضافة إلى ذلك، فإن أنابيب البولي إيثيلين ليست عرضة للهجمات الميكروبية، وسطحها الداخلي الأملس وغير اللاصق يتميز بمعامل احتكاك منخفض.
ميزة أخرى لأنابيب البولي إيثيلين تجعلها فريدة من حيث الأداء هي **مرونتها العالية**. تسهل هذه الخاصية عملية التثبيت لأنها تتيح إجراء تغييرات زاوية باستخدام أقل عدد ممكن من الوصلات. كما تتيح المرونة أيضًا لأنابيب الطول الكبير التي يصل قطرها إلى 6 بوصات أن تُلف في ملفات.
خاصية أداء فريدة أخرى لأنابيب البولي إيثيلين هي **القدرة على الاستطالة**، والتي تعبر عن القدرة على تشوه كبير دون كسر. يمكن لأنبوب بولي إيثيلين مدفون أن ينحني بأمان استجابةً لحمل مطبق من سطح الأرض، ويستخدم التربة المحيطة كدعم. وهذا يعني أنه إذا تم تركيب أنبوب البولي إيثيلين بشكل صحيح، فيمكنه تحمل ضغط التربة والحمل الناتج عن الكائنات الحية السطحية، في حين أن نفس الحمل قد يتسبب في فشل الأنابيب الأكثر صلابة والتي تتشقق وتنكسر بسبب تشوهات صغيرة. كما أثبتت الاختبارات العملية أيضًا أن قدرة الاستطالة العالية لأنابيب البولي إيثيلين تجعلها شديدة المقاومة للاهتزاز.
باستخدام عمليات اللحام الحراري، يمكن جعل أنابيب ووصلات البولي إيثيلين محكمة ضد التسرب ومعزولة تمامًا، وبقوة الأنبوب نفسه. يجعل مزيج هذه المزايا أنابيب البولي إيثيلين مُفضَّلة لتطبيقات محددة تشمل **الحفر الموجه الأفقي**، و**انفجار الأنابيب القديمة (Pipe Bursting)، ومنافذ التصريف إلى البحر.
تحتفظ أنابيب البولي إيثيلين بمتانتها حتى في درجات الحرارة المنخفضة.
علاوة على ذلك، تتمتع أنابيب البولي إيثيلين بمقاومة عالية جدًا للإجهادو تتحمل القوى المختلفة والمتتالية المطبقة عليها بشكل كبير.
على الرغم من المزايا المذكورة والمزايا الأخرى لأنابيب البولي إيثيلين، فإن التصميم والتطبيق الصحيح لها يتطلبان فهماً كافياً لسلوكيات الإجهاد-الاستطالة والإجهاد-الكسر الأكثر تعقيدًا الخاصة بها. لا تعمل أنابيب البولي إيثيلين على أساس التناسب البسيط بين الإجهاد والاستطالة في قانون هوك المميز للأنابيب المعدنية، بل إن قدرتها على مقاومة الكسر تتناقص مع زيادة زمن تحمل الحمل. بالإضافة إلى هذه الخصائص والخصائص الميكانيكية الأخرى، فإنها أكثر حساسية لدرجة الحرارة وبعض البيئات المحددة. كما يمكن أن تختلف الاستجابات الميكانيكية لأنبوب البولي إيثيلين اعتمادًا على مادة البولي إيثيلين الخام التي صُنع منها الأنبوب. يعتمد هذا بشكل أساسي على طبيعة بوليمر البولي إيثيلين، أي الوزن الجزيئي، وتوزيع الوزن الجزيئي، ودرجة التفرع، والكثافة، وكذلك إلى حد ما على نوع وكمية الإضافات المستخدمة في تركيب الأنبوب. يجب أن يتوافق سلوك أنبوب بولي إيثيلين محدد يتم اختياره لتطبيق معين مع التصميم والأداء المطلوبين.
