ميزات استخدام أنابيب البولي ايثيلين مقارنةً بالأنابيب الفولاذية (كربون ستيل)
بعد القيام بمقارنة الميزات الهيكلية و نمط عمل أنبوب البولي ايثيلين المضغوط (HDPE - High Density Poly Ethytene ) لمدة زمنية قصيرة و طويلة، و القيام بمقارنة معايير الإنتاج في كل حالة (AWWA C906 لأنابيب البولي ايثيلين و معايير AWWA C200 للأنابيب الفولاذية) و كذلك الإختبارات العلمية التي قام بها معهد التركيبات الإنشائية (SCI) Structural Composites Inc و مختبر هندسة البلاستك (PEL Plastics Engineering Laboratory، و معهد أنابيب البلاستك (PPI) و مؤسسة المعايير الصناعية الإيرانية و التي كلها عبارة عن مراكز أبحاث معتبرة و مشهورة، تم التلخص إلى بعض النتائج التي سنذكرها تباعاً. للقيام بمقارنة منطقية في المختبرات تم استخدام أفضل أنواع البولي ايثيلين المضغوط أي من نوع PE 100 كما جاء في معيار AWWA C906.
تم تجميع هذه المقارنة استناداً إلى خصائص هذين النوعين من الأنابيب ، كما أنها قامت على أساس المواصفات التي تقدم بها مُصنّعوا هذه الأنواع من الأنابيب ، فيجب و بغض النظر عن المعايير الموجودة أن يتم الإهتمام بها كمقارنة.
مقدمة
تُستخدم أنابيب البولي ايثيلين الثقيلة (كثافة عالية HDPE) في مجالات واسعة كشبكة أنابيب المدن، شبكات الأنابيب الصناعية، البحرية، المحفورة، دفن النفايات و شبكات الأنابيب الزراعية. لقد تمت التجارب و التأكد من جودة الأداء لهذه الفئة من الأنابيب أثناء استخدامها في أماكن كسطح الأرض، تحت الأرض (مدفونة)، أن تطفو على سطح المياه، أو في أعماق البحار . كما و لهذه الأنابيب القدرة في نقل مياه الشرب، الصرف الصحي، المواد الكيميائية، الردغة، النفايات الخطرة و الغازات المضغوطة.
المواصفات الميكانيكية لأنابيب و وصلات البولي ايثيلين لشركة بارس اتيلن كيش
الشرح
|
المقدار
|
الوحدة
|
عامل مانينغ (Manning ) للخشونة
|
0.010= N
|
---
|
معادلة هازن وليامز (Hazen–Williams)
|
C=150
|
---
|
مرونة البولي ايثيلين على المدى القصير
|
1100
|
Mpa
|
مرونة البولي ايثيلين على المدى الطويل (50 سنة)
|
800
|
Mpa
|
مقاومة الشد على المدى القصير
|
20
|
Mpa
|
مقاومة الشد على المدى الطويل (50 سنة)
|
7
|
Mpa
|
أقصى درجة حرارة مقبولة (على المدى القصير)
|
80
|
Co
|
أقصى درجة حرارة مقبولة (على المدى الطويل)
|
45
|
Co
|
عامل التمدد و الإنكماش
|
0.2
|
mm/m Co
|
طول العمر بمواد أولية PE 100 في 20 Co
|
100
|
سال
سنة
|
طول العمر بمواد أولية PE 80 في 20 Co
|
50
|
سال
سنة
|
المقاومة الكيميائية
|
14 – 1.5
|
PH
|
القدرة على المرونة
|
با شعاع 24تا30 برابر قطر لوله قابليت خم دارد (تابع SDRلوله)
قابل للإنحناء بشعاع قدره 24 حتى 30 ضعف قطر الأنبوب
(تابع SDR الأنبوب)
|
---
|
عامل انتقال الحرارة
|
0.4
|
[λ[w/m.k
|
إمكانية الحريق
|
حرارت بيش از Co 340
حرارة أكثر من Co 340
|
سانتي گراد
درجة ( Co)
|
المقاومة الكهربائية
|
14 10 <
|
---
|
الحالات التي تستخدم فيها أنابيب البولي ايثيلين الثقيلة كالتالي:
- تستخدم في شبكات توزيع المياه في المدن و الأرياف
- تستخدم في شبكات نقل الفضلات في المدن و الأرياف
- تستخدم في شبكات توزيع الغاز و الصرف الصحي
- أنظمة السوائل و الفضلات الصناعية
- شبكات الري تحت الضغط (بالتقطير و بالإمطار)
- أنظمة الري المتحركة
- تغطية كبلات الإتصالات و الفيبر الضوئي
- تغطية كبلات الكهرباء
- تغطية الأنابيب المعدنية
- تستخدم كقنوات تهوية
- قيمتها المناسبة و الرخيصة
- حملها السهل لخفّة وزنها
- لا تتعرض للصدأ و التآكل
- لجدران الأنابيب سماكة ثابتة و منتظمة
- الجدار الداخلي مستوي و بالتالي تتعرض الأنابيب لأقل نسبة من الترسّبات
- المرونة حتى في البرد الشديد و درجات الحرارة تحت الصفر
- ضد الكسر و الشعر مقابل الضغط عليها من الخارج
- تُنتج في نظام المتريك و غيره بأقطار متنوعة و بأطوال مختلفة حسب الرغبة و بشكل دائري
- عازلة للحرارة
- سهولة التركيب و وصل الأنابيب ببعضها، أي سرعة في التركيب و لا تحتاج لقطع وصل كثيرة
- لا تحتاج لآلات ضخمة و ثقيلة لتركيبها و لِحامها
خصائص الأنبوب
مازالت تُستخدم هذه الأنابيب لما يقارب النصف قرن و ذلك بسبب عدم تسريبها و خرابها، تركيبها السهل و مقاومتها لحركة التربة و للضغط. من جهة أخرى و لأن البولي ايثيلين هي مادة لزجة و مثل كافة البلاستك الحراري فإنها تبدي سلوك الزحف، لذلك فهي تصاب بتغييرات مع مرور الزمن. تحصل هذه الظاهرة أيضاً حتى في درجات الحرارة العادية و الضغط القليل نسبياً و كما باقي أنواع البلاستك، فإن الخصائص الميكانيكية للبولي ايثيلين مرتبط بثلاث عوامل هي الزمن، الحرارة و الضغط. لذلك و أثناء القيام بالحسابات الخاصة بتصميم الأنابيب، تُحدد دائماً مقادير الخصائص الميكانيكية من خلال الإختبارات طويلة الأمد، و يتم إدراجها حتماً كعامل باسم عامل الأمان. في التتمة سوف نتطرق إلى خصائص هذه الأنابيب.
الزحف و قوة الشد
عندما تتعرض أنابيب البوليمر لضغط داخلي أو خارجي، فإن خصائصها الميكانيكية تتغير بعد مدة من الزمن، تُسمى هذه الظاهرة بالزحف و تتصف بأهمية عالية في أنابيب البوليمر. تتمتع الأنابيب الفولاذية في الأساس بسلوك السحب (الدكتايل)، كما أنها تتمتع بمقاومة أقل للزحف مقارنةً لأنواع الأنابيب الأخرى سابقة الذكر، على عكس الأنابيب الفولاذية، فإنّ أنابيب البولي ايثيلين و عند تعرضها لضغط الشد فإنها تصاب بالزحف أي التغير البطيء، أما إذا ما تعرّضت الأنابيب الفولاذية لنفس الشيء فإنها تقوم بسلوك السحب و تنكسر.
عند تقليل سرعة التحميل على أنبوب البولي ايثيلين أو عندما يكون الأنبوب تحت ثِقل ثابت لمدة طويلة من الزمن، تتوفر الفرصة للجزيئات لتتحرر و تنفصل عن بعضها البعض، الأمر الذي يسبب بتقليل التوتر اللازم لتغيير الشكل و تجنب عدم الكسر، حيث يصبح مجال استخدامه في تنفيذ مشاريع تحت الأرض المترافقة بخطر تحرك الأرض أو عدم استوائها، أكثر سهولةً و يجعله يتمتع بجدوى وظيفية أعلى. على الرغم من أن تجارب المصنعين و المتعهدين تشير إلى أن أنابيب البولي ايثيلين تبدي في هذا المجال مقاومة أكبر، و نظراً للمواد الكيميائية المستخدمة في مواده الأولية، فإنها تجعله يملك قابلية أكبر للزحف قبل أن يتمزّق. لقد تمت الإشارة إلى مخطط الإختبارات القياسية للزحف في معيار ASTM E139 للمؤسسة الأمريكية للإختبار و المواد .
تحميل الإنحناء و مقاومة الضغط
إن أسرع الطرق لقياس مقاومة الأنبوب ضد الضغط هو الإختبار الهيدروستاتي. إن كافة أنابيب البولي ايثيلين التي تعرضت لضغط كبير يصل لمرحلة الكسر، أصيبت فقط بتشققات بطول 37 حتى 100سم.
يشرح الجدول رقم 1 التزايد الدائم لقطر نماذج البولي ايثيين بعد تحرر الضغط الداخلي و إنتهاء الإختبار. تستطيع أنابيب البولي ايثيلين التحمل حتى ضغط 10mpa و هي مقاومة للتغييرات الأرضية و الزلال بشكل كبير. و لكن الأنابيب الفولاذية هي معرضة بشكل كبير للكسر أمام هذه التغييرات.
التكيف مع البيئة
لا يوجد في إنتاج أنابيب البولي ايثيلين أي آثار مخربة للبيئة، كما و أن أنابيب البولي ايثيلين مقاومة ضد هجمات الكائنات الدقيقة و ذلك لعدم احتوائها على أية مواد غذائية لها. نظراً لتفاعل الأوكسجين مع الهواء و صدأ الأنابيب الفولاذية فهذا يسبب بآثار سلبية على البيئة أما أنابيب البولي ايثيلين فهي تعتبر أنابيب صديقة للبيئة.
المقاومة ضد المواد الكيميائية
البولي ايثيلين هي فئة من اللدائن الحرارية (البلاستك الحراري) و التي نحصل عليها من تبلمر غاز الايثيلين. يحدث هذا التبلمر تحت ضغط و درجة حرارة عاليين و في ظل وجود المحفزات المعدنية. في هذه الظروف تتبدل جزيئات الايثيلين إلى سلاسل بطول 50 إلى 50000 وحدة، و يتبدل وضع غاز الايثيلين ليصبح مادة جامدة كريستالية بيضاء اللون. للبولي ايثيلين هيكلية بسيطة جداً، بحيث أنه أبسط من هيكلية كافة البوليمرات التجاري. جزيئة البولي ايثيلين هي عبارة عن سلسلة طويلة من ذرات الكربون، تلتصق فيه بكل ذرة كربون، ذرتين من الهيدروجين. يسمّى البولي ايثيلين الذي يتمتع بسلاسل جانبية قليلة و قصيرة، بالبولي ايثيلين الثقيل (البولي ايثيلين الخطّي). لا يوجد في هذه الحالة أية تفرعات للجزيئة. البولي ايثيلين الخطّي هو أصعب من البولي ايثيلين التفرّعي، و لكن البولي ايثيلين التفرّعي يُصنّع بشكل أسهل و أقل كلفة. شكل هذا البوليمر بلّوري. إن البولي ايثيلين الخطّي هو مُنتج عادي بوزن جزيئي 200000 حتى 500000 غرام، حيث تتم بلمرته في ضغط و درجة حرارة منخفضين نسبياً. كثافته بين 941/0 تا 965/0 غرام/سم مكعب، حيث يتم تحضيره غالباً بوسيلة عملية التبلمر التي يطلق عليها اسم زيجلر ناتا. نظراً للإختلاف الكبير بين خصائص البولي ايثيلين الخفيف و البولي ايثيلين الثقيل، فهذا يجعل استخدامهما مختلفاً تماماً و يمكن اعتبارهما أنهما من عائلتين مختلفتين.
تتمتع أنابيب البولي ايثيلين بمقاومة جيدة ضد المواد الكيميائية العضوية و غير العضوية. من هذا المنظور نرى أنه و من خلال بحثٍ قام به مختبر البيئة و الأبحاث الهندسية التابع لجامعة بيركلي في كاليفورنيا، كتب في تقريره أن 15% من الأنابيب الفولاذية هي نفوذية و لا تتمتع بمقاومة ضد المواد الكيميائية و أنها تحتاج إلى تقوية و تدعيم. هذا في وقت نجد فيه البولي ايثيلين مقاوم ضد المواد الكيميائية.
شروط تهيئة الأرضية
شروط الأرضية بما يخص الأنابيب الفولاذية أهم بكثير مما هو عليه بالنسبة لأنابيب البولي ايثيلين. إن تهيئة أرضية مناسبة للتحكم بالاعوجاج هو المعيار الوحيد لتصيم الأنابيب الفولاذية للتعاطي مع الأثقال الخارجية. إن معيار غرس الأنابيب الفولاذية ينص على وجوب تهيئة الأرضية المناسبة للأنبوب. لذلك يجب أن يكون التراب في إطراف الأنبوب مضغوطاً لدرجة ألا يتعرض الأنبوب للقوى الجانبية بشكل منتظم بشكل كامل. كذلك يجب ألا يحتوي التراب على أية مواد عضوية. يجب أن يكون أسفل القاع أملس و ألّا يحتوي على أية أحجار كبيرة، لأن هذه الأحجار تبعث على إنخفاض المتانة بسبب كشط و تآكل الأنبوب. يجب التذكير بأن أغلب هذه المقدمات لا تحصل أثناء العمل. على العكس تماماً و بسبب متانة أنابيب البولي ايثيلين الذاتية، فإنها لا تحتاج في معظم حالات استخدامها إلى قاع مدعوم بطبقة ترابية خاصة أو ربما تكفيها طبقة ترابية خفيفة. على الرغم من أن عدم رعاية هذه النوع من الخندقة لا يتسبب بأي مشكلة لأنابيب البولي ايثيلين.
استخدام سناد (Saddle) لتركيب الصمام
المعايير الموجودة تؤكد على استخدام السناد لتركيب الصمام. بالمقابل فإن استخدام السناد (Saddle) لأنابيب البولي ايثيلين في الإستخدامات العادية غير ضروري.
الوصلات و القطع
إن وصل أنبوب البولي ايثيلين هو أسرع و يحمل كلفة أقل من الأنبوب الفولاذي. لأنه يلتحم بشكل أسرع و لا يوجد فيه تسريب الشيء الذي يزيد من سرعة تنفيذ المشروع، كما و يمكن صناعة الوصلات المختلفة من مواد البولي ايثيلين، حيث و بإستخدام طرق اللحام المختلفة نستطيع تصميم و تنفيذ خط أنابيب آمن.
دراسة وصلات الأنبوب
تختلف وصلات هذا النوع من الأنابيب نظراً لنوع الاستخدام. فتُستخدم وصلات الإنصهار الكهربائي لتنفيذ مشاريع مد شكبة الغاز، بينما الوصلات اللولبية لتنفيذ مشاريع مد شكبة المياه حتى ضغط 10 اتومسفير. أما لباقي المشاريع فتستخدم وصلات لِحام البولي ايثيلين طبقاً لمعيار DIN 16963 الألماني. الصرف الصحي المنزلي لا يتبع القوانين السابقة.
خصائص وصلات هذه الأنابيب كالتالي:
- وصلات البولي ايثيلين مقاومة بشكل جيد جداً ضد الكسور و الشعور الناتجة عن الضغط الخارجي
- مقاومة ضد الضغط و الصدمات
- مقاومة ضد المواد الكيميائية
- مقاومة ضد التآكل و الكشط
- لها مقاومة كبيرة ضد الإهتزازات الناجمة عن الزلازل
- مقاومة ضد الصدأ
- جدرانها الداخلية و الخارجية ملساء
- تتعرض بشكل قليل جداً لتواجد الترسّبات و إنخفاض الضغط الناتج عن احتكاك السطح الداخلي
- المرونة العالية، كلفة التنفيذ قليلة جداً ، سرعة التنفيذ و عدم الحاجة لآلات ثقيلة للقيام بتركيب خطوط أنابيب البولي ايثيلين.
الطفو و تنفيذ المشاريع البحرية
تطفو أنابيب البولي ايثيلين على سطح المياه. لذلك عندما يُحتمل حدوث سيول في أماكن تواجد الأنابيب أو عندما يكون مستوى المياه الجوفية عالي، يجب علينا التفكير بإجراءات خاصة تجاه ذلك. من هنا يجب أن نحمي الأنابيب و نقوم بتثبيتها. أما الأنابيب الفولاذية و نظراً لوزنها الكبير لا تستطيع بالطبع الطفو على المياه و لذلك لا يمكن استخدامها في المشاريع البحرية. (تستخدم تحت سطح المياه).
تأثير الخدش
مقارنةً بالأنابيب الفولاذية، فإن البولي ايثيلين هي مادةٌ أكثر ليونة. لذلك فهي أقل عرضة للضرر من الخدوش و كافة الصدمات الممكنة أثناء عملية النقل.
سهولة النقل
نظراً لمقاومة أنابيب البولي ايثيلين ضد الصدمات و سهولة حملها و نقلها، فإنها نقل هكذا نوع من الأنابيب هو أسهل و إنّ احتمال تلفها جرّاء نقلها هو صفر، حيث أنه لا توجد خسائر في نقل هذا النوع من الأنابيب. بالإضافة لذلك و نظراً لقلّة وزن أنابيب البولي ايثيلين فإن كلفة نقلها أقل بكثير من نظائرها من الفولاذ.
دراسة السلوك الإهتزازي للأنابيب
الأنابيب الفولاذية: هذه الأنابيب و خاصةً إذا استُخدمت في مسارات منحنية أو منكسرة، فإنها تبدي مقاومة للزلازل، في حين تتعرض للضرر بشكل أكبر في حال الإصتدام العمودي مع الصدع. هذه الأنابيب و بالمقارنة مع أنابيب حديد الزهر، الإسمنتية و الإميانت، فإنها أقل عُرضة للضرر. في حال تم منع تآكل هذه الأنابيب، فإن أداءها في المناطق التي تتعرض للزلازل مقبول و أضرارها قليلة إلى متوسطة و حتى أنه مرن بدون اتصال. يجب التنويه بأنه و في حال تم وصل خطوط الأنابيب عبر اللحام و بشكل متكامل، فممكن أن نتوقع أداء أفضل و مناسب لهذه الأنابيب أثناء الهزات الأرضية. أنابيب البولي ايثيلين الثقيلة: إن لهذه الأنابيب سلوك إهتزازي جيد في حال تم وصلها عبر اللحام الإنصهاري، حيث يوصّى باستخدامها في المناطق التي تتعرض للزلازل. تتمتع بمرونة جيدة حيث لم تتعرض بشكل كبير لأي أضرار في الزلازل الماضية. و لكن و مع مرور الوقت و نظراً لتواجد الكلور في المياه، فإنه يسبب بانفصالها طبقة طبقة، فلذلك يجب الإنتباه إلى المدة الزمنية التي يمكن فيها استخدامها.
مقارنة مقدار الترميم الناتج عن الزلازل للأنابيب
مقدار حركة الصدع و نوع الأنبوب، هما عاملان أساسيان لتقدير حجم الأضرار التي ستتعرض لها الأنابيب، على الرغم من أن خصائص مقاومة التربة، زاوية تموضع خط الأنابيب بالنسبة لجهة الصدع و عمق تموضع الأنبوب هم أيضاً من العوامل الأساسية المؤثرة. الشكل رقم 6 يوضح مقدار ترميم الأضرار الناجمة عن حركة الصدع لكل نوع من الأنابيب.
النتيجة:
نستنتج مما سبق و بغض النظر عن قيود و مشكلات أيّ من أنواع الأنابيب التي تمت مقارنتها مع بعضها، بأن لأنابيب البولي ايثيلين خصائص و ميزات أفضل مقارنةً بباقي المنتجات، حيث يساعد استخدامها في سهولة تنفيذ المشاريع و تحمل متعهدي المشاريع و مصمميها أضرار أقل، الشي الذي يجعلها إقتصاديةً أكثر و مرغوبة من قبل المستهلك، حيث نشاهد هذا الشيء ضمن الرسم البياني التالي.
- مقاومة ضد المواد الكيميائية: هذا الأنابيب مقاومة للبيئات الحمضية، و كذلك مقاومة لأكثر المحاليل و المواد الكيميائية.
- الوزن الخفيف: تتمتع هذه الأنابيب بوزن أقل مقارنةً مع الأنابيب الفولاذية، أو المصنوعة من حديد الزهر أو الإسمنتية منها، الأمر الذي يجعل حملها و نقلها و كذلك تنفيذها و وصلها أسهل من نظائرها.
- متينة و مرنة و تتحمل التمدد: إنّ متانة و قدرة تحمل هذا النوع من الأنابيب للتمدد و الضغوط و كذلك مرونته العالية، ساعد المستخدم بحمله و تركيبه و وصله ببعضه بشكل أسهل أثناء تنفيذ المشاريع الصناعية.
- عدم التسريب: نظراً لتمتع هذا النوع من الأنابيب بخاصيّة عدم التسريب، فهو خيار مناسب لنقل الغاز و من جهة أخرى فهذا الشيء يسبب بتقليل الأضرار و الكلفة في مشاريع نقل المياه.
- مقاوم للضربات: يتمتع هذا النوع من الأنابيب بمقاومة عالية ضد الضربات، الأمر الذي يخفف أعباء الكلفة المالية الإضافية لاستخدام آليات ضغط الأنبوب و الوصلات بشكل أكبر و شراء معدات ضد الضربات، لعدم الحاجة لها. هذه الخصيصة تساعد على تنفيذ المشاريع الصناعية الكبيرة بشكل أسهل و بكلفة أقل، بالإضافة إلى أنه يقلل نسبة خسائر التنفيذ لتصل إلى الصفر. يعتبر هذا العامل سبباً وجيهاً لاستبدال الأنابيب الإسمنتية بأنابيب و وصلات البولي ايثيلين الثقيلة.
- لا تبقى فيه رواسب: بسبب تمتع الأنبوب بسطح أملس و بأرضية متدنية جداً في سطحه الداخلي، يجعل السوائل تجري فيه بسرعة عالية.
- مقاوم للكشط: يتمتع هذا النوع من الأنابيب بمقاومة عالية ضد الكشط. لذلك فهي خيار موفق لنقل السوائل التي تحتوي على مواد جامدة غير محلولة.
- مقاوم ضد هجمات القوارض و الكائنات الحيّة الصغيرة: بسبب عدم احتواء هذه الأنابيب و الوصلات على أية قيمة غذائية بالإضافة لسطحها الخارجي الصلب، لا تستطيع القوارض أن تتسبب بأي أضرار لها.
- لا تحتاج لغطاء أو حماية: بسبب مقاومة هذه الأنابيب للصدأ و التآكل فهي لا تحتاج لغطاء أو أية حماية.
- العمر الطويل: تتمتع هذه الأنابيب بعمر استهلاكي طويل. الملاحظة المهمة في مفاهيم العمر المفيد التي يجب الإلتفات لها هي طريقة تنفيذ و تركيب الأنابيب. كل الهياكل و الأدوات المدفونة تحت التراب تعتبر عملياً قسماً من تركيبته. لذلك نجد أن القوى المطبّقة تتناسب مع التفاعلات بين الأشياء الموجودة في التراب و التراب نفسه. في النتيجة نرى أن تركيب الأنابيب بشكل غير دقيق يمكن أن يؤثر سلباً على أدائه في البيئة الترابية و يسبب بإضعافه.
- مقاومة ضد المذيبات العضوية
- مقاومة ضد الأشعة الفوق بنفسجية لأشعة الشمس
- مقاومة ضد حالات إنخفاض و ارتفاع درجات الحرارة الشديدة
- السهولة و السرعة في التركيب و النقل السهل و السريع
- إمكانية استخدام أنواع الوصلات المختلفة.