فعاليتهای اين گروه شامل توليد وتجارت كالا هاي صنعتي وساختماني و لوله و اتصالات و مخازن ويژه مشتقات نفتی و شیمیایی و آب وفاضلاب مي باشد.
میانبر
آدرس دفتر مرکزی : مشهد-خیابان احمدآباد-بلوار بعثت-شماره۱۶۷
دورنگار: 051-38430444
شماره تلفن: 051-38422783
کارخانه : فریمان-شهرک صنعتی کاویان
شماره تلفن: 051-34693357
کدپستی: 9176874378
دورنگار: 051-38430444
ارتباط با دپارتمان فنی: jahanfanavari@gmail.com
ارتباط با واحد مهندسی فروش: aria.kavan@yahoo.com
برگشت به بالا
فهرست مطالب :
1- مقدمه
2- معیارهای انتخاب لوله
3- انواع لوله های رایج در صنعت
4- طول عمر انواع لوله های رایج در صنعت آب
5- مقایسه انواع لوله های رایج در صنعت آب
5-1- مقایسه لوله های پلی اتیلن ، چدن نشکن ، فولادی و فایبرگلاس در شرایط کارکرد عادی
5-2- مقایسه لوله های پلی اتیلن ، چدن نشکن ، فولادی و فایبرگلاس جهت نصب در مناطق زلزله خیز و زمین های با شرایط خاص
5-2-1- رفتار لوله های مختلف در برابر زلزله
5-2-1-1- تعریف عوامل آسیب رسان به لوله ها
5-2-1-1-1- لرزش زمین
5-2-1-1-2- تغییرمکان ماندگار زمین
5-2-1-2- مودهای خرابی در لوله های مدفون
5-2-1-3- اثر زلزله بر روی انواع لوله ها
5-2-1-3-1- رفتار لرزه ای لوله ها
5-2-1-3-1-2-مولفه های مهم آسیب پذیر لوله های مدفون در هنگام زلزله
5-2-1-4- نتیجه گیری
5-2-2- رفتار لوله های مختلف در خاک های خورنده
6- لوله های ترکیبی و نوین
6-1-لوله های کامپوزیت – فولاد
6-2-لوله پلی اتیلن کاروگیت تقویت شده با فولاد
6-3- لوله پلی اتیلن اسپیرال تقویت شده با فولاد
6-4- لوله های بتن پلیمر
6-5- لوله های پلی اتیلن – کامپوزیت (PE-GF)
6-5-1- آنالیز رگراسیون
6-5-2- اتصالات و متعلقات
6-6- نتیجه گیری
7- بررسی اثر خوردگی خاک بر تعیین جنس لوله
7-1- مبانی خوردگی در محیط خاک
7-1-1- خاک های قلیایی و خنثی
7-1-2- خاک های اسیدی
7-2- خاک
7-2-1- نفوذ پذیری خاک
7-3- عواملی که برخوردگی در خاک تاثیر می گذارند
7-3-1- جنس خاک
7-3-2- میزان رطوبت و جایگاه آب های زیر زمینی
7-3-3- مقاومت الکتریکی خاک و میزان یون محلول
7-3-4- PH خاک
7-3-5- پتاسیل اکسیداسیون – احیا (ORP)
7-3-6- سطوح متفاوت اکسیژن
7-4- اثرات خاک بر روی حفاظت کاتدی و پوشش های محافظ
7-5- خوردگی لوله های پوشش دار
7-5-1- آسیب پوشش لوله ها
7-5-2- مکانیزم از بین رفتن پوشش
7-6- راهکارهای برآورد پتانسیل خوردگی خاک برای لوله های فلزی
8- انتخاب جنس لوله
8-1- معیارها و محدودیت های فنی
8-2- معیارهای اقتصادی
8-2-1- مقایسه هزینه سرمایه ای انواع لوله ها
8-3- انتخاب جنس لوله مورد استفاده در طرح های آبرسانی
8-3-1-روش تحلیل سلسله مراتبی
8-3-2- معیارهای تاثیر گذار بر انتخاب بهترین جنس لوله
8-3-3- نتیجه گیری
چکیده :
این گزارش با هدف بررسی و مقایسه فنی و اقتصادی انواع لوله های رایج و قابل استفاده در طرح انتقال آب و فاضلاب باتوجه به آنچه در این گزارش ارائه شده است و با توجه به بررسی معیارهای مختلف فنی و اقتصادی در پروژه های مشابه آبرسانی ، استفاده از لوله های فایبرگلاس باتوجه به مقایسه انجام شده به روش AHP و با در نظر گرفتن هزینه های سرمایه گذاری و جاری دارای اولویت اول می باشند.
1- هزینه تامین و اجرای لوله های فایبرگلاس در تمامی اقطار و خصوصاً لوله با قطر 2000میلی متر ، ارزانترین گزینه است و این هزینه برای قطر 2000 معادل 22 درصد کمتر از لوله فولادی و معادل 28درصد کمتر از لوله چدنی می باشد.
1- مقدمه
بخش عمده هزينه هاي طرح های آبرسانی و خطوط انتقال آب و فاضلاب ، هزينه هاي خريد و نصب لوله مي باشد، بطوریکه حدود 50 تا 60 درصد هزینه احداث سیستم های انتقال آب و فاضلاب را هزینه های تامین لوله و اتصالات تشکیل می دهد.
با توجه به تنوع جنس لوله و توسعه صنايع داخلي در اين بخش مسئله تصميم گيري در انتخاب جنس و قطر مناسب لوله از اهميت خاصي برخوردار است. برای انتخاب نوع لوله ضمن رعایت استانداردها، مشخصات هیدرولیکی طرح نظیر قطر و فشار کار لوله ها، زمان تحویل و امکانات تولید توسط کارخانجات مختلف باید مورد بررسی قرار گیرد.
گزارش حاضر به عنوان یک گزارش کلی، با در نظر گرفتن شرایط فعلی کشور و توانمندی های ساخت انواع لوله های مختلف در داخل کشور و به منظور کمک و راهنمایی به کارشناسان ذی ربط به منظور سهولت بخشیدن به فرآیند انتخاب جنس لوله مناسب برای هر پروژه تهیه شده است.
2- معیارهای انتخاب لوله
فاكتورهاي زير در انتخاب لوله بايد مد نظر قرار گيرند:
• مقاومت لوله در برابر بارهاي داخلي و خارجي
• مقاومت لوله در مقابل خورندگي آب و خاك
• سهولت تهيه، هزينه هاي خريد، حمل و نصب
• ميزان زبري جدار داخلي و نحوه افزايش آن در طول دوره طرح
• نحوه اتصال لوله و متعلقات آن
• دوام و انعطاف پذيري لوله
• فشار كار، شرايط بهرهبرداري و درجه حرارت محيط
برای بررسي مقاومت لوله در مقابل خورندگي داخل و خارج، دراختيار داشتن اطلاعات كافي از جنسخاك مسير و همچنين مواد محلول در آب ضروري است. بطور كلي خورندگي باعث انهدام و از بين رفتن بخشي از لوله در تماس با آب، هوا، خاك و يا هر ماده خورنده ديگر ميباشد. اين عمل به علت تأثير متقابل جنس بدنه لوله و محيط اطرافش در اثر فعل و انفعالات شيميايي صورت ميگيرد. البته مشكلات ناشياز رسوبگذاري نيز كمتر از خورندگي نيست چرا كه در تأسيسات آبرساني و خصوصاً انتقال آب و فاضلاب ايجاد رسوب باعث كاهش ظرفیت مفيد تأسيسات ميگردد.
ساير عوامل موثر در انتخاب جنس لوله شامل محل اجرا، عمر مورد انتظار و مهارت نيروي كار جهت نصب لوله ها میباشد. اكثراً مشاهده ميشود بهترين جنس مورد قبول از نظر فني و مهندسي به سادگي و سرعتي كه مورد انتظار طرح است تأمين نميشود و يا هزينههاي تهيه و اجراي آن بسيار سنگين بوده كه در آن صورت ترجيح داده ميشود به منظور كاستن از هزينههاي اوليه و يا اجراي سريع و به موقع پروژه از انتخاب بهترين چشم پوشيده و به انتخاب مناسب تر در شرايط موجود اكتفا نمود.
3- انواع لوله های رایج در صنعت آب
لولههاي معمول در خطوط انتقال آب و فاضلاب عبارتند از: لوله هاي بتني مسلح و پيش تنيده، فولادي، چدن نشكن، آزبست سيمان، لوله هاي پلي اتيلن، پی وی سی و فايبرگلاس. در ادامه شرح مختصري دررابطه با هر يك ارائه شده است.
الف - لوله هاي بتن مسلح و پيش تنيده
لوله هاي بتن مسلح با فشار كار بالا براي خطوط انتقال آب و شبكه هاي انتقال فاضلاب تحت فشار مورد استفاده قرار ميگيرند. اين نوع لوله ها در اقطار 200 تا 2000 ميليمتر توليد ميشوند و روش اتصال آنها به یکدیگر معمولاً بصورت نر و مادگی می باشد ولی در برابر فاضلاب به سرعت تخریب می شوند و میلگردهای آنها به خاطر جذب آب زیاد بتن در معرض خوردگی زیاد است.
ميزان زبري مطلق در اين لوله ها كمتر از يك ميليمتر ميباشد. اين لوله ها داراي عمر نسبتاً طولاني هستند و براي انتقال آب و فاضلاب معمولاً با مشكلي از نظر خورندگي مواجه نيستند. وزن اين لوله ها در مقايسه با ساير لوله ها بيشتر بوده و تجربه كلي استفاده از لوله هاي بتني مسلح با فشار كار بالا نشان ميدهد كه بكارگيري اين لوله ها به دلیل وزن زیاد، مشکلات زیادی دارد.
این لوله ها معمولاً بسیار سنگین بوده و حمل و نصب آن نیز مشکل است. از نظر مقایسه وزن، بر اساس قطر و فشار کار، 3 تا 4 برابر سنگین تر از لوله های فولادی می باشند. این لوله ها در زمان کاربرد، انعطاف پذیری کمی دارند. اتصالات به نحوی است که انحراف لوله های متوالی نسبت به یکدیگر بسیار محدود می باشد. بریدن لوله ها در کارگاه عملا غیر ممکن است و ساخت قطعات مورد نیاز و همچنین تعویض آنها در مواقع ضروری با مشکلات زیادی همراه است.
یکی از ضعف های بزرگ این نوع لوله ها مقاومت کم آنها در برابر ضربه قوچ و انتشار ترک در جداره میباشد. از دیگر مشکلات کار کردن با این نوع لوله ها محدودیت ساخت و نصب اتصالاتی نظیر سه راهی ها و زانویی می باشد که اکثراً کاربر را به سوی استفاده از اتصالاتی با جنس متفاوت از خط انتقال سوق می دهد.
مزیت اصلی لوله های بتنی پیش تنیده امکان ساخت آنها برای فشار کارهای مختلف می باشد. بنابراین بجای خرید یک استاندارد تجاری که در بسیاری از موارد ممکن است قویتر از لوله مورد نیاز طرح باشد، می توان لوله را طبق فشار کار مورد نظر تولید نمود که در نتیجه اثرات اقتصادی آن چشمگیر خواهد بود.
لوله های بتنی معمولاً در برابر خوردگی مقاومت کافی دارند ولی در مواردی که خاک منطقه دارای یون سولفات باشد باید از سیمان ضد سولفات استفاده شود و چنانچه سیمان ضد سولفات نیز نامناسب باشد باید از پوشش حفاظتی مخصوص بهره جست.
ب - لوله هاي فولادي
ساخت لوله های فولادی نسبت به لوله های دیگر ساده تر است. لذا کارخانجات مختلفی اقدام به ساخت این نوع لوله می نمایند. این لوله های به شدت نیازمند عایقکاری و حفاظت کاتدیک هستند و حتی در چنین شرایطی نیز عمر آنها به سختی به 20 سال می رسد.
اين لوله ها معمولاً براي فشارهاي بيشتر از 16 اتمسفر بكار ميروند و در اقطار مختلف از 50 تا 3000 ميليمتر ساخته مي شوند. بدليل مقاومت لوله هاي فوق در مقابل فشارها و ضربات داخلي و خارجي كاربرد اين لوله ها در محلهایي كه در معرض ارتعاشات و ضربه هاي شديد ميباشند و يا در زمين هاي سست، ناپايدار و در شيب هاي تند و مناطق سنگلاخي توصيه ميگردد.
استفاده از لوله های فولادی در خطوط آبرسانی از سال ها پیش متداول و مرسوم بوده است و وجود تجربه زیاد بکارگیری لوله های فولادی در نزد متخصصین کشور، از جمله امتیازاتی است که در اثر کاربرد این لوله ها بدست آمده است. امتیاز اصلی این لوله ها قابلیت کشش، انعطاف و تحمل فشار بالا، طول بیشتر در یک شاخه لوله و در نتیجه تعداد اتصالات کمتر می باشد.
به دلیل ساخت لوله ها در محدوده وسیعی از قطر و ضخامت جداره، دامنه انتخاب اندازه مناسب برای شرایط ظرفیت و فشار کار طرح بسیار گسترده است. ورق مورد نیاز برای ساخت لوله های فولادی با ضخامت حداکثر 16 میلیمتر و گرید ST52 به وسیله کارخانه فولاد مبارکه اصفهان تولید میشود ولی ورق بالاتر از 16 میلیمتر و یا گرید بالاتر از ST52 که برای فشار کارهای بالا مورد نیاز است باید از خارج کشور وارد شود و این امر از مشکلات استفاده از لوله های فولادی برای فشار کارهای بالا میباشد. انعطاف پذیری و قابلیت بریدن و جوش دادن فولاد برای تهیه شکل های مناسب در موارد مختلف مثل مجموعه شیرآلات، عبور از رودخانه، عبور از پیچ و خم های مناطق کوهستانی و یا جلوگیری از صدمات وارده در زمان اجرای لوله بسیار مفید میباشد. لوله های فولادی معمولاً در طول های 6 تا 12 متر تولید می شوند که سبب کاهش هزینه نصب و تعداد اتصالات در طول خط لوله خواهد شد.
يكي از معايب اين لوله ها مقاومت كم در برابر عوامل خورنده است، لذا براي پوشش داخلي و خارجی آنها بايد دقت بيشتري بعمل آيد.
از جمله پوشش هاي مناسب در انتقال آب و فاضلاب و فاضلاب سرد، اندود آن با لايهاي از ماسه و سيمان به ضخامت 4 تا 16ميليمتر ميباشد و درصورتي كه خورندگي آب زياد باشد از پوشش اپوكسي استفاده ميشود. بدليل مقاومت كم جدار خارجي در برابر خورندگي خاك استفاده از پوشش خارجی و حفاظت كاتدي نیز ضروري است.
عایق کاری داخلی و خارجی لوله های فولادی باید با کیفیت خوب و دقت کافی انجام شود. در غیر اینصورت هر گونه سهل انگاری در زنگ زدایی لوله و یا عملیات پوشش موجب کاهش شدید عمر لوله خواهد گردید.
اتصال لوله هاي فولادي بصورت فلنجي و یا از طریق کوپلینگ های مکانیکی امكان پذير است و درصورتيكه جدا نمودن دوباره لوله مطرح نباشد ميتوان آنها را بهم جوش داد.
روش جوشکاری برای طول های زیاد و مستقیم مناسبتر می باشد. برای اتصال جوشی وسایل لازم و کارگر ماهر و جوشکار مورد نیاز است. معمولاً اتصالات جوشی با رادیوگرافی یا تست اولتراسونیک در حین کار آزمایش می شوند تا از دقت جوش، آب بندی و مقاومت خط لوله در محل اتصالات اطمینان حاصل شود. لوله های فولادی جوشی در محل اتصال شیرآلات به کوپلینگ، برای حفظ تداوم جریان الکتریکی حفاظت کاتدیک در همان محل، به اتصال الکتریکی نیاز دارد.
لوله های فولادی با اتصالات کوپلینگی و یا فلنجی نیازی به کارگر ماهر ندارند ولی سرعت لولهگذاری در این حالت محدود است. محل کوپلینگ باید با پوشش مناسب حفاظت شده و جهت تداوم جریان الکتریکی حفاظت کاتدیک، از اتصال هدایت جریان استفاده گردد. اتصالات کوپلینگی برای فشار کارهای بالا مناسب نیست.
ج - لوله هاي چدن نشكن (داكتيل)
برای محافظت از این لوله ها در خاک های خورنده استفاده از غلاف پلیاتیلن رایج میباشد ولی این لوله ها سابقه ی استفاده از انها در پروژه های آبی به بیش از صد سال می رسد. لوله های چدن نشکن به لحاظ امتیازات اساسی از قبیل قابلیت انعطاف، استحکام و مقاومت نسبتاً بهتر از فولاد در برابر خوردگی در شرایط مختلف کیفیت آب، هوا و خاک کاربرد فراوان دارند. اصولاً چدن نشکن به چدنی اطلاق می شود که کربن موجود در ساختمان کریستالی آلیاژ آن به صورت گرافیت کروی باشد. این چدن معمولاً دارای بیش از 2 درصد کربن و حدود 7/1 تا 5/2 درصد سیلیسیوم بوده که این کیفیت اثرات منفی گرافیت رشته ای را که به صورت ترک های مویی عمل می کند کاهش داده و در نتیجه به چدن خاصیت شکل پذیری و قابلیت انعطاف می دهد.
این نوع لوله ها در مقابل خورندگی آب و یا خاک در شرایط نرمال مقاومت بهتری از فولاد دارند و بدليل ديواره ضخيم و مقاومت خوب در مقابل خورندگي، از عمر نسبتاً طولاني تری برخوردار هستند. در چدن زنگزدگي بصورت يك پوشش چسبنده قوي عمل كرده و باعث كاهش اثر خورندگي ميگردد همچنين اين لوله ها، از انعطاف پذيري خوبي در مقابل نيروهاي ضربهاي برخوردار ميباشند. مطابق استاندارد ISO 2531-2009 این لوله ها بسته به نوع اتصال لوله ها قابلیت تولید تا فشار کار 40 بار برای لوله های تا قطر 600 میلی متر، 30 بار برای لوله های تا قطر 1400 میلی متر و 25 بار برای لوله های تا قطر 2600 میلی متر را دارا می باشند. لوله های چدنی در داخل کشور در اقطار 100 تا 2000 میلیمتر و در صورت سفارش تا قطر 2600 میلی متر و در کلاس های فشاری 10، 16، 20، 25 و 30 بار قابل تولید می باشند. اتصالات و متعلقات لوله های چدن نشکن بصورت فلنجی، تایتون و یا گلندی ساخته میشود. معمولاً اتصالات فلنجی برای لوله و اتصالات داخل ایستگاه های پمپاژ و یا حوضچه شیرآلات و بخصوص برای لوله های روکار استفاده می گردد. برای اتصالات فلنجی نیاز به مهار لوله و نیروهای محوری حاصل از فشار داخلی سیال نخواهد بود. اتصال لوله های مدفون معمولاً از نوع تایتون و گلندی می باشد.
مزایای عمده این لوله ها عبارتست از مقاومت بهتر در برابر خوردگی نسبت به لوله فولادی، مقاومت مناسب در برابر نیروهای داخلی و خارجی، سادگی و سرعت نصب می باشد.
از معایب این نوع لوله ها نیز میتوان به سنگینی وزن و دشواری حمل و نقل اشاره نمود. همچنین محدودیت ظرفیت تولید کارخانجات داخلی و خوردگی لوله در خاکهای خورنده جزو معایب دیگر این نوع لوله ها میباشد. برای محافظت لوله در خاک های خورنده استفاده از غلاف پلیاتیلن رایج میباشد.
د - لوله هاي آزبست سيمان
لوله هاي آزبست سيمان در مقابل خورندگي مصون هستند و در مقابل تهاجم مواد شيميايي مقاوم مي باشند.
سهولت نصب و امكان تهيه آنها در بازار داخلي به همراه مقاومت خوب در برابر خوردگی و ثابت ماندن ظرفیت انتقال آب و فاضلاب در طی زمان از جمله مزاياي اين نوع لولهها ميباشد، لكن شكنندگي لولههاي مذكور ازجمله مواردي است كه بعنوان نقاط ضعف اين نوع لوله ها مطرح مي باشد و كاربرد آنها را محدود ميسازد.
عیب اصلی لوله های آزبست سیمان، مقاومت کم آن در برابر نیروهای ضربه ای است و لذا لوله های مذکور حین بارگیری، حمل و نقل و باراندازی و همچنین در هنگام کارگذاری در ترانشه آسیب پذیر می باشند. از عیوب دیگر این لوله ها عدم آب بندی مناسب آنها در اقطار بالا می باشد. آزمایش خطوط لوله آزبست سیمان نیز مسائلی را پیش می آورد که مختص این نوع لوله هاست زیرا معمولاً فشار کار فوق الذکر در مورد لوله های آزبست سیمان ساخت داخل صادق نبوده و حداکثر فشار قابل اطمینان حدود 60 تا 70 درصد مقادیر فوق می باشد.
گرچه لوله های آزبست سیمان در شبکه های توزیع آب (فشار کم و اقطار پایین) مورد مصرف دارند لیکن معمولاً به عنوان خط انتقال در اقطار بالا و در مواردی که احتمال ضربه قوچ وجود دارد مورد استفاده قرار نمی گیرند.
لوله هاي آزبست سيمان تا چند سال قبل از لوله هاي پرمصرف آبرساني شهري بوده اند ولی در سال هاي اخير در مورد مخاطرات بهداشتي آزبست سيمان بحث هاي زياد به عمل آمده است بطوريكه گروهي از متخصصان مصرف اين لوله ها را به دليل پتانسيل مخاطرات بهداشتي آن توصيه نمي كنند.
بیش از 70 درصد کشورهای جهان کلیه محصولات آزبست را ممنوع کرده و برای سلامت به شدت مضر می دانند .
هـ - لوله هاي پلي اتيلن
لوله های پلی اتیلن در سه نوع LDPE، MDPE وHDPE لوله های پلی اتیلنی با وزن کم، متوسط و زیاد تولید می شوند. تفاوت عمده سه نوع پلیاتیلن ذکر شده در وزن مخصوص آنها می باشد.
این لوله ها در دمای معمولی نشکن هستند ولی در دمای 5 درجه بالای صفر و کمتر ، شکننده هستند.
این لوله ها به دلیل وزن کم، صافی سطح بسیار خوب و بادوام سطح داخلی که برای مدتی طولانی سطح لوله را صاف و ضریب اصطکاک را کوچک نگه میدارد مشهور هستند. به دلیل صافی بادوام، رشد میکرو ارگانیزم ها در سطح لوله انجام نمی شود، لذا لوله کمتر در معرض فعالیت این موجودات و تأثیرات مختلف آنها از جمله افزایش زبری سطح قرار می گیرند. لوله های پلی اتیلن مقاومت خوبی در مقابل خوردگی های شیمیایی دارند.
این لوله ها تا قطر 6 اینچ حول یک قرقره پیچیده می شود و هنگام نصب با طول های بسیار زیاد و بدون استفاده از اتصالات نصب می شود و هزینه نصب آنها کمتراست. خصوصیت الاستیک لوله مقاومت خوبی در مقابل ضربه قوچ و یخ زدگی آب به وجود می آورد. انواع پلی اتیلن که در آنها از 5/2 درصد دوده کربن استفاده شده باشد در مقابل اشعه ماورای بنفش مقاوم بوده و اشعه آن را شکننده نمی کند. از این نوع پلی اتیلن می توان در خطوط انتقال روکار نیز استفاده نمود. از مزاياي دیگر اين لوله ها می توان به تنوع قطر و سهولت نصب و اجرا اشاره کرد.
اين لوله ها مطابق استاندارد ملی ایران در اقطار تا 2500 ميلميتر و با فشار كارهاي 5/2، 2/3، 4، 6، 10 اتمسفر توليد مي شوند. خاطر نشان می سازد که حداکثر قطر تولیدی با فشار کار 10 و 16 اتمسفر بترتیب 2500 و 1000 میلیمتر می باشد. لازم به توضیح است که حداکثر قطر لوله قابل تولید در ایران 2500 (ثقلی) میلیمتر و در خارج از ایران تا 4000 میلیمتر بصورت ثقلی می باشد.
اقطار اسمي لوله هاي پلي اتيلن براساس قطر خارجي آنها مي باشد و در محاسبات هيدروليكي بايد قطر داخلي آن با توجه به ضخامت جداره محاسبه گردد.
اين لولهها در برابر نيروهاي وارده از خاك و ضربه رفتار نامناسب نشان ميدهند و بدليل تفاوت ميزان مقاومت در جهات مختلف چگونگي عملكرد لولههاي پلياتيلن در دراز مدت قابل پيش بيني نمي باشد. گزارشی وجود دارد که نشان می دهد ظرف 10 سال سفتی اولیه این لوله ها 40 درصد کاهش یافته و دوپهن شده است.
یکی دیگر از معایب این لوله ها سوراخ شدن آنها در اثر برخورد با اشیاء نوک تیز است لذا در زمان اجرا باید دقت کافی به عمل آید. همچنین اگر جنس نامناسب در تولید لوله ها بکار رود، جوش دادن آنها به یکدیگر با مشکل مواجه خواهد شد.
یکی دیگر از مشکلات بالقوه در لوله های پلی اتیلن صدمه دیدن لوله های پلی اتیلن توسط جوندگان (موش و موریانه) و به طور مشخص موش ها می باشد که در ادامه با تفضیل بیشتری به آن پرداخته شده است.
در سال های اخیر و پس از استفاده از لوله های پلی اتیلن در شبکه های مختلف آب و گاز کشور، مواردی مبنی بر ایجاد خسارت در این لوله ها در برخی استانها مشاهده گردید که پس از تحقیق، علت آسیب دیدن لوله های پلی اتیلن، برخی جوندگان (موش و موریانه) تشخیص داده شده است. این تخریب و تهاجم بسته به شرایط اقلیمی که لوله های پلی اتیلن در آن بکار گرفته می شوند، متفاوت است.
در استان خراسان برای اولین بار در سال 1382 یک مورد مشکوک موش خوردگی در یکی از شهرها گزارش شد که موضوع توسط واحد ذیربط در ستاد شرکت ملی گاز مورد بررسی قرار گرفت. متعقاب آن دو مورد موش خوردگی انشعاب پلی اتیلن در تاریخ 11/12/1383 در یکی از روستاهای استان خراسان کشف و انشعاب مورد نظر مورد تعمیر قرار گرفت، همچنین یک مورد موش خوردگی در تاریخ 19/10/1383 در یکی از روستاها کشف و مورد تعمیر قرار گرفت، در تاریخ 11/12/1383 نیز در همان روستا دو مورد دیگر موش خوردگی کشف و تعمیر شد که نکته قابل توجه این بود که یک مورد از موش خوردگی های کشف شده مربوط به انشعابی بود که قبلاً و در حدود سه ماه قبل یعنی 14/9/1383 مورد هجوم موش ها قرار گرفته و محل نشتی تعمیر شده بود. علاوه بر این، مواردی از موش خوردگی در استان های لرستان و سمنان نیز گزارش شده است.
در واقع جوندگان نه تنها به علت استفاده از آب موجود در لوله های آبرسانی، بلکه به علت طعم مطلوب محصولات پلیمری نیز به سمت لوله های پلی اتیلنی جذب می شوند. در شرایط خاص کاربرد به عنوان لوله های آب در برخی موارد حساس، میزان این تهاجم خطرناک بوده و می تواند موجب وقوع حوادث جبران ناپذیری شود.
برای حل این مشکل یکی از ساده ترین راه ها بهینه سازی خاک اطراف لوله به روش های مختلف از جمله استفاده از موانع فیزیکی مانند توری و سنگریزه می باشد.
اما بهتر آن است که در ابتدا و در حین تولید بتوان به منظور عدم آسیب پذیری لوله های پلی اتیلن در برابر عوامل خارجی نظیر جوندگان گامی علمی برداشت و لوله های مقاوم در برابر این عوامل خارجی را تولید نمود.
برای تولید چنین لوله های باید به لوله های پلی اتیلن افزودنی های ضد جوندگان اضافه شود، اما این کار دارای اشکالاتی می باشد.
نخست آنکه : تمامی افزودنی های ضد جوندگان که توسط مکانیزم های مختلف بر روی آن اثر گذاری دارند در بالک لوله یعنی در ناحیه میانی از ضخامت لوله به سبب سرعت سرمایش پایین در هنگام تولید، ایجاد نواحی فومی و اسفنجی می کند. این مساله بر روی خواص مکانیکی و فیزیکی لوله تاثیر منفی دارد.
مساله دوم : قیمت بسیار بالای مواد ضد جوندگان است که تولید لوله های پلی اتیلن را عملاً از نظر اقتصادی ناممکن می سازد.
کلید حل مشکلات فوق در فرآیند تولید لوله های چند لایه نهفته است. در این شرایط لایه خارجی لوله ها به ضخامت 500 تا 1000 میکرون دارای مواد ضد جونده می شود. مزیت این سیستم در این است که لایه خارجی به محض خروج از قالب پس از عبور از کالیبراتور شروع به خنک شدن میکند و سرعت خنک کاری در این حالت از سینتیک اسفنجی شدن مواد ضد جونده بسیار سریعتر بوده و بدین سبب این مواد را در جا در پوسته خارجی لوله منجمد می سازد.
ماده ضد جونده که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد رودرپل (Roderpel) است که مادهای است غیر سمی و بی خطر است. در صورت استفاده از این ماده در لوله های پلی اتیلن جوندگان کشته نمی شوند بلکه جوندگان به وسیله مکانیزم های حسی (طعم بسیار تلخ و تحریک پوستی) از لوله های کارگذاری شده دوری می جویند. بسیاری از شرکت های تولید کننده لوله های پلی اتیلن در سایر کشورها نیز (نظیر آمریکا) از ماده مذکور استفاده نموده و نتایج مثبتی در خصوص دوری جوندگان و حتی برخی پرندگان را ثبت کرده اند. لازم به ذکر است ماده رودرپل هم به صورت گرانول جامد و هم به صورت مایع تولید می شود و علاوه بر لوله های پلی اتیلن در محصولات تولید شده از پلی اورتان، پلی پروپیلن، پی وی سی، کابل ها و فیبرهای نوری نیز کاربرد دارد. بدین ترتیب می توان بدون کاهش خواص فیزیکی و مکانیکی لوله، لایه خارجی لوله را با استفاده از مکانیزم رهایش کنترل شده در برابر حملات جوندگان مقاوم نمود. ماده ضد جونده رودرپل دارای عمری بین 5 تا 40 سال می باشد. همچنین از مزایای دیگر این ماده آن است که در دماهای بالا پایداری حرارتی دارد و در صورت استنشاق خطری در پی نخواهد داشت. به دست آمدن نتایج مثبت نشان می دهد که ماده ضد جونده رودرپل می تواند علاوه بر لوله های آب شرب، در لوله های گازرسانی نیز مورد استفاده قرار گیرد.
با بررسی موارد فوق می توان نکات زیر را به عنوان راهنمایی برای بررسیهای بعدی مد نظر قرار داد:
• هر نوع موشی قادر به حمله به لوله های پلی اتیلنی نیست و قاعدتاً و (احتمالاً) موش های صحرایی یا کیسه دار که در برخی مناطق خاص زندگی می کنند از عهده این کار بر می آیند.
• یکی از نکات مشترک در مورد لوله های پلی اتیلن مورد حمله در استان خراسان سایز لوله می باشد. به نظر می رسد که موش های منطقه قادر به ایراد صدمه به لوله های با قطر بیش از 25 میلیمتر (63-90-110-125-160) نیستند.
• از دیگر نکات قابل توجه، عمق لوله های مورد هجوم است. بررسی ها نشان می دهند که موش ها تنها در صورتی در پی ایراد صدمه به لوله های پلی اتیلن بر می آیند که این لوله ها به عنوان مانعی در مسیر حرکت آنها قرار گیرند. در این صورت موش ها سعی در برداشتن مانع از مسیر عمدتاً افقی خود می کنند. همچنین بر اساس اظهار برخی متخصصان علوم جانوری موش ها در نفوذ در اعماق زمین از نظر عمق با محدودیت مواجه هستند.
• آخرین نکته مفید، فصلی است که موش خوردگی در آن اتفاق می افتد. بررسی ها نشان می دهد که موش خوردگی ها در فصول خاصی از سال (پاییز و عمدتاً زمستان) می باشند.
• علاقمندی جوندگان به این لوله ها بیانگر وجود طعم و بو در این لوله ها بوده و نشان می دهد که حتما موادی هر چند ناچیز از آن جدا می شود و به تدریج وارد آب و خاک می گردد.
و - لوله هاي فايبرگلاس (GRP)
تولید لوله های فایبرگلاس مبتنی بر استفاده از ترکیبات مختلفی که بطور عمده از الیاف شیشه، رزین و ماسه سیلیسی تشکیل شده، می باشد و در دنیا به دو روش الیاف پیچی (Filament Winding) و گریز از مرکز (Centrifugal Casting) تولید می شوند. سیستم تولید در داخل ایران به روش الیاف پیچی است.
اين لولهها به علت زبری كم، مقاومت كامل در برابر خورندگي شيميايي، قابليت تحمل فشار بالا، سبكي و سهولت نصب و نيز امكان اتصال با لوله هاي غير همگن بعنوان يك گزينه مهم در انتخاب لوله هاي آبرساني مطرح مي باشند.
لوله هاي فایبرگلاس در اقطار 20 تا 4000 ميليمتر توليد مي گردند و براي فشار كاري از 1 تا 32 اتمسفر قابلیت توليد دارند. این لوله ها دارای وزن کم و به طول های6 و 12 متر تولید می گردد. سیستم اتصال آنها به یکدیگر بصورت اتصالات نر و مادگی (ساکت و اسپیگات) و همچنین اتصالات کوپلینگی است، هر چند می توان این لوله ها را با استفاده از اتصالات مکانیکی (جانسون کوپلینگ) نیز به یکدیگر متصل نمود. لوله های فایبرگلاس دارای قابلیت ارتجاعی بالا و قادر به تحمل بیشتر ضربه آب نسبت به لوله های فلزی هستند.
نکتهای که باید در هنگام خرید و تهیه لوله های فایبرگلاس مد نظر قرارگیرد تهیه همزمان لوله و اتصالاتی مانند زانویی و سه راهی است زیرا فرآیند تولید و ساخت اتصالات فایبرگلاس زمانبر میباشد.
یکی از نکات مهم هنگام نصب لوله های فایبر گلاس نیاز آنها به بستر سازی خاص و حساسیت رفتار لوله به نوع خاکریز اطراف آن است. استفاده از مصالح خاص مانند مصالح نخودی و بادامی و همچنین نیاز به تمهیدات ویژه برای جلوگیری از مهاجرت دانه های مصالح خاکریزی اطراف لوله در مناطق با خاک نامناسب باعث می گردد که فرآیند نصب لوله های فایبرگلاس از حساسیت برخوردار بوده و باید نظارت دقیق تری در این خصوص صورت پذیرد تا مصالح مناسب با تراکم مورد تأیید مورد استفاده قرار گیرد.
طول عمر برای طراحی مشخصات مکانیکی و شیمیایی لوله های فایبر گلاس در استاندارد AWWA-M45 و در نشریه 303 سازمان برنامه و بودجه حداقل 50 سال ذکر شده ولی اخیرا شرکت آمیبلو AMIBLU که تلفیقی از اولین و بزرگترین شرکتهای تولید لوله GRP در دنیا هستند حداقل عمر آن را 150 سال ذکر کرده است.ذکر شده است.
ز - لوله هاي یو پی وی سی (UPVC)
لوله های UPVC لوله هایی از خانواده لوله های PVC می باشند. مواد اولیه این لوله که بیشتر وزن این لوله را تشکیل می دهد توسط شرکت های پتروشیمی داخل کشور تولید و تأمین می گردد.
لوله های UPVC در مقابل عوامل خورنده بسیار مقاوم می باشند. در حال حاضر لوله های UPVC حداکثر تا قطر 400 میلی متر و با فشار کاری 4، 6، 10 و 16 اتمسفر تولید می شوند و در مقابل بار خارجی نیز از مقاومت مناسبی برخوردار هستند.
اتصال رایج در لوله های مذکور اتصال پوش فیت است که علاوه بر سرعت و سهولت نصب از نظر آب بندی نیز دارای کیفیت بالایی می باشد.
در مقایسه با لوله های پلی اتیلن، لوله های UPVC از انعطاف پذیری و مقاومت بیشتر در مقابل ایجاد شکاف و شیار برخوردار بوده و ترکیب واکنش های شیمیایی زیر خاک و تنش های محیطی را به خوبی تحمل می کنند.
بدلیل پایین بودن وزن مخصوص پلیمر پی وی سی حدود 4/1 گرم بر سانتی متر مربع لوله های UPVC سبک وزن می باشند و قابلیت انعطاف آنها تا 5/1 درجه در مسیر خط انتقال، موجب حذف بسیاری از زانوها و اتصالات می گردد. این لوله ها در کل شکننده هستند ولی در دمای 5 درجه سانتیگراد و کمتر بسیار شکننده می شوند. در مجموع سازمانها و مجامع سبز جهانی متریال این محصولات را برای محیط زیست بسیار سمی تشخیص داده اند.
ح- لوله های ترکیبی و نوین
با توجه به وجود محدودیت ها در فشار کاری و همچنین مسائل خوردگی لوله ها ناشی از خاک اطراف لوله و عدم وجود لوله مناسب برای شرایط خاص خصوصاً در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی در سالهای اخیر استفاده از لوله های ترکیبی که عمدتاً تر کیبی از دو یا سه جنس متفاوت میباشند کم و بیش رایج شده است که توضیحات کامل آن در بخش 7 آمده است.
4- طول عمر انواع لوله های رایج در صنعت آب
یکی از مهمترین مسائل قابل طرح در خصوص انواع لوله های مصرفی در صنعت آب، طول عمر مفید آنها است. در جدول (4-1) طول عمر تقریبی هر یک از انواع لوله های ذکر شده در بخش های قبل ارائه گشته است. بدیهی است که طول عمر اشاره شده در شرایط نرمال آب و خاک و با فرض حفاظت مناسب لوله ها در برابر عوامل مختلف فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی برآورد شده است.
جدول (4-1) طول عمر مفید لوله های آبرسانی
ردیف
نوع لوله
طول عمر
توضیحات
1
لوله های بتن مسلح و پیش تنیده
نامشخص
هیچ گونه مدرک مستندی مبنی بر مقدار طول عمر مفید لوله های مذکور وجود ندارد. طول عمر لوله های مذکور ارتباط مستقیمی با شرایط آب، خاک و نوع سیمان و میلگرد مصرفی در لوله ها دارد. بتن و سیمان در فاضلاب و خاک و اب خورنده به سرعت تخریب شده و میلگرد در رطوبت دچار خوردگی می شود.
2
لوله های فولادی
نامشخص
هیچ گونه مدرک مستندی مبنی بر مقدار طول عمر مفید لوله های مذکور وجود ندارد. طول عمر مفید لوله های مذکور ارتباط مستقیمی با شرایط آب، خاک و نوع و کیفیت پوشش حفاظتی داخل و خارج لوله و سیستم حفاظت کاتدیک دارد.
با محاسبه ضخامت خوردگی برگرفته از مراجع معتبر می توان طول عمر مفید لوله های فولادی را به دلخواه و بر حسب نیاز بیشتر در نظر گرفت. بدیهی است اعمال ضخامت خوردگی باعث بالا رفتن هزینه های تامین لوله خواهد شد. عمر این لوله ها در شرایط بهینه طبق تجارب عملی 20 تا 25 سال دیده شده است
3
لوله های چدن نشکن
نامشخص
هیچ گونه مستندی مبنی بر طول عمر مفید لوله های مذکور وجود ندارد. طول عمر مفید لوله های مذکور به شدت وابسته به شرایط خاک منطقه و کیفیت پوشش حفاظتی دارد.
4
لوله های آزبست سیمان
نامشخص
هیچ گونه مستندی مبنی بر طول عمر مفید لوله های مذکور وجود ندارد. طول عمر صرفاً بر اساس دوره طراحی ارائه شده است.(مانند بند 1)
5
لوله های پلی اتیلن
50 تا 100 سال
بر گرفته از :
- Pipe Materils Gaide
- How plastic pipes flow into a modern infronstructure (university of florida)
6
لوله های فایبرگلاس
150 سال
- Pipe Materils Gaide
- How plastic pipes flow into a modern infronstructure (university of florida)
طول عمر برای طراحی مشخصات مکانیکی و شیمیایی لوله های فایبر گلاس در استاندارد AWWA-M45 و در نشریه 303 سازمان برنامه و بودجه حداقل 50 سال ذکر شده ولی اخیرا شرکت آمیبلو AMIBLU که تلفیقی از اولین و بزرگترین شرکتهای تولید لوله GRP در دنیا هستند حداقل عمر آن را 150 سال ذکر کرده است.ذکر شده است.
7
لوله های پی وی سی
در آب گرم 30 سال و در آب سرد 50 سال
ISO 15877
5- مقایسه انواع لوله های رایج در صنعت آب
با توجه به ماهیت کلی پروژه های آبرسانی و محدودیت های قطر، فشار کار، نیازمندیهای طراحی و اجرای لوله های مورد نیاز؛ عموما لوله های بتن مسلح، آزبست سیمان و UPVC پاسخگوی نیازمندیهای طرحهای آبرسانی متوسط و بزرگ نبوده و لذا از مقایسه آن ها با سایر انواع لوله ها صرف نظر شده است.
با عنایت به موضوع فوق در گزارش حاضر لوله های پلی اتیلن، چدن نشکن، فایبرگلاس و فولادی در شرایط کارکرد عادی (شرایط نرمال آب و خاک) و نصب در شرایط ویژه با یکدیگر مقایسه شده است.
5-1- مقایسه لوله های پلی اتیلن، چدن نشکن، فولادی و فایبرگلاس در شرایط کارکرد عادی
در این بخش به مقایسه انواع لوله ها با توجه به کاربرد لوله های فوق الذکر در شرایط عادی (شرایط آب و خاک نرمال) پرداخته شده است.
الف- لوله های فولادی
همانطور که قبلاً ذکر شد لوله های فولادی یکی از رایجترین لوله های مورد استفاده در صنایع مختلف از جمله صنعت آب می باشند. خلاصه مزایا و معایب لوله های مذکور در شرایط کارکرد عادی به شرح ذیل می باشد:
- خلاصه مزایای لوله های فولادی با اتصالات جوشی
1. قابلیت تحمل فشار کار بالا (ضخامت لوله متناسب با فشار کار طراحی میگردد و محدودیت خاصی از نظر فشارپذیری لوله وجود ندارد.)
2. مقاومت و رفتار مناسب در برابر پدیده ضربه قوچ
3. انعطافپذیری نسبی و مقاومت در برابر ارتعاشات ناشی از زلزله و عبور وسایل نقلیه
4. مقاومت بالا در مقابل بارهای متمرکز (نقطه ای)
5. قابلیت کاربرد در زمینهای سست، ناپایدار و در شیب های تند و مناطق سنگلاخ
6. تعداد اتصالات کمتر در مقایسه با لوله های چدنی به دلیل تولید در شاخه های 12 متری
7. عدم نیاز به خرید محصولی با مشخصات تجاری خاص (طراحی ضخامت خط لوله متناسب با نیازهای طرح بنا به دلایل ذکر شده در بند 1.)
8. وجود روش های استاندارد و رویه های مدون به منظور حصول اطمینان از نصب صحیح لوله های فولادی (رادیوگرافی جوشها و... )
9. آب بندی مناسب خط لوله از داخل و خارج در مقایسه با سایر انواع لوله ها
10. سهولت حمل و نقل به دلیل وزن کمتر نسبت به لوله های چدنی
11. سهولت تعمیر و تعویض خط لوله در نقاط مختلف خط انتقال با استفاده از فرآیند جوشکاری
12. قابلیت ساخت اتصالات استاندارد و غیر استاندارد مورد نیاز (زانویی، سه راهی، انشعاب و...) بر حسب نیازهای طرح در داخل کارگاه اجرای خط لوله
13. حساسیت اندک در برابر بار خارجی در صورت انتخاب ضخامت مناسب جداره
14. حساسیت اندک در برابر بسترسازی و کیفیت خاکریزی اطراف لوله در صورت محاسبه و انتخاب ضخامت مناسب جداره
15. قابلیت نصب روکار، به ویژه کاربرد در سازه های مختلف از جمله سوله پمپاژ
- خلاصه معایب لوله های فولادی با اتصالات جوشی
1. نیاز به پوششهای حفاظتی خارجی و اندود داخلی جهت محافظت در برابر خوردگی
2. نیاز به سیستم حفاظت کاتدیک
3. نیاز به شناخت دقیق کیفیت فیزیکی و شیمیایی خاک و ضرورت انجام تست های ژئوالکتریک
4. نیاز به آزمون های متعدد جوشکاری در کارگاه و صرف هزینه برای تست و تعمیرات عملیات جوشکاری
5. عمر کم و نامشخص
6. قیمت تمام شده ی بالا
ب- لوله های چدن نشکن
یکی دیگر از لوله های پرمصرف در صنعت آب، لوله های چدن نشکن می باشد. خلاصه مزایا و معایب لوله های مذکور در شرایط کارکرد عادی به شرح ذیل می باشد:
- خلاصه مزایای لوله های چدنی با اتصالات تایتونی
1. مقاومت و رفتار مناسب در برابر پدیده ضربه قوچ در صورت اجرای صحیح خط لوله و اجرای تمامی پشت بندهای بتنی مورد نیاز
2. استحکام و مقاومت نسبتاً مناسب در برابر خوردگی در شرایط عادی آب و خاک
3. مقاومت بالا در برابر بارهای متمرکز (نقطه ای)
4. حساسیت اندک در برابر بستر سازی و کیفیت خاکریزی اطراف لوله در شرایط نرمال
5. سرعت نصب در مقایسه با لوله های فولادی اتصال جوشی
- خلاصه معایب لوله های چدنی با اتصالات تایتونی
1. در اقطار بالا حداکثر تا فشار کار 16 بار توصیه می شود.
2. نیاز به تمهیدات ویژه جهت نصب لوله در مناطق زلزله خیز
3. نیاز به تمهیدات ویژه جهت نصب لوله در مناطق دارای خاک سست، آب زیرزمینی بالا و... (حساسیت به بسترسازی در مناطق خاص)
4. حساسیت لوله در برابر خوردگی هنگام کاربرد آن در خاک های خورنده
5. نیاز به شناخت دقیق کیفیت شیمیایی و فیزیکی خاک محل جهت انتخاب روش حفاظتی مناسب در برابر خوردگی (پوشش های حفاظتی و حفاظت کاتدیک)
6. افزایش تعداد اتصالات خط لوله و به تبع آن افزایش احتمال بروز نشتی از محل اتصالات (طول لوله های چدنی تقریباً نصف لوله های فولادی و فایبرگلاس است).
7. به دلیل نیاز به شرایط جوشکاری ویژه، تعمیر لوله های چدنی در کارگاه با دشواری همراه است.
8. محدودیت تولید در اقطار بالا و انحصاری بودن آن در ایران
9. نیاز به دقت بالا در هنگام نصب لوله خصوصاً در اقطار بالا جهت دسترسی به آب بندی مناسب در محل اتصالات
10. عمر نامشخص ولی در صورت محافظت بهینه ، بیشتر از فولاد
11. قیمت بالا
ج- لوله های فایبرگلاس
یکی از لوله های نسبتاً جدید با کاربرد روز افزون در صنعت آب، لوله های فایبرگلاس می باشند. در زیر خلاصه مزایا و معایب استفاده از لوله های مذکور ارائه گشته است.
- خلاصه مزایای لوله های فایبرگلاس با اتصالات کوپلینگی
1. مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی حتی در زمینهای با پتانسیل خورندگی زیاد و یا در تماس با آب با قابلیت خورندگی بالا
2. شدت ضربه آب کمتر نسبت به لوله های فلزی به دلیل پایین بودن مدول الاستیسیته
3. حمل و نقل آسان و بهینه به دلیل تولید در شاخه های 12 متری و همچنین سبک وزن بودن نسبت به لوله های فلزی (حدود 40 درصد سبک تر)
4. نصب آسان و سریع به دلیل طول شاخه بلندتر و وزن کمتر نسبت به لوله های چدنی و فولادی
5. وضعیت هیدرولیکی مناسب تر به دلیل زبری کمتر نسبت به لوله های فلزی
6. امکان ساخت تمامی اتصالات مورد نیاز (استاندارد و غیر استاندراد) در داخل کارگاه اجرایی
7. سرعت تولید بسیار زیاد
8. طول عمر بسیار زیاد بدون هرگونه نیاز به محافظت در برابر خوردگی
- خلاصه معایب لوله های فایبرگلاس با اتصالات کوپلینگی
1. ضعف در برابر بارهای نقطه ای و متمرکز
2. نیاز به بسترسازی استاندارد و به ویژه بسترسازی خاص در زمینهای دارای خاک نامناسب
3. نیازمند دقت بالا در هنگام نصب لوله خصوصاً در اقطار بالا جهت دسترسی به آب بندی مناسب در محل اتصالات و بهره گیری از مجریان دارای تجربه و مسلط به روش اجرای مندرج در نشریه 303 سازمان برنامه یا دارای مجوز رسمی نصب از سازنده
د- لوله های پلی اتیلن
خلاصه معایب و مزایای لوله های پلی اتیلن مورد استفاده در صنعت آب به شرح ذیل می باشد :
- خلاصه مزایای لوله های پلی اتیلن تک جداره با اتصالات جوشی
1. مقاومت در برابر خوردگی حتی در زمین های با پتانسیل خورندگی زیاد و یا در تماس با آب با قابلیت خورندگی زیاد
2. شدت ضربه آب کمتر نسبت به لوله های فلزی به دلیل پایین بودن مدول
3. حمل و نقل آسان به دلیل سبک وزن بودن نسبت به لوله های فلزی
4. وضعیت هیدرولیکی مناسب به دلیل زبری کمتر نسبت به لوله های فولادی
5. تولید لوله در چند کارخانه مختلف در کشور و امکان دسترسی همزمان به پتانسل تولید لوله های پلی اتیلن متناسب با شرایط طرح
- خلاصه معایب لوله های پلی اتیلن تک جداره با اتصالات جوشی
1. ضعف در برابر بارهای نقطه ای و متمرکز
2. نیاز به بستر سازی خاص بویژه در زمین های دارای خاک نامناسب
3. نیازمند دقت بالا در هنگام نصب لوله خصوصاً در اقطار بالا جهت دسترسی به آب بندی مناسب در محل اتصالات
4. ضعف و تخریب در برابر اشعه ماورای بنفش خورشید در صورت عدم استفاده از موارد ضد اشعه
5. جویده شدن توسط جوندگان و نیاز به افزودنی های ضد جونده و پروسه خاص تولید جهت کاهش اثرات کیفی در اثر اضافه نمودن افزودنی ها
6. تفاوت خواص مکانیکی در جهات مختلف لوله و عدم امکان پیش بینی دقیق رفتار لوله در دراز مدت تحت بارهای داخلی و خارجی
7. عدم وجود دستورالعمل مدون و یا راه کار مطمئن جهت کسب اطمینان از درستی فرآیند جوشکاری لب به لب لوله ها با یکدیگر
8. امکان کاهش قطر مفید لوله (قطر داخلی) در دراز مدت تا 60 درصد به دلیل افزایش ضخامت جداره در فشار کاری بالا و به تبع آن کاهش ظرفیت انتقال آب و فاضلاب
9. محدودیت تامین متعلقات بطوریکه متعلقات و تبدیل های این نوع لوله، برای تمام اقطار و تمام فشارهای مورد نظر در داخل تولید نمی شوند و دارای محدودیت است.
10. ضعف در برابر مواد روغنی اعم از روغن های حیوانی یا گیاهی و همچنین محصولات و ترکیبات نفتی و حلال های آلی و هالوژن
11. محدودیت تولید در اقطار بالا و فشارهای کاری بالا.
با توجه به آنچه در خصوص لوله های فولادی، چدن نشکن، پلی اتیلن و فایبرگلاس ارائه گردید در جدول (5-1-1)، خلاصه مقایسه فنی لوله های مذکور ارائه گشته است.
جدول (5-1-1) خلاصه مقایسه فنی انواع لوله های آبرسانی رایج در صنعت آب
نوع لوله
مقاومت در مقابل خوردگی
مقاومت در مقابل نیروهای خارجی
مقاومت در برابرآسیب پذیری در حمل و نقل
سهولت حمل و نقل
سهولت نصب
تعمیر و تعویض
ضریب زبری و شرایط هیدرولیکی
محدودیت قطر (میلیمتر)
محدودیت تهیه اتصالاتی نظیر زانویی و...
محدودیت فشار کار
(داخل کشور)
حساسیت در برابر بستر سازی و خاکریزی اطراف لوله
آب بندی محل اتصالات
قابلیت کنترل فرآیند تولید
طول عمر
چدن نشکن
با اتصال تایتون
متوسط (در خاکهای خورنده نیاز به تمهیدات ویژه دارد.)
خوب
خوب
مشکل بدلیل وزن بالا
متوسط
متوسط
متوسط
100-2000
در خصوص اتصالات استاندارد محدودیت ندارد ولی اتصالات غیر استاندارد قابل تولید نیست.
حداکثر 40 بار برای اقطار پایین حداکثر 16 بار برای اقطار بالا
در شرایط عادی ندارد. در خاکهای سست نیاز به تمهیدات ویژه است.
خوب
مطابق استاندارد فرآیند کنترلی توسط تیم بازرسی قابل انجام است.
متوسط
فولادی
با اتصال جوشی
ضعیف
(نیاز به پوشش و حفاظت کاتدیک دارد.)
خوب
خوب
متوسط
مشکل
آسان
متوسط
50-3000
هرگونه اتصالی قابلیت ساخت در کارگاه را دارد.
ندارد
در صورت انتخاب ضخامت جدار مناسب ندارد.
خیلی خوب
مطابق استاندارد فرآیند کنترلی توسط تیم بازرسی قابل انجام است.
درصورت حفاظت صحیح در برابر خوردگی
متوسط
فایبرگلاس
با اتصال کوپلینگی
خیلی خوب
متوسط
متوسط
آسان بدلیل وزن کم
آسان
متوسط
خیلی خوب
20-4000
امکان تولید تمامی اتصالات در کارگاه وجود دارد.
حداکثر 32بار برای اقطارپایین
حداکثر 25 بار برای اقطار بالا
نیازمند بسترسازی خاص است.
خوب
مطابق استاندارد، فرآیند کنترلی توسط تیم بازرسی قابل انجام است.
در صورت رعایت استانداردهای موارد مصرفی و تولید بسیارخوب
پلی اتیلن تک جداره با اتصال جوشی
خیلی خوب
متوسط
متوسط
متوسط
متوسط
متوسط
خوب
2500-16
تمامی اتصالات استاندارد باید از کارخانه خریداری گردد. اتصالات در اقطار بالا و فشارهای بالا قابل تامین از داخل کشور نیست
حداکثر 16 بار برای اقطارپایین
حداکثر 6 بار برای اقطار بالا
نیازمند بسترسازی خاص است.
خوب
مطابق استاندارد، فرآیند کنترلی توسط تیم بازرسی قابل انجام است.
در صورت رعایت استانداردهای تولید بسیار خوب
در جدول (5-1-2) مقایسه خواص مکانیکی انواع لوله های مورد بررسی ارائه شده است. لازم به توضیح است که خواص ارائه شده به صورت متوسط بوده و با توجه به ساختار لوله و مواد بکارگرفته شده در آن تغییر می یابد.
جدول (5-1-2) مقایسه خواص مکانیکی انواع لوله ها با جنس های مختلف
انواع مصالح لوله
شرح
چدن نشکن DI
فولاد St
فایبرگلاسGRP
پلی اتیلن PE
تنش حد نهایی (kg/mm2)
42
41
20-10
4/3
تغییر شکل (درصد)
10
18
3-2
750
تنش خمشی (kg/mm2)
-
23
-
1/2
مدول الاستیسیته (kg/mm2)
104×6/1
104×1/2
103×3/2
90
سختی(برنیل)
230
140
-
-
نسبت پواسون
28/0
3/0
3/0-27/0
-
جرم مخصوص (ton/m3)
1/7
8/7
2
955/0
ضریب انبساط خطی
5- 10 ×1
5- 10 ×1/1
5- 10 ×1/1
4- 10 ×2/2
مقاومت ضربه ای ((kg-m)/cm2)
10-6
15
08/0
نشکن در هوای گرم
با توجه به آنچه در این بخش ارائه شد، در شرایط کاری عادی امکان استفاده از لوله های فولادی، چدن نشکن، فایبرگلاس و پلی اتیلن برای پروژه های روتین آبرسانی وجود دارد.
5-2- مقایسه لوله های پلی اتیلن، چدن نشکن، فولادی و فایبرگلاس جهت نصب در مناطق زلزله خیز و زمین های با شرایط خاص
در این بخش از گزارش تمهیدات خاص مورد نیاز برای اجرای هر یک از انواع لوله های آبرسانی (چدن نشکن، فولاد، پلی اتیلن و فایبرگلاس) از نظر لرزه خیزی و پتانسیل خوردگی خاک مورد مقایسه قرار گرفته است.
5-2-1- رفتار لوله های مختلف در برابر زلزله
بهسازی و طراحی بهینه سازه ها در مقابل زلزله با توجه به تغییرات مکرر و تکامل آیین نامه ها در چند دهه اخیر از مباحث غیر قابل گریز است. اولین گام جهت طراحی بهینه و یا بهسازی سازه ها، تعیین مقدار و نحوه آسیب پذیری آنها در مقابل زلزله می باشد. منظور از بررسی آسیب پذیری لرزه ای، بررسی تجهیزات، ارتباطات، ایمنی و نحوه عملکرد یک مجموعه در زمان وقوع زلزله می باشد. با استفاده از این روش با سرعت و هزینه مناسبی مناطق دارای بیشترین سطح خطر را تعیین و برای مراحل بعد که شامل طراحی و تهیه نقشه های اجرایی و در نهایت اجرای بهسازی است، اولویتبندی می شود. یکی از روش های بررسی آسیب پذیری، استفاده از درس های آموخته شده از زلزله گذشته و رفتار تجهیزات در برابر نیروهای لرزه ای می باشد. این روش یک روش منطقی و قابل دفاع است زیرا شرایط واقعی مجموعه در نظر گرفته می شود و رفتار لرزهای تجهیزات در زلزله های گذشته بررسی میشود و با تلفیق اطلاعات و قضاوت مهندسی، نتایج ارزیابی میگردد.
به همین منظور در گزارش حاضر که به طور خاص به خطوط لوله پرداخته است، در ابتدا تعاریف عوامل آسیب پذیری لوله ها بیان شده، سپس نمونه هایی از خسارت های وارده بر خطوط لوله در زلزله های مختلف ارائه گردیده و در انتها مودهای محتمل خرابی لوله ها در اثر زلزله آورده شده است.
ذکر این نکته ضروری به نظر میرسد که با توجه به وقوع زلزله های متعدد در ایران، متاسفانه مدارک و گزارش های جامعی درباره تاثیر زلزله بر شریان های حیاتی به ویژه خطوط لوله آب در ایران یافت نمیشود و یا مدارک موجود از جامعیت برخوردار نمیباشد.
5-2-1-1- تعریف عوامل آسیب رسان به لوله ها
داشتن شناخت مشترک از عوامل آسیب رسان برای تعیین راهکار رفع آن عوامل ضروری است. لذا در این بخش عواملی که در زمان وقوع زلزله باعث آسیب دیدگی لوله ها می شوند آورده شده و هر یک به اختصار تعریف شده اند.
5-2-1-1-1- لرزش زمین
لرزش زمین به علت انشار امواج در زمین به وجود میآید. پریود و دامنه این امواج به میزان انرژی آزاد شده، فاصله از منبع انرژی، نوع موج، شرایط زمین شناختی در مسیر گسترش موج، مسیر و شرایط خاک و توپوگرافی منطقه بستگی دارد. در زمان گسترش موج انرژی به سازه های زیرزمینی و روزمینی منتقل می شود. امکان دارد سازه های مدفون مانند خطوط لوله نیز در زمان انتشار موج تغییر مکان های گذرایی را تجربه نمایند.
5-2-1-1-2- تغییر مکان ماندگار زمین
امواج لرزهای میتوانند زمین ساختگاه و تکیه گاه را به صورت ماندگار جابجا کنند. تغییر مکان های ماندگار زمین از جمله عوامل مهم آسیب در خطوط لوله مدفون میباشند. انواع تغییر مکان های ماندگار شامل گسلش، زمین لغزش، روانگرایی، نشست و برکنش میباشد که در ادامه با تفصیل بیشتری شرح داده می شوند.
الف- گسلش
معمولاً گسیختگی گسلها در سطح زمین اتفاق میافتد که میتواند گسیختگی افقی، قائم و یا ترکیبی از این دو باشد. آسیبپذیری تجهیزاتی که در منطقه گسیختگی قرار دارند، بسیار زیاد است.
ب- روانگرایی
روانگرایی زمانی اتفاق می افتد که خاک برای مدت کوتاهی به حالت مایع درآید. این موضوع هم در زیر زمین و هم در سطح احتمال وقوع دارد. احتمال و شدت روانگرایی با افزایش شدت و زمان تداوم زلزله افزایش مییابد. روانگرایی و حرکت های جانبی از مهمترین پارامترهای خسارتزا هستند که می توانند سازه های زیرزمینی را به سطح زمین سوق داده و یا سازه های سطحی را در خاک غرق کنند.
ج- نشست
لرزش زمین میتواند خاک را متراکمتر کرده و موجب نشست شود. البته میزان تغییر مکان ماندگار در اثر نشست کمتر از تغییر مکان در اثر روانگرایی میباشد اما آنچه نشست را مهم میسازد، ایجاد تغییر مکان های غیر یکنواخت در خاک میباشد.
د- رانش خاک
حتی بدون روانگرایی، لرزش زمین میتواند تپه های خاکی را به حرکت درآورد. شدت رانش خاک به زاویه شیب، مقاومت، میزان آب و میزان تحکیم خاک و احتمال وقوع رانش خاک به زمان تداوم و شدت زلزله بستگی دارد. علاوه بر این، رانش خاک میتواند راه های دسترسی را مسدود نموده و خسارات قابل توجهی را به بار آورد.
هـ- برکنش
این پدیده که بیشتر به علت مولفه قائم زلزله اتفاق میافتد بر روی نقاط ورودی و خروجی (اتصالات) بیشترین آسیب را وارد می کند.
5-2-1-2- مودهای خرابی در لوله های مدفون
عمده مودهاي خرابی در لوله هاي مدفون ناشی از تغییر مکان و خرابی در خاك شامل لغزش، جابجایی هاي افقی و عمودي، نشست ناشی از تحکیم خاك و مهمتر از همه روانگرایی میباشد.
الف- خرابی ناشی از لغزش زمین
همانگونه که ذکر شد، باید تا حد امکان از احداث خطوط لوله در مناطقی که احتمال جابجایی خاك در اثر زلزله یا دیگر عوامل محیطی وجود دارد اجتناب شود. در صورت اجبار به احداث خط لوله در این نواحی، باید با تمهیدات مناسب (تثبیت خاك، مسلح نمودن خاك و... ) جلوي خرابی لوله ناشی از لغزش خاك گرفته شود. در شکل (5-2-1-2-1) رفتار لوله با موقعیت هاي مختلف نسبت به لغزش زمین نشان داده شده است.
شکل (5-2-1-2-1) رفتار لوله در اثر نشست ناشی از لغزش شیب در شرایط مختلف
ب- خرابی ناشی از جابجایی
در اثر جابجایی خاك اطراف لوله به علت نیروهاي ناشی از زلزله، تنش هاي کششی و فشاري به جدار لوله وارد میآید. در صورتی که لوله داراي مقاومت کافی باشد، قادر به تحمل این تنش ها میباشد. همچنین در صورتی که لوله یا اتصالات آن شکل پذیر باشند، قادر به جابجایی به همراه خاك پیرامون خود بوده و بنابراین تنش هاي ایجاد شده در جدار لوله کاهش مییابد. اگر لوله واجد هیچ یک از دو ویژگی فوق، (مقاومت یا شکل پذیري) نباشد، احتمال آسیب دیدگی آن به علت جابجایی خاك اطراف افزایش مییابد. در شکل (5-2-1-2-2) نمونه اي از خرابی لوله در اثر جابجایی خاك مجاور نشان داده شده است.
شکل (5-2-1-2-2) سازوکار خرابی لوله در اثرجابجایی خاك مجاور
ج- خرابی در محل اتصال
همانند لوله هاي سطحی، محل هاي اتصال در لوله هاي مدفون نیز به علت تاثیرات ناشی از جابجایی، نشست یا لغزش خاك و روانگرایی از آسیب پذیري بالایی برخوردارند. استفاده از اتصالات
انعطافپذیر در لوله هاي مدفون نیز باعث کاهش احتمال آسیب دیدگی لوله ها در زمان زلزله میگردد. در شکل (5-2-1-2-3) نحوه رفتار لوله داراي اتصالات انعطافپذیر در زمان زلزله نشان داده شده است. درشکل (5-2-1-2-4) نیز رفتار مناسب یک لوله مدفون که داراي اتصالات انعطافپذیر است در زمان زلزله کوبه ژاپن آورده شده است.
شکل (5-2-1-2-3) نحوه عملکرد اتصالات انعطافپذیر در برابر نشست ناشی از روانگرایی
شکل (5-2-1-2-4) رفتار مناسب لوله با اتصالات انعطافپذیر در زلزله کوبه ژاپن
د- خرابی ناشی از روانگرایی
روانگرایی در خاک هاي فاقد چسبندگی یکی از مهمترین دلایل خرابی لوله هاي مدفون می باشد. در لوله هاي سطحی نیز پایه هاي نگهدارنده لوله در معرض تخریب ناشی از روانگرایی میباشند. با روانگرا شدن خاك، مقاومت آن در برابر بارهاي ثقلی و جانبی به شدت کاهش می یابد و لوله در معرض نشست قرار می گیرد. با افزایش شکلپذیري لوله با استفاده از اتصالات انعطافپذیر، میتوان از وارد آمدن آسیب به آن، به علت تغییر مکانهاي ناشی از روانگرایی جلوگیري نمود. مشخص کردن نواحی مستعد روانگرایی و اجتناب از احداث لوله در آن مناطق یا بکارگیري تمهیدات ویژه مانند افزایش چسبندگی خاك، راه هاي دیگري براي اجتناب از آسیب دیدگی لوله ناشی از روانگرایی می باشند. در شکل (5-2-1-2-5) دریچه بازدید تخریب شده به علت روانگرایی خاك نشان داده شده است و در شکل های (5-2-1-2-6) و (5-2-1-2-7) نمونه پدیده روانگرایی در مسیر خط لوله آلاسکا ارائه شده است.
شکل (5-2-1-2-5) نشست دریچه بازدید به علت روانگرایی
شکل (5-2-1-2-6) پدیده روانگرایی در مسیر خط لوله آلاسکا در جنوب گسل دنالی
شکل (5-2-1-2-7) پدیده روانگرایی در مسیر خط لوله آلاسکا
5-2-1-3- اثر زلزله بر روی انواع لوله ها
در این بخش از گزارش نحوه عملکرد انواع لوله های مدفون آب و فاضلاب و عمده خسارات وارد بر آنها در اثر انتشار امواج زلزله (اثرات دینامیکی) و تغییر مکان های ماندگار زمین (اثرات استاتیکی) ارائه شده است. لازم به توضیح است که تمامی نتایج با توجه به تجربیات زلزله های گذشته در نقاط مختلف جهان بویژه آمریکا و ژاپن ارائه شدهاند.
برای بررسی مقایسهای رفتار لوله های مدفون در هنگام بروز زلزله یکی از بهترین روش ها، استفاده از میزان آسیب ها و نرخ مرمت آنها در زلزله های گذشته است. به این منظور مقایسه رفتاری لوله ها در مقابل آثار دینامیکی و استاتیکی زلزله مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج در شکل (5-2-1-3-1) ارائه گشته است.
شکل (5-2-1-3-1) آسیب پذیري لوله هاي مختلف در اثر عوامل گوناگون
با توجه به منحنیهای آسیب پذیری موجود، ملاحظه می شود که درجه آسیب پذیری لوله ها در یک شدت لرزه یکسان از کم به زیاد بصورت زیر است :
1- لوله های فولادی با اتصالات جوشی
2- لوله های چدن نشکن
3- لوله های پلی اتیلن
4- لوله های PVC
5- لوله های چدنی معمولی
6- لوله های آزبست سیمانی و بتنی
از نظر عملکرد انواع لوله ها در مقابل روانگرایی، زمین لغزش و حرکت گسل به ترتیب از عملکرد مناسب به نامناسب، بر حسب جنس لوله درجهبندی زیر را میتوان مد نظر قرار داد :
1- لوله های فولادی جوشی و لوله های پلی اتیلن
2- لوله های چدن نشکن
3- لوله های PVC
4- لوله های چدنی معمولی
5- لوله های آزبست سیمانی و بتنی
همانطور که مشاهده میشود لوله های فولادی جوشی (جوش با قوس الکتریکی) رفتار بسیار مناسبی در برابر آثار مختلف زلزله داشته و در رتبه بعدی لوله های چدن نشکن قرار دارند.
با توجه به مطالعات انجام شده و نمودارهای ارائه شده بطور کلی رفتار لرزه ای لوله ها مطابق جدول (5-2-1-3-1) طبقهبندی شدهاند.
جدول (5-2-1-3-1) سطح مقاومت و رفتار لرزه ای انواع لوله های فولادی، چدنی و آزبست
با توجه به جدول بالا استفاده از لوله های فولادی با اتصالات جوشی (جوش با قوس الکتریکی) دارای کمترین ریسک در هنگام وقوع زلزله بوده و ریسکپذیری استفاده از لوله های چدنی در حد متوسط ارزیابی شده است.
5-2-1-3-1- رفتار لرزهای لوله ها
در ادامه به طور خلاصه به رفتار لرزهای لوله های چدن معمولی، چدن نشکن، آزبست سیمان، بتن آرمه، فولادی، پلاستیکی، پلی اتیلنی و لوله های GRP اشاره می شود.
الف- لوله های چدنی (چدن معمولی و چدن نشکن)
لوله های چدنی معمولی در زلزله بسیار آسیب پذیرند. تغییر شکل و انعطافپذیری این لوله ها مخصوصاً در قطرهای پایین ناچیز است و رفتاری سخت و شکننده دارند لذا در برابر حرکات زلزله چه دینامیکی و چه استاتیکی دچار آسیب میشوند. این لوله ها در مناطق لرزه خیز اصلاً توصیه نمیشوند.
ولی امروزه لوله های چدنی نشکن مقاوم در برابر زلزله به بازار عرضه شده است که می توان بر حسب مورد از آن استفاده کرد. از نظر ریسک کمتر در برابر زلزله، این نوع لوله ها بعد از لوله های فولادی با اتصالات جوشی در رتبه دوم قرار دارند.
ب- لوله های آزبست
لوله های آزبست سیمان نه تنها از لحاظ محیط زیستی مناسب نیستند بلکه در حرکات زلزله نیز به علت عدم انعطافپذیری، آسیب پذیری بالایی دارند. در نوع کلاس C و D به علت ضخامت جداره زیاد میزان آسیب کمتری در آن دیده شده است.
ج- لوله های بتنی
لوله های بتنی نسبت به لوله های آزبست سیمان رفتار انعطافپذیرتری دارند ولی در هر حال در مناطق لرزهخیز توصیه نمیشوند. این لوله ها در اقطار بالا به علت رفتار خمشی و درصد تغییر شکل پایین دچار آسیب می گردند. لوله های بتنی با هسته فولادی نسبت به سایر لوله های بتنی رفتار مناسبتری در زلزله های گذشته داشته اند.
د- لوله های فولادی
لوله های فولادی مخصوصاً اگر در مسیرهای دارای انحنا یا شکستگی استفاده شوند نسبت به حرکات زلزله مقاوم هستند. آسیب پذیری در این نوع لوله ها در حالت برخورد عمود بر گسل بیشتر اتفاق میافتد، ولی در مقایسه با لوله های چدنی، آزبست و بتنی خیلی کمتر دچار آسیب میشوند. در صورتی که لوله های فولادی از مشکل خوردگی حفاظت گردند، کاربرد این لوله ها در مناطق لرزهخیز با خطر کم و متوسط حتی بدون اتصال انعطافپذیر قابل قبول است
هـ- لوله های پلاستیکی(پلی اتیلنی)
لوله های پلاستیکی مخصوصاً از نوع پلیاتیلن با جوشهای فیوژن در زلزله رفتار بسیار خوبی دارند و برای مناطق لرزه خیز توصیه می شود. این لوله ها به علت تغییر شکل و نیز داشتن خم و انحنا در مسیرها در زلزله انعطافپذیر هستند و در زلزله های گذشته بسیار کم دچار آسیب گردیدهاند.
و- لوله های فایبرگلاس
1 - لوله های فایبرگلاس لوله های جدیدی هستند و هنوز آمار کاملی از رفتار آنها در زلزله های گذشته وجود ندارد. ولی مطالعات و بررسی های انجام شده تا کنون نشان می دهد که لوله های مذکور رفتار نسبتاً مناسبی در برابر زلزله داشته و در صورت استفاده از اتصالات مقاوم در برابر زلزله میتوان با اطمینان بیشتری از آنها استفاده کرد.
2 - اما انعطاف بالای این لوله ها و دارا بودن همزمان خواص پلاستیکها و فولاد برای این لوله ها مقاومت بالای آنها را در برابر زلزله تضمین می کند مضافا عدم انتشار ترک در این لوله ها به خلاف لوله های فلزی و پلاستیکی امتیاز بزرگی نیز برای آنها محسوب می گردد.
3 – نوع اتصال در این لوله ها در اکثر موارد یا کوپلینگی انعطاف پذیر و با لمینیتی و اصطلاحا جوش لب به لب است که علیرغم اینکه انعطاف پذیر محسوب نمی شود ولی می تواند نیروهای محوری در زلزله را به خوبی تحمل کند و در مواجه با فشارهای شدید کوپلینگ از لوله جدا میشود و ممکن است اتصال لمینیتی نیز بشکند که در اینجا راهکاری مطرح شده و آن اتصال بلند کوپلینگ چهار واشره است که به دلایل زیر توصیه نمی شود : اولا عملکرد کوپلینگ دو واشره همانند اتصال صلب است چون هیچ انحراف زاویه ای به خلاف کوپلینگ معمولی در آن امکان پذیر نیست. در ثانی هنگام شکستن این کوپلینگ به دلیل عدم امکان حرکتهای غیر محوری در آن تنها راه تعمیر نیز همان اتصال لمینیتی است.
3 – لذا توصیه ما در مواجهه با زلزله ابتدا اتصال لمینیتی و سپس اتصال کوپلینگ معمولی دو واشره می باشد.
5-2-1-3-2- مولفه هاي مهم آسيب پذير لوله هاي مدفون درهنگام زلزله
محلهاي آسيب و يا به عبارت ديگر مولفه هاي آسيبپذير در طول يك خط لوله كه مركب از قطعات متصل بهم چند لوله همراه با اتصالات و شيرآلات و ساير لوازم مربوطه است را مي توان بصورت زير مشخص نمود :
الف- در لوله هاي فولادي با جوش غير نفوذي، اكثر آسيبها بصورت گشوده شدن درزهايي در محل اتصالات جوشي بوده است. در صورت استفاده از فناوري جوش نفوذي در لوله هاي فولادي، تا حد زیادی از آسیب دیدگی لوله های فولادی کاسته خواهد شد.
در اکثر مواردي كه اين لوله ها در زلزله دچار آسيب گرديدهاند، محل آسيب ها در نزديكي محل اتصالات جوشي كه در آن محلها حرارت ناشي از جوشكاري غير يكنواخت باعث تمركز تنش شده متمركز شده است.
ب- در مورد لوله هاي چدن داكتيل، اكثر آسيبها در محل اتصالات و يا اتصال به شيرآلات بوده است. بدنه لوله های چدن داكتيل در زلزله هاي گذشته داراي رفتار مناسبي بوده و آسيبپذيري كمي را داشته است.
در مواردي كه اتصالات لوله هاي چدن داكتيل داراي اتصالات ساده فشاري بودهاند بيشترين آسيبها بصورت بيرون زدگي و جداشدگي در اتصال بوده و در موارد ديگر آسيب، ناشي از خرد شدن انتهاي لوله در اتصال بوده است.
پس از استفاده از اتصالات مكانيكي مقيد كه به طرق مختلف از جدا شدن اتصال جلوگيري مینمايد، رفتار این لوله ها بهبود يافته و بويژه با توسعه اتصالات انعطافپذير ضد لرزهاي براي اين لوله ها، عملكرد آنها در مقابل آثار ديناميكي و استاتيكي زلزله، بهتر شده است.
ج- آسيب لوله هاي پلياتيلن بطور عمده در محل جوش آنها اعم از الكتروفيوژن و بات فيوژن مستقر بوده كه حكايت از عدم نفوذ جوش در اين اتصالات داشته است.
د- در مورد لوله های PVC آسيبهاي وارده در بدنه لوله ها و محل اتصالات در زلزله هاي گذشته مشهود بوده است.
هـ- عمده آسيب در لوله هاي بتني در بيرون زدگي و جدايي اتصالات و بعد در بدنه لوله ها روي داده است. این لوله ها بويژه در مقابل حركات ماندگار زمين يا آثار استاتيكي بسيار آسيبپذير هستند.
و- لوله هاي آزبست سيماني كه بطور گستردهاي در كشور مورد استفاده قرار گرفته هم در بدنه و هم در اتصالات بسیار آسیب پذیر می باشد.
ز- لوله های فایبرگلاس در محل اتصالات و یا در محل تغییر جنس خاک دچار آسیب میشوند که با استفاده از اتصالات مقاوم در برابر زلزله و لوله های شبه فولادی این معضل قابل برطرف شدن می باشد.
5-2-1-4- نتیجه گیری
با توجه به آنچه در بخشهای قبل ارائه گردید در صورت عبور خط لوله از مناطق زلزله خیز، استفاده از لوله های فولادی با اتصالات جوشی، لوله های چدن نشکن با اتصالات ضد زلزله و لوله های فایبرگلاس نسبت به سایر لوله ها دارای ارجحیت میباشند. لازم به توضیح است که از آنجا که لوله های پلی اتیلن عمدتاً در محل جوش دچار آسیب می شوند و راه حل مستند و روش آزمون دقیقی برای بررسی صحت عملیات جوشکاری مانند لوله های فولادی برای آنها در دسترس نیست، مشروط به انجام فرآیند جوشکاری مناسب، استفاده از لوله های پلی اتیلن در مناطق زلزله خیز قابل توصیه است.
5-2-2- رفتار لوله های مختلف در خاک های خورنده
در این بخش رفتار لوله های مختلف در خاک های خورنده مورد بررسی قرار گرفته است.
الف- لوله های فولادی
لوله های فولادی در مقایسه با سایر انواع لوله ها بیشتر در معرض خوردگی ناشی از عوامل شیمیایی می باشند. لذا جهت حفاظت آنها در برابر خوردگی باید از پوشش های حفاظتی داخل و خارج لوله به همراه حفاظت کاتدیک بهره جست.
در طرح حاضر پوشش پلیاتیلن سه لایه به عنوان پوشش حفاظتی خارجی و اندود اپوکسی صددرصد جامد به عنوان پوشش حفاظتی داخل لوله های فولادی انتخاب شدهاند.
لازم به توضیح است که اندود داخلی اپوکسی با توجه به کیفیت آب انتقالی به عنوان یک پوشش محافظ مناسب عمل کرده و به نظر میرسد از مقاومت کافی برخوردار باشد.
با توجه به کیفیت خاک محل، روش و مشخصات اجرای پوشش پلیاتیلن و سایر پارامترهای موثر، حفاظت کاتدیک خط لوله به عنوان مکمل پوشش پلیاتیلن سه لایه وارد عمل شده و در واقع ضعفهای احتمالی عملیات پوششکاری را برطرف میسازد.
حفاظت کاتدیک این امکان را فراهم میسازد که در صورت وجود فقر اطلاعاتی در هنگام انتخاب پوششهای حفاظتی خارجی، پس از تکمیل اطلاعات مورد نیاز بتوان با طراحی صحیح و دقیق سیستم حفاظت کاتدیک، ضعف های ناشی از پوششهای حفاظتی را جبران نمود.
ب- لوله های چدن نشکن
لازمه انتخاب صحیح لوله های چدن نشکن و جزئیات حفاظت آنها در برابر خوردگی بطور مستقیم مرتبط با شرایط شیمیایی و پتانسیل خوردگی خاک محل میباشد.
لوله های چدنی به طور معمول دارای پوشش حفاظتی خارجی زینک و قیر مطابق استاندارد ISO8179 بوده و برای حفاظت سطح داخلی لوله نیز از پوشش استاندارد سیمان پرتلند ضد سولفات و یا سیمان آلومینی مطابق استاندارد ISO 4179 و ISO 7182 استفاده میشود.
ضعف اصلی پوشش سیمان در برابر آب های سبک مشخص میگردد، بدین معنی که پوشش ملات سیمان در مجاورت آب های سبک به تدریج از سطح لوله کنده شده و سطح لوله بدون حفاظ باقی میماند. با توجه به اینکه کیفیت آب نمکزدایی شده مشخص نشده است نمیتوان در این خصوص به صراحت اظهار نظر کرد.
پوششهای حفاظتی خارجی لوله های چدنی در خاک های معمولی از کیفیت مناسب برخوردار بوده، لیکن در خاک های خورنده نیاز به تقویت داشته و باید تمهیدات خاصی را در نظر گرفت.
محيطهاي خاكي مشخصي مانند مناطق تخليه خاكروبه ها، باتلاق ها، مردابها، خاک های قلیایی، نمکزارها، نخاله ها و بستر رودخانه هاي آلوده، مناطق بالقوه خورنده براي لوله هاي چدني محسوب ميگردند. به دلیل هزینه های بالاي نصب و تعميرات سيستمهاي حافظت كاتدي معمولاَ از آنها براي خطوط لوله چدنی استفاده نمیشود و تا حد امکان از سایر روش های حفاظتی بهره گرفته میشود. مراكز تحقيقاتي همچون DIPRA براي بيش از 75 سال تحقيقات وسيعي را بر روي خواص بالقوه خورنده خاك ها و توسعه فرآيندهايي براي محافظت چدن هاي نشكن در مقابل آنها به انجام رسانده است. در نهایت يك فرآيند ارزيابي خاك هاي خورنده 10 امتيازي برقرار گرديد كه در ضميمه استاندارد ANSI/AWWA C105/A21.5 آمده است. در حالي كه سيستم 10 امتيازي ما را فقط متوجه احتمال بروز خوردگي مينمايد، ولي عليرغم آن، اين سيستم روشي قابل اعتماد و دقيق از ارزيابي ميزان خورندگي خاك براي مشخص كردن اينكه محافظت در مقابل خوردگي بر روي لوله كافي است و در ادامه نيز مي توان از آن با اطمينان استفاده كرد، می باشد. توضیحات لازم در استاندارد مورد اشاره ارائه گشته و در اینجا از ارائه جزئیات خودداری می گردد.
براي بسياري ازخاك هايي كه به نظر ميرسند بر روي لوله هاي چدني نشكن خورنده باشند استفاده از پوشش پلياتيلني ميتواند يك روش حفاظتي مطمئن و اقتصادي باشد. براي مناطق با محیطهاي منحصر به فرد خورنده، همانگونه كه در ضميمه ANSI/AWWA C105/A21.5 مشخص شده است، حفاظت كاتدي بايد اعمال شود. در هر خط لولهاي كه لازم است بر روي لوله غلاف پلیاتيلن كشيده شود اين كار بايستي مطابق با ANSI/AWWA C105/A21.5 انجام گردد.
اگرچه پوششهاي پلياتيلني بايد از تماس بين لوله و خاك پشت بند و بستر جلوگيري كند، از آن به عنوان لايه كاملاَ آببندي و غيرقابل نفوذ هوا استفاده نميكنند. پيش از كشيدن لايه پلي اتيلن بر روي لوله تمامي كلوخه هاي رسي، گل و خاكستر و ساير مواد بايد از سطح خارجي لوله زدوده شوند. باید توجه داشت كه مواد سازنده بستر بين لوله و لايه پلیاتيلن قرار نگيرند.
لايه پلياتيلني بايد تابعي از شكل لوله باشد و به راحتي نه با فشردگي بر روي آن كشيده شود به طوري كه حداقل فاصله بين لوله و لايه پلیاتيلن باقي بماند. در هنگام كشيده شدن پلياتيلن در روي سطح غير منظم لوله مثل حد فاصل بين سركاسه و بخش صاف لوله، اتصالات پيچ و مهرهاي، یا اتصالات براي جلوگيري از كشيده شدن بايد لايه پلي اتيلن به اندازه كافي شل باشد. اين كار همچنين باعث ميگردد در هنگام پر كردن ترانشه لايه آسيب نبيند. در جايي كه لايه پلياتيلن تا شده و روي همديگر قرار ميگيرند يا در انتهاي پوشش هر لوله از نوار چسب يا تسمه هاي پلاستيكي بايد استفاده كرد.
براي نصب لوله با روكش لايه پلياتيلني در مناطقي كه در ترانشه آب وجود دارد يا در معرض جريانات جذر و مدي هستيم، توصيه ميشود كه از لايه لولهاي شكل پلياتيلني كه دو سر آن به لوله كاملاَ آببندي شده و مناطق اتصال و روي هم افتادگي آن با نوار پلاستيكي نيز آببندي شده استفاده كرد. همچنين توصيه ميشود با فاصله هاي 60 سانتيمتري از نوارهاي محيطي پلاستيكي استفاده شود تا فاصله بين لايه پلياتيلن و شبكه لوله به حداقل برسد.
مثل تمامي روش هاي حفاظتي، نصب صحيح لايه پلياتيلن بر روي لوله براي كاركرد مؤثر آن بسيار لازم است. به هر حال، انجام مراحل نصب بسيار كم اهميتتر از كيفيت و دقتهاي نصب و عمليات نواركشي است.
روش های مختلفی برای انجام عملیات پوشش وجود دارد که به تفصیل در استانداردهای مرتبط ارائه گشتهاند.
در شکل شماره (5-2-2-1) و (5-2-2-2) یک نمونه لوله با لایه محافظتی پلیاتیلن نمایش داده شده است.
شکل (5-2-2-1) روش اجرای پوشش حفاظتی پلیاتیلن
شکل (5-2-2-2) نمونه پوشش پلیاتیلن اجرا شده بر روی لوله های چدنی
ج- لوله های فایبرگلاس
لوله های فایبرگلاس در شرایط نرمال آب و خاک در مقایسه با لوله های چدنی و فولادی از مقاومت بسیار بالایی در برابر عوامل خورنده برخوردار می باشند.
بطور معمول در خاکهای خورنده استفاده از الیاف شیشه گرید C و E و همچنین رزین پلیاستر که در ساخت لوله های معمولی فایبرگلاس رایج است، کفایت لازم را داشته و نیازی به استفاده از الیاف و رزین خاص نمیباشد. هر چند وجود اطلاعات تکمیلی مانند خواص آب انتقالی و مشخصات خاک محل کمک بسزایی در انتخاب بهینه لوله های فایبرگلاس خواهد داشت.
از آنجا که هنگام استفاده از لوله های فایبرگلاس، بار خارجی توسط سیستم خاک- لوله تحمل میشود لذا در هر شرایطی لوله های فایبرگلاس نیازمند بسترسازی ویژه و استفاده از مصالح خاکریزی مناسب بوده و کنترلهای لازم باید در مورد آنها صورت پذیرد.
د- لوله های پلی اتیلن
لوله های پلی اتیلن در شرایط نرمال آب و خاک در مقایسه با لوله های فلزی از مقاومت بسیار خوبی در برابر عوامل خورنده برخوردار می باشند.
با توجه به اینکه لوله های پلی اتیلن جزو دسته لوله های قابل ارتجاع طبقه بندی می شوند لذا در هر شرایطی نیازمند بستر سازی ویژه و استفاده از مصالح بسترسازی خاص بوده و کنترل های لازم در مورد آنها باید با دقت صورت پذیرد.
بعضی از مواد شیمیایی موجود در خاک و در مسیر خطوط لوله آب ممکن است اثرات نامطلوبی روی لوله بگذارند. مهم تر از آن، بعضی از این مواد ممکن است طعم آب را عوض کنند. این موضوع در خاک های گازدار باید دقت شود.
در مسیرهای خاص و نقاطی که مواد نفتی و مواد فرار با وزن مخصوص کم در آن نقاط تخلیه می شود، استفاده از لوله های پلی اتیلن توصیه نمی شود، مگر این که حفاظت های خاص در مورد آن انجام پذیرد.
6- لوله های ترکیبی و نوین
در فصول گذشته مشخصات و شرح معایب و مزایای لوله های رایج در صنعت آب ارائه گشت. در این قسمت از گزارش به بررسی لوله های جدید عمدتاً ترکیبی و تکنولوژی های نوین صنعت لوله سازی پرداخته شده است.
6-1- لوله های کامپوزیت- فولاد
با توجه به محدودیت ها و مسائل ویژه در محدوده فشار بالا با اقطار مختلف و کمبود لوله با خصوصیات مناسب خصوصاً در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی، اخیرا فرآیند تولید جدیدی برای ساخت لوله (کامپوزیت- فولاد) ابداع و معرفی شده است. مهمترین کاربردهای این نوع لوله از قرار ذیل میباشد:
• خطوط انتقال نفت و گاز
• خطوط انتقال آب و فاضلاب
• خطوط زیر دریا
لوله های (کامپوزیت- فولاد) استحکام بالای فولاد و مقاومت شیمیایی خوب لوله های فایبرگلاس را با یکدیگر ترکیب نموده و لولهای با وزن کم و پروفایل کوچک را ایجاد مینمایدکه قادر به تحمل فشار کارهای بالا می باشد.
این لوله ها که اخیرا در اروپا و آمریکا در خط تولید قرار گرفته است (از سال 2000 میلادی) از پیچیدن چندین لایه تسمه فولادی بسیار محکم بصورت حلزونی (به ضخامت تقریبی 0.5 میلی متر) بین دو لایه اپوکسی تقویت شده (GRE) تشکیل می شود و حفاظت کامل در مقابل انواع خوردگی ایجاد می نماید.
در تولید لوله های FRP فقط از رزین، تقویت کننده های الیاف شیشه و فیلر استفاده می شود. نوعاً، الیاف شیشه مناسبترین ماده از نظر اقتصادی جهت تقویت کردن می باشد. برای رزین می توان از رزین های پلی استر، ونیل استر، و فنلیک یا اپوکسی استفاده نمود. محدودیت های تولید، مقاومت شیمیایی، دما و فشار می باشند.
با افزایش فشار، ضخامت دیواره لوله های فایبرگلاس افزایش می یابد به گونه ای که از نظر اقتصادی قابل رقابت با سایر لوله ها نیستند.
لوله های کامپوزیت- فولاد با ترکیب مقاومت شیمیایی اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه و فولاد با استحکام بالا یک ترکیب هیبرید ایجاد می نماید که بهترین خواص هر دو جزء را داراست.
فولاد بکار رفته برای اطمینان از حداکثر چسبندگی نیاز به عملیات آماده سازی دارد. برای این منظور عملیات خاصی برای تمیز کردن و پوشش ابداع گردیده است. در این عملیات، روغن از سطح تسمه های فولادی با شویندهای شیمیایی و با عملیات الکتریکی کاتدیک- آندیک زدوده می شود. سپس فولاد با ماده مخصوصی پوشش داده می شود که برای همین منظور ابداع شده است. سپس تسمه فولادی پوشش داده شده بر روی ریل هائی که برای استفاده بر روی ماشین رشته پیچی طراحی شده است، پیچیده می شود.
مواد اولیه اصلی لازم برای تولید این نوع لوله عبارتند از:
• الیاف شیشه
• رزین اپوکسی و هاردنر مربوطه
• فولاد
اولین قدم تولید یک لایه داخلی آستری از فایبرگلاس به ضخامت حدود 3 میلیمتر می باشد. این لایه مقاومت شیمیایی لازم در مقابل سیالی که از لوله عبور خواهد کرد ایجاد می نماید. سپس قالب به ماشین مخصوص پیچیدن فولاد منتقل می شود و به میزان لازم تسمه های فولادی بر روی این لایه پیچیده می شود. برای این منظور تسمه های فولادی به صورت حلزونی پیچیده می شوند تا به لوله شکل صحیحی بدهند. تعداد تسمه ها به فشار مورد نیاز بستگی دارد و ممکن است از 3 تا 10 لایه تغییر نماید. ضخامت قسمت فولادی حدود 0.5 میلیمتر به ازای هر تسمه فولادی است.
برای چسبانیدن تسمه های فولادی رزین اپوکسی و الیاف شیشه بر روی آنها اعمال می گردد. آخرین فاز، فرآیند پیچش لایه نهایی فایبرگلاس- اپوکسی می باشد. قالب فولادی به ماشین رشته پیچی فایبرگلاس برگردانده می شود تا لایه نهایی را که استحکام نهایی و مقاومت در مقابل خوردگی محیط پیرامونی را تضمین می کند، بر روی آن اجرا گردد. در نهایت قسمت بل (اتصال نر و مادگی) بر روی لوله تولید می گردد.
بعد از اعمال این مراحل لوله کامپوزیت- فولاد در داخل یک کوره به مدت 3 ساعت برده می شود تا ضمن پخت شدن رزین و الیاف به لایه فولادی کاملا چسبانیده شود.
بعد از این مرحله قالب از لوله جدا می گردد و سپس قسمت اسپیگات (اتصال نر و مادگی) ماشین کاری می گردد تا به ابعاد مناسب درآید. در نهایت هر لوله تست هیدرواستاتیک می گردد. فشار تست حدود 1.25 برابر فشار طراحی می باشد.
در جداول (6-1-1) و (6-1-2) مشخصات این نوع لوله ها با استفاده از اطلاعات یکی از سازندگان داخلی ارائه گشته است.
جدول (6-1-1) خواص تقریبی لوله های ساخته شده از کامپوزیت- فولاد
قطر لوله
1000-200 میلی متر
دامنه فشار (بار)
6،10،25،30،40،50
حداکثر دمای کارکرد به سانتیگراد
150-80
ضریب انبساط طولی
6-10*12
جدول (6-1-2) رده فشاری لوله های کامپوزیت فولاد
قطر لوله
(میلی متر)
ضخامت تقریبی
(میلی متر)
فشار کار
(بار)
200
10
398
250
10
316
300
10
265
350
10
242
400
10
211
450
10
192
500
10
173
550
10
157
600
10
144
700
10
119
750
10
111
800
10
104
900
10
93
1000
10
83
6-2- لوله پلی اتیلن کاروگیت تقویت شده با فولاد
لوله کاروگیت پلی اتیلن تقویت شده با فولاد جهت مصارف فاقد فشار داخلی مانند فاضلاب زیرزمینی یک محصول ابتکاری است. این محصول ترکیبی از مقاومت حلقوی بالا و استحکام فولاد با مقاومت در برابر خوردگی و انعطاف پذیری بالای پلی اتیلن است. مزایای اصلی این لوله ها مقاومت حلقوی برجسته و صرفه جویی در مواد اولیه است.
برای تولید این نوع لوله ابتدا نوار فولادی را با پوشش دادن با رزین چسبناک در هر دو طرف پوشش می دهند. سپس یک لوله پلی اتیلن دیواره توپر را بر روی قالب اصلی دستگاه می پیچند و اکنون نوار فولادی از پیش روکش شده شکل (V) به خود می گیرد و حال الگوی مارپیچی را در داخل قسمت طراحی شده لوله اصلی قرار می دهند و در نهایت لوله پلی اتیلن خارجی نوار تقویتی فولادی را پوشش می دهد. با این روش مانع زنگ زدگی نوار فولادی می گردند. در واقع متصل شدن فولاد به پلی اتیلن تحت فشار و دمای معینی اتفاق می افتد و در نهایت تمامی این لایه ها به یک ساختار دیواره ای یکپارچه منجر می شود.
مزایای لوله کاروگیت تقویت شده با فولاد
• مقاومت حلقوی بالا
همواره درخواست های بسیاری برای لوله های زهکشی قطر بزرگ در بازار جهانی به خصوص در کشورهای در حال توسعه بوده است زیرا لوله پلاستیکی اسپیرال و کاروگیت نمی تواند احتیاجات مقاومت حلقوی بالا را برآورده سازد. بعد از به بازار آمدن لوله کاروگیت تقویت شده با فولاد برای اولین بار مهندسین حق انتخاب یک لوله کامپوزیتی پلاستیکی قطر بزرگ دارای مقاومت حلقوی بالا را داشتند.
این لوله ها از سایز 600 تا 2400 میلیمتر قابل تولید هستند و مناسب برای آب های سطحی و سیستم فاضلاب می باشد. علاوه بر این لوله کامپوزیتی ضد خوردگی می تواند در شرایط مختلفی مانند مدفون شدن در عمق، بارهای سنگین و خاکهای شور مورد استفاده قرار گیرد.
• صرفه جویی در هزینه مواد اولیه
لوله پلی اتیلن کاروگیت تقویت شده با فولاد مصرف پلاستیک را تقریباً تا 50% در مقایسه با دیگر لوله های پلاستیکی فاضلابی دارای همان مقاومت حلقوی و همان قطر کاهش می دهد و این رقم به طور قابل توجهی هزینه های تولید را کم می کند. علت این است که مدول الاستیک فولاد حدود 200 برابر بیشتر از پلی اتیلن است. این لوله کامپوزیتی می تواند مقاومت حلقوی مد نظر را به راحتی به دست آورد و این امر از طریق تنظیم کردن ضخامت نوار فولادی است.
• پیوند مناسب با پلاستیک
نکته ی کلیدی در رابطه با موفقیت کاروگیت تقویت شده با فولاد پیوند با پلاستیک است. این نوار فولادی باید خیلی محکم به پلاستیک بچسبد و جدا شدن این دو لایه از هم مجاز نیست. آزمایش های بسیاری در رابطه با روش متصل شدن نوار فولادی با پلی اتیلن جهت حصول بهترین نتیجه انجام شده است. اکنون فرآیند به این صورت است که نوار فولادی با یک رزین خاص از قبل روکش می شود تا یک لایه متوسط مابین فولاد و پلاستیک ایجاد کند. از طرف دیگر درجه حرارت فرآیند، فشار و زمان خنک شدن به طور دقیقی کنترل می شود. در لوله کاروگیت تقویت شده با فولاد ماده ی فولادی کاملا با پلی اتیلن پوشش داده می شود بنابراین هوا، مایع و خاک نمی تواند با فولاد تماس پیدا کند و این عملکرد ضد خوردگی لوله را تضمین می کند.
لوله کاروگیت تقویت شده با فولاد دارای ویژگی هایی مانند طول عمر بالا، انعطاف پذیری، مقاومت در برابر زمین لرزه و نصب راحت و آسان می باشد.
تولید کنندگان این لوله ها روش های متنوعی را برای اتصال این لوله ها ابداع کرده اند که از جمله ی آنها می توان به دو روش زیر اشاره کرد :
• روش جوش اکستروژن
جوش لوله ها در این روش توسط اکسترودر دستی صورت میگیرد و ماده ذوب اکستروژن دو لوله را به هم متصل می کند. معمولاً در این روش لوله ها هم از داخل و هم از بیرون جوشکاری می شود تا اتصال محکمتری حاصل شود.
• کوپلینگ استیل ضد زنگ
کوپلینگ استیل ضد زنگ در دو نیمه تولید می شود که البته این دو نیمه می تواند به هم متصل شده و یک کوپلینگ شوند.
6-3- لوله پلی اتیلن اسپیرال تقویت شده با فولاد
در لوله پلی اتیلن اسپیرال تقویت شده با فلز، پلی اتیلن با دانسیته بالا بعنوان اصلی ترین ماده جهت تولید این لوله ها مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا پلی اتیلن دارای خواصی همچون مقاومت شیمیایی بالا در برابر خوردگی و ساییدگی، انعطاف پذیری، وزن سبک و طول عمر بالا تا 50 سال می باشد. لایه HOPE با استیل تقویت می شود تا به این ترتیب مقاومتش افزایش پیدا کند و بتواند در برابر تنشها و بارهای خارجی و داخلی مقاومتر از قبل شود. یک لایه فولاد توسط پلی اتیلن چگالی بالا تقویت می شود تا از استیل در برابر خوردگی محافظت کند.
یک لایه پیوند مابین استیل و پلی اتیلن قرار می گیرد که باعث میشود یک لوله سه لایه یکپارچه که آن را بعنوان لوله اسپیرال تقویت شده با فلز می شناسند شکل بگیرد که هم سبک وزن است و هم بادوام و انعطاف پذیر.
سایر مشخصات این لوله ها مانند لوله های معرفی شده در بند (7-2) می باشد.
6-4- لوله های بتن پلیمر
بتن پلیمری (PC) یا بتن رزینی شامل یک چسبانندهی پلیمری است که ممکن است از ترمو- پلاستیک ها باشد. غالباً از یک پلیمر ترموست استفاده شده و از پر کننده های معدنی مانند شن و ماسه و یا سنگ شکسته است. PC ها مقاومت مکانیکی بالاتر، مقاومت بیشتر در برابر مواد شیمیایی و خورنده، جذب آب کمتر و پایداری بالاتر در مقابل پدیده یخ زدگی- ذوب (ذوب مجدد) نسبت به بتن سیمان پرتلند رایج دارند. PC ها مواد مرکبی هستند که چسباننده ی آنها تماما شامل پلیمرهای مصنوعی می باشند، که اشکال متفاوتی از آنها مانند بتن رزینهای مصنوعی، بتن رزین پلاستیک یا بتن ساده رزینی شناخته شده اند. به دلیل استفاده از پلیمر به جای سیمان پرتلند افزایش واقعی قیمت وجود خواهد داشت لذا پلیمرها فقط باید در مواردی مصرف شوند که بتوان با استفاده از خواص فوق العاده آنها، هزینه دستمزد کمتر، انرژی کمتر در عمل آوری و جابه جایی را با قیمت بالای آنها توجیه کرد. بنابراین مهم است که یک طراح و مهندس، آگاهی کافی از قابلیتها و محدودیتهای PC ها داشته باشد و با توجه به کارا و اقتصادی بودن محصول برای یک کاربری ویژه یکی را انتخاب کند.
همانطورکه گفته شد بتن های پلیمری شامل یک پر کننده ی معدنی (برای مثال شن و ماسه) و یک چسباننده ی پلیمری (که ممکن است ترموپلاستیک باشد ولی اغلب یک ترموست است) می باشد.
پر کننده های دیگر هم شامل موارد زیر می باشند : سنگ های شکسته، شن، سنگ آهک، گچ، نرمه سیلیس (گرد سیلیس و خاک سیلیس)، گرانیت، کوارتز، رس، کف شیشه (شیشه اسفنجی)، سنگدانه فلزی و به طور کلی هر ماده ی خشک، ضد آب و جامدی می تواند به عنوان پر کننده استفاده شود. در تولید PC ها، یک منومر با یک پلیمر (یک فرآورده از پلیمریزاسیون جزئی منومرها)، یک سخت کننده (افزودنی کراس لینک) و یک کاتالیزور با پر کننده ها مخلوط می شوند. دیگر مواد متشکله ی اضافه شده به مخلوط شامل پلاستی سایزرها و ضد آتشها و گاهی اوقات افزودنی های مضاعف کنندهی سیلان نیز برای افزایش مقاومت پیوستگی بین ملات پلیمر و پرکننده ها می باشد. جهت دستیابی به پتانسیل کامل (کارآیی کامل) محصولات بتن پلیمری برای کاربری های خاص، الیاف تقویتی گوناگون استفاده می شود. این آرماتورها شامل : الیاف شیشه، پشم شیشه، الیاف فلزی و شبکه های سیمی می باشد. زمان گیرش و زمان افزایش مقاومت ماکزیمم را در PC ها به آسانی میتوان از چند دقیقه تا چندین ساعت به وسیله ی یک تغییر کوچک در دما و یا سیستم کاتالیزور، تغییر داد. مقدار چسباننده ی پلیمری استفاده شده به طور کلی کم و معمولاً به وسیله ی اندازه ی پرکننده ها تعیین می شود. این مقدار در بتن های پلیمری معمولی بین 15% - 5% وزن کل می باشد ولی اگر پر کننده ها ریزدانه باشند ممکن است که تا بیشتر از 30% نیز نیاز باشد.
ترکیبات بتن پلیمری به طور کلی دارای خواص زیر می باشد :
مقاومت خوب در برابر حمله ی شیمیایی و دیگر خورنده ها، خاصیت جذب آب پایین، مقاومت خوب در برابر ساییدگی و ثبات و پایداری در مقابل پدیده یخ زدگی- ذوب (ذوب مجدد).
این شرایط باعث می شوند که بتن پلیمری در یک سطح قابل رقابت با بتن سیمان پرتلند در کاربری های ویژه قرار بگیرد. مقاومت شیمیایی و خواص فیزیکی عموماً تا اندازه ی زیادی به وسیله ماهیت چسباننده ی پلیمری مشخص می گردند تا نوع و مقدار پر کننده ها، در واقع خواص ملات پلیمر هم به طور زیادی به زمان و دمایی که آنها تولید می شوند بستگی دارد. خاصیت ارتجاعی چسباننده های پلیمری مقادیر خزش (وارفتگی) بالایی را ایجاد می کنند و این یک عامل محدود کننده در مصرف PCها در کاربری های سازه ای است. این واکنش تغییر شکل، بسیار متغیر بوده و بستگی به فرمول پلیمر مصرف شده دارد.
گونه های گسترده ای از منومرها و پری پلیمرها در تولید PCها استفاده می شوند. پلیمرهایی که اخیراً بیشتر استفاده می شوند، به 4 دسته تقسیم شده اند :
الف ) متیل متاکریلیت (M.M.A)
ب ) پلی استرپری پلیمر- استیرن
ج ) سخت کننده ی پری پلیمراپوکساید (یک منومر کراس- لینک)
د ) فورفوریل الکل
در جدول (6-4-1) کاربردهای اصلی PCها با توجه به نوع چسباننده بکار رفته در آنها ارائه گشته است.
جدول (6-4-1) کاربردهای اصلی PCها
نوع چسباننده
ویژگی عمومی
کاربری عمده
M.M.A
قابلیت جذب آب کم بنابراین مقاومت در برابر ذوب مجدد، سرعت پایین جمع شدگی در طول گیرش و بعد از گیرش، مقاومت شیمیایی خوب و دوام خوب خارج از ساختمان
در پلکان کارخانجات، صفحات نماسازی، محصولات بهداشتی و سنگ جدول ها.
پلی استر
نسبتاً محکم، چسبندگی خوب با دیگر مواد، مقاومت شیمیایی و یخ- ذوب خوب.
به دلیل قیمت پایین به طور گسترده ای در پانل های بتنی برای ساختمان های عمومی و تجاری، کفپوش ها، لوله ها، پلکان ها، بتنهای پیش ساخته گوناگون و کاربری های در جا ریخته در کارهای ساختمانی، مورد استفاده قرار می گیرد.
اپوکسی
مقاومت شیمیایی فوق العاده، مقاومت خوب در برابر خستگی و خزش، جذب آب کم، چسبندگی قوی یا بیشتر مصالح ساختمانی، جمع شدگی کم
این محصولات نسبتاً گران قیمت اند بنابراین فقط در کاربری های ویژه از آنها استفاده می شود. شامل استفاده در ملات برای کفپوش صنعتی همچنین به دلیل داشتن مقاومت لغزشی به عنوان روکش در بزرگراه ها، پلاستراپوکسی برای دیواره های خارجی و روکش کاری سازه های فرسوده.
فوران پلیمر
موادی ترکیبی با مقاومت شیمیایی بالاتر، مقاومت قوی در برابر مایعات آلی قطبی از قبیل کتون ها، هیدروکربن های آروماتیک و ترکیبات کلردار.
ملات های فوران پلیمر، گروتها در کفسازی های آجری و آسترها (پوشش ها) که در معرض مواد شیمیایی و افزایش دما و یا شوک های حرارتی هستند مورد استفاده قرار می گیرد.
بتن های پلیمری به طور زیادی مقاومتشان در برابر مواد شیمیایی از قبیل اسید هیدرولیک و محلول های قلیایی و سولفاته که در محیط های صنعتی یافت می شوند، بهبود داده می شوند.
بتن پلیمری پلیاستر مقاومت اسیدی بیشتر نسبت به بتن پلیمر اپوکسی دارد. در حالیکه مقاومت کمتری در مقابل محلول های قلیایی نسبت به اپوکسی دارد.
لوله های بتن پلیمری از نظر ترکیب جزو کامپوزیت ها محسوب می شوند و حاوی نوع خاصی از رزین (معمولا پلی استر) شن و ماسه و فیلر معدنی می باشند که با فرمولاسیون معینی به روش ریخته گری همراه با ارتعاش تولید می شوند.
اتصال این نوع لوله ها توسط دو عدد واشر لاستیکی و یک حلقهGRP صورت می گیرد و عمده مصرف آنها در خطوط انتقال ثقلی می باشد.
این نوع لوله ها از اقطار 300 تا 3000 میلیمتر قابلیت تولید داشته و چنانچه کاربرد آنها برای سیالات تحت فشار مد نظر باشد باید توسط تقویت کننده هایی مانند میلگرد تقویت شوند.
6-5- لوله های پلی اتیلن- کامپوزیت (PE- GF)
لوله های تحت فشار پلی اتیلنی از دهه های گذشته به منظور انتقال آب و فاضلاب مورد استفاده قرار میگیرند. به منظور کاهش و یا رفع ضعف های لوله های مذکور که قبلا به تفصیل شرح آن ارائه شد فناوری های جدیدی همچون ساخت لوله با استفاده از ترکیبات پلیمری تقویت شده با الیاف، توسعه پیدا کرده اند. این نوع لوله ها تا قطر 4000 mm و با طول 6 mتولید می شوند و توانایی تحمل فشار به میزان 10 bar با فاکتور ایمنی C=1.25 را به راحتی دارا می باشند.
مواد اصلی تشکیل دهنده لوله های پلیاتیلنی کامپوزیت ترکیبی از پلیاتیلن (PE80 یا PE100)، الیاف شیشه و رزین پیوند دهنده می باشد.
فرایند تولید این لوله ها شامل اکستروژن مستقیم و سپس پوشش دهی توسط الیاف است. لوله های حاصل به کمک فناوری اتصال الکتروفیوژن به یکدیگر متصل می گردند. اتصالات مربوطه نیز به روش های الکتروفیوژن و همچنین جوش لب به لب متصل می گردند.
قابلیت تولید طیف وسیعی از اتصالات مورد نیاز، از عمده ترین مزایای این فناوری به شمار می رود. همچنین به کمک فناوری موجود می توان لوله های با قابلیت تحمل فشار داخلی به میزان 16 bar (بسته به قطر مورد نیاز) را نیز تولید نمود.
از جمله اصلی ترین مزایای این لوله ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
• عمر مفید طولانی
• مقاومت عالی در برابر خوردگی
• وزن بسیار کم لوله در مقایسه با لوله های پلی اتیلن رایج
با توجه به جدید بودن تکنولوژی ساخت لوله های پلی اتیلن- کامپوزیت استانداردهای محدودی برای ساخت و آزمون آنها وجود دارد که از آن جمله می توان به استاندارد ASTM2720 و DIN19674 و ISO/AWI29561 اشاره نمود.
لوله ها و اتصالات پلیاتلین- کامپوزیت مطابق با فرآیند اکستروژن اسپیرال (مارپیچی) تولید میگردند. تمامی مواد تشکیل دهنده لوله در واحد اکستروژن با یکدیگر مخلوط شده و مستقیما اکسترود می گردند.
در ابتدا، نخستین لایه به صورت زاویه دار حول یک مندرل گرم کالیبره شده ایجاد میگردد. لایه های دیگر نیز به همین ترتیب بر روی لایه های قبلی قرار میگیرند.
در نتیجه تولید به روش فوق، مولکولهای پلیمر به صورت شعاعی جهت گیری مینمایند که این امر تاثیر بسیاری بر افزایش خواص مکانیکی میگذارد. مزیت مهم دیگری که در نتیجه فرآیند خنک کاری آرام و همراه با چرخش این لوله ها حاصل میگردد، عدم وجود هرگونه تنش باقیمانده و تغییر شکل احتمالی است.
دیوار لوله های مذکور شامل سه جزء اصلی می باشد:
یک جزء پلی اتیلنی تقویت شده با الیاف که مسئولیت تحمل تنشهای اعمال شده را بر عهده دارد و همچنین دو لایه پلی اتیلنی داخلی و خارجی.
قطر اسمی این نوع لوله ها مانند لوله های فایبرگلاس معادل قطر داخلی آنها بوده و در رده های فشاری مختلف، قطر اسمی یکسان است. طول اسمی استاندارد لوله ها شش متر میباشد. طول اسمی لوله در حقیقت طول واقعی لوله قرار داده شده در زمین میباشد، حال آنکه طول نهایی لوله، اندازه اتصالات نری/ مادگی انتهای لوله را نیز شامل میشود.
به طور کلی هر لوله و اتصال دارای یک مادگی و نری یکپارچه الکتروفیوژنی میباشد. در نتیجه در این حالت نیازی به اجزای متصل کننده اضافی نخواهد بود. طول اتصال مادگی بسته به رده فشاری مورد نیاز متغیر میباشد. همچنین لازم به ذکر است که لوله و اتصالات مذکور قابلیت اتصال به کمک فناوری جوش انتهایی(لب به لب) را نیز دارا میباشند.
با توجه به مذاکرات انجام شده با شرکت های تولید کننده در اقطار بالای 1000 میلی متر و فشار کارهای بالاتر از 10 بار الزاماً باید از جوش لب به لب استفاده کرد.
6-5-1- آنالیز رگراسیون
پلی اتیلن و دیگر محصولات هم خانواده آن به عنوان مواد ویسکوالاستیک، تحت تنش (فشار) اعمالی، ویژگیهای وابسته به زمان از خود به نمایش میگذارند.
به کمک نمودارهای برون یابی متداول که از آنها غالبا به عنوان نمودارهای کاهش استحکام با زمان یاد میشود، میتوان وابستگی زمانی خاص این گونه مواد را به تغییرات ویژگیهای مکانیکی لوله در دراز مدت مرتبط نمود. به عنوان مثال شیب منفی در چنین نمودارهایی نمایانگر توانایی مقاومت ماده ویسکوالاستیک در برابر تنشهای کوچکتر برای مدت زمانهای طولانی میباشد.
یکی از مهم ترین آزمونها جهت ارزیابی لوله های تحت فشار تعیین و ترسیم نمودارهای رگراسیون مطابق با استاندارد ISO 9080 (تعیین استحکام هیدرواستاتیکی دراز مدت مواد گرمانرم به کار رفته در لوله از طریق برون یابی) برمبنای معادلات آرنیوسی میباشد.
مطابق ادعای سازندگان این نوع لوله و بر مبنای محاسبات اولیه صورت گرفته مقدار MRS(حداقل استحکام مورد نیاز در 250C) لوله های فوق بزرگتر از 20MPa میباشد. در نتیجه در مقایسه با PE100 ( مطابق با (DIN 8074 میتوان مقدار ضخامت دیواره را تا حدود 50% کاهش داد.
6-5-2- اتصالات و متعلقات
تمامی اتصالات و متعلقات مورد نیاز خطوط انتقال پلیاتیلن- کامپوزیت بصورت فارسی بر و تحت زوایای استاندارد در محل کارخانه تولید میشوند و عملاً ساخت آنها بصورت یکپارچه ناممکناست.
6-6- نتیجه گیری
اگرچه اکثر لوله های معرفی شده در این بخش از گزارش در مقایسه با لوله های رایج صنعت آب که در بخش 3 معرفی شده اند دارای مزایای بیشتری بوده و اکثر نقاط ضعف آنها با استفاده از تکنولوژی های نوین و ابتکارات مهندسی رفع شده اند لیکن بنا به دلایل ذیل استفاده از آنها در طرحهای آبرسانی توصیه نمیشود.
الف- انحصاری بودن ساخت لوله
با توجه به اینکه اکثر لوله های معرفی شده در این بخش نیازمند تکنولوژی تولید خاص و ویژه ای بوده و اکثراً بصورت ابتکاری تولید می شوند، لذا می توان به جرات ادعا نمود که هر نوع لوله تولیدی منحصراً توسط یک کارخانه خاص تولید شده و به اصطلاح هر تولید کننده، لوله خاص خود را با استفاده از دانش فنی خود تولید می کند. این موضوع عملاً فرآیند تولید و تامین لوله را منحصر به یک سازنده می نماید.
ب- عدم وجود استاندارد مشخص و معیار سنجش کیفیت
با توجه به اینکه اکثر تکنولوژی های بکار رفته در لوله های موضوع بحث بر پایه دانش فنی سازندگان بدست آمده و بعضاً سعی و خطا در آن دخیل می باشد، لذا معمولاً استاندارد شاخص و معیار سنجش کیفیت مشخصی مانند آنچه برای لوله های رایج صنعت آب وجود دارد، نه در بخش ساخت و نه در بخش اجرا و تست و حتی بهره برداری وجود نداشته و این موضوع ارزیابی تولید، اجرا و عملکرد لوله های نوین را با مشکل روبرو می سازد.
ج- محدودیت تجربیات استفاده از لوله های نوین در پروژه های مشابه
با توجه به بررسی های انجام شده هیچ یک از کارخانجات تولید کننده لوله های مورد بحث، تجربه کاربرد لوله های تولیدی خود را در پروژه های روتین آبرسانی نداشته و عملاً نمی توان در مورد رفتار بلند مدت لوله های مذکور با توجه به تجربیات مشابه قضاوت نمود.
د- محدودیت ساخت اتصالات و متعلقات
اکثر لوله های مورد بحث دراین بخش از گزارش در مورد ساخت و تولید اتصالات دارای محدودیت بوده و فرآیند تامین و ساخت آنها به کندی و با هزینه های بالا صورت می گیرد. در بخش ساخت اتصالات و متعلقات نیز مانند بخش ساخت لوله، نبود استاندارد معتبر برای ساخت، اجرا و تست به چشم می خورد.
هـ - عدم شناخت رفتار بلند مدت لوله
رفتار بلند مدت اکثر لوله های رایج در صنعت آب را می توان با استفاده از آزمایشات و استانداردهای مشخص پیش بینی نمود لیکن در مورد اکثر لوله های نوین و ترکیبی مورد بحث به دلیل تنوع ترکیبات و روش ساخت آنها نمی توان رفتار بلندمدت لوله را پیش بینی کرد.
و- نیاز به تخصص های ویژه
به دلیل ویژگی خاص لوله های نوین مورد اشاره در این بخش از گزارش فرآیند نصب، اجرا و بهره برداری از خطوط مذکور به دلیل کمتر شناخته شدن آنها در ایران نیاز به تخصص های ویژه داشته و این موضوع فرآیند اجرا و بهره برداری را با مشکلات و حساسیت هایی روبرو می سازد.
7- بررسی اثر خوردگی خاک بر تعیین جنس لوله
7-1- مبانی خوردگی در محیط خاک
به طور خاص، تمام فرآیند های خوردگی که در محیط های خاکی اتفاق می افتد از نوع خوردگی الکتروشیمیایی هستند. در طی این واکنش ها الکترون ها از سمت آند، فلز در حال خوردگی، به سمت کاتد حرکت می کنند. فلز هنگامی بر روی سطح خود دچار خوردگی می شود که با رطوبت خاک در مجاورت خود و یا فواصل دورتر واکنش دهد. دلیل روی دادن خوردگی در طرف آند، ترک یون های فلز از سطح فلزی و انحلال آنها در رطوبت خاک است. الکترون هایی که این یون ها را از دست می دهند به سرعت به سمت قطب کاتدی حرکت می کنند تا این واکنش کاهشی تکمیل شود.
در سمت آند، فلز (M)، با از دست دادن یک الکترون در واکنش شیمیایی در نقش یک یون ظاهر می شود،
M→Mn++ne- (n=1,2,3,…)
در خصوص فولاد، که دارای مقادیر بالای آهن است، یون آهن (Fe2+) آزاد می شود.
Festeel→Fe2+soln+2e-
این الکترون های آزاد شده، سریعا در طول فلز (که یک رسانای الکتریکی قوی است) حرکت می کنند و جذب قطب کاتدی میشوند و با خاک واکنش میدهند. در این حالت سه نوع واکنش الکتروشیمیایی، بسته به نوع خاک و شرایط خوردگی محتمل است که در ادامه به آن پرداخته شده است.
7-1-1- خاک های قلیایی و خنثی
در این شرایط، محیط خورنده کاتد، رطوبت خاک است که اکسیژن محلول در آن با الکترون های آزاد شده از آندها واکنش می دهد.
O2+2H2O+4e-→4OH-soln
یون های هیدروکسید (OH-) از طریق رطوبت خاک به سمت فلز با بار مثبت که آند را ترک کرده اند، حرکت می کنند، و در آن جا به سمت یون های با بار مخالف جذب می شوند (Fe2+). وقتی یون های مثبت و منفی به هم می رسند، تشکیل یک لایه خوردگی جامد می دهند که گرایش به چسبیدن به سطح فلزی دارد. این لایه جامد با کاهش سرعت واکنش ها به نوعی سبب حفاظت از سطح فلز می گردد. در این حالت برای فولاد، معادله ای به شکل زیر برقرار است:
Fe2++2OH-→2Fe(OH)2↓
محصول واکنش فوق (Fe(OH)2) می تواند دوباره واکنش بدهد و یک لایه زنگ با قابلیت محافظت بالاتر به وجود بیاورد:
2Fe(OH)2+3/2O2+(n-1)H2O→Fe2O3.(n+1)H2O↓(زنگ تولید شده)
7-1-2- خاک های اسیدی
علاوه بر واکنش کاتدی که در بند قبل به آن اشاره شد ( واکنش H2O+O2 یون های و تولید OH-)، در شرایط اسیدی واکنش کاتدی شدیدتری ایجاد می گردد:
O2+4H++4e-→2H2O
در این واکنش هیچ نوع محصول جامد و یا به بیان دیگر، محصول با قابلیت ایجاد لایه محافظتی تولید نمی شود. در نبود اکسیژن، سومین واکنش کاتدی این گونه است:
2H++2e-→H2
شکل (7-1-2-1) موقعیتی را نشان می دهد که یک لوله مدفون در تماس مستقیم با محیط خاکی است. سیستم کلی حاکم در این حالت از چند بخش تشکیل می شود، بخش اول شامل تبادل گازهای خاک با گازهای فضای اطراف لوله است، در بخش دوم آب های سطحی و آب های حاصل از بارندگی از طریق ناحیه غیر اشباع به سمت آب های زیرزمینی حرکت می کنند. در بخش سوم، در منطقه غیراشباع، گاز یک فاز پیوسته را در بین ذرات تشکیل می دهد. در شکل (8-1-2-1)، لوله مدفون تا حدودی بالاتر از سطح آب محلی نشان داده شده است.
آن قسمت از لوله که درون قسمت غیر اشباع خاک قرار گرفته شرایط متفاوتی از قسمت دیگر لوله دارد که در قسمت اشباع است. درصورت دست خورده بودن خاک اطراف لوله هم می تواند، محیطی متفاوتی تشکیل شود. خوردگی شامل فرآیندهای الکتروشیمیایی محلی است که توسط فاز آبی به عنوان یک الکترولیت، در سطح لوله اتفاق می افتند. خاک از طریق کنترل دسترسی عواملی مانند اکسیژن اتمسفر به سطح لوله، کمک به واکنش های بیولوژیکی و یا تغییر ترکیبات شیمیایی فاز آبی در تماس با خط لوله میزان پیشروی فرآیند خوردگی را کنترل می کند.
شکل (7-1-2-1) قرار گیری لوله مدفون در محیط خاکی
شکل (7-1-2-2) موقعیت دیگری را نشان می دهد که در آن لوله به وسیله یک لایه پوشش محافظ از محیط اطرافش جدا شده است. تا زمانی که پوشش به شکل موثری عمل نماید، مشکل خوردگی اتفاق نمی افتد، در شرایطی که آب با سطح لوله تماس یابد، روند خوردگی به لوله آغاز شده و ادامه پیدا خواهد کرد. در این شرایط، تغییر در ترکیبات سطح لوله به جهت روی دادن فرآیندهای خوردگی می تواند خواص شیمیایی لایه آب در مجاورت سطح لوله را هم دستخوش تغییر کند.
معمولا برای حفاظت لوله های مدفون از حفاظت کاتدی (CP) استفاده می شود. در این روش با القای یک جریان الکتریکی منفی به سطح فولاد به شکل موثری از انحلال یون های فلزی به دلایل ترمودینامیکی در محیط آبی جلوگیری می شود.
شکل (7-1-2-2) تخریب لایه محافظ باعث می شود که آب در تماس با سطح لوله قرار بگیرد.
7-2- خاک
خاک شامل یک لایه از مواد معدنی و آلی است که سطح زمین را تا عمق چند متری پوشانده است و از هوازدگی سنگ ها و رشد گیاهان طی دوره های زمین شناسی به وجود میآید. خاک از لایه هایی تشکیل شده که بر اثر شرایط محیطی مانند زهکشی، تهویه، آب و هوا، مقدار آبی که در خاک نشت می کند با زمان تغییر می نماید.
یک لایه لجنی (Loam) معمولاً شامل 50% جامدات، 25% رطوبت در لایه سطحی و 25% هوا است. قسمت جامد شامل خرده سنگ، شن، ماسه، لای و رس است که رس 10% قسمت جامد را تشکیل می دهد و یک حالت کلوئیدی نسبتا مناسب را به خاک می بخشد. رطوبت شامل نمک های محلول و گازهاست که معمولا در بازه 100 تا 1000 ppm متغییرهستند، 0.01 تا 0.1 % فضای خالی بین ذرات جامد با آب و گاز پر شده است، بنابراین مقدار آب تحت تاثیر مقدار گاز موجود در فضاهای خالی است. این گاز به طور معمول 10 تا 12 برابر اتسمفر CO2 دارد که به همراه CO2 محلول در آب اسید کربنیک را تشکیل می دهد که مواد معدنی را در خود حل می کند (کربنات ها).
7-2-1- نفوذپذیری خاک
نفوذ پذیری خاک به شدت تحت تاثیر قطر ذرات خاک قرار دارد. شکل (7-2-1-1) این موضوع را نشان می دهد، وقتی قطر ذرات خاک کوچکتر می شود نفوذ پذیری در ماسه خوب دانه بندی شده و محصور نشده به سرعت کاهش می یابد. نفوذ پذیری در ماسه های خوب دانه بندی شده ای که اندازه ذرات در آنها محدود است بالاتر خواهد بود در حالی که ماسه هایی که منحنی دانه بندی وسیع تری دارند دچار کاهش نفوذ پذیری می شوند.
شکل (7-2-1-1) اختلاف در نفوذ پذیری ماسه بر اساس میانگین اندازه دانه ها و تفاوت در دانه بندی ذرات
نفوذ پذیری نقش مهمی در اتفاقات الکتروشیمیایی بر روی لوله های مدفون دارد زیرا نرخ جریان سیال ورودی به محیط خاک را کنترل می کند. خاک های درشت دانه باعث زهکشی خوبی می شوند و دسترسی اکسیژن اتمسفر را به عمق سازه آسان می کنند. خاک های ریز دانه غنی از رس بیشتر جریان آب را محدود می کنند. فشار مویینگی در خاک های ریز دانه به وسیله جلوگیری از زهکشی و کاهش میزان تبخیر باعث رانش آب به سمت بالا و اشباع کردن خاک حتی در شرایط نسبتا خشک می شود. خاک های عاری از آب به طور خاص در کاهش میزان ورود اکسیژن از لایه های اتمسفر موثرند. همچنین، خاک های عاری از آب، حتی در اعماق نزدیک به سطح زمین معمولا فاقد هوا هم هستند. کنترل دسترسی به اکسیژن می تواند منجر به بروز خوردگی در یک لوله مدفون شود.
7-3- عواملی که بر خوردگی در خاک تاثیر می گذارند
7-3-1- جنس خاک
لوله های با طول های زیاد معمولا در تماس با انواع مختلفی از خاک ها با میزان خورندگی متفاوت هستند. لوله در خاک های خورنده تر در نقش آند و در سایر خاک ها در نقش کاتد عمل می کند و تولید پیل های الکتروشیمیایی می کند که تا مسافت طولانی توسعه می یابد. یک مثال متداول لوله ای است که در طول مسیرش از نواحی رسی و لجنی عبور می کند همانطور که به طور شماتیک در شکل (7-3-1-1) نشان داده شده است. در این مثال خاص، فلز داخل رس نقش آند را بازی می کند (همانطوری که از آن انتظار می رود) هر چند که برخی از انواع رس ها ممکن است ترکیباتی با خورندگی کمتر داشته باشند.
شکل (7-3-1-1) خوردگی لوله در معرض انواع مختلف خاک
7-3-2- میزان رطوبت و جایگاه آب های زیر زمینی
وجود رطوبت در خاک یک نیاز کلیدی برای شروع خوردگی است. محل قرارگیری آب های زیر زمینی هم پروسه خوردگی را تحت تاثیر قرار می دهد زیرا میزان اکسیژن خاک به آن بستگی دارد. سطح آب زیر زمینی همچنین ممکن است در فصول مختلف سال متغیر باشد و همین عامل بر فرآیند خوردگی تاثیر می گذارد.
در حقیقت، 3 منبع آب در خاک وجود دارد : آب های ثقلی در خاک از بارش ناشی می شود (باران یا برف)، آب های مویینگی از حرکت مویینگی آب های زیر زمینی در خاک به وجود می آیند و باعث انباشته شدن آب های ثقلی در تراز ایستایی آب می شوند.
تراز ایستایی آب، بالاترین حد آب در ناحیه اشباع است که باعث ایجاد فاز پیوسته آبی در محیط خاک می شود. سطح ایستایی آب در فصول مختلف سال متغیر است و خاصیت مویینگی آب هم باعث اختلاف در تراز ایستایی آب می شود.
نیروی مویینگی شدید و نفوذپذیری کم لای و رس باعث بالا آمدن تراز ایستایی آب تا نزدیک سطح زمین می شود. تغییرات محلی در ترکیبات خاک نشان دهنده این موضوع است که تراز ایستایی آب ثابت نیست و به وسیله مویینگی تغییر می کند(شکل 8-1-2-1).
در مورد خوردگی، رطوبت بیشتر از 20% به عنوان یک عامل مهاجم در خاک شناخته می شود که باعث خوردگی فولاد کربن دار میشود و خوردگی عمومی ایجاد میکند. رطوبت کمتر از 20% منجر به خوردگی شبیه به سوراخ خواهد شد و خاک های خشک محل مساعدی برای خوردگی نیستند.
این مشاهدات می تواند به علت شرایط مختلف در معرض هوا قرارگرفتن خاک باشند. مقدار رطوبت و موقعیت تراز ایستایی آب بر نفوذ اکسیژن در خاک تاثیرگذار خواهد بود. در خاک های ساکن اشباع، ممکن است شرایط بی هوازی ایجاد شود، انتقال اکسیژن به آرامی صورت پذیرد و در نتیجه نرخ خوردگی فلز (در نبود تاثیرات میکروبی) پایین خواهد بود.
7-3-3- مقاومت الکتریکی خاک و میزان یون محلول
به طور کلی، باور عمومی بر این است که هر چه مقاومت الکتریکی خاک کمتر باشد (مثلا هرچه آب زیر زمینی شورتر و رساناتر باشد) سرعت خوردگی فلزات در خاک افزایش می یابد. به هر حال این ارتباط فقط در مورد فلزاتی صادق است که تحت حفاظت کاتدی قرار نگرفته اند. همچنین هر چه مقاومت الکتریکی خاک کمتر باشد، حفاظت کاتدی موثرتر است. در مورد لوله های مدفون پوشیده شده با نوار پلی اولفین (مانند پوشش پلی اتیلن سه لایه)، این نتیجه حاصل شده است که پتانسیل نفوذ حفاظت کاتدی در یک ناحیه جدایش با خاصیت سپر شوندگی به خاطر رسانایی آب جمع شده در زیر پوشش کاهش می یابد. هر قدر که رسانایی آب جمع شده در زیر پوشش افزایش یابد، حفاظت کاتدی به قسمت های دورتر پوشش نفوذ کرده و از گسترش خوردگی در سطح فولادی جلوگیری می نماید.
برای فولاد های محافظت نشده که در معرض برخورد مستقیم با خاک هستند، بوث اظهار می دارد که اگر مقاومت الکتریکی خاک کمتر از 2000 Ωcm باشد این خاک خورنده است و اگر مقاومت الکتریکی بیشتر از 2000 Ωcm باشد این خاک خورنده نیست. پالمر، یک طبقه بندی دقیق تر از خورندگی خاک بر اساس مقاومت الکتریکی همان طور که در جدول (7-3-3-1) نشان داده شده، ارائه نموده است.
میلر، کالمن و دیگران نیز طبقه بندی های مشابهی با جدول (7-3-3-1) ارائه کرده اند. همه آن ها متفق القول هستند که مقاومت الکتریکی کمتر، سرعت خوردگی را افزایش می دهد ولی مقادیر استفاده شده برای رده بندی انواع خاک ها متفاوت است.
برخی از پژوهشگران نیز بیان می کنند که خوردگی به وسیله خاک را میتوان به دو نوع تقسیم بندی نمود، خوردگی بعلت ایجاد پیل ماکرو گالوانیک (که خوردگی کلی ایجاد می کند) و خوردگی پیل میکروگالوانیک (که باعث خوردگی محلی میشود). مقاومت الکتریکی پایین تر منجر به سرعت بخشی به نوع دوم خوردگی می شود و بر نوع اول اثر گذار نمی باشد.
جدول (7-3-3-1) طبقه بندی خوردگی خاک بر اساس مقاومت الکتریکی
خوردگی
محدوده مقاومت الکتریکی (Ωcm)
بسیار شدید
0-1000
شدید
1001-2000
متوسط
2001-5000
ملایم
5001-10000
بسیار ملایم
بیش از 10000
میزان یون های محلول خاک در خاک ارتباط مستقیم با مقاومت الکتریکی دارد. میزان یون محلول بیشتر، مقاومت الکتریکی خاک را کاهش میدهد، که برای فلزهای محافظت نشده، نرخ خوردگی را افزایش خواهد داد. با این وجود، یونهای معینی هستند که رفتاری جز این دارند. برای مثال، یون های کلسیم و منیزیم تمایل دارند توسط کربنات ها در سطح فلز رسوب کنند در نتیجه در خاک های غنی از مواد معدنی مانند سنگ آهک و رسوبات آهکی نرخ خوردگی پایین تر است. این قضیه حتی در مورد فلزاتی که حفاظت کاتدی شده اند در محیط های سرشار از کربنات بیشتر مشهود است.
در بعضی محل ها، خاک به طور فشرده ای حاوی مقادیر بالایی از یون های سدیم، کلرید و سولفات است. این محل ها دارای مقاومت الکتریکی بسیار پایینی هستند و نسبت به فولاد محافظت نشده بسیار مهاجم و خورنده می باشند.
7-3-4- pH خاک
pH خاک ها معمولا در محدوده 5/3 تا 10 متغیر است. خاک های دارای مواد آلی گرایش به اسیدی بودن دارند. خاک های دارای مواد معدنی در صورت از دست دادن کاتیون های (K+ و Na+ و Mg2+ و Ca2+) بر اثر باران اسیدی می شوند و این به خاطر انحلال کربن دی اکسید در آب های زیر زمینی است. خوردگی آهن در خاک های با PH کمتر از 4 بسیار شدید است ولی در PH های بالاتر خوردگی کمتر اتفاق می افتد. بر خلاف آهن، فلزات آمفوتری، مانند آلومینیوم که با غشای اکسیدی محافظت شده اند در خاک های قلیایی هم مانند خاک های اسیدی دچار خوردگی میشوند.
کینگ نموگرامی طراحی کرده است که اثرات دوگانه مقاومت الکتریکی و PH را بر روی خوردگی فولاد نشان می دهد (شکل 7-3-4-1) ولی این نموگرام فقط به عنوان راهنما می تواند استفاده شود. این نموگرام از اثرات پتانسیل اکسیداسیون-احیا و فعالیت های میکروبی چشم پوشی می کند که عوامل مهمی در خوردگی زیر زمینی هستند. مهم ترین مصداق این قضیه پیش بینی خوردگی در شرایط هوازی است.
شکل (7-3-4-1) نموگرام مربوط به مقاومت الکتریکی خاک PH و نرخ خوردگی برای لوله فولادی در خاک
7-3-5- پتانسیل اکسیداسیون-احیا (ORP)
ORP خاک پتانسیل یک الکترود بی اثر مانند پلاتینیوم نسبت به یک الکترود مرجع مانند سولفات مس یا جیوه سفید اشباع است. این پارامتر غلظت اکسیژن را نشان نمی دهد ولی برای نشان دادن اکسیداسیون یا ظرفیت احیای خاک مناسب است. در شرایط هوازی، مقدار اکسیژن خاک بالاست و مقدار ORP بالاتر از شرایط بی هوازی است. در خاک های ناهوازی، الکترون پذیرهای به جز اکسیژن نمایاننده ORP خاک هستند.
ORP یک مقدار انتزاعی است ولی مشاهدات و پژوهش ها نشان داده است که می تواند تا حدودی خورنده بودن خاک را نشان دهد. استارکی و وایت طبقه بندی خورندگی خاک بر اساس اکسایش و احیا را ارائه داده اند که در جدول (7-3-5-1) نشان داده شده است.
جدول (7-3-5-1) طبقه بندی خورندگی خاک بر اساس پتانسیل اکسایش- احیا
بازه *ORP (mV)
درجه خوردگی
<100
شدید
100-200
متوسط
200-400
ناچیز
>400
خورنده نیست
*مقدار ORP براساس الکترود هیدروژن معمولی (NHE) اصلاح شده است.
بوث هم به یک طبقه بندی مشابه با جدول بالا دست یافته است. در این حالت، اگر شاخص ORP کمتر از 4/. ولت باشد خاک ها مهاجم نامیده می شوند (NHE در PH7) و اگر ORP بالاتر از 4/. ولت باشد خاک مهاجم نیست (NHE در PH7). نتیجه کلی می تواند این باشد که خاک های هوازی تقریبا بی خطر هستند. در محیط های غیر هوازی تهاجم بیشتری مشاهده شده است. این مشاهدات می تواند این طور توجیه شود که پتانسیل فعالیت های میکروبی غیر هوازی در خاک های با ORP پایین بیشتر است.
7-3-6- سطوح متفاوت اکسیژن
لوله های مدفون در خاک های رسی بیشتر خاصیت آندی دارند زیرا مقدار اکسیژن رس کمتر از لجن است. قطر کوچک ذرات رس باعث توانایی رس در نگهداری مقادیر زیاد آب می شود، همچنین به علت این که اطراف هر ذره رس با پوشش نازکی از رطوبت پوشیده می شود، هیچ منفذ خالی ای برای اکسیژن باقی نمی ماند. به خاطر مقادیر بسیار ناچیز اکسیژن، واکنش کاتدی محتمل نیست ولی واکنش آندی ممکن است اتفاق بیفتد. واکنش کاتدی به طور وسیعی در خاک های لجنی اتفاق می افتد. یک تغییر ناگهانی در پتانسیل اکسایش- احیا نمایانگر خوردگی الکتروشیمیایی در محلی است که فلز در خاک با پتانسیل اکسایش- احیای پایین دچار خوردگی می شود. این موضوع در شرایط غیر هوازی هم صادق است.
حتی در خاک های همسان هم، پیل غلظتی اکسیژن در مخلوط خاک های دست خورده و دست نخورده به وجود می آید. شکل (7-3-6-1) نشان دهنده یک خط لوله مستقر در زیر یک ترانشه است که با خاک دست خورده پر شده است. قسمت زیرین خط لوله در تماس با خاک دست نخورده است و خورده می شود. واکنش کاتدی طبق معادله زیر است:
در صورتی که اکسیژن خاک کم باشد، یا خاک دست نخورده باشد، این واکنش اتفاق نمی افتد ولی در خاکریز، واکنش کاتدی همچنان ادامه پیدا می کند. خوردگی به دلیل کاتد بزرگ و آند کوچک سرعت پیدا می کند. این مشکل در صورتی که خط لوله بر روی یک لایه ماسه، کیسه های پر از شن، یا لایه ای در کف ترانشه قرار گیرد کاهش پیدا می کند.
شکل (7-3-6-1) پیل خوردگی بر روی خط لوله در خاک دست خورده و دست نخورده
7-4- اثرات خاک بر روی حفاظت کاتدی و پوشش های محافظ
حفاظت کاتدی و پوشش های محافظ همواره برای محافظت سازه های فلزی در برابر خوردگی خارجی استفاده شده است. هر دوی این روش ها باعث محافظت در برابر خوردگی سازه های مدفون می شود. استفاده همزمان از این دو روش هزینه حفاظت کاتدی را کاهش می دهد در حالی که سیستم حفاظت کاتدی، عیوب احتمالی پوشش های محافظ را جبران می کند.
گاهی اوقات، شرایط خاک، اجرای حفاظت کاتدی را به خطر می اندازد. برای مثال، هدایت الکتریکی خاک یک عامل کلیدی در طراحی یک سیستم حفاظت کاتدی مناسب است. طراحی ضعیف یا افزایش پیش بینی نشده هدایت الکتریکی خاک بر اثر خشکسالی یا هر عامل دیگری می تواند موجب ناکارآمدی حفاظت از سطح لوله های مدفون شود.
آسیب به پوشش یا نقص در آن در نبود حفاظت کاتدی مناسب می تواند شانس خوردگی را به خاطر تماس آب با سطح فولاد افزایش دهد. نمونه رایج این موضوع را میتوان در هنگام جدایش پوشش از سطح لوله مشاهده نمود.
توانایی عایق بندی الکتریکی پوشش درناحیه دچار جدایش، از سطح فولاد در برابر حفاظت کاتدی محافظت می کند و اجازه می دهد که صدمه به فولاد بر اثر پتانسیل خورندگی آن پیشرفت کند. این سناریو بخصوص هنگامی که خاک در اطراف لوله از نظر مقدار رس غنی باشد و در مکان هایی که رانش خاک و یا نشست ناگهانی خاک وجود داشته باشد محتمل تر می باشد. دماهای بالا یا حفاظت کاتدی بیش از حد به جدایش پوشش سرعت می بخشد.
در موارد دیگر، برای مواد پوششی شامل پلی وینیل کلرید، آسفالت یا قطران پدیده های از قبیل نفوذ آب، اکسیداسیون و یا فعالیت های باکتریایی میتواند از طریق از بین بردن اجزای تشکیل دهنده پوشش منجر به از دست رفتن یکپارچگی سیستم پوشش شوند. دمای بالا در این مورد هم می تواند تخریب پوشش را سرعت بخشد. در نتیجه به خاطر افزایش نفوذ پذیری پوشش، آب به سطح فولاد لوله نفوذ می کند. اگر لایه نفوذپذیر آب را در سطح فولاد نگه دارد، در طول مدتی که خاکریز (back fill) خشک می شود حفاظت کاتدی می تواند موثر واقع شود. مثال هایی از هر دو سناریو، تاکنون در شرایط اجرایی مشاهده شده است. لیکن بروز سناریوی اول در لوله های انتقال آب و فاضلاب به جهت کاهش میزان تنش های وارده از خاک کاهش می یابد (به علت وجود پشت بند ها، اجرای back fill مناسب و...).
7-5- خوردگی لوله های پوشش دار
پوشش خط لوله در وهله اول باید مانع مناسبی در برابر نفوذ رطوبت به سطوح فلزی باشد. از این رو، معمولا پوشش ها در ضخامت های بیشتر اجرا می شوند تا ترک و عدم پیوستگی موجود در پوشش را به حداقل برساند. علاوه برآن پوشش های ضخیم حفاظت مناسبی را در برابر آسیب های ناشی از حمل واجرای لوله ایجاد نموده، و پس از اجرا نیز در برابر فشار های نقطه ای حاصل از سنگ ها مقاومت مینماید. دارا بودن مقاومت الکتریکی بالا و حفظ آن در طول زمان یک نیاز اساسی است، زیرا حفاظت کاتدی همواره برای حفاظت در برابر خوردگی با اعمال پوشش توام می شود.
7-5-1- آسیب پوشش لوله ها
آسیب در ساختار پوشش لوله ها معمولا به دو دلیل عمده اتفاق می افتد. یکی از این دلایل جوشکاری لوله است. دمای حاصل از فرآیند جوشکاری در محل جوش باعث از بین رفتن پوشش می شود. دومین دلیل نقص های موجود در ساختار پوشش (بخصوص نواحی با ضخامت کم پوشش) به علت اجرای نامناسب آن می باشد. این نقص ها با عث ایجاد ترک های طولی در پوشش شده و منشا پدیده خوردگی می گردند. برای حل این موضوع باید در هنگام اعمال پوشش به نحوی عمل شود که هر لایه جدید پوشش به نحوی روی لایه قبلی قرار گیرد که حداقل 50% آن را پوشش دهد، این کار باعث جلوگیری از بروز شکاف های طولی در پوشش لوله ها می شود. همچنین باید در محل جوشکاری دوباره یک لایه پوشش بر روی محل بدون پوشش قرارداده شود.
7-5-2- مکانیزم از بین رفتن پوشش
بسیاری از واکنش های شیمیایی برای از بین بردن پوشش محتمل هستند. همه آن ها نیاز به نفوذ مواد مهاجم به لایه های پوشش دارند این مواد شامل آب، اکسیژن، SO2 و الکترولیت های دیگر می شود. دو راهکار برای این نفوذ وجود دارد : جدایش کاتدیک یا بالا آمدن پوشش به علت ایجاد اکسید فلزی در زیر آن. در شکل (7-5-2-1) بطور شماتیک هر دوی این راهکار ها نشان داده شده است. جدایش کاتدیک در آزمایش مه نمک و به وسیله ی کاهش کاتدی اکسیژن محلول و آزاد شدن باز OH- ایجاد می شود:
آسیب های بزرگ و کوچک مانند سوراخ ها، شکستگی ها و خراش ها موجود در پوشش اجتناب ناپذیرند و باعث ایجاد دسترسی به لایه های فلز می شوند:
واکنش آندی فوق در محل آسیب دیده در مجاورت سطح کاتد اتفاق می افتد. اکسیژن جهت کمک به واکنش کاتدیک به کمک آب باید در طول پوشش حرکت کند. فلز قلیایی تولید شده به وسیله واکنش کاتدی می تواند با پلیمر آلی واکنش دهد و پوشش را در محل بین پوشش و فلز جدا کند، این موضوع در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل (7-5-2-1) مکانیزم آسیب در محل سوراخ پوشش به طور شماتیک
بادکردگی اکسیدی زمانی اتفاق می افتد که خوردگی آندی باعث ایجاد یک فضای خالی در زیر پوشش می شود، همان طور که در شکل نشان داده شده است. فقط در زمان خشک شدن و خیس شدن پیاپی باد کردگی سطح زیر پوشش رخ می دهد و این اتفاق در محل هایی که رطوبت دائمی است محتمل نیست. با وجود این که مکانیزم این فرآیند نامشخص است، بعضی از حدسیات موجود در این خصوص در شکل (7-5-2-1) نشان داده شده است.
محصولات خوردگی شناور در آب در طی فرآیند خشک شدن فشرده میشود. زنگ حاصل از این فرآیند یک لایه داخلی از یون آهن محلول را تشکیل می دهد، Fe2+ بعدا تبدیل به Fe(OH)2 میشود و پس از اکسیده شدن تبدیل به مگنیت (Fe3O4) می شود (FeO.Fe2O3). لایه خارجی آبدار نیز کاملا اکسید شده و با ایجاد FeOOH محصول نهایی خوردگی را تکمیل می کند. باگذشت زمان ساختار لایه از محصولات حاصل از این فرآیند ها با خشک و خیس شدن های پیاپی سطح بر روی سطح فلز بدون پوشش ایجاد می شود. واکنش کاتدی در طول بالازدگی آندی می تواند اینگونه باشد :
این واکنش در محل آسیب دیدگی سطح فلزی رخ می دهد و در ادامه آن احتمالا :
که در لایه مگنیت خارجی روی می دهد. قابل ذکر است که مگنیت به اندازه کافی رساناست در نتیجه به عنوان یک الکترود برای واکنش کاتدی عمل می کند و Fe3O4 دوباره با استفاده از اکسیژن اتمسفر اکسیده شده تبدیل به FeOOH می شود. SO2، که یک آلاینده محیطی است بر اثر هیدراسیون تبدیل به اسید سولفوریک می شود و قطر سوراخ را بزرگ می کند، واکنش آندی را فعال می کند، نرخ خوردگی عمومی اتمسفریک را بالا می برد و در محل آسیب باعث شکسته شدن پوشش می گردد.
اکسیژن معمولا به مقیاس زیاد تری در آسیب های ماکروسکوپیک پوشش شرکت می کند، زیرا جدایش پوشش معمولا در چنین آسیب هایی پیش می آید. بیش تر تلاش های اخیر که در زمینه توسعه فرآیندهای اجرای پوشش ها انجام شده است، بر روی ارتقای یکپارچگی پوشش و فلز در هنگام بروز آسیب متمرکز می باشند.
7-6- راهکارهای برآورد پتانسیل خوردگی خاک برای لوله های فلزی
همانگونه که در بخش 7-3 نیز تشریح گردید با در دست داشتن مقادیر پارامتر های کلیدی شیمیایی خاک می توان میزان پتانسیل خوردگی خاک را برای لوله های فلزی تعیین نمود.
الف- آزمایشهای صحرایی تعیین مقاومت الکتریکی خاک
این آزمایش باید طبق استانداردASTM G57 ، به روش ونر 4 پین و در اعماق 5/1 و 3 متری نسبت به سطح زمین انجام شد.
ب-آزمایشهای آزمایشگاهی تعیین پتانسیل خورندگی خاک
آزمایشهای زیر بر روی نمونههایی از اعماق میانی (حدود 5/1 متری) و تحتانی (حدود 3 متری) هر یک از چاهکهای شناسایی مسیر خط انتقال انجام می شود. آزمایشهای آزمایشگاهی مورد نظر عبارتند:
• آزمایشهای تعیین مقاومت خاک به روش Miller box و طبق استاندارد ASTM G57
• آزمایشهای تعیین PH خاک طبق استاندارد ASTM G51 یا ASTM D2976 یا ASTM D4972
• آزمایشهای تعیین پتانسیل اکسیداسیون (Red Ox Potential) طبق استاندارد ASTM D1409
• آزمایشهای تعیین سولفیدها طبق استاندارد ASTM D4658
• آزمایشهای تعیین میزان باکتری احیا کننده سولفات (SRB) طبق استاندارد ASTM D4412 - 84(2009)
مطابق استانداردBS-7361 پتانسیل خوردگی خاک برای لوله های فولادی بر مبنای میزان مقاومت الکتریکی به سه رده تقسيم ميشوند:
• خاک هايي که مقاومت الکتريکي آنها کمتر از 10 اهم متر باشد در رده خاک هاي با پتانسیل خورندگي شديد قرار ميگيرند.
• خاک هايي که مقاومت الکتريکي آنها بين 10 تا 100 اهم متر باشد در رده خاک هاي با پتانسیل خورندگي متوسط قرار ميگيرند.
• خاک هايي که مقاومت الکتريکي آنها بزرگتر از 100 اهممتر است، در رده خاك هاي با پتانسیل خورندگي كم قرار ميگيرند.
برای تعیین میزان پتانسیل خوردگی خاک برای لوله های چدنی نیز میتوان از استاندارد AWWA C105-2012 استفاده نمود. مطابق روش ده امتیازی معرفی شده در این استاندارد هریک از پنج عامل مقاومت الکتریکی، پتانسیل اکسایش و کاهش (Redox)،PH، سولفید و رطوبت بسته به مقادیر تعین شده برای هریک ازآنها امتیازاتی تعلق می گیرد. در صورتی که جمع این امتیازات به 10 برسد، آنگاه خاک برای لوله چدن بسیار خوردنده بوده و جهت اجرای لوله چدن نیاز به استفاده از غلاف پلی اتیلنی خواهد بود که پیش از این به مشخصات آن اشاره شده است (جدول 7-6-1).
لازم به توضیح است که غلاف پلی اتیلنی نیز یک پوشش مطمئن و کارا نبوده و به جهت اجرای دستی آن در محل کارگاه و عدم امکان تست و ارزیابی کامل، استفاده از آن در خطوط انتقال بزرگ به هیچ عنوان توصیه نمی گردد . درمراجع مختلف و معتبر نمونه های فراوانی از عدم کارایی این گونه از پوشش ها ارائه شده است.
شکل (7-6-4) تصویر آسیب لوله چدنی غلاف پیچی شده از محل نوار چسب
شکل (7-6-5) تصویر آسیب لوله چدنی غلاف پیچی شده از محل جداره غلاف
جدول (7-6-1)جدول ده امتیازی استاندارد AWWAC105-2012
8- انتخاب جنس لوله
نحوه انتخاب جنس لوله مناسب برای طرحهای آبرسانی با توجه به پارامترهای فنی و اقتصادی و محدودیتهای طراحی و اجرا در بخشهای آتی ارائه شده است.
8-1- معیارها و محدودیتهای فنی
با توجه به مطالب ارائه شده در بخش های قبل می توان نتیجه بررسی انجام شده در مورد هریک از انواع لوله را به شرح زیر خلاصه نمود:
الف- لوله های فولادی ST
از نظر فشارپذیری نظر به اینکه این نوع لوله ها در اقطار بالا، تحمل فشار کاری خط انتقال را دارا میباشند و نیز با توجه به شرایط کارگذاری لوله و قابلیت اجرا در پیچ و خمها و پستی و بلندی ها می توان با انتخاب زانوها و خمهای مناسب به صورت اتصالات جوشی به راحتی خط را اجرا نمود، یکی از گزینه های فنی قابل طرح در پروژه های آبرسانی می باشند.
با توجه به شرایط هر پروژه و در نظر گرفتن پارامترهایی از قبیل خصوصیات زمینشناسی و زلزله خیز بودن منطقه و احتمال لغزش زمین این نوع لوله با اتصالات جوشی و پیشبینی تمهیدات در نقاط مناسب به صورت اتصالات آکاردئونی، مقاومترین نوع لوله ها میباشند. با توجه به آببندی کامل اتصالات جوشی لوله فولادی، مشکلات آب بندی در زمان اجرا و تعمیرات دوره بهرهبرداری به حداقل می رسد.
ب- لوله های چدن نشکن DCI
از نظر فشارپذیری این لوله در داخل کشور حداکثر تا فشار 25 بار (فشار کار لوله های با قطر بالا) تولید می شود و در قیاس با لوله های فولادی ضعیف تر است از طرف دیگر در صورت زلزله خیز بودن منطقه طرح، این نوع لوله ها باید همراه با اتصالات ضد زلزله ارائه گردند. با توجه به این موضوع استفاده از لوله های چدنی خطوط لوله با فشار کار 16 بار و کمتر از آن قابل توصیه است.
ج- لوله های فایبرگلاس GRP
از نظر فشارپذیری این نوع لوله ها اگرچه قابلیت تولید تا فشار کار 32 بار را دارا میباشند، لیکن به برای اقطار بالا، فشار کار بالاتر از 25 اتمسفر توصیه نمیشود. لوله های فایبرگلاس به عنوان یکی از مقاوم ترین لوله ها در برابر خوردگی، در صورت رعایت شرایط نصب صحیح از قابلیت اطمینان کافی برخوردار می باشند.
د- لوله های پلی اتیلن PE
با توجه به عدم وجود تجربه مشابه برای قطرهای بالا و فشار کار زیاد در سطح کشور استفاده از این لوله ها در فشار کارهای بالاتر از 16بار قابل توصیه نیست. باید توجه نمود که ضخامت این نوع لوله ها در اقطار بالا بسیار افزایش می یابد بطوری که به عنوان مثال برای دستیابی به قطر داخلی 1500 میلی متر استفاده از لوله با قطر خارجی حدود 1800 میلی متر الزامی خواهد بود.
با توجه به اینکه مطابق استانداردهای ساخت لوله های پلی اتیلن، حداکثر فشار کار لوله با قطر خارجی 1800 میلی متر 10 بار بوده و فشار کار در محدوده ثقلی خط انتقال نیز حدود 10 بار است لذا استفاده از لوله پلی اتیلن از دید فشار کاری با ریسک بالایی روبرو می باشد و بنابراین استفاده از این نوع لوله توصیه نمی شود.
با توجه به توضیحات ارائه شده در فوق، از نظر معیارهای فنی سه نوع لوله فولادی، چدن نشکن و فایبرگلاس قابل استفاده در طرحهای رایج آبرسانی(طرح های متوسط و بزرگ) می باشند.
8-2- معیارهای اقتصادی
درانتخاب لوله هاي مورد استفاده، شرايط خاص اجرايي طرح مي بايست مد نظر قرار گيرد، لیکن جهت بررسي جامع در اين مرحله بايد هزينه سرمايهاي و جاری انواع لوله ها نیز که شامل موارد زیر است مورد بررسی قرار گیرد:
1- قیمت تمام شده خرید لوله
2- هزینه حمل و نقل لوله
3- هزینه نصب لوله و اتصالات
4- هزینه حفاظت لوله
5- هزینه های جاری شامل هزینه های بهرهبرداری و نگهداری
با توجه به آنچه در بخش های قبل ذکر شد و همچنین در نظر گرفتن عواملی نظیر شرایط منطقه طرح، محدودیتهای طراحی، سهولت تهیه و نصب، آسان بودن تعمیرات و بهره برداری، سوابق کاربرد لوله های مختلف در منطقه و تجربیات پیشین از میان لوله های مختلف آبرسانی، چهار نوع لوله فولادی(ST)، فایبرگلاس(GRP)، پلی اتیلن(PE) و چدن نشکن(DCI) برای انجام بررسیهای اقتصادی انتخاب شدند.
8-2-1- مقايسه هزينه هاي سرمايهاي انواع لوله ها در سال 1399 در ایران
در اين بخش با بررسي هزينه های يك متر لوله در جنس هاي مختلف سعي شده است مقايسهاي بين هزينههاي اجرايي هر يك از لوله ها صورت گرفته و با صرفهترين لوله از نظر سرمايهاي انتخاب گردد. روش كلي برآورد هزينه يك متر لوله به شرح زير ميباشد:
• برآورد هزينه كارهاي اجرائي برمبناي قيمتهاي پايه سال 1397 سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور انجام گرفته است.
• با استفاده از استعلامات کتبی و تلفنی نسبت به برآورد هزینه های تامین و خرید لوله و اتصالات مختلف اقدام شده است.
• به دليل يكسان بودن نوع شيرآلات براي لوله با جنسهاي متفاوت، در مقايسه انجام شده از احتساب هزينه هاي مربوط به خريد و نصب شيرآلات صرف نظر شده است.
• به دلیل ناچیز بودن هزینه های حمل در مقایسه با سایر هزینه ها، از هزینه های حمل لوله ها نیز صرف نظر شده است.
• در مورد لوله هاي فولادي هزينههاي اندود داخلی با اپوکسی و پوشش خارجي با پلياتيلن سه لايه در نظر گرفته شده و جزو هزینه های خرید لوله فرض شده و هزینه حفاظت کاتدیک مطابق تجربیات در طرح های مشابه حدود 2 درصد هزینه تأمین لوله خام فولادی در نظر گرفته شده است.
• لوله های فایبرگلاس و چدن نشکن با فشار کار 16 بار مورد مقایسه قرار گرفته اند. فشار طراحی برای محاسبه ضخامت لوله های فولادی نیز معادل 16 بار در نظر گرفته شده است.
• در مورد لوله های PE با توجه به محدودیت های تولید این لوله ها که در استاندارد 14427 ISIRIبه آن اشاره شده است. لوله هایی که بتوانند قطر داخلی 1200 تا 1400 میلیمتر را پوشش دهند با حداکثر فشار کاری 5/12 بار قابل تولید می باشد.
• هزینه پوشش ملات سیمان و زینگ و قیر لوله های چدن نشکن در هزینه هر متر طول لوله های چدنی لحاظ شده است.
• ضریب تجهیز و برچیدن کارگاه معادل 06/1 فرض شده است.
• گرید فولاد مصرفی برای ساخت لوله های فولادی ST37 در نظر گرفته شده است.
• سفتی حلقوی لوله های فایبرگلاس معادل 5000 پاسکال در نظر گرفته شده است.
• ضريب هزينههاي بالاسري برای اجرا برابر 3/1 در نظر گرفته شده است.
در شکل شماره (8-2-1-1) هزینه کل خرید، حمل و نصب لوله های مورد نیاز طرح برای اقطار متفاوت ارائه شده است.
هزینه های مربوط به خرید و اجرای هر یک از انواع لوله ها در جداول شماره (8-2-1-1) الی (8-2-1-3) نیز به تفکیک ارائه شده است.
نمودار (8-2-1-1) هزینه خرید و اجرای لوله های آبرسانی
جدول (8-2-1-1) برآورد هزینه های خرید، حمل و لوله گذاری یک متر لوله فولادی 16 بار
قطر اسمی لوله
هزینه (ریال)
خرید لوله
لوله گذاری
جمع
800
12,152,888
3,537,385
15,690,273
900
15,025,031
4,065,830
19,090,861
1000
19,114,902
4,844,277
23,959,179
1200
25,820,114
7,057,254
32,877,368
1400
32,238,784
8,800,730
41,039,514
جدول (8-2-1-2) برآورد هزینه های خرید، حمل و لوله گذاری یک متر لوله چدنی 16 بار
قطر اسمی لوله
هزینه (ریال)
خرید لوله
لوله گذاری
جمع
800
15,582,336
2,745,665
18,328,001
900
19,120,563
3,057,438
22,178,001
1000
23,012,220
3,338,205
26,350,425
1200
30,795,534
4,020,315
34,815,849
1400
37,165,128
4,695,535
41,860,663
جدول (8-2-1-3) برآورد هزینه های خرید، حمل و لوله گذاری یک متر لوله فایبرگلاس 16 بار
قطر اسمی لوله
هزینه (ریال)
خرید لوله
لوله گذاری
جمع
800
10,413,248
2,381,184
12,794,432
900
12,546,082
2,744,976
15,291,058
1000
14,970,151
3,065,361
18,035,512
1200
21,098,494
3,910,764
25,009,258
1400
27,639,027
4,282,824
31,921,851
جدول (8-2-1-4) برآورد هزینه های خرید، حمل و لوله گذاری یک متر لوله پلی اتیلن 16 بار
قطر اسمی لوله
هزینه (ریال)
خرید لوله
لوله گذاری
جمع
800
16,157,070
2,769,780
18,926,850
900
20,453,850
3,065,361
23,519,211
1000
25,113,600
3,360,942
28,474,542
1200
35,316,000
3,952,104
39,268,104
8-3- انتخاب جنس لوله مورد استفاده در طرح های آبرسانی
همانطور که در شکل شماره (8-2-1-1) مشاهده می شود تأمین و اجرای لوله های فایبرگلاس در تمامی اقطار ارزانترین گزینه و لوله های پلی اتیلن گرانترین گزینه می باشند. هزینه تأمین و اجرای لوله چدن نشکن و فولادی در محدوده قطر 800 تا 1400 میلیمتر به ترتیب حدود 40 و 30 درصد گرانتر از لوله فایبرگلاس در محدوده قطر مذکور می باشند.
با توجه به این نکته که بهدلیل زبری کمتر لوله های فایبرگلاس در مقایسه با لوله های فولادی و چدنی برای انتقال دبی یکسان از قطر کمتری استفاده میشود، لذا اختلاف قیمت لوله های فایبرگلاس مطابق مشخصات مورد نیاز هر طرح بسیار کمتر از لوله های فولادی، چدن نشکن و پلی اتیلن خواهد بود.
لازم به توضیح است که انتخاب لوله های مورد نیاز با در نظر گرفتن تمامی پارامترهای فنی و اقتصادی صورت خواهد گرفت، لذا از فرآیند تحلیل سلسله مراتبی و روش مقایسه زوجی AHP برای بررسی سه جنس لوله فولادی، چدن نشکن و فایبرگلاس استفاده شده است.
با عنایت به مطالب ارائه شده در بخش 8-1 در خصوص محدودیت های فنی در استفاده از لوله های پلی تیلن در طرحهای آبرسانی و با توجه به اینکه هزینه تأمین و اجرای این لوله ها نسبت به سایر جنس ها گرانتر می باشد، در تحلیل سلسله مراتبی انتخاب جنس لوله مورد استفاده، لوله های پلی اتیلنی مورد بررسی قرار نگرفته اند.
در این بخش پس از بررسی روش مقایسات زوجی (AHP) مهمترین معیارها و گزینه ها در انتخاب جنس لوله مورد استفاده در طرحهای آبرسانی بررسی شده است. از طریق بکارگیری روش تصمیم گیری گروهی براساس الگوی مقایسات زوجی (AHP) درجه ضرورت هر یک از معیارها و همچنین گزینه ها مشخص گردید و با هم مقایسه شد و گزینه بهینه جنس لوله مشخص گردید.
8-3-1- روش تحلیل سلسله مراتبی
روش AHP اولين بار توسط ساعتی ارائه گردید این روش بر اساس یك ساختار سلسله مراتبی ارائه گردیده است. سلسله مراتبی بودن ساختار به این دليل است که عناصر تصميمگيري (معيارها و گزینه ها) را میتوان در سطوح مختلف خلاصه کرد و ارتباط ما بين آنها را نمایش داد. این روش با کاهش تصميمات پيچيده و سادهسازي مسئله به تعدادي مقایسه زوجی ساده، به تحليلگر با منطقی روشن به رسيدن به ارجحترین گزینه کمك می کند. این روش از 5 گام اصلی تشکيل گردیده است. در گام اول درخت سلسله مراتب ساخته می شود، این گام مهم ترین قدم روش AHP می باشد چرا که مسئله پيچيده را به مسئلهاي ساده که با ذهن انسان مطابقت دارد تبدیل میکند. این درخت در سه سطح هدف، معیارها، زیر معيارها و گزینه ها میباشد. در گام دوم به تبيين اهميت معيارها و زیر معيارها در ارتباط با هدف مسئله خواهيم پرداخت، براي تعيين وزن معيارها و زیر معيارها آن ها را دو به دو با یکدیگر در ارتباط با هدف مقایسه خواهيم کرد. مبنای قضاوت در این امر جدول 9 کميتی به شرح جدول شماره (8-3-1-1) است که بر اساس آن و با توجه به هدف بررسی شدت اهميت هر معيار نسبت به معيار دیگر سنجيده میشود. مقایسه هاي دو به دویی در یك ماتریس n×n ثبت میشود، عناصر این ماتریس همگی مثبت می باشد و همچنين طبق اصل شروط معکوس در فرآیند سلسله مراتبی اگر اهميت i نسبت به j برابر k باشد، اهميت j نسبت بهi برابر k/1 میباشد. براي محاسبه ضریب اهميت معيارها چهار روش حداقل مربعات، روش بردار ویژه، روش حداقل مربعات لگاریتمی و روش هاي تقریبی مطرح است. به دليل طولانی و وقت گير بودن این روش ها ساعتی چهار روش تقریبی مجموع سطري، مجموع ستونی، ميانگين حسابی و ميانگين هندسی را ارائه کرده است. در این گزارش بدليل دقت بيشتر از ميانگين هندسی استفاده گردیده است. با بدست آوردن ميانگين هندسی ردیف هاي ماتریس معيارها و نرماليزه کردن آن ها (تقسيم به سر جمع) ضریب اهميت معيارها به دست می آید. ضریب اهميت معيارها معادل یک است و این نشاندهنده نسبی بودن اهمیت معیارها می باشد.
بعد از تعيين ضرایب اهميت معيارها در گام سوم می بایستی ارجحيت گزینه ها بررسی شود. در این مرحله ارجحيت هر یك از گزینه ها در ارتباط با هر یك از معيارها داوري می شود. مبنای قضاوت همان مقياس 9 کميتی ساعتی می باشد با این تفاوت که ميزان ارجحيت مهم است نه ميزان اهميت، به این ترتيب جدول 9 کميتی ساعتی در قضاوت گزینه ها به شرح جدول شماره (8-3-1-2) است.
فرآیند بدست آوردن ضریب ارجحيت هرگزینه مانند قدم قبلی میباشد. در قدم چهارم از تلفيق ضرایب، امتياز نهایی هر یك از گزینه ها بدست می آید. براي این کار از اصل ترکيب سلسله مراتبی ساعتی که منجر به یك بردار اولویت با در نظر گرفتن همه قضاوت ها در تمامی سطوح سلسله مراتبی است، استفاده میشود.
جدول (8-3-1-1) مقیاس 9 کمیتی ساعتی برای مقایسه دو به دویی معیارها
امتیاز
تعریف
توضیح
1
اهمیت مساوی
در تحقق هدف، دو معیار اهمیت مساوی دارند.
3
اهمیت اندکی بیشتر
تجربه نشان می دهد که براي تحقق هدف اهميت i اندکی بيشتر از j است.
5
اهمیت بیشتر
تجربه نشان می دهد که براي تحقق هدف اهميت i بيشتر ازj است.
7
اهمیت خیلی بیشتر
تجربه نشان می دهد که براي تحقق هدف اهميت iخیلی بيشتر ازj است.
9
اهمیت مطلق
اهميت خيلی بيشتر i نسبت به j به اثبات رسيده است.
8،6،4،2
-------
هنگامی که حالت هاي ميانه وجود دارد.
یکی از برتري هاي تحليل سلسله مراتبی امکان بررسی در سازگاري در قضاوت هاي انجام شده بوده و در قدم پنجم انجام میگردد. به عنوان مثال اگر عضو a یکی از ماتریس ها از عضو b آن ماتریس برتري داشته و عضو bاز عضو c برتري داشته باشد میبایستی عضو a از عضو c برتري داشته باشد. با همه هماهنگیهاي انجام شده امکان خطا و ناهماهنگی ميان مقایسات دو به دویی وجود دارد. مکانيزمی که ساعتی براي ناسازگاري قضاوت ها در نظر گرفت، محاسبه ضریبی به نام ضریب ناسازگاري است که از تقسيم شاخص ناسازگاري به شاخص تصادفی بودن حاصل می شود. چنانچه این ضریب کوچك تر از 1/0 باشد، سازگاري در قضاوت ها مورد قبول است وگرنه میبایستی تجدید نظر در قضاوت ها به عمل آید.
جدول (8-3-1-2) مقیاس 9 کمیتی ساعتی برای مقایسه دو به دویی گزینه ها
کمیت
تعریف
1
ترجیح یکسان
3
کمی مرجع
5
ترجیح بیشتر
7
ترجیح خیلی بیشتر
9
کاملاً مرجع
8،6،4،2
ترجیح های بینابین
شکل (8-3-1-1) چارت فرآیند تحلیل سلسه مراتبی
8-3-2- معیارهای تأثیرگذار بر انتخاب بهترین جنس لوله
با توجه به اینکه هر سه نوع لوله فولادی، چدن نشکن و فایبرگلاس با در نظر گرفتن شرایط منطقه طرح و محدودیتهای فنی موجود، در صورت استفاده از دستورالعملها و راه کارهای لازم قابلیت کاربرد دارند و به عبارت دیگر تمامی ضعفهای احتمالی آنها نظیر ضعف در برابر زلزله، خاک های مسئلهدار، خوردگی و ... با اتخاذ تمهیداتی رفع گردیده اند، در تهیه معیارهای تأثیرگذار از موارد مذکور صرفنظر شده است.
معیارهای تأثیرگذار براساس تجربیات طرح های مشابه انتخاب گردیدهاند. بدیهی است پارامترهایی نظیر مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر زلزله و . . . در شاخصهای معرفی شده در جدول مذکور مستتر می باشد.
جدول (8-3-2-1) شاخصهای تأثیرگذار در انتخاب بهترین جنس لوله
ردیف
معیار (شاخص)
معرف
1
شرایط هیدرولیکی و معیار های فنی
A1
2
سرعت و سهولت اجرا و نصب
A2
3
سهولت بهره برداری و تعمیر و نگهداری
A3
4
هزینه های جاری و سرمایهگذاری طرح
A4
لازم به توضیح است که معیار شماره 1 تحت عنوان شرایط هیدرولیکی و معیارهای فنی به چهار زیر معیار زیر تقسیم می شود:
الف- هیدرولیک و شرایط هیدرولیکی ناشی از کیفیت و جنس جداره داخلی لوله
ب- وجود استانداردهای معتبر و قابل اتکا در فرآیند تولید و اجرای لوله و مواد اولیه مصرفی
ج- نوع اتصالات و متعلقات و ریسک تلفات آب مربوط به آن
د- اجرای پروژه های مشابه در قطر و فشار کار (سوابق استفاده از لوله های مختلف)
به جهت سهولت بخشیدن به فرآیند امتیازدهی زیر معیارهای فوق، وزن تمامی زیر معیارها مساوی در نظر گرفته شده است.
• قدم اول، ساختن درخت سلسله مراتب
درخت سلسله مراتب نمایشگر گرافیکی از مسئله بوده و نشاندهنده ارتباط میان هدف، معیارها و گزینه های انتخاب است. در شکل (8-3-2-1) درخت سلسهمراتب برای طرح های رایج آبرسانی ارائه شدهاست.
• قدم دوم، تشکیل ماتریس مقایسهای دوبهدویی معیارها نسبت به هدف مسئله
در جدول شماره (8-3-2-2) امتیازهای ارائه شده توسط هر یک از اعضای خبره تیم کارشناسی ارائه شده است. لازم به توضیح است که با توجه به محدودیت زمان تیم کارشناسی خود راساً و با استفاده از تجربیات پروژه های مشابه نسبت به تکمیل جداول مورد نیاز و امتیازدهی اقدام نموده است. لذا با توجه بهاینکه جهت استفاده از روش AHP در اولین قدم باید ماتریس 4*4 مقایسهای دودویی توسط خبرگان پر شود، جهت ایجاد این ماتریس، با استفاده از مقادیر وارد شده در جدول (8-3-2-2) و با توجه به مقادیر تعیین شده در جدول (8-3-1-2)، ماتریس 4*4 برای هریک ازخبرگان تشکیل گردید.
جدول (8-3-2-2) امتیازهای ارائه شده توسط کارشناسان خبره (امتیاز بندی از 1 تا 10)
معرف
شاخص معیارهای
شماره کارشناس
کارشناس 1
کارشناس 2
کارشناس 3
کارشناس 4
کارشناس 5
کارشناس 6
کارشناس 7
کارشناس 8
کارشناس 9
کارشناس 10
امتیاز (10-1)
امتیاز (10-1)
امتیاز (10-1)
امتیاز (10-1)
امتیاز (10-1)
امتیاز (10-1)
امتیاز (10-1)
امتیاز (10-1)
امتیاز (10-1)
امتیاز(10-1)
A1
شرایط هیدرولیکی و شرایط فنی
8
9
9
9
10
6
8
10
7
9
A2
سهولت اجرا
5
7
2
7
7
7
10
8
8
7
A3
سهولت بهره برداری
7
7
4
8
5
7
5
8
8
5
A4
اقتصاد طرح
10
6
5
6
5
10
10
7
10
8
همانطور که قبلاً ذکر شد به منظور انتخاب جنس لوله برتر، با توجه به انتخاب روش تصمیم گیری چند معیاره (MCDM)، استفاده از فرآیند تحلیل سلسله مراتبی AHP در دستور کار ارزیابی زیر گزینه ها قرار گرفته است.اولین گام، تعیین هدف و به عبارتی موضوع خروجی تصمیمگیری است. در این بخش، هدف تعیین بهترین جنس لوله می باشد. گام بعدی مشخص کردن معیارهای تصمیمگیری بوده و در سومین قدم، گزینه های تصمیم گیری مشخص می شوند.
چهار معیار اصلی برای انتخاب جنس لوله عبارتند از شرایط هیدرولیکی و معیارهای فنی، سرعت و سهولت اجرا و نصب، سهولت بهره برداری و تعمیر و نگهداری و هزینه های جاری و سرمایه گذاری طرح.
به منظور پالایش سلسله مراتب مذکور، ابتدا ماتریس مقایسه زوجی معیارها تشکیل گردیده و پس از ورود میانگین نظرات کارشناسان خبره به نرم افزار Expert Choice، اثر وزنی هر یک از معیارها تعیین میگردد. ماتریس مذکور مطابق جدول (8-3-2-3) بدست آمد.
جدول (8-3-2-3) ماتریس داوری مقایسهای جفتی معیارهای تاثیرگذار بر انتخاب بهترین جنس لوله
در ادامه میانگین هندسی ردیف های ماتریس فوق محاسبه گردید، سپس با تقسیم به سر جمع آنها نرمالیزه شده و در پایان ضریب اهمیت معیارها مطابق شکل شماره (8-3-2-2 ) بدست آمد.
شکل (8-3-2-2) اثر وزنی معیارها در انتخاب بهترین جنس لوله
همانطور که ملاحظه میگردد بالاترین اثر وزنی به ترتیب متعلق به معیار شرایط هیدرولیکی و معیارهای فنی با درصد وزنی معادل 9/38 و اقتصاد با درصد وزنی 8/25 می باشد. با این رویکرد، هر یک از زیرگزینه ها از منظر هر معیار، دو به دو با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفته اند و پس از ورود اطلاعات کارشناسی شده به نرم افزار Expert Choice، امتیاز گزینه ها از منظر هر معیار، محاسبه گردیده است.
• قدم سوم، گزینه های تصمیم گیری
جداول (8-3-2-4) تا (8-3-2-8) به ترتیب ماتریس مقایسه زوجی گزینه ها و وزن نهایی تعلق گرفته به هر معیار را ارائه می نماید. شایان ذکر است ضریب ناسازگاری در هیچ یک از ماتریس های مقایسه زوجی نمی تواند از 1/0 تجاوز نماید. این ضریب در کلیه ماتریس های مقایسه زوجی گزارش حاضر محدودیت مذکور را اغنا نموده و به منظور کنترل مجدد در کلیه جداول خروجی ارائه گردیده است. در جداول مذکور، ترجیحات عددی بین گزینه ها بصورت کسر کامل نمایش داده شده است و اعداد قرمز رنگ داخل پرانتز مبین ترجیحات عددی معکوس می باشد.
لازم به توضیح است که در تهیه جداول مورد نظر اجماع کارشناسی، در نظر گرفته شده است.
جدول (8-3-2-4) جدول امتیازدهی انواع لوله بر اساس زیر معیارهای شرایط هیدرولیکی و معیارهای فنی
زیر معیار
امتیاز از 100 واحد
لوله GRP
لوله DI
لوله St
شرایط هیدرولیکی
25
15
15
استاندارد تولید واجرا
20
20
20
اتصالات و متعلقات و تلفات آب
15
20
25
سوابق اجرای پروژه های مشابه
15
15
25
جمع کل
75
70
85
شایان ذکر است که در بخش شرایط هیدرولیکی، لوله فایبرگلاس به دلیل برخورداری از سطح صیقلی بسیار مناسب و ضریب هیزن ویلیامز حدود 140 بالاترین امتیاز و لوله فولادی و چدنی به دلیل کیفیت سطح متوسط کمترین امتیاز را اخذ نموده است.
در بخش اتصالات و متعلقات و ریسک تلفات آب با توجه به نوع اتصالات لوله های فایبرگلاس و حساسیت های لازم جهت نصب صحیح لوله ها، کمترین امتیاز به لوله های فایبرگلاس و بیشترین امتیاز به لوله های فولادی با اتصالات جوشی و قابلیت اطمینان بالا داده شده است.
در بخش سوابق اجرای پروژه های مشابه با اتکا به تجربیات گذشته، بیشترین امتیاز به لوله فولادی و بعد از آن به لوله فایبرگلاس و چدن نشکن داده شده است.
در بخش استانداردهای تولید و اجرا با توجه به وجود دستورالعمل ها، آیین نامه ها و استانداردهای جامع و کامل در خصوص لوله و اتصالات فولادی، چدن نشکن و فایبرگلاس به تمامی گزینه ها امتیاز یکسان داده شده است.
جدول (8-3-2-5) ماتریس دودویی مقایسهای انواع لوله با توجه معیار شرایط هیدرولیکی و معیارهای فنی
جدول (8-3-2-6) ماتریس دودویی مقایسهای انواع لوله با توجه به معیار سهولت و سرعت اجرا
جدول (8-3-2-7) ماتریس دودویی مقایسهای انواع لوله با توجه به معیار سهولت بهره برداری و تعمیر و نگهداری
جدول (8-3-2-8) ماتریس دودویی مقایسهای انواع لوله با توجه به معیار هزینه های جاری و سرمایه گذاری طرح
در گام بعدی وزن نهایی هر یک از گزینه ها با محاسبه مجموع حاصلضرب وزن هر معیار (منتج ازماتریس زوجی معیارها) در وزن گزینه نسبت به آن معیار س(منتج از ماتریس زوجی هر معیار) محاسبه می شود. امتیاز نهایی در شکل شماره (8-3-2-3( ارائه گردیده است.
شکل (8-3-2-3) وزن نهایی هر یک از گزینه های مورد مقایسه
همانطور که ملاحظه میشود لوله فایبرگلاس با 8/42 درصد دارای بیشترین امتیاز و بعد از آن لوله فولادی قرار گرفته است.
تحلیل حساسیت رتبه بندی نسبت به تغییرات وزن معیارها، مطابق نمودار تحلیل حساسیت که در شکل های (8-3-2-4) و (8-3-2-5) ارائه گردیده است، قابل بررسی می باشد.
شکل (8-3-2-4) نمودار تحلیل حساسیت
در نمودار حاضر، محور افقی در برگیرنده معیارها و محور عمودی دربرگیرنده جنس لوله ها می باشد. تقاطع خطوط گزینه ها با محورهای عمودی مربوط به معیارها، وزن هر زیر گزینه را از منظر معیار مربوطه نشان میدهد. وزن کلی هر گزینه بر روی محور عمودی در سمت راست نمودار ارائه گردیده است.
شکل (8-3-2-5) نمودار دینامیک تحلیل حساسیت
همانگونه که در شکل (8-3-2-5) ملاحظه میگردد، معیارهای هیدرولیک و فنی و اقتصاد بالاترین رتبه را در تعیین ارجحیت زیرگزینه ها دارا میباشند. در صورتی که تاثیر اقتصاد و هیدرولیک و فنی را یکسان در نظر بگیریم مطابق شکل (8-3-2-6) مشاهده می شود که همچنان لوله فایبرگلاس برتر
می باشد.
شکل (8-3-2-6) نمودار دینامیک تحلیل حساسیت با یکسان در نظر گرفتن معیار اقتصاد و هیدرولیک و فنی
همچنین اگر تاثیر کلیه پارامترها را یکسان در نظر بگیریم مطابق شکل (8-3-2-7) مشاهده می شود همچنان لوله فایبرگلاس گزینه برتر می باشد.
شکل (8-3-2-7) نمودار دینامیک تحلیل حساسیت با یکسان در نظر گرفتن کلیه معیارها
با بررسی جداگانه معیارها و افزایش تاثیر هر یک به صورت جداگانه مشاهده می گردد در صورتی که اثر معیار هیدرولیک و فنی را به مرز 60 درصد برسانیم مطابق شکل شماره (8-3-2-8) امتیاز لوله های فایبرگلاس و فولادی یکسان می شود و با عبور از مرز 60 درصد مطابق شکل شماره (8-3-2-9) لوله فولادی به عنوان گزینه برتر معرفی می گردد.
همچنین و با افزایش تاثیر معیار بهره برداری و تعمیرات مطابق شکل شماره (8-3-2-10) لوله فولادی به عنوان گزینه برتر معرفی می گردد. در سایر موارد با افزایش تاثیر معیارها مطابق شکل های شماره(8-3-2-11) تا (8-3-2-12) مشاهده می شود لوله فایبرگلاس به عنوان گزینه برتر انتخاب می شود.
شکل (8-3-2-8) نمودار دینامیک تحلیل حساسیت با افزایش تاثیر معیار هیدرولیک و فنی تا مرز 60 درصد
شکل (8-3-2-9) نمودار دینامیک تحلیل حساسیت با افزایش تاثیر معیار هیدرولیک و فنی بیش 60 درصد
شکل (8-3-2-10) نمودار تحلیل حساسیت با افزایش تاثیر معیار سهولت بهره برداری و تعمیر و نگهداری
شکل (8-3-2-11) نمودار تحلیل حساسیت با افزایش تاثیر معیار سهولت و سرعت اجرا
شکل (8-3-2-12) نمودار تحلیل حساسیت با افزایش تاثیر هزینههای جاری و سرمایه گذاری طرح
همانگونه که اشاره شد معیارهای اقتصاد و هیدرولیک و فنی، بالاترین رتبه را در تعیین ارجحیت زیرگزینه ها دارا میباشند. در صورتی که تاثیر این دو معیار را کاهش دهیم مطابق شکل های شماره (8-3-2-13 ) و (8-3-2-14) مشاهده می شود در حالت اول لوله فایبرگلاس و در حالت دوم لوله فولادی به عنوان گزینه برتر انتخاب می شود.
شکل (8-3-2-13) نمودار تحلیل حساسیت با کاهش تاثیر معیار هیدرولیک و فنی
شکل (8-3-2-14) نمودار تحلیل حساسیت با کاهش تاثیر معیار اقتصاد
8-3-3- نتیجه گیری
با توجه به آنچه ارائه شد و با توجه به بررسی معیارهای مختلف فنی و اقتصادی و پروژه های مشابه، در طرحهای رایج آبرسانی استفاده از لوله های فایبرگلاس با توجه به مقایسه انجام شده به روش AHP و با در نظر گرفتن هزینه های سرمایهگذاری و جاری دارای اولویت اول می باشند.