فشار در لوله های پلی اتیلن
منظور از فشار در لوله های پلی اتیلن مقاومت فشار قابل تحمل لوله ها و اتصالات پلی اتیلن در یک دمای مرجع است. ماهیت لولههای پلی اتیلن از پیوند مولکولی بسیار قوی تشکیل شده است. این پیوند مولکولی قوی در مواد لوله های پلی اتیلن باعث شده که درجه نفوذ ناپذیری آنها بسیار زیاد باشد. به همین دلیل در سراسر دنیا این نوع لوله کاربرد زیادی دارد. لولههای PE دارای سابقه طولانی برای کاربرد در صنایع مختلف گاز، نفت، معدن، آب و دیگر صنایع هستند. وزن سبک و مقاومت بالای آنها در برابر خوردگی باعث شده که صنعت لوله پلی اتیلن رشد فوق العاده ای داشته باشد.
محققین انستیتوی KWIدر آلمان در سال 1953، پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) را کشف کردند. از انواع لولههای HDPE با توجه به میزان فشار در لوله های پلی اتیلن برای انتقال در خطوط صنایع مختلف استفاده میشود. لولههای پلی اتیلن از انواع لولههای پلاستیکی انعطاف پذیر است که از پلی اتیلن با چگالی بالا با نام ترموپلاستیک ساخته شده است. این نوع لولهها استفاده زیادی برای انتقال سیال و گاز در دمای پایین دارد. البته این لولهها می‌توانند به طور مطلوبی در محدوده دمایی گسترده ای کار کنند. در سالهای اخیر، لولههای PE کاربردهای فراوانی برای حمل آب، زباله‌های خطرناک، گازهای مختلف و آبهای آلوده داشته‌اند.
مشخصات لوله های پلی اتیلن چیست؟
ماده پلی اتیلن با چگالی زیاد (high-density) با علامت اختصاری HDPE نمایش میشود. به دلیل اهمیت فشار در لوله های پلی اتیلن، لوله های HDPE با وزن مولکولی بالا برای لوله کشیهای با تحمل فشار زیاد به کار میرود. تولید لوله HDPE به طور گسترده برای انتقال مایعات با درجه حرارت کم مانند آب آشامیدنی و نفت و انتقال انواع مختلف گازها مناسب است. در سالهای اخیر برای انتقال آبهای قابل شرب، فاضلابهای آلوده و خطرناک، سیلابها، مواد شیمیایی خورنده و آبهای آلوده آتشنشانی از این لوله ها استفاده میشود.
دوام لوله های HDPE در قیاس با دیگر لوله های پلی اتیلن بیشتر است. این لوله ها نقاط ذوب بالایی داشته و در مقابل ضربه و خوردگی مقاوم میباشند. این لوله ها توانایی تحمل رنج وسیعی از دماها بین 2200- تا 1800+ فارنهایت معادل 1240- تا 426 درجه سانتیگراد را دارند. بهتر است از لولههای HDPE با دمای سیال بالاتر از 1220 فارنهایت (500 درجه سانتیگراد) استفاده نشود.
از دیگر ویژگیهای این لوله ها آن است که در برابر مواد شیمیایی مقاوم بوده و به دلیل وزن سبک، قابلیت حمل و نقل آسان دارند. عمر لوله ها طولانی است و بادوام و قابل انعطاف هستند. دارای اصطکاک کم، خاصیت شکل‌پذیری، توانایی کاهش شوک آب، مقاوم در برابر آفتاب و شرایط محیط میباشند. با تمام این ویژگیها قیمت آنها نیز نسبتا ارزان است و از مواد قابل بازیافت محسوب میشوند.
انواع لوله های پلی اتیلن کدامند ؟
لوله های پلی اتیلن شامل انواع گوناگونی هستند. از جمله دارای چگالی بسیار کم، چگالی کم، چگالی متوسط، وزن مولکولی بسیار کم، وزن مولکولی زیاد، وزن مولکولی بسیار زیاد، مواد ترکیبی کلردار و دانسیته خطی کم هستند.
جنس لوله های پلی اتیلن فشار قوی از ترموپلاستیک انعطاف پذیر است. بیشترین کاربرد لوله های فشار قوی PE در فشارهای ۶ تا 32 اتمسفر میباشد. در گرید بندی لوله های پلی اتیلن، گریدهای PE 80 و PE 100 فشارهای زیاد را بهتر تحمل میکنند.
جنس ماده به کار رفته در لوله در میزان تحمل فشار در لوله های پلی اتیلن موثر است و به ضخامت لوله بستگی ندارد. به عنوان نمونه لوله های پلی اتیلن با گرید PE 100 بسیار مقاوم‌تر از لوله های پلی اتیلن با گرید PE 80 است ولی نسبت به آن وزن کمتری دارد.
از آنجا که این نوع از لولههای PE در سایتهای صنعتی و تولیدی استفاده میشوند در تمام طول عمر استفاده خود در معرض مستقیم تابش اشعه نور خورشید هستند. همچنین تحت فشار مستقیم پمپ قرار دارند. به همین دلیل برای افزایش مقاومت، پایداری و مدت زمان استفاده، در ساخت آنها موادی با ترکیبات ضد اشعه UV خورشید به کار میرود.
لوله های HDPE با پلیمریزاسیون اتیلن که از فراوردههای جانبی نفت است، تولید میشوند. مواد دیگری مانند پایدار کنندهها، پرکنندهها، نرم کنندهها، روان سازها و رنگها به آن اضافه میشود. در حین تولید لوله HDPE، مواد افزودنی دیگری برای ایجاد مقاومت در برابر فشار، مقاومت به شعله و فاکتورهای تجزیه پذیر فرابنفش UV اضافه میگردند. رنگ لوله های HDPE معمولا سیاه است و برخی از آنها یک نوار رنگی دارند.
منظور از فشار در لوله های پلی اتیلن چیست؟
در سیستم لوله کشی یا Piping دو نوع فشار در لوله های پلی اتیلن تحت عنوان فشار اسمی و کاری وجود دارد. این دو فشار در درجه حرارت ۲۰ درجه سانتیگراد با همدیگر برابرند.
- فشار اسمی (Pipe Nominal) که نماد آن در استانداردهای اروپایی PN است بر حسب کیلوگرم بر سانتیمتر مربع اندازهگیری میشود. طراحی اجزای سیستم لوله کشی بر اساس استانداردهای مربوط به فشار اسمی و دمای ۲۰ درجه سانتیگراد انجام میشود.
- فشار کاری ماکزیمم فشاری است که اجزای سیستم لوله کشی در زمان کار تحت آن فشار واقع میشوند.
در بحث فشار در لوله های پلی اتیلن، فشار کاری لوله با فشار کار سیستم لوله کشی فرق دارد. منظور از فشار کار سیستم افت فشاری است که از تفاوت ارتفاع هر نقطه از سیستم پایپینگ با نقطه ای در سطح سیال در منبع در ارتفاع زیاد به وجود میآید. یعنی امکان دارد فشار کار در هر نقطه از سیستم لوله کشی در هر لحظه تغییر کند. در پروسه طراحی بایستی به این نکته توجه شود که هیچگاه فشار کار سیستم در یک نقطه از لوله در سیستم پایپینگ نباید بیش از میزان فشار کار لوله در آن نقطه باشد.
فشار در لوله های پلی اتیلن به چه عواملی بستگی دارد؟
فشار در لوله های پلی اتیلن به ابعاد و مشخصات هندسی، جنس لوله و کاربرد آن در لوله کشی بستگی دارد. در نتیجه برای یک لوله مشخص با ویژگیهای شیمیایی و مکانیکی خاص، بسته به هر کدِ طراحی امکان دارد فشار کاری لوله فرق کند. در هنگام خرید لوله پلی اتیلن بایستی به مقادیر فشار اسمی و قطر آن توجه نمود.
حداکثر فشار کاری یک لوله PE به دمای مایعات جاری در آن و دمای لوله بستگی دارد. در جدول زیر ارتباط آنها نشان داده شده است. البته گرید بندی PN بر اساس دمای 20 درجه سانتیگراد است.
| دما (سانتیگراد) | ماکزیمم فشار باری (bar) | ||
|---|---|---|---|
| PN6 | PN10 | PN16 | |
| 20 | 6 | 10 | 16 |
| 30 | 3.2 | 8 | 13 |
| 40 | 2 | 6 | 11 |
| 50 | 1.6 | 4 | 8 |
| 60 | 1 | 3.2 | 6 |
طبقه بندی PE بر اساس فشار در لوله های پلی اتیلن چگونه است؟
لولههای پلی اتیلن با در نظر داشتن تغییر فشار کاری آنها در رنج حرارتی 40- تا 60 درجه سانتیگراد قابل استفاده هستند. استانداردی که جهت کلاس شناسایی یک لوله HDPE به کار میرود بر مبنای کلاس فشار اسمی آنها از PN تا PN 20 یا فشار 20 bar تعیین میشود. کلاس لوله HDPE مبتنی بر مواد به کار رفته در آن به انواع PE 100، PE 80، PE 63، PE 40 و PE 32 دسته بندی میشود.
یکی از پارامترهای نشان دهنده فشار در لوله های پلی اتیلن فشار اسمی است که با PN نمایش میشود. لوله های PE با درجات مختلف PN در گریدهای فشار گوناگونی تولید میشوند. فشار اسمی نمایانگر میزان فشاری است که لوله قادر است با انتقال آب در دمای 20 درجه سانتیگراد تحمل نماید.
گریدهای فشار که در جدول زیر آمده بر اساس استانداردهای اروپایی موجود میباشد:
| ماکزیمم فشار بر حسب bar | کد رنگ | گرید فشار PE |
|---|---|---|
| 2.5 | زرد | PN 2.5 |
| 4 | قرمز | PN 4 |
| 6 | آبی | PN 6 |
| 10 | سبز | PN 10 |
| 16 | سیاه | PN 16 |
| 20 | سیاه | PN 20 |
| 25 | سیاه | PN 25 |
طبقه بندی لولههای PE بر اساس مواد مصرفی چگونه است؟
یک روش طبقه بندی لولههای PE بر مبنای نوع مواد مورد استفاده با در نظر گرفتن میزان فشار در لوله های پلی اتیلن است. این طبقه بندی طبق ISO 4427 به صورت زیر است:
| فشار بر حسب bar | موارد استفاده لوله های HDPE | کلاس PE |
|---|---|---|
| 3.2 | سیستم های لوله کشی کم فشار | PE 32 |
| 4 | سیستم های لوله کشی کم فشار | PE 40 |
| 6.3 | سیستم های لوله کشی فشار متوسط – سیستم آبیاری – اتصالات آب آشامیدنی | PE 63 |
| 8 | لوله گاز شبکه توزیع گاز طبیعی با فشار تا 4 بار – لوله آب آشامیدنی با فشار تا 16 بار – فاضلاب، لوله های خروجی، لوله های صنعتی | PE 80 |
| 10 | کاربردهای لوله کشی با تقاضای بالا | PE 100 |
کدهای رنگ که برای طبقه بندی نوع مواد در لولهها استفاده میشود به صورت زیر است:
- نوار مشکی ساده برای کاربردهای صنعتی.
- نوار آبی ساده یا سیاه با نوارهای آبی برای انتقال آب آشامیدنی.
- نوار قرمز ساده برای خطوط انتقال فاضلاب.
- زرد ساده یا سیاه با نوارهای زرد برای مجرای گاز.
ممکن است در کشورهای مختلف رنگها تغییر کند.
حداکثر فشار در لوله های پلی اتیلن چقدر است؟
جهت اطمینان از استحکام لولههای پلی اتیلن در برابر فشارهای هیدرواستاتیکی، تست هیدرواستاتیک لوله انجام میشود. انجام تست فشار در لوله های پلی اتیلن برای آن است که از کارکرد صحیح محصول در فشار مورد نظر اطمینان حاصل شود. در این صورت از صرف هزینه‌های مالی و بروز خطرات انسانی جلوگیری میشود. این آزمایش هم در محل سایت و هم بر روی نمونه‌های تولید شده به صورت آزمایشگاهی قابل انجام است. تست هیدرواستاتیک لوله پلی اتیلن در سایت باید پس از خاموشی سیستم انجام شود و در هنگام کار به خاطر نشتی و یا تَرَک امکانپذیر نیست. انجام آزمون توسط متخصصین آزموده و با استفاده از دستگاه‌های پیشرفته صورت می‌گیرد. تست آزمایشگاهی باید در آزمایشگاه‌های مجهز و طبق استاندارد انجام گیرد. آب مناسبترین سیال جهت انجام تست هیدرواستاتیک میباشد.
لولههای پلی اتیلن انتقال آب دارای ضخامت بدنه و درجه بندی فشار در لوله های پلی اتیلن هستند. حداکثر فشار مجاز عملیاتی (MAOP) برای لولههای پلی اتیلن توسط فرمول بارلو T =PD/ 2S + P با پارامترهای زیر تعیین میشود:
T: حداقل ضخامت دیوار (mm).
P: فشار کاری معمولی لوله (MPa).
D: حداقل میانگین (mm).
S: تنش حلقه یا استرس طراحی هیدرواستاتیک در 20 درجه سانتی گراد (MPa).
منظور از تنش طراحی هیدرواستاتیک، طراحی لولههای PE بر اساس فشار کاری استاتیکی است که به طور مداوم در حداکثر مقدار برای کل طول عمر خط لوله کار میکند. مقدار حداکثر تنش حلقه (Hoop Stress) مورد استفاده در انتخاب ضخامت دیواره لوله به عنوان استرس طراحی هیدرواستاتیک (HDS) شناخته میشود. این مقدار به نوع ماده پلی اتیلن مورد استفاده و دمای سرویس مواد لوله بستگی دارد.
مقدار حاصل از آزمایشات کوتاه مدت و بلند مدت برای عمر 50 ساله در 20 درجه سانتی گراد به دست آمده است.
ارتباط میان ماکزیمم فشار در لوله های پلی اتیلن، حداقل مقاومت و ابعاد لوله چیست؟
رابطه بین حداکثر فشار عملیاتی (MOP)، حداقل مقاومت مورد نیاز درجه لوله پلی اتیلن (MRS) و هندسه لوله (نسبت ابعاد استاندارد SDR) با فرمول شناخته شده و کاربردی صنعتی، در ادامه آمده است.
MOP = (20 x MRS) / (C x (SDR-1))
در این فرمول C ضریب خدمات کلی یا ضریب ایمنی است. این ضریب در زمان طراحی برای کاربردهای انتقال آب حداقل مقدار C 1.25 و برای کاربردهای انتقال گاز حداقل مقدار C 2.0 باشد. طراح ممکن است بسته به قوانین ملی و شرایط محلی ضرایب بالاتری را اعمال کند.
به طور مثال حداکثر فشار عملیاتی خط لوله آب PE 100 SDR 11 طبق فرمول فوق برابر با 16 bar است.
ثبت ديدگاه