لوله پلی اتیلن با چگالی بالا (لوله HDPE) یک محصول از جنس پلاستیک سخت و بادوام است که می تواند یکپارچگی ساختاری خود را تحت بارهای سنگین حفظ کند. با این حال بایستی پیش از هرگونه انتخاب و استفاده، به رتبه بندی فشار لوله های HDPE توجه نمایید. بطوریکه باید میزان تحمل فشار داخلی و خارجی آنها مورد بررسی قرار گیرد و سپس مشخصات فنی و دامنه کاربردی لولهی موردنظر را با شرایط و نیازهای پروژه تطبیق دهید.
شرکت‌های معتبر در سطح ایران همانند گروه صنعتی ناب زیست، قادر به تولید لوله‌های HDPE با رتبه بندی فشار و استرس و البته مطابق با استانداردهای ASTM و AWWA میباشند. توجه داشته باشید که بر اساس رتبه‌بندی فشارهای داخلی و خارجی، انواع شرایط بهره گیری عملیاتی از این تجهیزات مشخص میشود. بعنوان مثال مطابق اولویت‌ها، برای مقابله با بار ترافیکی وارده به لوله‌ها، میزان تحمل فشار خارجی بایستی مورد توجه قرار گیرد.
محاسبه رتبه بندی فشار داخلی لوله HDPE
باتوجه به محبوبیت فوق العاده و میزان تقاضاهای بالا برای خرید لوله پلی اتیلن با چگالی بالا، آشنایی با رتبه بندی فشار این محصولات، امری بسیار ضروریست. بطور کلی درجه فشار داخلی یک لوله بر مبنای رابطه زیر تعیین می شود:
PR = [2HDS(fE)(fT)] / (DR-1)
این فرمول رتبه فشار محصول را با تعیین دو برابر تنش طراحی هیدرواستاتیک ماده (2HDS) در 73 درجه فارنهایت، ضرب در ضریب منحصر به فرد دمای عملیاتی و ضریب طراحی محیطی؛ و سپس تقسیم آن بر نسبت ابعاد لوله منهای یک، محاسبه می‌کند. (مجموعاَ نسبت ابعاد لوله، نسبت قطر بیرونی لوله به ضخامت نازک ترین نقطه دیوار است)
هنگامی که درجه فشار یک لوله HDPE (یا هر نوع دیگری) را می دانید، میتوانید تعیین کنید که آیا برای شرایط فشار پیش بینی شده (شرایط پروژه‌ای) مناسب است؛ یا به لوله ای با ابعاد دیگر نیاز دارید. درحالی که خواص مواد HDPE ثابت است. اما تولیدکنندگان می‌توانند با افزایش ضخامت دیواره لوله، PR یک لوله را افزایش دهند. بهعنوان مثال، یک لوله PE4710 با DR 11 که آب نمک 125 درجه فارنهایت را منتقل می کند، دارای PR 140 psi است.
جریان های مایع و نوسانات فشار لوله
در مورد مایعات، مهم است که حرکت سیال در داخل لوله HDPE را در نظر بگیرید. ضربه‌های درونی آب یا اصطلاحاَ چکش آب ناشی از تغییرات سرعت، می تواند به افزایش فشار بیانجامد. مسئله ای که اغلب در سیستم های با پمپ یا انواع سیستم کششی رخ میدهد. نوسانات فشار گاه به گاه بر اساس فرمول:[P(OS)] در 2.00 ضربدر PR محاسبه می شود؛ و نوسانات فشار مکرر نیز مطابق فرمول: [P(RS)] در 1.5 ضربدر PR محاسبه میگردد.
خود سرعت جریان مایع (V) که می تواند تغییر کند و باعث افزایش فشار در لوله HDPE شود، با فرمول زیر محاسبه و تعیین می شود:
V = (1.283Q) / ([pi]D[i]^2). (که در آن Q مقدار جریان بر حسب گالن در دقیقه و D میانگین قطر داخلی لوله است)
مدول الاستیک مواد لوله تعیین می کند که لوله چقدر میتواند در برابر چکش آب و دیگر نوسانات فشار مقاومت کند. سازندگان، سرعت موج فشار (a) را به صورت زیر محاسبه می کنند:
a = 4660 / (the square root of 1 + (kD[i]/Et). (که در آن k مدول حجمی سیال بر حسب psi است؛ D[i] میانگین قطر داخلی لوله و E الاستیک دینامیکی آنی است. مدول مواد لوله در psi، 150000 psi برای لوله HDPE4710)
مقاومت فشار خارجی/خلاء لوله HDPE
اگر لوله در معرض فشار خارجی باشد (مانند دفن شدن در زیر زمین) یا در خلاء و یا تحت هر دو حالت قرار گیرد، این مسئله میتواند لوله را صاف یا خرد کند. ویژگی‌های مختلف لوله HDPE، مانند:
- ضخامت دیواره،
- مدول الاستیک مواد
- و گرد بودن آن،
تعیین می‌کند که چقدر فشار خارجی میتواند تحمل کند. البته تعداد جداره‌ها، مقاومت مکانیکی و نوع تولید نیز میتواند شدیداَ در تحمل فشار خارجی موثر باشد. بعنوان مثال معمولاَ برای انتقال ثقلی آب و فاضلاب بخصوص در حالت نصب دفنی، خرید لوله کاروگیت فاضلاب در دستور کار قرار میگیرد.
بطورکلی سازندگان از فرمول محاسبه‌ای زیر برای تعیین حد مقاومت صاف شدن لوله (P[CR]) در psi استفاده می‌کنند:
P[CR] = ((2EF[O])/(1-mu^2)) x (1/(DR-1))^3
تحمل بار در لوله HDPE4710
پایپ‌های PE4710 یکی از گونه‌های استاندارد لوله HDPE میباشند. انتخاب ابعاد و ضخامت مناسب برای هر لوله PE4710 برای تضمین عملکرد طولانی مدت در شرایط مختلف پروژه‌ای (بکارگیری برای مزرعه‌های کشاورزی، آبیاری، ساخت و سازهای عمرانی، انتقال آب غیرثقلی و…) ضروری است. عواملی نظیر:
- فشار سیال،
- تغییرات سرعت و
- شرایط محیطی نامطلوب،
هر کدام بر نحوه تحمل بارها و فشارها توسط لوله های HDPE تأثیر می گذارد. البته توصیه میشود پیش از هرگونه انتخاب نهایی، در مورد تعیین رتبه بندی فشار مناسب برای لوله های PE4710 خود، بیشتر مطالعه نمایید و سپس پایپ‌های متناسب با هر پروژه را انتخاب کنید. پایپ پلی‌اتیلن PE4710 میتواند فشار داخلی 335 psi در 73 درجه فارنهایت را تحت استانداردهای AWWAتحمل کند.
انتقال ثقلی سیالات و مبحث فشار
به‌هنگام انتقال ثقلی آب و فاضلاب در کابردهایی نظیر:
- شبکه های جمع آوری و هدایت فاضلاب شهری،
- خطوط انتقال آب،
- انتقال ثقلی آب از رودخانه‌ها، دریاچه‌ها، آبگیرها و…،
فشار داخلی پایینی مدنظر بوده و عمدتاَ تحمل پذیری فشارها و نیروهای خارجی، مورد توجه قرار میگیرد. از آنجایی که لوله‌های کاروگیت فاقد فشارپذیری داخلی خاصی هستند و در عوض برای تحمل پذیری عالی نیروهای خارجی در انواع مقاومت های مکانیکی 8، 15، 31.5 و 64 کیلونیوتن تولید میشوند، گزینه‌ای عالی برای هدایت ثقلی سیالات بشمار میروند. البته برای لوله‌کشی‌های ساختمانی، استفاده از لوله HDPE و بخصوص خرید لوله پلیکا در ارحجیت قرار دارد. امروزه از انواع لوله کاروگیت بمنظور ساخت انواع تجهیزات صنعتی نظیر:
- منهول کاروگیت،
- چربی گیر پلی اتیلن،
- کالورت‌ها،
- مخازن اسید و نگهداری سیالات شیمیایی،
- سپتیک تانک و…
استفاده میشود.
PN یا فشار اسمی چیست؟
PN یا Pressure Nominal مقداری پراهمیت و استاندارد است که نشان دهنده‌ی حداکثر فشاری است که لوله HDPE می تواند بدون خرابی تحمل کند (در دماهای عملکردی عادی). PN یا فشار نامی برای لوله HDPE از PN 3.2 بار طراحی شده است. بدین ترتیب که می تواند فشار 3.2 بار تا PN 25 را تحمل کند. بایستی بدانید که ضخامت این لوله‌ها با افزایش مقدار PN افزایش می یابد. برای تضمین ایمنی و دوام لوله، هنگام طراحی لوله HDPE در فشار بالا،PN یا فشار اسمی بالاتری باید انتخاب گردد.
محاسبه PN برای تعیین رتبه بندی فشار
رابطه بین فشار اسمی (PN)، تنش طراحیσs و سری S/SDR با معادله زیر به دست می‌آید:
PN = 10σsS
یا PN = 20σsSDR-1
σs=MRSC.
که در آن C = 1,25.است. (در 20 درجه سانتی گراد)
براساس منابع موجود، اطلاعات پایه برای مهندسی و طراحی و ارائه برنامه های فنی و البته تجارب فنی، پایپ‌های پلی اتیلن با چگالی بالا یا همان لوله HDPE از تجهیزات بسیار محبوب برای بکارگیری در شبکه‌های انتقال آب بشمار می‌آیند. مهمترین مزایای ماده اولیه hdpe عبارتست از:
- دارای رتبه بندی فشار برای استفاده مناسب در پروژه‌های مختلف
- مقاوم در برابر مواد شیمیایی
- آسان و سبک وزن
- طول عمر طولانی
- اصطکاک کم
- قابلیت استفاده از آن برای ساخت ژئوممبران
- نسبتا ارزان
- قابل انعطاف
- سختی مناسب
- شکل‌پذیری عالی. (ساخت انواع مخزن پلی اتیلن در فرمهای مختلف ته قیفی، کتابی، مکعبی، استوانه‌ای و…)
- تولید پرسرعت
- مقاوم در برابر آفتاب. (بواسطه استفاده از مواد آنتی یووی در هنگام ساخت، انواع مخزن اسید پلی اتیلن و دیگر تجهیزات پلی‌اتیلنی در برابر اشعه های مضر خورشیدی بسیار مقاومند)
- توانایی کاهش شوک آب.
گرید مواد اولیه و فشار اسمی لوله های HDPE
لوله های پلی اتیلن با چگالی بالا در گریدهای فشار مختلف (انواع درجات PN) تولید می شوند که نشان دهنده فشارهایی است که لولهی حاوی آب میتواند در دمای 20 درجه سانتی گراد تحمل کند. بر اساس استانداردهای اروپایی رتبه بندی فشار لوله HDPE، گریدهای فشار موجود عبارتند از:
- PN 2.5؛ حداکثر فشار 2.5 بار
- PN 4؛ حداکثر فشار 4 بار
- PN 6؛ حداکثر فشار 6 بار
- PN 10؛ حداکثر فشارهای 10 بار
- PN 16؛ بیشترین فشارهای وارده تا 16 بار.
1 bar = 105 Pa (N/m2) = 0.1 N/mm2 = 10197 kp/m2 = 10.20 m H2O = 0.9869 atm = 14.50 psi (lbf/in2) = 106 dyn/cm2 = 750 mmHg
همچنین لوله های پلی اتیلن چگالی بالا، بر اساس نوع مواد اولیه مورد استفاده نیز قابل طبقه‌بندی میباشند:
- PE32. (سیستم های لوله کشی کم فشار)
- PE40. (سیستمهای لوله کشی کم فشار)
- PE63. (اتصالات آب آشامیدنی -ذ سیستم های لوله کشی فشار متوسط – سیستمهای آبیاری)
- PE80. (لوله‌های گاز شبکه توزیع گاز طبیعی با فشار تا 4 بار – لوله آب آشامیدنی با فشار تا 16 بار – فاضلاب، پایپ‌های خروجی، لوله‌های صنعتی)
- PE100. (کاربردهای لوله کشی با تقاضای بالا)
گریدهای پلی‌اتیلن 32 و 40 امروزه بطور کامل از چرخه تولیدات صنعتی خارج شده‌اند. تا چندی پیش گریدهای PE63 نیز در صنعت مورد استفاده قرار میگرفتند. اما امروزه استفاده از این گرید نیز بدلیل مقاوم و ماندگاری غیرقابل قبول، کاملاَ منسوخ شده است. نهایتاَ تنها گریدهای فعال برای تولید لوله کاروگیت و HDPE مطابق با استانداردهای رتبه بندی فشار، PE80 و PE100 هستند که دارای خواص مقاومتی نسبتاَ یکسانی میباشند. ولی محصولات تولیدشده از مواد اولیه پلی‌اتیلن 100 مقرون بصرفه تر هستند.
کدهای رنگی بر اساس درجه فشار لوله‌های HDPE
کدهای رنگی که برای نشان دادن درجه فشار روی لوله ها استفاده می شود، به شرح زیر است:
- زرد رنگ: پی ان 4
- قرمز: PN 6
- آبی: PN 10
- سبز: PN 16.
عمدتاَ البته این لوله ها در ایران با رنگ مشکی (هم سطح درونی و هم سطح بیرونی) تولید میشوند و مشخصات فنی آنها بر روی پایپ درج میگردد. لازم بذکر است که لوله‌های پلی اتیلن را می توان در محدوده دمایی -40 تا 60 درجه سانتی گراد، با توجه به تغییر فشار کاری استفاده کرد. به‌طور معمول، مشخصات استاندارد کلاس شناسایی یک لوله HDPE بر اساس کلاس فشار اسمی (PN) تا PN 20 یا 20 bar است.
