سرویس ترجمه انجمن لوله و اتصالات پی وی سی

چکیده:

لوله های  پلی وینیل کلراید سخت  (PVC -U ) بیش از 50 سال است که برای مصارف متعددی از قبیل  حمل و نقل گاز، آب آشامیدنی و آب و فاضلاب به کار می روند  . در طول این سال ها عملکرد این لوله ها با روش­های گوناگون  تا حد زیادی بهبود یافته است.  یکی از روش به کشش لوله PVC-U در دو جهت محوری و مماسی در حین ساخت، منجر به جهت یافتن لوله­ها و تولید لوله های PVC -O است.. در مقاله حاضر به معرفی روشهای آزمون بر اساس  استانداردهای موجود مزایای این سیستم می پردازیم.

 

مقدمه:

 پی وی سی یک پلیمر  نسبتاً آمورف بوده که در آن مولکول ها به صورت تصادفی قرار گرفته است. با این حال، تحت شرایط معینی از فشار، درجه حرارت و سرعت، با  اعمال کشش در یک یا دو جهت، امکان جهت گیری این مولکول پلیمر وجود دارد.

 

این که پی وی سی  تا چه اندازه­ای جهت گیری کند(کم یا زیاد)  به  پارامترهای فرآیند و به طور عمده سرعت کشش، بستگی دارد و درنتیجه یک پلاستیک با ساختار لایه لایه  حاصل می شود]1[.

 

فرایند جهت گیری ساختار پلیمرها نخست درفرآیند تولید بطری های پلاستیکی و ورقه ­ها به کارگرفته شد . که درآن زنجیر پلیمر در جهت کشش اعمال شده،  جهت گیری می­کند این امر به بهبود تقریبی همه خواص مکانیکی مواد پلیمری منجر خواهد شد.  شکل 1 و 2 جهت زنجیر پلیمر را قبل و بعد از کشش . نشان می­دهد؛  قبل از فرایند کشش،  مواد ایزوتروپیک بوده و زنجیرهای پلیمر ی  به طور تصادفی توزیع شده است . پس از فرایند کشش زنجیر پلیمر هر دو جهت کشش جهت گیری می کند، و سبب افزایش مقاومت به ضربه و مقاومت در برابر رشد آهسته ترک و سایر پارامترهای محصول می شود. ]1[ و]2[.

 

درحقیقت لوله های پلی وینیل کلراید جهت یافته PVC -O طی دو مرحله تولید می گردند. .مرحله اول با  گذراندن همان مراحل  تولید  لوله های U-PVC از پودر خام PVC از طریق یک فرآیند فشاری و دمایی اکستروژن و پس از اکستروژن مرحله دوم با فرایند کشش،  لوله  در چهار یا دو جهت نسبت به قطر(دوار) گسترش می یابد در این حالت حفظ تمام خصوصیات یک لوله پلاستیکی بر پایه پلی وینیل کلراید جمله مقاومت در برابر خوردگی و طول عمر به صورت بهبود یافته حفظ می شود ]3[.

 

روشهای آزمون استاندارد

استاندارد  ASTM F1483 – 12  به معرفی ویژگی­ها و روشهای آزمون این نوع محصول پرداخته است؛ هدف ازاین استاندارد تعیین الزامات مورد نیاز برای مواد ، ابعاد، فشار پایدار، فشار ترکیدگی ، مقاومت به ضربه، طرز کار و.. و روش های نشانه گذاری  لوله های پلی وینیل کلراید جهت یافته  PVC -Oبرای کاربردهای تحت فشار است]3[.

 

براساس این استاندارد لوله های PVC –O باید با استفاده از اتصالات و درزگیرهای آب بند الاستومری استفاده شودکه ویژگیهای اتصالات  . PVC -Oباید مطابق با D3139 ASTM  و ویژگیهای درزگیرهای الاستومری مربوطه با استاتدارد F477 ASTM  مطابقت داشته باشد؛ همچنین در  مونتاژ لوله ­های  PVC –O نباید از چسب های حلالی استفاده شود]3[.

 

  اصطلاحات  زیر در تولید و کنترل کیفیت و کار با این لوله ها کاربرد دارد]3[.

 

 نسبت  گسترش(ER):

 نسبت قطر خارجی لوله PVC -Oبه قطر خارجی  لوله اکسترود شده اولیه می باشد]3[.

 

کد طراحی:

شناسه­گذاری و طراحی این لوله ها باید شامل چهار مشخصه باشد]3[:

 مخفف PVC -O،  نوع و درجه(مربوط به لوله اکسترود شده اولیه)     و تنش طراحی هیدرواستاتیک (HDS)(مربوط به لوله PVCO  ).

مثال: 1135PVCO   عبارت است از لوله اکسترود شده اولیه نوع 1 ،درجه1و محصول  نهایی PVC -Oبا تنش طراحی psi 3550

لوله اکسترود شده اولیه

عبارت است از لوله PVC اکسترود شده در مرحله اول و قبل از جهت یابی لوله]3[.

نسبت ضخامت دیواره(WTR)

نسبت بین ضخامت لوله PVC -O به ضخامت دیواره لوله اکسترود شده اولیه]3[.

 

الزامات:

قطر خارجی:

جدول 1  و 2 حدود  استاندارد اندازه های قطر خارجی دو سیستم  PVC -Oو رواداری های مربوطه  آمده است]3[. روشهای آزمون اندازه گیری قطر خارجی در استانداردD2122 ASTM  آمده است. اعمال رواداری ها فقط قبل از حمل و نقل مجاز است.

 

ضخامت دیواره:

در جدول 3 و4 حدود  استاندارد حداقل ضخامت دیواره این نوع لوله ها بر اساس قطر خارجی دو نوع سیستم COIDو  IPS داده شده است]3[.

روشهای آزمون اندازه گیری ضخامت دیواره در استاندارد D2122 ASTM  آمده است ]3[.

 

جهت گیری های مولکولی ضخامت دیواره لوله را کاهش می دهد، در نتیجه  لوله ها قطر داخلی و بخش جریان بزرگتری خواهند داشت همچنین، سطح داخلی این لوله ها بسیار صاف است، واین سبب کاهش بار های الکتریکی و در نتیجه کاهش تشکیل رسوبات در دیواره داخلی خواهد شد . تحقیقات در این زمینه نشان داده است که لوله ها ی  PVC-O بین 15٪ تا 40٪ ظرفیت هیدرولیک بیشتر از لوله های ساخته شده از مواد دیگر و با همان قطر خارجی را دارند]1[و]3[و]4[.

 

آزمونهای کنترل کیفی:

این آزمونها باید در هر دو مرحله تولید لوله های اکسترود شده اولیه و محصول نهایی انجام گیرد.

 

آزمون فشار پایدار(طولانی مدت)

این آزمون  برای هر قطر از لوله اکسترود شده اولیه و همچنین برای هر گونه تغییری در نسبت گسترش(ER)  یا نسبت ضخامت دیواره(WTR) انجام می گیرد. در این آزمون  مطابق باD1598 ASTM  و در فشارهای ذکر شده در جدول 5 ، لوله نباید دچار شکست، بادکردگی، ترکیدگی شود.

 

 در این آزمون شش نمونه  به درازای یک متر، تحت فشار ها و شرایط عنوان شده در جدول 5  به مدت 1000 ساعت قرار می گیرد. و اگر دو آزمونه از 6 آزمونه دچار نقیصه شد، آزمون مغایر و اگر یک آزمونه مردود شد ،آزمون باید تکرار شود.

 

آزمون فشار ترکیدگی(کوتاه مدت)

در این آزمون حداقل فشار ترکیدگی آزمونه ها مطابق با روش شرح داده شده درD1599  ASTM  انجام می شود، زمان آزمون نباید کمتر از 60 ثانیه باشد   در این شرایط حداقل فشار ترکیدگی برای لوله های PCV -O ، در جدول 6 آمده است [3]. 

 

آزمون Flattening:

لوله های PVC-O   در زمانی که  تحت فشار و له شدگی قرارگرفته و یا تحت تا ثیریک حادثه مکانیکی باشد، می¬تواند تغییر شکل تا  100 درصد از قطر داخلی خود داشته باشد. و لوله به سرعت به شکل اولیه خود برمی¬گردد، در نتیجه از بین بردن خطر از شکستگی بالقوه توسط فرونشست خاک و یا لبه های تیز سنگ و یا ماشین آلات از بین می رود[1].

در این آزمون ، آزمونه ها بین دو صفحه موازی یک پرس مناسب قرار گرفته و یک فشار یکنواخت  به مدت 2 تا 5 دقیقه اعمال می شود، با برداشتن فشار، آزمونه ازلحاظ  تورق لایه ها یا شکستگی و ترک بررسی می شوند[3]. 

 

شکل 3- شمای  روش آزمون Flattening

 

آزمون مقاومت در برابر ضربه

این لوله ها مقاومت بسیار عالی در مقابل ضربه و صدمات ناشی از  نصب  دارند . علاوه بر این، جهت های مولکولی انتشار ترک و خش و خطر ابتلا به رفتار گسترش  سریع ترک از بین می برد.  در نتیجه  این عوامل افزایش های  چشمگیری در طول عمر مفید محصول است]1[.

 

روش آزمون مقاومت به ضربه مطابق باD2444  ASTM   و در شرایط استاندارد   انجام می­شود.

 جدول 7  حدود  استاندارد مقاومت در برابر ضربه برای سایز­های مختلف  لوله های PVC –O را نشان می­دهد]3[.

 

اثر مواد لوله بر آب آشامیدنی

کیفیت آبی که در لوله های  انتقال آب جریان دارد و در تماس دایمی با آب می باشد باید همیشه بدون تغییر بماندو خوردگی و مهاجرت در داخل لوله ها رخ ندهد لذا آزمون کیفیت آب در این خصوص اجباری می باشد.

 

چکش آبی( مقاومت در برابر فشار بیش از حد  در سیستم های انتقال آب )

در موقع قطع برق موتور پمپهاي دوراني يا سانتريفوژ ( قطع ناگهاني برق يا خاموش كردن ناگهاني پمپ ) ، نيروي محركه دوران دهنده پروانه پمپ سريع قطع مي گردد ، به همين دليل سرعت جريان سيال بطور ناگهاني تغيير مي يابد ، و انرژي سينتيك از حالت فشار به مكش در خروجي پمپ تبديل مي شود ، در اين تغيير ، امواج فشاري شديدي در امتداد لوله خروجي پمپ پيش مي رود ، و اين امواج در اثر برخورد با مانع ( منبع آب ) منعكس و برگشت مي كند ، موج برگشتي جهت جريان سيال را در پمپ عوض كرده و دبي ماكزيممي در جهت عكس ، از پمپ جريان مي يابد و پمپ به صورت توربين در جهت عكس چرخش اوليه خود شروع به چرخش مي نمايد و براي مدت كوتاهي پمپ همانند توربين آبي عمل مي نمايد.

 

این لوله ها چهار بار کمتر از لوله های چدن نشکن ، تغییرات ناگهانی در حجم  و فشارآب تحمل کرده و  و تقریبا احتمال شکستگی را در هنگام باز و بسته شدن در شبکه های آب و در هنگام پمپاژ ناگهانی به درون سیستم از بین می برد  و این امر به حفظ هر جزء شبک کمک می کند]1[.

 

کهنگی فیزیکی
در حالی که در PVC-U ، کهنگی فیزیکی  رفتار شکست ترد را تحت تاثیر قرار داده و برای اپراتورهای شبکه مشکلات و   سوانحی را در حین عملیات لوله گذاری ایجاد می کند که باید به عنوان عامل محدود کننده در طول عمر لوله های PVC -U  در نظر گرفته شود.  برای PCV -O ، این موضوع که فرایند کشش مواد سبب ایجاد تغییرات در حالت شکست  شده و  شکست ترد را  در مدت حداقل 10 ساله اول حاصل نمی کند؛ شناخته شده است ولی با این حال؛  اثرات طولانی مدت پیری فیزیکی در رفتار شکست شناخته شده نیست و باید مورد بررسی قرار گیرد[5].

همانگونه که گفته شدروند جهت گیری مولکولی تا حد زیادی افزایش خواص فیزیکی و مکانیکی در لوله های  PVC -U  شده و این ویژگی های استثنایی، بدون تغییر مزایا و خواص پلیمر اصلی است.

مقاومت کششی
هنگامی که در لوله های آب با فشار بالا استفاده می شود این نوع از لوله کشی ، تقریبا غیر قابل خراب کردن است و دارای طول عمر بسیار طولانی  و کاهش هزینه تمام شده در تولید می باشد.

با این دلایل، لوله های PVC-O  بهترین راه حل برای شبکه های آب فشار متوسط و بالا  مصارف آبرسانی،  فاضلاب و زهکشی و... به حساب می آیند. با این وجود  محدودیت های فنی از جمله  فرآیندهای متفاوت تولید و کمبود ها در این فرآیندها از نظر بهره وری مانعی برای استفاده گسترده از این نوع لوله ها بودند.
از لحاظ عملکرد،  PVC-O  یک منحنی تنش و کرنش بسیار متفاوت در مقایسه با پلاستیک های معمولی را نشان می دهد و بسیار نزدیک به منحنی فلزات می باشد[3].
 

شکل4- مقایسه منحنی های تنش به کرنش تعدادی از پلاستیکهای مرسوم با PVC-O  و فلزات

 

نتیجه گیری
آنچه در اين مقاله ذكر شد، خلاصه¬اى از روش¬های آزمون استاندارد این محصول و مزایای لوله های PVC-O  از قبیل قدرت استثنایی و شکل پذیری، مقاومت به ضربه بالا، ویژگی های جریان بهتر، مقاومت در برابر جریان پایین، مقاوم در برابر خوردگی، سفتی  و وزن سبک و صرفه جویی در نصب و راه اندازی و می باشد. 

البته به این موضوع نیز باید توجه کرد که اطمینان از پیش بینی های انجام شده با عدم قطعیتی همراه بوده و همواره باید در کنترل کیفیت محصولات از روشهای آزمون استاندارد بهره جست.
 

ترجمه: ماهرو خالقی مقدم (عضوهیأت علمی ؛ پست الکترونیکی m.khaleghi@standard.ac.ir)
ایران-کرج، پژوهشگاه استاندارد، پژوهشکده شیمی وپتروشیمی-گروه پژوهشی پتروشیمی-صندوق پستی139-31745

 

مراجع:

[1] http://www.vinidex.com.au/wp-content/uploads/orientation.jpg

[2] Product brochure of Wavin Appolo, 2010

[3] ASTM F1483 - 12 Standard Specification for Oriented Poly(Vinyl Chloride), PVCO, Pressure Pipe

[4] Munoz. PVC-O pipes: an economical & environmental analysis for water companies and pipe manufacturers. In: Proceedings of Plastic Pipes XV. Vancouver, 2010

[5] J.A. Kwon. The work of fracture in uniaxial and biaxial oriented unplasticised polyvinylchloride pipes. Engineering Fracture Mechanics 69, 605-616, 2002