Association of PVC Pipe and Fitting Producers

انجمن لوله و اتصالات پی وی سی:    

چکيده:
با توجه به افزایش جمعیت و به تبع آن افزایش مصرف آب، توجه به بهداشت آب آشامیدنی و حفظ محیط زیست جایگاه خاص خود را پیدا نموده است. در این بین نوع و جنس لوله مورد استفاده تأثیر قابل توجهی در به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی و غیر بهداشتی آب مورد مصرف دارد. امروزه در دنیا لوله های پلیمری پی وی سی، سهم قابل توجهی از بازار را به خود اختصاص داده اند و به دنبال پیروی از مباحث زیست محیطی و بهداشتی، با حذف سرب و تغییر فرمولاسیون مواد، توانسته اند جایگاه خود را همچنان در بازار حفظ کنند. در این مقاله پس از بررسی نقاظ ضعف و قوت انواع مختلف لوله ها، نشان داده می شود که حذف سرب کیفیت و خواص مکانیکی لوله را کاهش نخواهد داد و به راحتی می توان برای انتقال آب آشامیدنی از لوله های پی وی سی عاری از سرب استفاده کرد.

واژه‌های کليدی: انتقال آب ، پلیمر، پی وی سی، سرب، لوله 

  مقدمه:
همگام با رشد صنعتی و اقتصادی و تولید انواع مختلف ترکیبات و مواد شیمیایی و غیره که بشر برای رفاه و آسایش خود با استفاده از منابع طبیعی به دست آورده، به طور ناخواسته موادی چون انواع فلزات سنگین و سمی را به طبیعت وارد می کند که هم برای محیط زیست و هم برای خود انسان مشکلات و خطرات جدی به همراه دارد. مطابق تعریف سازمان جهانی بهداشت؛ آب آشامیدنی آبی است که برای مصرف انسان و تمامی کاربردهای خانگی مناسب باشد. در عصر جدید برای انتقال آب، از لوله های پلیمری استفاده می گردد. با توجه به اهمیت افزایش استفاده از لوله های پلیمری پی وی سی در انتقال آب آشامیدنی، در این مقاله با نگاهی گذرا به انواع لوله های مورد مصرف در انتقال آب؛ به بررسی اثر لوله های پی وی سی بر روی بهداشت آب آشامیدنی پرداخته شده و به معرفی نسل جدید این لوله ها پرداخته می شود. 

لوله های مورد مصرف در انتقال آب
کاربرد لوله در شبکه انتقال و توزیع آب و فاضلاب در کشور در دهه های گذشته تغییراتی داشته است که ناشی از مسائل فنی، اجرایی، اقتصادی و محیطی بوده است. در این مقاله در نظر است تا نگاهی به پیشرفت های انجام شده در سیستم های انتقال آب و زمینه های بهداشت آب داشته باشیم. انواع لوله هایی که می تواند در انتقال آب و فاضلاب مورد مصرف قرار گیرد به شرح زیر است:

لوله های چدنی: لوله های چدنی جزو اولین لوله هایی بودند که برای انتقال آب مورد استفاده قرار گرفتند. لیکن کاربرد این لوله ها با توجه به محدودیت های خاص خود چندان ادامه دار نبود. از جمله این محدودیت ها می تواند به نیاز به وزن زیاد لوله ها، نیاز به دقت زیاد در حمل و باربری، ضرورت وجود جرثقیل برای نصب و هزینه اجرایی زیاد اشاره کرد. با توجه به این مسایل، بعد از چندی لوله های فولادی جایگزین لوله های چدنی شد که به صورت گالوانیزه و غیر گالوانیزه مورد استفاده قرار گرفتند. 

لوله های فولادی: با ورود لوله های فولادی وزن لوله ها سبک تر شد اما کیفیت منابع آب و خاک بر روی این لوله ها اثرگذار بوده و عمر مفید این لوله ها را تا میزان زیادی کاهش می داد. این مهم باعث سوراخ شدن لوله ها، زنگ زدگی و نشتی از اتصالات می گردید. از مهمترین معایب لوله های فلزی؛ پوسیدگی و خوردگی زیاد مخصوصاً در محیط های مرطوب، رسوب گیری سطح داخلی، وزن زیاد، استهلاک و مقاومت در برابر جریان سیال و در نتیجه افت فشار، هزینه های عایق کاری، سرعت نصب و اجرای پایین و عمر کم این نوع لوله بود.

لوله های سیمانی: لوله های آزبست سیمانی نسل سوم لوله هایی بودند که در انتقال آب مورد استفاده قرار گرفتند. این لوله ها ضمن اینکه مانند لوله های چدنی دارای محدودیت هایی در اجرا بودند، بعد از مدتی توسط علم پزشکی کاربرد این لوله ها ممنوع گردید. علت این امر سرطان زا بودن مواد به کار رفته در لوله های آزبست بود.

لوله های پلاستیکی: با پیشرفت صنعت پتروشیمی و تولید گسترده لوله های پلیمری و قابلیت نصب سریع و آسان آن ها و همچنین دوام بالا و ارزان بودن آن ها در مقایسه با لوله های دیگر، استفاده از آن ها در مهندسی آب اجتناب ناپذیر گردید. امروزه لوله های پلیمری به افزایش سهم خود از بازار جهانی لوله همچنان ادامه می دهند( نمودار 1). دلایل بسیاری برای این رشد چشمگیر وجود دارد که می توان به وزن سبک، قیمت پایین، مقاومت خوردگی بالا، عمر طولانی و پذیرش روز افزون بازارهایی که قبلاً در اختیار لوله های سیمانی و فلزی بود اشاره کرد. مزایای لوله های پلیمری شامل رفتار چغرمه و انعطاف پذیر، هدایت حرارتی پایین، مقاوم در برابر مواد شیمیایی، مقاوم در برابر خوردگی، غیرسمی بودن و حفظ سلامت آب های آشامیدنی، مقاومت در مقابل رشد میکرو اورگانسیم ها، عملکرد بلندمدت، کاهش آلودگی صوتی، وزن کم و حمل و جابه جایی آسان، هزینه تعمیر و نگهداری کم، سهولت نصب و صاف و صیقلی بودن سطوح داخلی می باشد[3-1].

               
نمودار 1: سرعت رشد مصرف انواع مختلف لوله[4]

لوله های پلاستیکی
انتخاب ماده‏ی پلاستیکی مناسب برای ساخت لوله‏ها به سیال منتقل شونده و مشخصه‏های سرویس و شرایط کاری سیستم بستگی دارد. بسته به نوع پلاستیک‏ها ممکن است برخی از خصوصیات پلاستیک‏ها برای سیستم و تأسیسات مورد نظر ما مطلوب و برخی نیز نامطلوب ‏باشد. به هر حال برخی از خصوصیات نامطلوب را می‏توان از طریق طراحی و نصب اصولی کاهش داد یا حذف نمود. اما آنچه مسلم است انتخاب جنس مناسب لوله برای کاربردهای متفاوت مستلزم داشتن دانش کافی درباره‏ی خواص، مزایا و معایب انواع لوله‏ های پلاستیکی است. معمول‏ترین و معروف‏ترین پلیمرهای مصرفی جهت ساخت و تولید لوله‏های پلاستیکی عبارتند از: پلی وینیل کلراید (PVC)، پلی وینیل کلراید کلردار (CPVC)، پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلاستیک های مقاوم شده با الیاف شیشه( GRP)]5[.

لوله های پی وی سی
در این میان لوله های پی وی سی که دو سوم تقاضای لوله های پلاستیکی را به خود اختصاص دادند، به دلیل استفاده گسترده شان در بسیاری از کاربردهای آب و فاضلاب، همچنان اصلی ترین لوله پلاستیکی مورد استفاده محسوب می شوند، و در کنار آن لوله های PE، PP، GRP و دیگر لوله های پلاستیکی همچنان به رشد خود ادامه می دهند.

 ویژگی های برجسته لوله های PVC عبارتند از: مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت شیمیایی، نسبت استحکام به وزن بالا و وزن سبک، نصب آسان، استحکام کششی بلند مدت، مقاومت در برابر سایش و فرسودگی، استحکام ضربه، ضریب اصطکاک پایین، حفظ کیفیت آب، هدایت حرارتی و الکتریکی پایین، مقاومت شعله، تهیه رزین PVC از منابع کم ارزش و کمک به حفظ منابع ملی، قیمت به صرفه و قابلیت بازیافت.

یکی از دلایل توفیق لوله های پی وی سی در بازار قدمت آنهاست. PVC در سال 1913 کشف شد و اولین لوله های پلیمری در سال 1934 از جنس PVC تولید شدند. اما علاوه بر قدمت 80 ساله، عملکرد خوب لوله های PVC نیز در این مدت باعث شده است تا علیرغم ورود رقبای تازه، این لوله ها جایگاه خود را حفظ کند. آزمایش هایی که بر روی لوله های PVC با عمر بالغ بر 50 سال انجام شده است، نشان می دهد که عملکرد آن ها همچنان مطابق استانداردهای فعلی قابل قبول است. امروزه با تحلیل های آماری نشان داده شده است که طول عمر لوله های PVC را می توان در حدود 100 سال و بیشتر در نظر گرفت. هم اکنون نیز لوله های پی وی سی به دلیل قیمت و عملکرد مناسب برای تمام نیازهای صنعت نظیر آب و فاضلاب جایگزین لوله های دیگر شده اند. در جدول 1 خواص مهم متداول ترین لوله های پلیمری آمده است.

همان طور که ملاحظه می شود در راستای نخستین فاکتور مهم اثرگذار بر کیفیت سیستم خط لوله یعنی خواص جزء سازنده، میزان استحکام کششی بلند مدت و نیز مدول الاستیسیته بالای PVC نسبت به سایر مواد پلیمری مورد استفاده در ساخت لوله و اتصالات، بسیار قابل توجه می باشد. خواصی که تعیین کننده پارامترهای عملیاتی اصلی طراحی لوله های مورد مصرف در صنعت آب و فاضلاب، یعنی توانایی لوله در تحمل فشار هیدروستاتیک و نیز سفتی حلقوی هستند. بالا بودن استحکام کششی بلند مدت و نیز مدول الاستیسیته PVC موجب می شود که برای رسیدن به یک مقدار مشخص از فشار اسمی یا سفتی حلقوی، ضخامت کمتری از لوله مورد نیاز باشد، که این امر خود موجب مزایای مهمی از جمله افزایش مساحت سطح مقطع جریان در لوله و وزن کمتر آن می شود.

فاکتور دوم مؤثر بر کیفیت خطوط لوله، تکنولوژی اتصال لوله است. نیاز لوله های پلی اتیلنی به جوش پلاستیک جهت تضمین آب بندی خط لوله شاید در نظر اول روشی کاراتر نسبت به روش اورینگی یا چسبی مورد استفاده در لوله های PVC بیاید، اما جدا از امکان بروز نقیصه در اتصالات جوشی بر اثر انبساط و انقباض ناشی از تغییر درجه حرارت، به کارگیری ابزارهای حجیم، سنگین و گران قیمت جوش به خصوص در مورد لوله های سایز بالا کار را دشوار و حساس می نماید. بنابراین لوله های PVC به دلیل سهولت ایجاد اتصال و امنیت بالای آب بندی در این زمینه بر رقبای پلاستیکی خود مزیت مهمی دارند.

علاوه بر این، لوله های PVC به دلیل بالا بودن صافی جدار داخلی آن ها در مقایسه با انواع لوله های پلاستیکی دارای حداقل ضریب زبری می باشند. به استناد مراجع معتبر علمی به طور معمول در مطالعات تحلیل هیدرولیکی ضریب زبری جدار برای لوله های PVC برابر 01/0 و برای سایر لوله های پلاستیک 012/0 در نظر گرفته می شود. بنابراین در چنین شرایطی، می توان چنین اذعان نمود که (با در نظر گرفتن شرایط مساوی برای سایر پارامترهای مؤثر در طراحی و تحلیل هیدرولیکی جهت انتخاب قطر خطوط) لوله های PVC قابلیت عبور جریان سیال بیشتری را در مقایسه با دیگر لوله ها و در اقطار داخلی متناظر دارا می باشند. ضمن اینکه این نوع لوله ها به دلیل ضخامت جدار نسبتاً کم از قابلیت رسوب گذاری کمتری در جدار داخلی لوله نیز برخوردار می باشند که خود مزیت دیگری به لحاظ قابلیت میزان سیال عبوری از درون لوله تلقی می گردد[6-5].

بهداشت آب آشامیدنی
هر جسم خارجی که به آب افزوده شده و باعث شود کیفیت فیزیکی، شیمیایی، یا بیولوژیکی آن طوری تغییر نماید که برای مصرف انسان و سایر موجودات و کشاورزی مضر باشد و انسان نتواند با تصفیه عادی آن را برای آشامیدن مناسب سازد جزء آلوده کننده های آب منظور می شود.آمریکا و کانادا همیشه مدعی داشتن سالمترین لوله های آب آشامیدنی در سطح دنیا بوده اند و با متحمل شدن خسارات بالای ناشی از مصرف لوله های سنتی(سیمانی، آهنی و...) و انجام مطالعات گسترده عملی و آماری در زمینه تعمیر و جابه جایی خطوط شکسته لوله به این نتیجه رسیدند که PVC بهترین ماده قابل مصرف خطوط لوله آب و فاضلاب است که نه تنها هیچ کدام از مشکلات لوله های سنتی را ندارد بلکه ویژگی های برجسته آن موجب کاهش بسیار قابل توجهی در هزینه های تولید و نصب لوله ها و انتقال آب و فاضلاب و بهتر از همه کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری لوله هاست. لوله های PVC به دلیل داشتن سطوح داخلی بسیار صیقلی (ضریب زبری و اصطکاک پایین)؛ مقاومت بسیار پایینی در برابر جریان سیال از خود نشان می دهند. در بسیاری از لوله ها باکتری-ها در قسمت های زبر و دارای پستی و بلندی لوله تجمع می کنند. تشکیل بیوفیلم به مرور راه جریان آب را می بندند، که این امر باعث افت فشار جریان شده و بر سلامت آب آشامیدنی نیز تأثیر منفی می گذارند. طبق تحقیقات سازمان بهداشت ملی(NSF)، سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA)، سازمان تحقیقات ملی کانادا و سایر سازمان ها به این نتیجه رسیدند که PVC تنها پلاستیکی است که بیوفیلم روی آن تشکیل نمی شود و یا در صورت تشکیل سریعاً از بین می رود [9-7].

نمودار 2- مصرف لوله در بازار توزیع آب آشامیدنی آمریکا
 
مقایسه لوله های پلی پروپیلن، پلی اتیلن و پی وی سی نشان می دهند که میزان آزادسازی کل کربن آلی (TOC)، برای لوله های پلی اتیلن بیشترین مقدار و در مورد پی وی سی کمترین مقدار می باشد. حضور ترکيبات آلي در آب آشاميدني، فاکتور مهمي در ميزان کيفيت آن است. يکي از مهمترين دلايل ذکر شده براي حذف ترکيبات آلي از آب شرب، نقش آنها به عنوان پيش ساز تشکيل فرآورده هاي جانبي خطرناک بعد از گند زدايي است. این مطالعات نیز نشان دهنده برتری پی وی سی نسبت به انواع دیگر لوله ها به خصوص انواع دیگر لوله های پلیمری می باشد [10].

تنها نگرانی در مورد لوله های PVC، استفاده از پایدارکننده حرارتی پایه سرب می باشد. اما استفاده از فرمولاسیون مناسب جهت تولید لوله‌های PVC موجب می شود تا مطابق استانداردهای NSF 61-62 بتوان از این لوله ها جهت انتقال آب آشامیدنی استفاده نمود و اطمینان حاصل کرد که مقادیر سرب، قلع و سایر عناصر سمی نظیر جیوه، کرم، کادمیم و باریم زیر حدود مجاز استاندارد می باشند. سرب یکی از چهار فلزی است که بیشترین عوارض را بر روی سلامتی انسان دارد. اختلال بیو سنتز هموگلوبین و کم خونی، افزایش فشار خون، آسیب به کلیه، سقط جنین و نارسی نوزاد، اختلال سیستم عصبی، آسیب به مغز، کاهش قدرت یادگیری و اختلالات رفتاری در کودکان از عوارض منفی افزایش غلظت سرب در بدن است]11[. بنابر استاندارد سازمان جهانی بهداشت (WHO)، غلظت سرب در آب آشامیدنی به mg/lit 01/0 محدود شده است. طبق استاندارد ملی ایران نیز، حد مجاز سرب در آب آشامیدنی mg/lit 01/0 است]13-12[. در حالی که تست اجزای آلی فرار لوله های پی وی سی عملاً نشان داد که اجزای آلی بسیار کمی (کمتر از حد مجاز) از لوله های PVC وارد آب می شود و میزان سرب وارد شده به آب کمتر از حد مجاز می باشد. اما امروزه در دنیا در فرآیند تولید لوله-های پی وی سی، به جای استفاده از سرب به عنوان پایدارکننده حرارتی؛ از ترکیبات دیگر مانند کلسیم-روی استفاده می گردد. دلیل حذف آن، ممنوعیت استفاده سرب در ترکیبات و جلوگیری از آلودگی محیط زیست می باشد[14]. در این راستا در ایران نیز طرح تولید لوله های پی وی سی بدون سرب آغاز شده و خوشبختانه بدون کاهش کیفیت و مطابق با استاندارد در حال تولید می باشد. نتایج آزمون های استاندارد لوله های آشامیدنی حاوی پایدارکننده کلسیم-روی نشان می دهد که تمامی پارامترها در محدوده استاندارد بوده و خواص مکانیکی لوله نیز کاهش نداشته است.  

  نتیجه گیری:
استفاده از ترکیبات جایگزین سرب در لوله های پی وی سی سبب رفع نگرانی ها در مورد بهداشت آب آشامیدنی شده است. بنابراین با در نظر گرفتن ویژگی های دیگر لوله های پی وی سی در مقایسه با سایر لوله ها، استفاده از این لوله ها علاوه بر کارکرد مؤثر آن ها، سبب کاهش هزینه های سرمایه گذاری می گردد. علاوه بر آن، این لوله ها به دلیل استفاده از اتصالات پوش فیت از آب بندی مناسبی برخوردار بوده و اجرای آن ها دارای سهولت بیشتری است. 

* پریسا جهانمرد  (کارشناس ارشد مهندسی پلیمر، شرکت داراکار، اصفهان) ، حسن کرباسچی

فهرست منابع:
1.Taskiris G., V. Taskiris, 2012, pipe technology for urban water conveyance distribution system, Water Utility Jornal 3: 29-36.
2. http://www.dipra.org, 2000, DUCTILE IRON PIPE VERSUS HDPE PIPE.
3. http://www.trenchlessonline.com, 2010, pipe material guide, taking a look at the pipe material market.
4. Boersma A., J. Breen, 2005, Long term performance prediction of existing PVC water distribution systems, TNO Science and Industry
5. Willoughby D. A., R.D. Woodson, R. Sutherland, 2004, plastic piping handbook, McGraw Hill, 
6. اولین سمینار تخصصی لوله و اتصالات پی وی سی، کیفیت، محیط زیست، مهرماه 1389
7- NSF/ANSI 61, 2013, Drinking water system components, health effects.
8. http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng, National research council of Canada
9- Lasheen M.R., C.M. Sharaby, N.G. El-Kholy, I.Y. Elsherif , S.T. El-Wakeel, 2008, Factors influencing lead and iron release from some Egyptian drinking water pipes, Journal of Hazardous Materials 160 : 675–680
10- Zhang L., S. Liu, 2014, Investigation of organic compounds migration from polymeric pipes into drinking water under long retention times, Procedia Engineering 70: 1753-1761.
11. کرباسی م.، ا. کرباسی، ع. صارمی، ح. قربانی زاده خرازي، 1389، بررسی میزان غلظت عناصر سنگین در منابع تامین کننده آب شرب شهرستان الشتر در سال  1388، فصلنامه علمی پژوهشی دانشگاه علوم پزشکی لرستان،12: 70-65
12. BS6920, Suitability of non-metallic products for use in contact with water intended for human consumption with regard to their effect on the quality of the water  
13.ISIRI1053 ، آب آشامیدنی، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی
14. Schmid A., 2015, Highlights on PVC Stabilization for Pipes – Comparison and Trends, TEPPFA Forum

Investigation of the Environmental Effects of PVC Pipes for Drinking Water

Authors: Parisa Jahanmard1, Hassan Karbaschi 
Email:parisa.jahanmard@darakar.com

 Abstract 
 
Due to the increasing of population and consequently increasing water consumption, attention to the sanitation and environmental protection has to find its place. The type of pipe material that used has significant effects in minimizing environmental and unsanitary water effects. In today's world, PVC pipe has a significant share of the market and to follow the environmental and health issues, by omitting lead and change material formulations, can maintain its position in market. In this paper, after the investigation of the weaknesses and strengths of different types of pipes, then it shows that the removal of lead from pipes will not reduce the quality and mechanical properties, so lead-free pipes can be used to distribute potable water.
Keywords: water distribution, polymer, PVC, lead, pipe