چه ویژگی هایی پلی اتیلن را خاص کرده است؟
هنگامی که کارفرمایان و پیمانکاران به دنبال انتخاب لوله ای مستحکم و قابل اعتماد و با صرفه برای پروژه های خود هستند پلی اتیلن اولین انتخاب آنهاست. لوله هاي پلی اتیلن تک جداره راهکاري مقرون به صرفه براي طیف وسیعی از کاربردهاي لوله کشی، از جمله توزیع گاز طبیعی، آب و فاضلاب شهري، صنایع، تأسیسات دریایی، معدنی، دفن زباله، کانال هاي برق و مخابرات هستند. برای کسب اطلاعات بیشتر درباره لوبه های تک جداره مقاله ویژگی های لوله پلی اتیلن تک جداره را دنبال کنید.
همچنین این لوله ها براي تأسیسات هوایی، زیر زمینی، سطحی، شناور و دریایی، کارآمد هستند. طبق نظر آقای “ویلآبی” از شرکت» P.O.E. یکی از دلایل اصلی رشد استفاده از لوله هاي پلاستیکی، صرفه جویی در هزینه هاي نصب، تأمین کارگر و تجهیزات مورد نیاز آن در مقایسه با لوله هاي قدیمی رایج است. اگر پتانسیل داشتن هزینه هاي نگهداري پایین تر و بیشتر بودن عمر مفید را هم به این موارد اضافه کنید علت رقابت شدید لوله هاي پلی اتیلنی را در بازارهاي جهانی درمی یابیم.
استفاده در توزیع گاز طبیعی یکی از اولین کاربردهاي لوله هاي پلی اتیلن نیمه چگال (MDPE) می باشد. امروزه 95 % لوله هاي زیر 12 اینچ انتقال گاز طبیعی نصب شده در آمریکا و کانادا، لوله هاي پلی اتیلن هستند. پلی اتیلن به عنوان گزینۀ نخست از نظر جنس لوله های صنعتی در سرتاسر جهان به شمار می رود.
با گذشت 50 سال از استفادۀ مداوم از لوله هاي پلی اتیلن در انتقال آب آشامیدنی همچنان این جنس موفق به دریافت تأییدات بین المللی و رشد در مصارف شهري شده اند. لوله هاي پلی اتیلن بر طبق استانداردهاي NSF ،AWWA و ASTM کنترل کیفی می شوند.
اینک آنچه لوله های ساخته شده از پلی اتیلن را خاص می کند بیان می کنیم.
- چرخه عمر بالا: استفادۀ شهری از لوله های پلی اتیلن، هزینه هاي چرخه عمر بسیار پایینی دارد.. سطح داخلی کاملا صاف لوله هاي پلی اتیلن موجب حفظ خواص ویژه جریان می شود و جوش گرمایی باعث حذف نشتی ها می گردد. ثابت شده است که این موارد ترکیب موفقی براي کاهش هزینه هاي عملکرد سیستم هستند.
- اتصالات بدون نشتی و کاملاً مهار شده: اتصال پلی اتیلن با استفاده از جوش گرمایی موجب تشکیل اتصالات بدون نشتی می شود که استحکام آن ها همانند لوله و یا حتی قوي تر از آن است. استفاده از جوشکاري در کاربردهاي شهري موجب حذف نقاط نشتی احتمالی می شود که این نقاط در سایر انواع لوله ها مانند لوله هاي PVC یا آهنی به علت استفاده از اتصالات نرَي- ماده گی در هر 10 تا 20 فوت وجو دارند.. در همه این اتصالات نرَي- ماده گی از واشرهاي لاستیکی استفاده می شود که در طی زمان دچار استهلاك می شوند و احتمال نشتی پیدا می کنند، به همین دلیل »میزان نشتی قابل قبول آب « در آن ها 10 % یا بیشتر است اما این میزان در لوله هاي پلی اتیلن با توجه به امکان استفاده از جوش، بطور نسبی صفر است. به علاوه نقاط جوش خورده پلی اتیلنی خاصیت خودمهاری دارند که ضمن حفظ یکپارچگی اتصالات، باعث حذف نیاز به مهار کننده هاي ضربه گران قیمت و یا بلوك هاي ضربه گیر می شود. با وجود مزایایی که روش اتصال جوش لب به لب دارد، مهندسان از راه هاي دیگري نیز جهت اتصال لوله هاي پلی اتیلنی استفاده می کنند که از جمله آن ها می توان به الکتروفیوژن و اتصالات مکانیکی اشاره کرد.
در اتصالات الکتروفیوژن، لوله ها و یا اتصالات با استفاده از گرم کننده الکتریکی تعبیه شده در آن ها به یکدیگر اتصال می یابند.
گاهی براي اتصال لوله به سایر قطعات مانند شیرآلات یا دیگر دستگاه ها بکاررفته به اتصالات مکانیکی نیاز است. براي اینگونه اهداف، اتصالات بخصوصی ایجاد شده که براي پاسخگویی به اکثر نیازهاي کاربردي به وفور در دسترس است.
- 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 30 برابر قطر
اسمی خود خم شوند که بسته به ضخامت دیواره لوله این مقدار می تواند کمتر باشد. به عنوان مثال لوله پلی اتیلن 12 اینچی در محل نصب و در حالت سرد می تواند تا شعاع 32 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 100 % 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.
- مزایاي ساختاري: خواصی مانند وزن کم، انعطاف پذیري و اتصالات کاملاً عایق شده و بدون نشتی، مجموعا روش هاي نصب مقرون به صرفه و منحصر به فردي را فراهم می کند که با سایر مواد امکان پذیر نیستند. در بسیاري از تأسیسات، روش هاي نصبی همچون حفاري جهت دار افقی، نوسازي لوله با استفاده از ترکاندن لوله قدیمی اسلیپ لاین حفر و جایگذاري، و نصب لوله ها به صورت نیمه شناور یا شناور، می توانند به طرز چشم گیري ساخت و ساز را تسهیل نموده و موجب صرفه جویی قابل ملاحظه اي در زمان و هزینه شوند. نصب سیستم هاي لوله کشی پلی اتیلن با وزنی در حدود یک هشتم لوله هاي هم اندازه فولادي و با استفاده از اتصالات بدون نشتی یکپارچه و سازگار با شرایط مختلف کاري، ساده تر است و به تجهیزات سنگین بالابر نیاز ندارد. لوله هاي پلی اتیلن در اندازه استاندارد 50 فوت یا بیشتر تولید و در قطرهایی از 6 اینچ و بیشتر به صورت کلاف هاي بزرگ پیچیده می شوند. در برخی از قطرهاي خاص، کلاف هایی با طول بیش از 1000 متر در دسترس هستند. لوله هاي پلی اتیلن ضربه را بویژه در شرایط آب و هوایی سرد که سایر لوله هاامکان ترك و شکست دارند- بسیار بهتر از لوله هاي PVC تحمل می کنند.
از آنجاییکه اتصالات پلی اتیلن جوش خورده با جوش لب به لب به اندازه لوله استحکام دارند، می توان روي زمین آن ها را در طول بسیار زیاد به هم متصل نموده و سپس مستقیماً در ترانشه جاي داد و یا با استفاده از حفاري جهت دار در مسیر چاه کشید و یا در فرآیند بازسازي لوله 4 استفاده کرد. لازم به ذکر است شرایط محل ساخت و ساز تأثیر بسزایی در انتخاب روش نصب دارد.
- دوام: تأسیسات لوله هاي پلی اتیلن به دلیل خواص فیزیکی لوله، اتصالات بدون نشتی و کاهش هزینه هاي نگهداري، مقرون به صرفه هستند و در طولانی مدت کم هزینه تر هستند. صنایع لوله هاي پلی اتیلن، عمر مفید این لوله هارا به شرط اینکه سیستم لوله کشی به درستی طراحی و نصب شده باشد و طبق نمونه هاي منتشر شده صنعتی و پیشنهادات شرکت سازنده لوله مورد استفاده قرار بگیرد، به طور متوسط بین 50 تا 100 سال تخمین می زنند. این ماندگاري و طول عمر زیاد باعث نوعی صرفه جویی در هزینه تعویض این لوله ها می شود. در سیستم هاي لوله هاي پلی اتیلن که به درستی طراحی و نصب شده اند، نیاز اندکی به نگهداري مستمر وجود دارد. لوله پلی اتیلن در برابر اغلب مواد شیمیایی متداول مقاوم بوده و مستعد خطر خوردگی گالوانیک و یا الکترولیز نیست.
- بازده هیدرولیکی: از آنجا که سطح داخلی لوله پلی اتیلن خالی از هرگونه زبري است، این لوله ها در رده لوله هاي صاف قرار می گیرند، گروهی که کمترین مقاومت در برابر جریان سیال را ایجاد می کند.
- مقاومت در برابر دما: بازه دمایی متداول عملکرد لوله هاي پلی اتیلن در شرایط کاري پرفشار 0 تا 140 درجه فارنهایت است. اما براي شرایط کاري کم فشار و برخی کاربردهاي خاص، این ماده می تواند دماهاي بسیار پایین تري را تحمل کند.
بسیاري از رزین هاي پلی اتیلنی که در لوله هاي پلی اتیلن مورد استفاده قرار می گیرند، نه تنها در دماي استاندارد 73 درجه فارنهایت، بلکه در دماهاي بالاتر مانند 140 درجه فارنهایت، مورد آزمون تنش قرار گرفته اند. عموما لوله هاي پلی اتیلن نسبت به سایر مواد گرمانرمی مثل PVC در دماهاي بالا، بیشتر استحکامشان را حفظ می کنند. مواد پلی اتیلن تقریبا 50 % از استحکامشان در دماي 73 درجه فارنهایت را در دماي 140 درجه فارنهایت حفظ می کنند در حالیکه PVC در 140 درجه فارنهایت، نزدیک به 80% از استحکامش در 73 درجه فارنهایت را ازدست می دهد. در نتیجه لوله هاي پلی اتیلن را می توان در بسیاري از کاربردهاي لوله کشی در طیف گسترده اي از تغییرات دمایی مورد استفاده قرار داد.
- چقرمگی: چقرمگی عبارت است از قابلیت تغییر شکل یک ماده تحت تأثیر تنش، بدون ایجاد شکستگی و یا نهایتا گسیختگی. همچنین گاهی از قابلیت افزایش کرنش 2 (ازدیاد طول) به چقرمگی تعبیر می شود و این یکی از ویژگی هاي مهم لوله هاي پلی اتیلن، هم در هنگام استفاده بصورت رو زمینی و هم بصورت زیرزمینی می باشد. به عنوان مثال، در اثر وارد شدن بار از سطح زمین، لوله پلی اتیلن مدفون در خاك تغییر شکل می دهد و سطح مقطع دایره اي آن به بیضی تغییر می کند و قطر عمودي آن کاهش و قطر افقی اندکی افزایش یابد. افزایش قطر افقی باعث می شود دیواره خاکی به عرض لوله فشار آورند، این فشار مانع از تغییر شکل بیشتر لوله شده و نهایتا به پایداري لوله می انجامد. این مسئله نهایتا شکل گیري ساختار خاك – لوله را فراهم کرده و قابلیت تحمل بارهاي عمودي زمینی یا سایر بارهاي عمودي را به مواد چقرمه می دهد. این بارها می توانند باعث شکست لوله هاي مستحکم تر ولی با قابلیت کرنش پایین تر شوند. مواد چقرمه مانند پلی اتیلن که در لوله کشی هاي آب، گاز طبیعی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند، می توانند افزایش تنش هاي موضعی حاصل از نصب نامناسب را، که در آن ها تخته سنگ ها، قلوه سنگ ها یا کنده هاي درختان ممکن است در موقعیتی قرار بگیرند که به سطح خارجی لوله فشار بیاورند، بصورت ایمن تحمل کنند. شرایط عمرانی زیاد دیگري وجود دارد که ممکن است منجر به تأثیراتی مشابه موارد فوق گردد، براي مثال می توان به خمش لوله بیش از حد کرنش مجاز، تقویت ناکافی لوله، هم راستاسازي نا موفق لوله براي اتصال به سازه هاي سخت و غیره اشاره کرد.
بیشتر بخوانید: ویژگی لوله پلی اتیلن گازرسانی
قابلیت ایجاد تغییر شکل موضعی بیشتر، بدون ایجاد تخریب غیر قابل برگشت مانند ایجاد ترك، وجود دارد. در واقع تغییر شکل موضعی باعث توزیع و اتلاف قابل ملاحظه تنش موضعی، بدون اثري مضر بر لوله می شود. در نتیجه عموما طراحی ساختاري موادي را که در حالت چقرمه عمل می کنند، می توان بر اساس میانگین تنش انجام داد و این واقعیت موجب تسهیل بسزاي پروتکل طراحی می شود
- خاصیت ویسکوالاستیک: لوله پلی اتیلن ماده اي با ساختمان ویسکوالاستیک است . پلی اتیلن به دلیل طبیعت مولکولی اش، ترکیب پیچیده اي از رفتار سیال گون و کشسان گون دارد. در نتیجه این ماده خواصی مابین بلورهاي فلزي و سیالات بسیار گرانرو (کند روان) را از خود نشان می دهد.
طبیعت ویسکوالاستیک پلی اتیلن منجر به دو خاصیت مهندسی شده که در طراحی سیستم هاي لوله کشی آب پلی اتیلن بکار می روند:
خزش و میرایی تنش.
- خزش: مؤلفه اي از تغییر شکل است که به صورت مؤلفه جریان گرانرو وابسته به زمان تعریف می شود. خزش به پاسخ پلی اتیلن به یک بار ثابت در طول زمان نیز تعبیر می شود. هنگامی که پلی اتیلن تحت یک بار ثابت قرار می گیرد، بلافاصله دچار یک تغییر شکل می شود که توسط مدول الاستیک که از منحنی تنش- کرنش کششی قابل پیش بینی است. علاوه بر این تغییر شکل آنی، ماده در بارهاي زیاد با نرخ کند شونده اي به تغییر شکل ادامه می دهد و اگر بار به اندازه کافی زیاد باشد، ممکن است ماده دچار پکیدگی یا شکست شود.
- میرایی تنش: ویژگی منحصر به فرد دیگري است که حاصل طبیعت ویسکوالاستیک پلی اتیلن است. وقتی پلی اتیلن تحت کرنش ثابتی قرار می گیرد تغییر شکل به یک اندازه مشخص که مدتی حفظ می شود، بار یا تنشی که بواسطه تغییر شکل ایجاد می شود با گذشت زمان به آرامی کاهش می یابد، البته هرگز بطور کامل دفع نمی شود. این میرایی تنش در پاسخ به بار، اهمیت بسزایی در طراحی سیستم هاي لوله هاي پلی اتیلن دارد. این پاسخی است که موجب کاهش تنش در مقاطعی از لوله که تحت کرنش ثابت قرار گرفته اند، می شود.
پلی اتیلن ، ماده ای با ویژگی های عملکردی بالا
از مهمترین خواص پلی اتیلن غیرهادي بودن در برابر جریان الکتریسیته است که موجب کارکرد مناسب آن در شرایط گوناگون می شود.این لوله ها در برابر فرآیندهاي خوردگی الکتروشیمیایی که بوسیله الکترولیت هایی مانند نمک ها، اسیدها و بازها ایجاد می شود، ایمن هستند. بعلاوه، لوله هاي پلی اتیلن در برابر حملات میکروبی آسیب پذیر نیستند و سطح داخلی صاف و نچسب آن ها فاکتور اصطکاکی پایین دارد.
یکی دیگر از مزایاي لوله هاي پلی اتیلن که آن را از نظر عملکرد منحصر به فرد می کند، انعطاف پذیري بالا است. این ویژگی باعث سهولت در فرآیند نصب می شود به این دلیل که قابلیت انجام تغییرات زاویه اي با استفاده از کمترین اتصالات را می دهد. همچنین انعطاف پذیري به لوله هاي طویل با قطر حداکثر 6 اینچ، قابلیت کلاف شدن می دهد. یکی دیگر از خواص عملکردي منحصر بفرد لوله هاي پلی اتیلن کرنش پذیري است، که بیانگر توانایی تغییر شکل زیاد بدون شکست است. یک لوله پلی اتیلن دفن شده، در پاسخ به باري که از سطح زمین به آن وارد می شود، می تواند بصورت ایمن کج شده و از خاك اطراف به عنوان نگهدارنده استفاده کند. یعنی اگر لوله پلی اتیلنی به طرز صحیحی نصب شده باشد، می تواند فشار حاصل از خاك و بار حاصل از موجودات زنده سطحی را تحمل کند درحالیکه همین مقدار بار می تواند در لوله هایی که بسیار محکم تر هستند، اما در اثر تغییر شکل هاي کوچک دچار ترك و گسست می شوند، باعث شکست شود. همچنین آزمایشات در عمل ثابت کرده اند که قابلیت کرنش پذیري بالاي لوله هاي پلی اتیلن، آن ها را در برابر لرزش بسیار مقاوم کرده است.
با استفاده از فرآیندهاي جوش گرمایی لوله ها و اتصالات پلی اتیلنی را می توان بطور ضد نشتی و کاملاً عایق درآورد که به محکمی خود لوله هستند. ترکیب این مزایا باعث می شود لوله هاي پلی اتیلن براي کاربردهاي خاصی از جمله حفاري جهت دار افقی، ترکاندن لوله قدیمی و خروجی هاي تخلیه به دریا ، ارجحیت داشته باشند.
لوله هاي پلی اتیلن حتی در دماهاي پایین چقرمگی خود را حفظ می کنند.
بعلاوه، لوله هاي پلی اتیلن، مقاومت بسیار زیادي در برابر خستگی دارند و در برابر نیروهاي مختلف و متوالی اعمال شده بسیار مقاوم اند.
علیرغم مزایاي ذکر شده و سایر مزایاي لوله هاي پلی اتیلن، طراحی و کاربرد صحیح آن ها مستلزم داشتن شناخت کافی از رفتارهاي پیچیده تر تنش- کرنش و تنش- شکست آن ها می باشد. لوله هاي پلی اتیلن بر اساس تناسب ساده بین تنش و کرنش قانون هوك که
مشخصه لوله هاي فلزي است، عمل نمی کنند بلکه قابلیت مقاومت آن ها در برابر شکست، با افزایش زمان تحمل بار، کاهش می یابد. علاوه بر این خصوصیات و سایر خواص مکانیکی، آن ها حساسیت بیشتري نسبت به دما و بعضی محیط هاي خاص دارند. در ضمن، پاسخ هاي مکانیکی لوله پلی اتیلن می تواند بسته به ماده خام پلی اتیلن که لوله از آن ساخته شده است، متفاوت باشد. این موضوع بیشتر به طبیعت پلیمر پلی اتیلن یعنی وزن مولکولی، توزیع وزن مولکولی، درجه شاخه اي شدن چگالی و همچنین تا حدي به نوع و مقدار افزودنی هایی که در ترکیب لوله مورد استفاده قرار گرفته اند، وابسته است. رفتار یک لوله پلی اتیلن خاص که براي کاربردي خاص انتخاب می شود، می بایست با طراحی و کارایی متناسب باشد.
