نوسازی خطوط لوله پلی اتیلن بوسیله اسلیپ لاین (قسمت اول)

-انتخاب قطر لوله آستری

برای دستیابی به حداکثر ظرفیت جریان، بزرگترین قطر ممکن را برای لوله آستری انتخاب کنید. این انتخاب، با توجه به انازه و شرایط لوله اصلی اولیه که لوله آستری به میان آن رانده خواهد شد، محدودیت دارد. فاصله کافی بین لوله اصلی و لوله آستری لازمه درج بدون مشکل در طی فرآیند اسلیپ لاین ، تنظیم شیپ و راستا، تعمیر اتصالات آسیب دیده و حفظ یکپارچگی سیستم لوله اصلی است.

معمولا انتخاب لوله پلی اتیلن آستری با قطر بیرونی برابر با ۱۰% کمتر از قطر داخلی لوله اصلی که قرار است تحت نوسازی قرار بگیرد، موجب تامین هر اهداف فوق می شود. این تفاوت ابعادی در وهله اول موجب جدایشکافی به منظور انجام فرآیند درج می شود. ثانیا می توان ۷۵ تا ۱۰۰% و یا حتی بیشتر از ظرفیت جریانی اولیه لوله را حفظ نمود. در سازه های لوله قطورتر ممکن است اختلاف کمتر از ۱۰% هم منجر به جدایش کافی می شود. معولا برای سیستم های لوله ای بزرگتر از ۲۴ اینچ، با این فرض که شرایط سازه لوله ای موجود، اجازه درج آستری را م دهد، از اختلاف قطری بین ۵ تا ۱۰% استفاده می شود.

-تعیین ضخامت دیواره آستری

لوله های غیرفشاری

در اغلب پروژه های خطوط لوله آستری، بار اصلی وارد بر لوله پلی اتیلنی، بار هیدرواستاتیک ناشی از بالا آمدن سطح آب های زیرزمینی تا بالای تاج لوله آستری(بالای لوله آستری)می باشد.

معادله کلی لاو(شکل ۱۱-۱) نشان می دهد که تانایی یک لوله آزاد برای مقاومت در برابر بارگذاری هیدرواستاتیک خارجی، اساسا تابعی از گشتاور ماند دیواره لوله و مدول ظاهری الاستیک مواد سازنده لوله است. فشار اعوجاج بحرانی یا  P_e  برای یک ساختار لوله ای بخصوص را می توان از معادله ۱۱-۱ بدست آورد.

معادله لاو :     

که در آن:

P_{e        =}    فشار اعوجاج بحرانی، Psi،

E       =    مدول ظاهری الاستیک

I       =    گشتاور ماند دیواره لوله، in⁴/in

t₃/12 =    برای پلی اتیلن های تک جداره که درآن = t حداقل ضخامت دیواره لوله، اینچ

V       =    نسبت پواسون، برای لوله های پلی اتیلنی برابر با ۴۵/۰

D_m    =    میانگین قطر، اینچ (قطر خارجی- یک ضخامت دیواره)

f₀     =    فاکتور تصحیح بیضوی شدگی، بدون بعد (شکل ۱۱-۱ را ببینید)

D     =    میانگین قطر خارجی لوله، اینچ

شکل ١١-١. درصد تغيير در برابر ضريب تصحيح بيضوي شدگي يا f₀

که درآن % تغییر شکل = 

D_{min    =}    حداقل قطر لوله،اینچ.

برای محاسبه فشار اعوجاج یک لوله پلی اتیلن از سری نسبت های ابعادی یکسان(گروه هایی از لوله های تک جداره با اقطار مختلف نسبت قطر خارجی به حداقل ضخامت دیواره ثابت)، نوع زیر از معادله لاو یا در واقع معادله ۱۱-۲ بکار می رود.

معادله لاو برای لوله های تک جداره با نسبت ابعادی یکسان :

که درآن:

DR   =    نسبت ابعادی، بدون بعد (OD/t)

OD  =    قطر خارجی واقعی، اینچ

t     =    حداقل ضخامت دیواره، اینچ

فرآیند محاسبه مقاومت یک لوله آزاد در برابر اعوجاج یک روش تکرار شونده است، به این معنا که بعد از تعیین مقاومت در برابر اعوجاج یک نمونه آزمایشی، می توان آن را با هیدرواستاتیکی وارده مقایسه نمود. چنانچه مقاومت در برابر اعوجاج محاسبه شده برای لوله به اندازه کافی بزرگ تر از بار هیدرواستاتیکی وارده بود، لوله ای با ضخامت دیواره پایین تر (با مزیت وزن کمتر و هزینه پایین تر) را مورد ارزیابی قرار می دهیم و P_e  را برای آن محاسبه کرده وبا بار هیدرواستاتیکی وراده مقایسه می کنیم. یکی از اقدامات محتاطانه در این زمینه، انتخاب میزانی از مقاومت در برابر اعوجاج در طراحی است که فاکتور ایمنی ((SF مناسب ر ا در شرایط حداکثر بار هیدرواستاتیکی وارده، فراهم تماید.

فاکتور ایمنی یا SF

به عنوان مثالی از محاسبات که می توان با استفاده از معادلات ۱۱-۲ و ۱۱-۳ آن ها را به انجام رسانید، یک لوله آستری پلی اتیلنی تک جداره ۲۲ اینچی با نسبت ابعادی ۲۶ است که درون یک لوله سفالی و تحت حداکثر بار هیدرواستاتیکی ۳ فوت از آب زیرزمینی قرار گرفته است.

1. بار هیدرواستاتیکی معادل این شرایط را بر حسب Psi محاسبه کنید.

بار آب= ۱٫۳ psi= 3 ft × ۶۲٫۴ lb/ft³ ×۱ ft^2/144 in²

2. فشار اعوجاج بحرانی یا P_e را با استفاده از معادله و با فرض مقادیر زیر، محاسبه کنید:

E=28.200 psi, V=و ۴۵/.  F₀= 79/0

3. فاکتور ایمنی را از معادله ۳ و با فرض بارهای فوق الذکر، محاسبه کنید.

SF=3.6/1.3=2.8

در موارد قرار گرفتن تحت بارهایی طولانی مدت و یا در دفعات زیاد، از فاکتور ایمنی برابر با ./۲ یا بیشتر استفاده می شود. در صورت تمایل به داشتن فاکتور ایمنی بالاتر، دستورالعمل قبلی را برای لوله هایی با دیواره سنگین تر تکرار کنید و یا بهبود مقاومت در برابر اعوجاج را با استفاده از مهار خارجی مد نظر داشته باشید.

در معادله لاو فرض بر این است که آستری مورد نطر برای قرار گرفتن تحت بار هیدرواستاتیک، آزاد است و توسط هیچگونه نیروی خارجی، مهار نشده است. در واقعیت، سازه لوله ای اولیه، مثل کلافی برای آستری انعطاف پذیر عمل می کند و مقاومت آن در برابر فروپاشی را بهبود می دهد. در مواقع مورد نیاز می توان با قرار دادن یک ماده که بار بر می دارد مانند مانند سيمان، خاکستر بادي، فوم پلي اورتان يا دوغاب سبک در فضاي حلقوي بين آستري و لوله موجود، براي نيل به حداکثر تقويت خارجي، بهره برد. مطالعات نشان مي دهند که پر کردن فضاي حلقوي باعث بهبود مقاومت لوله پلي اتيلن در برابر فروپاشي به ميزان دست کم ٤ برابر و اغلب بسيار بيش از اين (بسته به قابليت هاي تحمل بار مواد پر کننده مورد نظر) مي شود. براي کسب اطلاعات بيشتر با سازنده لوله تماس بگيريد.

متغير اصلي تعيین کننده سفتي ديواره در لوله هاي پلي اتيلن تک جداره نسبت ابعادي لوله است. چنانچه ميزان بارگذاري روي لوله مشخص باشد، تعين نسبت ابعادي مورد نياز امري ساده است. معمول در توصيه نامه سازنده در زمينه بارگذاري فشاري خارجي دراز مدت (٥٠ ساله)، راهنمايي هاي وارد شده در جدول ١١-١ دنبال مي شوند، که با استفاده از دستورالعمل ارائه شده در استاندارد ASTM F585  با عنوان اقدام عملي براي درج يک لوله پلي اتيلن انعطاف پذير به درون لوله فاضلاب موجود به دست آمده اند.

جدول ١١-١. ارتفاع مجازآب روي لوله هايي با نسبت ابعادي مشخص در حداکثر دماي کاري ^OF٧٣ (^OC٢٣) و تحت بارگذاري پيوسته ٥٠ ساله. لوله دوغاب ريزي

نشده در برابر لوله دوغاب ريزي شده.

١) ارتفاع هاي مجاز با استفاده از معادله ١١-٢ و با فرضيات زير محاسبه شده اند:

–  مقدار مدول ظاهري در دماي ^OF٧٣ (^OC٢٣) و براي بارگذاري ٥٠ ساله براي XXX PE٣ برابر با psi ٢٨،٠٠٠ و براي XXX PE٤ برابر با psi ٢٩،٠٠٠ است،

–  مقدار نسبت پواسون برابر ٠/٤٥ است.

–  مقدار فاکتور تصحيح بيضوي شدگي لوله يا F₀ برابر ٧٥/٠ است که مطابق با خمش لوله به ميزان ٣% مي باشند.

–  از فاکتورايمني برابر ٢/٠ استفاده شده است. بحثي که درادامه درباره انتخاب فاکتورايمني مناسب آمده است را ملحظه بفرماييد.

–  ارتفاع آب روي لوله در کاربردهاي دوغاب ريزي شده )سيمان ريزي شده(، با ضرب ارتفاع بدست آمده براي کاربرد بدون دوغاب معادل آن، در ضريب ٥ به دست آمده است.

اعداد موجود در جدول بالا، ارائه کنده فاکتور ايمني برابر با ٢/٠ و بيضوي شدگي قطري برابر با ٣% هستند. توان لوله در حالت دوغاب ريزي شده، با ضرب عدد ٥ در مقدار آن در حالت بدون دوغاب به دست آمده است. در صورتيکه لوله فاضلاب موجود، يکپارچگي ساختاري مورد نیاز را در مورد بار زمين و بارهاي زنده تأمين نکند، بايد از فاکتور ايمنی  بزرگ تري استفاده شود.

در مورد لوله هاي با ديواره پروفيلی، متغیري که سفتی جداري کافي را بدست مي دهد، تابعي از گشتاور ماند ديواره لوله و میانگین قطر داخلي لوله است. از معادله زير مي توان برای تخمین حداکثر ارتفاع مجاز آب در دراز مدت(٥٠ سال) روي لوله اي بدون دوغاب استفاده نمود:

که در آن:

H      =    ارتفاع آب، فوت

RSC  =    ثابت سفتی حلقوی اندازه گیری شده (RSC)

D_{m    =}    میانگین قطر، اينچ

اين معادله شامل فاکتور ايمنی  برابر با ٢/٠ بر اساس حداکثر خمش لوله به میزان ٣% است.

براي دوغاب کاري با استحکام فشاری حداقل psi ٥٠٠ در ٢٤ ساعت (psi ٨٠٠، ١ در ٢٨ روز)، ارتفاع دراز مدت (٥٠ ساله) مجاز آب بالاي لوله را مي توان با استفاده از معادله زير بدست آورد:

در اين معادله، فاکتور ايمنی  ٢/٠ لحاظ شده است.

لوله های تحت فشار

لوله آستری که در معرض فشار داخلی ثابت یا ترکیبی از تنش های داخلی و خارجی قرار می گیرد، باید با جزئیات بیشتری مورد آنالیز قرار بگیرد. راهنمای چنین آنالیز بار کاملی را می توان از منابع گوناگونی بدست آورد که قوانین طراحی مرتبط با نصب زیرزمینی لوله های انعطاف پذیر را با جزئیات کامل مورد بحث قرار داده اند.

در تاسیساتی که لوله آستری مستقیما تحت بار زمین قرار می گیرد، سیستم خاک/لوله باید قابلیت تحمل همه بارهای وارده را داشته باشد. این بارها شامل بار زمین، بار هیدرواستاتیک و بار اضافی(سربار) می شود. پایداری ساختار آستری پلی اتیلنی تحت چنین شرایطی عمدتا تحت تاثیر کیفیت نگه دارنده های خارجی قرار دارد. به طور کلی یک آستری پلی اتیلنی که برای مقاومت در برابر بار با هیدرواستاتیک انتخاب شده است، در صورت نصب صحیح، شرایط بارگذاری بیرونی متدوال را تحمل می کند.

سایر ملاحظات بارگذاری

پر کردن تمام فضای آنالوس به ندرت مورد نیاز است. یک لوله پلی اتیلنی در صورت جایگذاری و عایق بندی صحیح در نقاط پایانی، قادر است مسیر نشتی را که می تواند منجر به زوال پیوسته اغلب سازه های لوله ای شود، حذف نماید. در هنگام استفاده از لوله آستری، سیلت و رسوبات ریز به تدریج درون فضای آنالوس انباشته شده و به حذف مسیرهای نشتی احتمالی کمک می کنند.

گاهی زوال لوله اصلی، حتی بعد از نصب لوله آستری، ادامه پیدا می کند. چنین شرایطی ممکن است حاصل ترکیب دو عامل باشد: حرکت بیش از اندازه آب های زیرزمینی و نوع خاک که مانع از رسوب گذاری در فضای آنالوس می شود. مقدار PH و مقاومت خاک هم می توانند  به زوال مجرا یا لوله میزبان کمک نمایند. در نتیجه ممکن است بارهای نابرابر با متمرکزی روی لوله آستری ایجاد شود و یا حتی خاکی که سیستم لوله را در بر گرفته است در برخی نقاط دچار نشست شود. برای اجتناب از این مسئله می توان از پر کردن فضای آنالوس با مخلوطی از سیمان و ماسه، ماده دوغابی سبک و یا خاکستری بادی استفاده کرد.