تاریخچه

در نوامبر سال ۱۹۵۳ پروفسور کارل زیگلر و همکاران موفق به پلیمریزاسیون اتیلن در حضور یک کاتالیست ارگانو – متالیک در شرایط فشار و دمای پایین شدند. پروفسور زیگلر به همراه شیمیدان ایتالیایی جوليو ناتا در سال ۱۹۶۳ به خاطر این کشف موفق به دریافت جایزه نوبل شیمی گردیدند.

تنها یک ماه پس از این کشف، دکتر اتو هورنه مدیر تحقیقات کارخانه شیمیایی هوخست نمونه های اولیه پلی اتیلن را جهت انجام آزمون و ارزیابی دریافت نمود. اولین کارخانه آزمایشی تولید پلی اتیلن با ظرفیت ۱۰ تن در ماه در اوایل سال ۱۹۵۴ در شهر فرانکفورت آلمان تاسیس گردید. در سال ۱۹۵۸ تولید جهانی پلی اتیلن به ۱۷۰۰۰ تن در سال و در سال ۱۹۶۲ میلادی به 200000 تن در سال رسید و لایسنس های مختلف تولید پلی اتیلن در دما و فشار پایین در نوزده نقطه مختلف اروپا و هفده نقطه آمریکا و ژاپن واگذار گردید.

در حال حاضر در دنیا سالیانه حدود ۲۸ میلیون تن انواع پلی اتیلن تولید می شود که حدود ۴ میلیون تن از آن برای تولید لوله های پلی اتیلن به کار می رود.

یکی از اولین کاربردهای پلی اتیلن در تولید لوله های پلیمری بود زیرا مهندسان مدت ها به دنبال جایگزین مناسبی برای لوله های آهنی، چدنی، سفالی و بتونی بودند.

اولین آزمایش هیدرواستاتیک بر روی لوله های پلی اتیلن در اکتبر سال ۱۹۵۶ و در آزمایشگاه شرکت هوخست انجام گردید و هنوز دو نمونه از لوله های آن زمان در حال آزمون در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد و تحت تنش مماسی ۵ و 5.7 نیوتن بر میلیمتر مربع هستند و عملا در اکتبر ۲۰۰۶ پنجاه سال عمر پیش بینی شده را گذرانده اند.

به علت رشد سریع لوله های پلی اتیلنی موسسه IN آلمان یک گروه مطالعاتی را در ۱۹۵۷ تشکیل داد که با همکاری یکدیگر اولین استاندارد بین المللی لوله های پلی اتیلنی را در ژانویه سال ۱۹۵۹ به نام 8074 /75 DIN منتشر نمودند. لوله های پلی اتیلن در طی شصت سال اخیر رشد چشمگیری از لحاظ کیفی و پروسه تولید داشته است برای مثال محصولات تولید شرکت هوخست از نسل اولیه خود با نام تجاری 5010 Hostalen GM به نسل سوم خود که از نوع 100 Hostalen CRP می باشد ارتقا یافته اند. ویژگی ها، خواص و ملاحظات طراحی این نوع لوله ها بیانگر علت استفاده رو به رشد از لوله های پلی اتیلن است.

ویژگی ها و مزایای لوله های پلی اتیلن

طراحان، کارفرمایان و پیمانکاران هنگام انتخاب جنس لوله ها به استحکام، دوام طولانی مدت و صرفه اقتصادی توجه می کنند. لوله های پلی اتیلن تک جداره و لوله های پلی اتیلن دوجداره ، راهکاری مقرون به صرفه برای طیف وسیعی از کاربردهای لوله کشی، از جمله توزیع گاز طبیعی، آب و فاضلاب شهری، صنایع، تاسیسات دریایی، معدنی و کانال های برق و مخابرات هستند. به علاوه لوله های پلی اتیلن برای تاسیسات هوایی، زیر زمینی، سطحی، شناور و دریایی، کارآمد هستند.

یکی از دلایل اصلی رشد استفاده از لوله های پلاستیکی صرفه جویی در هزینه های نصب، تامین کارگر و تجهیزات مورد نیاز آن در مقایسه با لوله های قدیمی رایج است. اگر پتانسیل داشتن هزینه های نگهداری پایین تر و بیشتر بودن عمر مفید نیز به این موارد اضافه شوند دلیل رقابتی بودن لوله های پلی اتیلنی در بازارهای جهانی مشخص می شود. یکی از اولین کاربردهای لوله های پلی اتیلن نیمه چگال (MDPE) توزیع گاز طبیعی بود.

در واقع بسیاری از سیستم هایی که در آمریکا در حال حاضر مشغول بکار هستند، از سال ۱۹۶۰ شروع به کار کرده اند. امروزه ٪۹۵ لوله های زیر ۱۲ اینچ انتقال گاز طبیعی نصب شده در آمریکا و کانادا، لوله های پلی اتیلن هستند. تقریبا ۵۰ سال است که لوله های پلی اتیلن در کاربردهای آب آشامیدنی مورد استفاده قرار گرفته اند و به طور پیوسته موفق به دریافت تاییدات و رشد در مصارف شهری شده اند. لوله های پلی اتیلن بر طبق استانداردهای NSF ، EN ، Bs ، ISO ، AWWA و ASTM کنترل کیفی می شوند . در زیر به برخی از مزایای خاص لوله های پلی اتیلن اشاره می شود:

صرفه جویی در هزینه های چرخه عمر

در کاربردهای شهری، هزینه های چرخه عمر لوله های پلی اتیلن می تواند به طرز چشمگیری کمتر از سایر انواع لوله ها باشد. سطح داخلی کاملا صاف لوله های پلی اتیلن موجب حفظ خواص ویژه جریان می شود و اتصال جوشی باعث حذف نشتی ها می گردد. این موارد ترکیب موفقی برای کاهش هزینه های عملکرد سیستم هستند.

اتصالات بدون نشتی و کاملا مهار شده

اتصال پلی اتیلن با استفاده از جوش موجب تشکیل اتصالات بدون نشتی می شود که استحکام آنها همانند لوله و یا حتی قوی تر از آن است. استفاده از جوشکاری در کاربردهای شهری موجب حذف نقاط نشتی احتمالی می شود که این نقاط در سایر انواع لوله ها مانند لوله های PVC یا آهنی ضمن استفاده از اتصالات نری – ماده گی متداول در هر ۳ تا ۶ متر وجود دارند. در همه این اتصالات نری – ماده گی از واشرهای لاستیکی استفاده می شود که در طی زمان دچار استهلاک می شوند و احتمال نشتی پیدا می کنند، به همین دلیل «میزان نشتی قابل قبول آب» در آنها ٪۱۰ یا بیشتر است اما این میزان در لوله های پلی اتیلن با توجه به امکان استفاده از جوش، به طور نسبی صفر است.

به علاوه نقاط جوش خورده پلی اتیلنی خاصیت خودمهاری دارند که ضمن حفظ یکپارچگی اتصالات، باعث حذف نیاز به مهار کننده های ضربه گران قیمت و یا بلوک های ضربه گیر می شود. با وجود مزایایی که روش اتصال جوش لب به لب دارد، مهندسان راه های دیگری هم برای اتصال لوله های پلی اتیلن در اختیار دارند که از جمله آنها می توان از الکتروفیوژن و اتصالات مکانیکی نام برد.

خوردگی و مقاومت در برابر مواد شیمیایی

لوله های پلی اتیلن زنگ نمی زنند، نمی پوسند، سوراخ نمی شوند ، باد نمی کنند و امکان رشد موجودات زنده درون لوله وجود ندارد. لوله پلی اتیلن مقاومت شیمیایی فوق العاده ای دارد و در بسیاری از محیط های مهاجم شیمیایی نخستین انتخاب به عنوان ماده مورد استفاده است. اگرچه لوله های پلی اتیلن از خاک طبیعی که از نظر شیمیایی فعال است تأثیر نمی پذیرد اما مانند هر لوله دیگری، اگر خاک با حلالهای آلى (نفت، گازوئیل) آلوده شده باشد ممکن است نیاز به روش های نصبی باشد که از لوله پلی اتیلن در برابر تماس باحلال آلی محافظت کند. باید در نظر داشت که محافظت در برابر نفوذ این مواد حتی در مورد لوله های فلزی و سایر انواع لوله هایی که با استفاده از درزبند به یکدیگر متصل می شوند هم لازم است. عموما برای همه سیستم های لوله کشی که در خاک آلوده نصب می شوند ، در هنگام نصب استفاده از راهکارهای حفاظتی که تضمین کننده حفظ کیفیت سیال انتقالی هستند، ضروری است.

انعطاف پذیری و مقاومت در برابر خستگی

لوله های پلی اتیلن در محل نصب می توانند نهایتا تا شعاع حدود ۳۰ برابر قطر اسمی خم شوند که بسته به ضخامت دیواره لوله این مقدار میتواند کمتر باشد. به عنوان مثال لوله پلی اتیلن ۲۵۰ میلیمتر در محل نصب و در حالت سرد می تواند تا شعاع ۹ متر تغییر شکل دهد. این موضوع باعث حذف بسیاری از اتصالاتی می شود که برای تغییرات زاویه ای در سیستم لوله کشی به کار می روند و همچنین باعث سهولت نصب می گردد. دوام طولانی مدت لوله های پلی اتیلن به خوبی مورد تحقیق قرار گرفته است. پلی اتیلن در برابر خستگی مقاومتی استثنایی دارد و تحت بالاترین فشار عملیاتی، می تواند چندین نوسان فشاری تا ۱۰۰٪ بالای بیشینه فشار کاری خود را بدون هیچ اثر منفی روی قابلیت های عملکردی طولانی مدت حفظ کند.

مقاومت لرزه ای

چقرمگی Toughness ، و انعطاف پذیری لوله های پلی اتیلن همراه با دیگر خواص ویژه آن از جمله اتصالات بدون نشتی و کاملا مهار شده حاصل از جوش، آن را برای نصب در محیط های خاکی فعال و محل های در معرض زلزله کاملا مناسب گردانیده است.

مزایای ساختاری

خواصی مانند وزن کم، انعطاف پذیری و اتصالات کاملا عایق شده و بدون نشتی، مجموعا روش های نصب مقرون به صرفه و منحصر به فردی را فراهم می کند که با سایر مواد امکان پذیر نیستند. در بسیاری از تأسیسات، روشهای نصبی همچون حفاری جهت دار افقی، نوسازی لوله با استفاده از ترکاندن لوله قدیمی، اسلیپ لاین، حفر و جای گذاری، و نصب لوله ها به صورت نیمه شناور یا شناور، می توانند به طرز چشم گیری ساخت و ساز را تسهیل نموده و موجب صرفه جویی قابل ملاحظه ای در زمان و هزینه شوند. نصب سیستم های لوله کشی پلی اتیلن با وزنی در حدود یک هشتم لوله های هم اندازه فولادی و با استفاده از اتصالات بدون نشتی یکپارچه و سازگار با شرایط مختلف کاری، ساده تر است و به تجهیزات سنگین بالابر نیاز ندارد. لوله های پلی اتیلن با قطر خارجی ۲۶۰۰ میلی متر تولید می شوند و تا قطر ۱۱۰ میلی متر به صورت کلاف پیچیده می شوند .

در برخی از قطرهای خاص، کلاف هایی با طول بیش از ۱۰۰۰ متر در دسترس هستند. لوله های پلی اتیلن ضربه را – به ویژه در شرایط آب و هوایی سرد که سایر لوله ها امکان ترک و شکست دارند بسیار بهتر از لوله های PVC تحمل می کنند. از آنجا که اتصالات پلی اتیلن جوش خورده با جوش لب به لب به اندازه لوله استحکام دارند، می توان روی زمین آنها را در طول بسیار زیاد به هم متصل نموده و سپس مستقیما در ترانشه جای داد و یا با استفاده از حفاری جهت دار در مسیر دالان کشید و یا در فرآیند بازسازی لوله استفاده کرد. لازم به ذکر است شرایط محل نصب تأثیر بسزایی در انتخاب روش نصب دارد.

دوام

تأسیسات لوله های پلی اتیلن به دلیل خواص فیزیکی لوله، اتصالات بدون نشتی و کاهش هزینه های نگهداری، مقرون به صرفه هستند و در طولانی مدت کم هزینه ترند. صنایع لوله های پلی اتیلن، عمر مفید این لوله ها را به شرط اینکه سیستم لوله کشی به درستی طراحی و نصب شده باشد و طبق دستورالعمل شرکت سازنده مورد استفاده قرار بگیرد، به طور متوسط بین ۵۰ تا ۱۰۰ سال تخمین می زنند. این ماندگاری و طول عمر زیاد باعث نوعی صرفه جویی در هزینه تعویض این لوله ها می شود. در سیستمهای لوله های پلی اتیلن که به درستی طراحی و نصب شده اند، نیاز اندکی به نگهداری مستمر وجود دارد. لوله پلی اتیلن در برابر اغلب مواد شیمیایی متداول مقاوم بوده و مستعد خوردگی گالوانیک و یا الکترولیز نیست.

بازده هیدرولیکی

سطح داخلی لوله پلی اتیلن فاقد زبری است و این لوله ها در رده «لوله های صاف » قرار می گیرند، گروهی که کمترین مقاومت در برابر جریان سیال را ایجاد می کند. در کاربردهای آبی، فاکتور C هیزن ویلیامز برابر با ۱۵۰ است و در طول زمان تغییر نمی کند. در سایر جنس لوله ها، فاکتور C با گذشت زمان و در اثر خوردگی، گرفتگی و یا ایجاد بافتهای زنده (ایجاد خزهها، …) به شدت کاهش می یابد. لوله های .بدون خوردگی، بادکردگی و یا رشد بافتهای زنده، صافی سطح داخلی و قابلیت های جریانی خود را حفظ کرده و بازده هیدرولیکی سیستم را در طول عمر مورد نظر طراحی، تضمین می کند.

مقاومت در برابر دما

بازه دمایی متداول عملکرد لوله های پلی اتیلن در شرایط کاری تحت فشار ۱۸- تا ۶۰ درجه سانتی گراد است. اما برای شرایط کاری کم فشار و برخی کاربردهای خاص، این ماده می تواند دماهای بسیار پایین تری را تحمل کند (تا ۴۰- درجه سانتی گراد و کمتر از آن)، همچنین گریدهای خاصی از پلی اتیلن نیز وجود دارد که می تواند در دماهای نسبتا بالاتری به کار رود. آزمایش های گسترده و بکارگیری بسیار زیاد این لوله ها در محیطهای بسیار سرد نشان داده است که این شرایط کاری تأثیر زیادی بر استحکام و خواص عملکردی لوله ندارد. گریدهایی از پلی اتیلن برای تولید لوله، نه تنها در دمای استاندارد ۲۰ درجه سانتی گراد، بلکه در دماهای بالاتر مانند ۶۰ درجه سانتی گراد، | مورد آزمون تنش قرار گرفته اند. عموما لوله های پلی اتیلن نسبت به سایر مواد گرمانرم مانند PVC در دماهای بالا، بیشتر استحکامشان را حفظ می کنند. مواد پلی اتیلن تقریبا ۵۰٪ از استحکامشان در دمای ۲۳ درجه سانتی گراد را در دمای ۶۰ درجه سانتی گراد حفظ می کنند در حالی که PVC در ۶۰ درجه سانتی گراد، نزدیک به ۸۰ درصد از استحکامش در ۲۳ درجه سانتی گراد را از دست می دهد.

در نتیجه لوله های پلی اتیلن را می توان در بسیاری از کاربردهای لوله کشی در طیف گسترده ای از تغییرات دمایی مورد استفاده قرار داد. بسیاری از ویژگی های عملکردی لوله های پلی اتیلن، نتیجه مستقیم تلفیق دو خاصیت فیزیکی مهم لوله های پلی اتیلنی است که در فشارهای مختلف آزموده شده اند. این دو خاصیت شامل رفتار شکل پذیر و رفتار ویسکوالاستیک هستند.

شکل پذیری

شکل پذیری عبارت است از قابلیت تغییر شکل یک ماده در اثر تنش بدون ایجاد شکستگی و یا نهایتا گسیختگی.همچنین گاهی از قابلیت افزایش کرنش ازدیاد طول) به شکل پذیری تعبیر می شود و این یکی از ویژگی های مهم لوله های پلی اتیلن در هنگام استفاده به صورت رو زمینی و زیرزمینی است. به عنوان مثال، در اثر وارد شدن بار از سطح زمین، لوله پلی اتیلن مدفون در خاک تغییر شکل می دهد و سطح مقطع دایره ای آن به بیضی تغییر می کند و قطر عمودی آن کاهش و قطر افقی اندکی افزایش می 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 پایداری لوله می انجامد.

این مسئله نهایتا شکل گیری ساختار خاک – لوله را فراهم کرده و قابلیت تحمل بارهای عمودی زمینی یا سایر بارهای عمودی را به مواد چقرمه می دهد. این بارها می توانند باعث شکست لوله های مستحکم تر ولی با کرنش پذیری پایین تر شوند. مواد چقرمه مانند پلی اتیلن که در لوله کشیهای آب، گاز طبیعی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند، می توانند افزایش تنش های موضعی حاصل از نصب نامناسب را، که در آنها تخته سنگها، قلوه سنگها یا ریشه های درختان ممکن است در موقعیتی قرار بگیرند که به سطح خارجی لوله فشار بیاورند، به صورت ایمن تحمل کنند.

شرایط محیطی زیاد دیگری وجود دارد که ممکن است منجر به تأثیراتی مشابه موارد فوق گردد، برای مثال می توان به خمش لوله بیش از حد کرنش مجاز، تقویت ناکافی لوله ، هم راستاسازی نادرست لوله برای اتصال به سازه های سخت و غیره اشاره کرد. مواد با چقرمگی و قابلیت کرنش کم، پاسخ متفاوتی به افزایش تنش میدهند. مواد حساس به کرنش، تحلیل تنش پیچیده ای دارند و در بخش هایی خاص از ماده پتانسیل تمرکز تنش وجود دارد. اگر هریک از این تنشها از حد اعلام شده در طراحی تجاوز نماید، رشد ترک ها آغاز می شود و ممکن است به گسیختگی کامل قطعه یا محصول بینجامد. چقرمگی نسل جدید لوله های پلی اتیلن به طرز چشمگیری در قیاس با نمونه های قدیمی – که به خودی خود در صنعت گاز، آب، فاضلاب ، کاربردهای صنعتی، دریایی و معدنی در ۵۰ سال اخیر بسیار موفق عمل کرده بودند بهبود یافته است.

خاصیت ویسکوالاستیک

لوله پلی اتیلن ماده ای با ساختار ویسکوالاستیک است. این ماده خواصی مابین بلورهای فلزی و سیالات بسیار گرانرو را از خود نشان میدهد. طبیعت ویسکوالاستیک پلی اتیلن منجر به دو خاصیت مهندسی شده که در طراحی سیستم های لوله کشی آب پلی اتیلن بکار می روند: خزش و میرایی تنش. خزش به پاسخ ماده به یک بار ثابت در طول زمان 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، بیان می شود. علاوه بر این تغییر شکل آنی، ماده در بارهای زیاد با نرخ کند شونده ای به تغییر شکل ادامه می دهد و اگر بار به اندازه کافی زیاد باشد، ممکن است ماده دچار تسلیم یا شکست شود.

لوله های پلی اتیلن بر طبق استانداردهای صنعتی، به نحوی طراحی شده اند که تغییر شکل حاصل از تحمل بار، یا به عبارتی همان خزش، برای آنها از نظر مهندسی قابل چشم پوشی باشد. میرایی تنش وقتی پلی اتیلن تحت کرنش ثابتی قرار می گیرد (تغییر شکل به یک اندازه مشخص) که مدتی حفظ می شود، بار یا تنشی که به واسطه تغییر شکل ایجاد می شود با گذشت زمان به آرامی کاهش می یابد، البته هرگز به طور کامل دفع نمی شود. این میرایی تنش در پاسخ به بار، اهمیت بسزایی در طراحی سیستمهای لوله های پلی اتیلن دارد. این پاسخی است که موجب کاهش تنش در مقاطعی از لوله می شود که تحت کرنش ثابت قرار گرفته اند.

پاسخ سیستم های لوله های پلی اتیلن به بار، به عنوان ماده ای ویسکوالاستیک وابسته به زمان است. مدول الاستیک به دلیل خواص خزش و میرایی تنش پلی اتیلن به طرز چشمگیری با گذشت زمان بارگذاری کاهش می یابد. مدول الاستیک لحظه ای برای وقایع ناگهانی مانند ضربه قوچ در دمای ۲۳ درجه سانتی گراد، در حدود ۱۰۵۰ | مگا پاسکال است. برای اتفاقاتی که اندکی از وقایع ناگهانی طولانی مدت تر و البته هنوز کوتاه مدت هستند مانند نشست خاک و بار زنده، مدول کوتاه مدت پلی اتیلن در دمای ۲۳ درجه سانتی گراد در حدود ۸۵۰ تا ۱۱۰۰ MPa است؛ و مدول بلند مدت به حدود ۲۲۰ تا ۲۸۰ MPa کاهش می یابد. مدول معیاری کلیدی در طراحی سیستم های لوله کشی پلی اتیلن است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *