پلی الفین ها در صنعت لوله

کاربرد پلی الفین در صنعت

کاربرد پلی الفین در صنعت

پلی الفین ها در صنعت لوله

لوله پلی الفین یکی از پرکاربرد ترین انواع لوله است . یکی از دلایل پر کاربرد بودن این لوله ها انعطاف پذیری بالای این لوله هاست که موجب میشود بتوانیم در هنگام ایجاد خط لوله از اتصالات جانبی کمتری برای گذر از موانع موجود در مسیر استفاده کنیم.

همچنین این انعطاف پذیری باعث میشود در مواردی که خط لوله دچار تنش میشود مانند مواقع زلزله و … آسیب کمتری نسبت به دیگر خطوط لوله مانند خطوط لوله فولادی، چدنی، بتنی و… به سیستم وارد شود.

دیگر ویژگی مهم لوله پلی الفین واکنش ناپذیری آنهاست که این امکان را برای ما ایجاد میکند که در مکانهایی که با محیط خورنده مواجه هستیم بتوانیم از آنها استفاده کنیم. این موارد سبب افزایش روز افزون کارایی این نوع لوله ها شده است.

دسته بندی لوله پلی الفین

الف)طبقه بندی فشار داخل لوله

  1. لوله های تحت فشار
  2. لوله های فاقد فشار ثقلی و گرانشی

ب)طبقه بندی ساختار لوله

  1. لوله های دیواره صاف (Smooth Wall or Solid Wall Pipe)
  2. لوله های دیواره ساختمند (Structure Wall Pipe)
  جدول 7 – تقسیم بندی لوله ها و مصارف آنها
لوله های تحت فشارلوله های بدون فشار
کاربرد های دمای بالاکاربرد های دمای پایین
لوله کشی منازل سیستم های گرمایشی شیمیایی صنعتیآب آشامیدنی گاز فاضلاب شیمیایی صنعتیفاضلاب زهکشی پوشش عایق سیم و کابل ناودان
 

امروزه در اکثر موارد تولید لوله از پلی اتیلن با چگالی بالا استفاده میشود به جز در مواردی که نیازمند سطحی صاف برای جریان سریع تر سیال هستیم که در آن موارد از پلی اتیلن با چگالی کم استفاده میشود که انعطاف پذیری بیشتر پلی اتیلن کم چگال نیز برای سامانه لوله کشی پر فشار مانند لوله کشی آب بسیار مناسب است.

برای کاربرد های گرمایشی همانند سیستم های گرمایشی خورشیدی ویا سیستم های لوله کشی آب گرم منازل از لوله پلی الفین و یا پلی اتیلن شبکه ای (PEX) استفاده میشود .

لوله های تحت فشار

در مقایسه لوله های تحت فشار و بدون فشار همواره لوله های تحت فشار نیاز به مهندسی و اندازه گیری های زیادتری نسبت به لوله های بدون فشار دارند از اینرو همواره شاهد پیشرفت علم وتکنولوژی در این زمینه هستیم . نمودار زیر پیشرفت های این زمینه را باتوجه به زمان بیان میکند

مقایسه لوله های تحت فشار و ساده

مقایسه لوله های تحت فشار و ساده

یکی از دلایلی که شاهد تحقیقات و پژوهش هایی در خصوص این زمینه هستیم کاهش هزینه های اقتصادی است زیرا با پیشرفت علم با استفاده از حفظ خواص قبلی و افزودن خواص جدید قادر به تولید لوله هایی با ضخامت کمتر شده ایم که همین امر سبب کاهش بسیار زیادی در هزینه ها و همچنین افزایش انعطاف پذیری لوله پلی الفین شده است. با کاهش ضخامت و افزودن خواص جدید به لوله ها رفته رفته فشار قابل تحمل توسط لوله ها نیز افزایش پیدا کرده است که در جدول زیر(8) قابل مشاهده است.

رتبه بندی فشاری لوله ها

رتبه بندی فشاری لوله ها

محققان و دانشمندان این حوزه در صدد هستند که با دستیابی به ویژگی ها و خاصیت های بیشتر تحمل فشار این لوله ها را افزایش داده و موارد کاربرد این لوله ها را بیش از پیش کنند به همین سبب پس از رسیدن به فرمول لوله  PE100 و PE112  درصدد تولید PE125 و … هستند .

کاهش ضخامت لوله ها و ثابت ماندن قطر خارجی لوله باعث میشود که قطر داخلی لوله ها افزایش یافته و باعث انتقال بیشتر و سهولت در انتقال مایعات گردد که در این صورت میتوانیم از پمپ های کوچکتری  استفاده کنیم و هزینه ها را کاهش دهیم ضمن اینکه اگر در جایی از لوله دچار شکستگی ، ترک ویا … شدیم با قرار دادن قطعه هایی در داخل لوله برای جلوگیری از نشتی میزان توان فشار لوله تغییر چندانی نکند و در سامانه با مشکل مواجه نشویم .

پلی الفین دوقله­ ای

یکی از مشکلات موجود در صنعت لوله سازی شره کردن (Sagging) است زیرا از آن جهت که لوله های تولید شده از سمت بیرون لوله سرد میشوند و سطح داخلی لوله برای مدتی حالت مذاب خود را دارد و هرچه میزان ضخامت لوله بیشتر باشد سرد شدن سطح داخلی لوله به زمان بیشتری نیاز دارد.

به همین جهت شاهد آن خواهیم بود که با تاثیر نیروی جاذبه بر روی قسمت های مذاب لوله باعث ایجاد غیر یکنواختی در ضخامت لوله گردد با تغییر در مواد اولیه و استفاده از مواد اولیه مرغوب تر و پیشرفته تر مثلا استفاده از MRS100  به جای MRS80 باعث کاهش ضخامت لوله با حفظ خواص گردید و تا حدودی این موضوع را برطرف نمود.

روش دیگر برای جلوگیری از شره کردن ، افزایش ویسکوزیته است زیرا افزایش ویسکوزیته باعث افزایش صلبیت ماده گردیده و به میزان قابل توجهی از شره کردن جلوگیری میکند . از مواردی که باعث افزایش ویسکوزیته میشود کاهش تنش های وارده به مذاب است ولی از یک میزان خاص به بعد این کاهش تنش باعث افزایش ویسکوزیته نمیشود و نمودار ویسکوزیته حالتی خطی به خود میگیرد.

به همین منظور برای رفع این مشکل به ماده اولیه درصدی زنجیر پلیمری با وزن مولکولی و طول زنجیر خیلی زیاد اضافه میکنیم (توزیع دوقله ای) این امر باعث میشود که در سرعت برشی کم نیز شاهد افزایش ویسکوزیته باشم و نمودار از حالت خطی خارج گردد (شکل 26 الف)

منحنی جریان مذاب پلی اتیلن

منحنی جریان مذاب پلی اتیلن

به وسیله استفاده از این پلیمر های دوقله میتوانیم لوله پلی الفین بزرگ تر و ضخیم تری تولید کنیم که لوله های تولید شده با سایز های بزرگ تقریبا دارای ابعاد 1600 میلی متر قطر و 100 میلی متر ضخامت دیواره است .(شکل 26 ب )

لوله با ضخامت بالا

لوله با ضخامت بالا

ویژگی های کارکردی مهم در بررسی لوله پلی الفین تحت فشار

مهمترین ویژگی های لوله پلی الفین 

  • طول عمر حداقل 50 سال (MRS)
  • رشد آهسته ترک(ESCR)
  • مقاومت در برابر ضربه (RCP)
  • تراوایی ، انبساط گرمایی ، رسانایی گرمایی و …

استحکام دراز مدت

بررسی استحکام دراز مدت عمر یک لوله را در فشار و دمای ثابت و معین و با استفاده از آزمونهایی استاندارد  (ISI9080 & ASTM D2837)انجام میشود و سپس داده های به دست آورده را تا 50 سال شبیه سازی میکنند و در واقع میزان مدول کششی خزشی لوله را به دست می­آورند که به عنوان مثال برای پلی اتیلن مدول خزشی با توجه به نوع آن از 138 تا 207 مگا پاسکال متغیر و مدول کوتاه مدت آن از 690 تا 895 متغیر می­باشد . به وسیله این اعداد و روش ها به کمک ASTM D8951 زمان شکست لوله در برابر فشار های وارده به آن به دست می­آید.

رشد سریع ترک

رشد سریع ترک یکی از معضلات صنعت تولید لوله پلی الفین است که بسیار مهم بوده و مقاومت لوله در برابر آن بررسی میگردد . بزرگترین ترک های ایجاد شده در خطوط لوله برای خط لوله فولادی به مقدار 11 کیلومتر و برای لوله های پلی اتیلنی با ضخامت در حدود 300 میلی متر به اندازه 700 متر تا به حال گزارش شده است . به وجود آمدن این ترک ها در خطوط لوله گازی میتواند منجر به ایجاد حادثه های عظیم و در خطوط آبی منجر به اتلاف زیادی شود .

دو استاندارد تعریف شده برای لوله ها توسط سازمان استاندارد جهانی که توسط آنها بیشترین فشاری که در فشار بالاتر از آن رشد ترک رخ میدهد (فشار بحرانی) را اندازه گیری میکند عبارتند از:

  • (FST) ISO13478 برای قطر های بیش از 250 میلی متر
  • (S4) ISO 13477 برای لوله های کم قطر (بیش از 15 میلی متر )
آزمون رشد سریع ترک

آزمون رشد سریع ترک

   
آزمون رشد سریع ترک

آزمون رشد سریع ترک

رشد آهسته ترک(Slow Crack Growth (SCG))

این ویژگی میزان مقاومت لوله در دراز مدت را نشان می­دهد . ولی آغاز رشد ترک به فشار درونی لوله ، تنش باقی مانده از فرآورش در لوله و …. نیز بستگی دارد. آزمون (SCG) شکاف میزان خزش لوله در دراز مدت را تحت استاندارد ISO DIS 13479 بررسی میکند. آزمون های ESCR توانایی نشان دادن مقاومت خزشی مواد را در برابر SCG ندارد.

آزمون رشد آهسته ترک

آزمون رشد آهسته ترک

در سال های اخیر از آزمون  ASTM F1473استفاده شده است که رشد آهسته ترک را شبیه سازی میکند . که عدد به دست آمده توسط این آزمون برای لوله های پلی اتیلن نسل اول میزان 100 ساعت، نسل بعدی 10000 ساعت و نسل فعلی در حدود 100 سال تخمین و محاسبه شده است. پلی اتیلن نسل سوم دارای ویژگی ها و خواصی شده است که برای قطر های 250 تا 400 میلی متر عملکردی بهتر از لوله های چدنی و فولادی ارائه دهد.

تراوایی

موضوع تراوش بیشتر برای خطوط لوله پلی اتیلن انتقال گاز طبیعی اهمیت دارد، این میزان نشت برای گاز متان توسط لوله پلی اتیلن با چگالی بالا  SDR11 به مقدار بسیار کم (در حدود 7.6 لیتر برای فشار 4 بار و طول 1.6 کیلومتر لوله) اندازه گیری شده است که مقدار بسیار ناچیز است. طبیعتا برای دیگر گازها به دلیل بزرگتر بودن مولکول میزان نشتی کمتر خواهد بود. در مورد انتقال هیدرو کربن های مایع به دلیل نفوذ در پلی اتیلن باعث کاهش عمر خط لوله میشوند.

تراوایی

تراوایی

ضریب انبساط لوله پلی الفین

برای محاسبه میزان فشار قابل تحمل وارده بر خطوط لوله پلی الفین به خاطر وزن خاک اطراف لوله و… از ضریب انبساط استفاده می­گردد تا از بروز مشکلات احتمالی حاصل از تنش های وارده جلوگیری شود که در جدول شماره 10 قابل مشاهده است.

ضریب انبساط انواع لوله

ضریب انبساط انواع لوله

رسانایی گرمایی

این معیار برای سنجش میزان گرمایی که لوله ساخته شده از پلی اتیلن یا پلی پروپیلن قابلیت تحمل آنرا دارا است استفاده میشود که توسط استاندارد ASTM C177 قابل اندازه گیری است و برای پلی اتیلن برابر 0.43 W/m °K و برای پلی پروپیلن ایزوتاکتیک برابر 0.1 W/m °K  میباشد.

بهداشت

مسائل بهداشتی لوله پلی الفین مواقعی که برای انتقال مایعاتی نظیر آب آشامیدنی و … مورد استفاده قرار میگیرند بیش از پیش اهمیت داشته و به همین منظور برای این نوع کاربری ها برای لوله ها باید استاندارد هایی نیز در نظر گرفته شود که برخی از استاندارد ها به شرح زیر است :

1 – FDA , CFR , Title 21(1994) 177.1520 , Olefin Polymers 2 – NSF (National Sanitation Foundation) , NSF Standard 61 3 – BS 6920 , Part 1 : 1998 , BS 3412 : 1976 برای استفاده از دیگر مطالب سایت و اطلاع بیشتر در مورد پکیج تصفیه فاضلاب و سپتیک تانک کلیک نمایید.