آزمون های لوله تک جداره

کنترل وضعیت ظاهری

بررسی وضعیت ظاهری لوله های پلی اتیلن جزء ساده ترین آزمون های لوله تک جداره موجود برای لوله ها می­باشد ولی در عین حال از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا عیوب ظاهری در دراز مدت بر عملکرد لوله تاثیر گذاشته و عمر مفید لوله را کاهش می­دهد. در این آزمون های لوله تک جدارهتجزیه­ و تحلیل سیستم گیری MSA اندازه ضروری است و این سیستم شامل موارد زیر است :

  1. پرسنل کنترل کیفیت
  2. محصول
  3. وسیله اندازه گیری
  4. محیط
  5. روش اندازه گیری

این موارد با کمک فنون اماری نظامنامه کیفیت MSA میتوانیم یک سیستم اندازه گیری مناسب را انتخاب و تهیه نماییم و با انتخاب هرچه صحیح تر خطای پرسنل را در تشخیص عیوب کاهش داد.

عیوب ظاهری

الف) سطوح ناصاف

در حالت کلی سطوح لوله ها باید صاف و فاقد شیار یا لبه های تیز باشد ولی از ناهمگونی های جزئی مانند فرو رفتگی های عمقی درصورتی که حداقل ضخامت استاندارد جداره حفظ شود ، صرف نظر کرد .وجود خطوط عرضی در محصول که به خاطر توقف در فرایند تولید حتی اگر به صورت لحظه ای نیز باشد مجاز نیست.

همچنین وجود سطح دارای ترکچه ، چین خوردگی و زبری که بیانگر وقوع پدیده شکست مذاب  ( Melt fracture ) باشد نیز مجاز نیست .

آزمونهای لوله تک جداره

آزمونهای لوله تک جداره

ب) خط جوش

به اتفاقی اطلاق میشود که ناشی از برخورد دو جریان مذاب در طی فرایند اکستروژن یا قالب گیری می­باشد . فرایند اکستروژن عنکبوتی نوعی قالب قدیمی بود که مندرل را درون مجموعه کلگی (Head) و دای نگه میداشت . مذاب پلیمر در محل بازویی عنکبوت شکافته میشد و پس از عبور از بازویی دوباره به یکدیگر متصل میشدند که به صورت خطی ممتد در طول لوله محصول نهایی مشاهده میشود . در صورت عدم نفوذ مناسب و کافی زنجیر های پلیمری در یکدیگر در این ناحیه باعث افت استحکام محصول میگردید.

شکل زیر دو نمونه از مندرل عنکبوتی با پایه نگهدارنده را نمایش میدهد. لازم به ذکر است که به تعداد بازو ها خط جوش ایجاد میگردد و محصول نهایی صفحه مشبک شامل تعداد زیادی خط جوش است.

مندرل نکبوتی

مندرل عنکبوتی

به همین خاطر برای رفع عیب وجود خط جوش ، انواع مختلفی از دای را طراحی کرده اند که دو نمونه از آنها به صورت زیر است.

آزمونهای لوله تک جداره

آزمونهای لوله تک جداره

ج) حباب

در اثر محبوس شدن هوا در درون مذاب های پلیمری در هنگام تولید فرورفتگی هایی در محصول به وجود می­آید که این فرورفتگی ها را حباب میگویند. این حباب ها در اثر رطوبت موجود در مواد اولیه و یا تخریب مواد در حین فرآیند و ایجاد گاز های فرار به وجود می­آیند این حباب ها باعث آسیب پذیری محصول در آن نقطه شده و موجب کاهش دوام لوله میگردد.

جباب در لوله pe

حباب در لوله pe

د)ناهمگونی ناشی از مواد خارجی

هر گونه ناهمگونی که در درون محصول نهایی به وجود بیاید مانند نقطه آسیب پذیر عمل کرده و باعث کاهش دوام محصول(لوله) می­شود.

 

آزمونهای لوله تک جداره

آزمونهای لوله تک جداره

ه)تاول

تاول بر اثر فشار گاز های درونی بر روی سطح محصول ایجاد میشود. این اثر به این خاطر است که در هنگام فرایند در اثر تخریب مواد گازهایی تولید میشوند و در صورتی که فشار گاز های ایجاد شده بالا باشد حباب های ایجاد شده منبسط می­شوند و ایجاد تورم بر روی محصول می­نمایند، پس از انبساط و ترکیدن این حباب ها حفره هایی بر روی محصول ایجاد میگردد. این تاول های به وجود آمده باعث آسیب پذیری محصول نهایی در نقطه ای که تاول به وجود آمده می شود و این مسئله باعث کاهش دوام لوله و محصول میشود . در شکل زیر نمونه ای از تاول آورده شده است.

تاول در لوله pe

تاول در لوله pe

و) ژل (Gel)

ژل ذره کوچک آمورفی است که دارای وزن مولکولی بالاتری نسبت به دیگر مولکول ها است ویا قسمت کوچکی است که مولکول ها در آن شبکه ای شده اند و به همین خاطر به آسانی در دیگر ذرات پخش نمی­شود. در مورد پلی اتیلن ها این موضوع به این صورت است که در حین فرایند به خاطر بالا بودن دما پلی اتیلن تخریب شده و شبکه ای ( ژل ) میشود. ذره های شبکه ای شده ( ژل ) در اثر حرکت در طول جریان فرآیند به صورت بیضی شکل کشیده میشوند و به همین خاطر به آنها چشم ماهی (Fish eyes) نیز گفته میشود. این ذرات با جرم مولکولی بالا و یا ذرات به صورت شبکه ای شده به عنوان نقطه آسیب پذیر عمل می­کنند و باعث تمرکز تنش گردیده و قطعه را آسیب پذیر می­کنند. شکل زیر دو نمونه چشم ماهی را نمایش میدهد.

آزمونهای لوله تک جداره

آزمونهای لوله تک جداره

ز)براقیت

لوله ها باید دارای سطوح مات باشند و براقیت لوله ها به معنای سوختگی پلی الفین و تخریب شدن آن میباشد که این سوختگی باعث تضعیف خواص و نتیجتا کاهش طول عمر لوله میگردد.

ح)غیر یکنواختی رنگ

رنگ لوله در تمامی نقاط باید یکسان باشد و یکسان نبودن رنگ نشان دهنده این است که فرایند اختلاط به طور کامل انجام نگرفته است و توزیع مواد مناسب نبوده است. این مورد بیشتر در مواقعی که از مستربچ استفاده میکنیم رخ میدهد که دلیل آن میتواند عدم اختلاط مناسب گرانول مستربچ با پلی الفین قبل از خوراک دهی به اکسترودر ویا طراحی نامناسب مارپیچ اکسترودر باشد.

غیر یکنواختی رنگ

غیر یکنواختی رنگ

ط) برش نامناسب انتهای لوله

برش لوله ها از این جهت مهم است که برای نصب اتصالات ویا جوش دو سر لوله ها به یکدیگر انتهای لوله هارا باید حتی الامکان عمود بر محور لوله ها برش داد .

کنترل ابعادی

از مهمترین نکات در طراحی لوله ها مشخصات ابعادی لوله است که بر اساس میزان تنش وارده بر لوله، شرایط نصب ، ضرایب اطمینان و … محاسبه میشود. اولین مشخصه ابعادی اندازه گیری شده ضخامت لوله است. در طراحی لوله ها ضخامت لوله در تعیین میزان سفتی لوله و حداکثر میزان تنشی که لوله می­تواند تحمل کند لحاظ میشود.

همچنین ضخامت لوله بر میزان دبی خروجی لوله نیز موثر است. پایین بودن ضخامت لوله باعث کاهش استحکام مورد نیاز لوله و بالا بودن ضخامت موجب کاهش قطر داخلی لوله و کاهش دبی موثر خروجی لوله میگردد.

دیگر پارامتر مهم در طراحی لوله ها اندازه قطر داخلی و خارجی لوله ها است که زیاد بودن آن میتواند در عملیات نصب و جوشکاری لوله ها مشکل ایجاد کند و پایین بودن آن علاوه بر کاهش استحکام لوله باعث کاهش دبی موثر خروجی لوله نیز میگردد. همچنین لازم به ذکر است که تغییرات ابعادی قطر لوله ها باعث بروز مشکل در آب بندی لوله ها و اتصالات میگردد. پارامتر دوپهنی لوله نیز بر روی نصب و اتصال لوله ها به یکدیگر و پروفایل سرعت سیال و سرعت آن درون لوله تاثیر گذار است. که در لوله های ثقلی این تغییر سرعت باعث بروز مشکلات حادی در انتقال سیال میگردد.

آزمون های لوله تک جداره: ضریب انبساط حرارتی

ضریب انبساط خطی پلی الفین ها و مواد پلاستیکی نسبت به لوله های ساخته شده از مواد دیگر برتری زیادی دارد به عنوان مثال به اندازه 15 تا 20 درصد بهتر از لوله های ساخته شده با مواد فلزی است. زمانی که لوله ها بر روی سطح زمین قرار دارند و تحت تاثیر حرارت ناگهانی می­باشند توصیه میشود که پدیده انبساط حرارتی مورد بررسی قرار گیرد و در مورد لوله هایی که در زیر خاک مدفون هستند در صورتی که پس از نصب بلافاصله روی آنها پوشانده شود بررسی این مورد از اهمیت کمتری برخوردار است. برای محاسبه میزان انبساط طولی، طول قطعه را به طور دقیق اندازه میگیریم و سپس در آون با دمای 100 درجه سانتی گراد به مدت 24 ساعت قرار می­دهیم و سپس قطعه را خارج میکنیم و مجددا سریعا اندازه گیری میکنیم. با داشتن دمای اولیه ( دمای محیط ) و تغییر طول طبق رابطه زیر ضریب انبساط طولی را اندازه گیری میکنیم:

باید توجه داشت که ضریب انبساط طولی نباید به ازای تغییر یک درجه سانتی گراد از 0.15 میلی متر بیشتر شود.

 

آزمونهای لوله تک جداره

آزمونهای لوله تک جداره

آزمون های لوله تک جداره: برگشت حرارت

در مورد محصولات پلیمری ثابت ماندن ابعاد با گذشت زمان از اهمیت ویژه ای برخوردار است به همین جهت به دلیل یافتن میزان تغییر شکل قطعه پلیمری ساخته شده، به وسیله حرارت در گذشت زمان هائز اهمیت است. قطعات پلیمری در طی فرایند اکستروژن، کلند رینگ و یا قالب گیری تزریقی کشیده شده و زنجیره ها در جهت کشش مرتب شده و به یک آرایش نسبی دست می­یابند (Orientation). در صورتی که قطعه را به سرعت سرد کنیم این آرایش یافتگی و تنش های داخلی در درون قطعه باقی می­مانند در نتیجه اگر قطعه مجددا در معرض حرارت قرار بگیرد زنجیر های کشیده شده و آرایش یافته مجددا به صورت کلاف (Coil) در می آیند و قطعه مورد نظر در جهت جریان ( جهت آرایش یافتگی) منقبض می شود. به همین منظور مطابق با استاندارد ISIRI 7175-3 برای تعیین میزان تغییر ابعاد در اثر تنش های داخلی قطعه را در آون با جریان هوای گرم (دمای مشخص) در مدت معین (بسته به نوع و کاربرد ماده) قرار داده و سپس قطعه را بیرون آورده و در دمای محیط سرد میکنند که نتیجتا تنش های داخلی حذف گردیده و تغییر ابعاد قطعه را مشاهده میکنند. تغییر ابعاد زیاد بیانگر بالا بودن میزان تنش های داخلی است.

آزمونهای لوله تک جداره

آزمونهای لوله تک جداره

طراحی مشخصات هیدرو استاتیکی

استحکام ماده پلیمری میتواند از آزمایش استحکام نمونه های لوله پلیمری تعیین شود. نمونه های لوله که در شرایط ایده آل و مطابق استاندارد ISO 1167 تولید شده اند، در دماهای مختلف تحت فشار های متفاوت قرار میگیرند. زمانی که تنش اعمال میشود ، در درون جداره لوله تنش هایی در جهت های مختلف ( r و L و θ ) ایجاد میگردد. طبق اندازه گیری های صورت گرفته، تنش در جهت شعاعی بسیار ناچیز است و تنش محیطی در جهت θ دوبرابر تنش در جهت طول میباشد:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 نمودار رگرسیون

از آنجایی که بیشترین تنش موجود بر روی دیواره میباشد ، لذا برای طراحی لوله ها این تنش را به عنوان تنش مبنا و اثر گذار در نظر میگیریم، در ابتدا نمونه تحت تنش قرار گرفته سپس مدت زمانی را که طول می­کشد تا نمونه دچار یک عیب یا نقیصه گردد اندازه گیری میشود.

در مرحله بعد آزمون را در  انجام میدهیم و مجددا زمان را اندازه گیری میکنیم .به همین ترتیب مراحل را تکرار کرده و داده های متفاوت به دست می آوریم از لحاظ عملی به دلیل عدم امکان اندازه گیری دماهای طولانی شکست، آزمون را در دماهای بالاتر صورت گرفته وبا استفاده از اصل تطابق دما – زمان (Time – Temperature Superposition) میتوان نتایج  حاصله در دماهای بالاتر را با اعمال ضرایب تصحیح برای دماهای پایین تر به کاربرد همچنین با استفاده از استاندارد ISO/RT 9080 میتوان نتایج را به زمانهای طولانی مانند 50 سال برون یابی کرد با رسم داده های برحسب زمان ، نمودار رگرسیون مواد را به دست می آوریم.

در اینگونه نمودار ها، دوناحیه با شیب های متفاوت قابل مشاهده است. ناحیه اول (شیب ملایم)نشان دهنده رفتار Ductile ماده و ناحیه دوم (شیب تند) بیانگر رفتار شکننده ماده Brittle است. در حال حاضر تلاش بر این است که پلیمرهایی تولید شوند که منحنی های رگرسیون آنها از ضریب زاویه بسیار کمی برخوردار باشد تا در نتیجه ماده بتواند قابلیت های بالاتری را در طول دوره زمانی بیشتر از خود نشان بدهد که این موارد در منحنی های  PE100 و PE80 قابل مشاهده است.

نمودار رگرسیون

نمودار رگرسیون

مهمترین پارامتری که از نمودار های رگرسیون میتوان استخراج کرد ، پارامتر حداقل استحکام مورد نیاز ((MRS) Minimum Required Strength) است که به عنوان یکی از مشخصه های مواد پلیمری برای تقسیم بندی نوع مواد به کار میرود. مقدار برای مواد مختلف ، متفاوت است و از منحنی رگرسیون در دمای 20 درجه سانتی گراد و عمر 50 سال به دست می آید.

دسته بندی پلی اتیلن و پلی پروپیلن بر اساس استاندارد DIN EN ISO 12162 

موادMRS(MPa)C=1.25
PE636.35.0
PE80 , PP-R80 , PP-B808.06.3
PE100 , PP -H10.08.0

 

به منظور حصول اطمینان از محاسبات طراحی و به دلیل وجود ریسک در زمان بهره برداری ( افزایش فشار درون خط لوله ، افزایش دمای سیال و …) از یک ضریب تصحیح C استفاده میکنیم و در روابط به جای  MRS از تنش طراحی استفاده میکنیم:

C عددی بزرگتر از 1 است که به عنوان ضریب اطمینان بسته به نوع ماده و کاربرد آن تغییر میکند .که حداقل آن برای پلی اتیلن و پلی پروپیلن در دمای 20 درجه سلسیوس و عمر 50 سال، 1.25 وبرای لوله های گاز، 2 میباشد.

با استفاده از پارامتر های زیر :

 

 

 

 

و با استفاده از منحنی های رگرسیون می­توان عمر لوله ویا ضخامت آنرا برای یک دوره زمانی مشخص نمود، که e برای به دست آوردن ضخامت لوله و σ برای تعیین تنش دیواره راه به کار میرود:

 

 

 

لوله های پلی اتیلن و پلی پروپیلن با مشخصات ذیل دسته بندی میشوند:

  • فشار اسمی (bar) : PN

نوعی تقسیم بندی عددی است که با توجه به خاصیت های مکانیکی اجزای یک سیستم لوله کشی و حداکثر فشار کاری مجاز تعیین میشود و استفاده از آن به عنوان مرجع راحت تر میشود.

  • سری :   S

عدد بدون بعدی است که از حاصل تقسیم تنش طراحی بر فشار اسمی به دست می آید.

  • نسبت ابعاد استاندارد : SDR

عبارت است از نسبت قطر خارجی اسمی به ضخامت جداره اسمی

از بین سه مشخصه گفته شده پارامتر نسبت ابعاد استاندارد بیشتر از دیگر موارد کاربرد دارد. ارتباط بین پارامتر ها در فرمول های زیر آورده شده است.

 

 

 

 

 نامگذاری لوله های پلی اتیلن با ضریب 1.25 است 

PE100→PE80→PE63→SSDR
PN (bar)
43.22.52041
543.21633
613.327.6
5412.526
610.522
851021
68.317.6
108817
12.51086.313.6
1612.510511
201612.549
2520163.27.4
3225202.56

 

آزمون های لوله تک جداره:آزمون هیدرو استاتیکی کنترل کیفیت

پلیمر بسته به ساختار مولکولی و موقعیتی که در آن تحت تنش قرار میگیرند دو رفتار چقرمه و شکننده از خود نشان می­دهند. با توجه به آنکه نوع رفتار لوله های پلی الفین تحت تاثیر موارد زیر است :

الف ) نوع و گونه پلی الفین مورد استفاده

ب )عوامل موثر فرایندی شامل طرح هندسی اجزای فرآیندی مانند دای و …

ج)شرایط فرایند تولید مانند سرعت تولید ، دما ، سرعت و نحوه خنک کاری و …

قرار میگیرد .بنابراین نتایج این آزمون معیاری مهم از جهت کنترل کیفی مواد اولیه ، مناسب بودن شرایط طراحی و فرآیند مورد استفاده قرار داد.

آزمون فشار ترکیدگی یکی از انواع آزمون های کنترل کیفی و بازرسی است که به منظور تعیین نوع رفتار لوله های پلی اتیلن تحت استاندارد صورت میگیرد. در این آزمون های لوله تک جداره نوع رفتار نمونه تحت فشار استاتیکی بالا و زمان کوتاه ارزیابی و مشخص میگردد که نمونه ای مورد تایید است که از خود رفتار چقرمه نشان دهد .تعدادی از مزیت های این رفتار عبارتند از:

  • چقرمه بودن رفتار نشان دهنده استحکام بالای محصول است
  • در صورت اعمال فشار بیش از حد در خط لوله فقط قسمتی از خط لوله آسیب میبیند
  • مناطق آسیب دیده به راحتی و به صورت چشمی قابل تشخیص است

در شکل های زیر انواع رفتار لوله ها تحت تنش قابل مشاهده است:

 

آزمونهای لوله تک جداره

آزمونهای لوله تک جداره

آزمون های فشار هیدرواستاتیکی به جهت بررسی کیفیت محصول و مواد اولیه به کار رفته در تولید است. در این آزمون با افزایش دما میتوانیم مقاومت لوله در دراز مدت و ارزیابی مقاومت لوله در برابر فشار داخلی در دماهای بالا را به دست آوریم. 

آزمون های لوله تک جداره: آزمون مقاومت به ضربه

به هنگام استفاده از قطعات پلیمری، علاوه بر تنش، قطعات در معرض وارد شدن ضربه نیز قرار میگیرند که این ضربات باعث افزایش نرخ کرنش شده و نتیجتا استحکام شکست کاهش یابد. دو نمونه از دیگر پارامتر های مرتبط با شکست در لوله ها عبارتند از: دماهای پایین، تنش های چند محوری، تمرکز تنش در مناطق شکاف خورده باعث بروز رفتار شکننده میشود.

یکی از آزمون هایی که برای ارزیابی چقرمگی پلاستیک مورد استفاده قرار میگیرد آزمون مقاومت به ضربه  Charpy میباشد، که به خاطر سادگی آزمون، زمان کوتاه و استفاده از مواد اولیه کم ، از اهمیت خاصی در کنترل کیفیت برخوردار است .

در میان پلی الفین ها، پلی اتیلن از چقرمگی بالایی برخوردار است لذا آزمون های لوله تک جداره برای لوله های پلی اتیلن به ندرت انجام میشود ولی برای لوله های پلی پروپیلن، به دلیل نزدیک بودن دمای انتقال شیشه ای به دمای کاربرد، این آزمون دارای اهمیت بوده و براساس استاندارد DIN8078 انجام میشود.

برای اطلاع بیشتر از لوله های پلی اتیلن دوجداره اسپیرال به این مقاله مراجعه کنید.