تعیین مقدار صحیح HDS

تجربیات و مطالعات گوناگون نشان داده اند که در برخی از مواد پلی اتیلنی قدیمی تر که مقاومت پایینی در برابر رشد آرام ترك ( SCG ) داشتند، تشدید تنش هاي موضعی می توانست موجب آغاز و سپس انتشار آرام ترك هاي در حال رشد شود. پس از مدتی و هنگامی که اندازه این ترك ها به اندازه ضخامت دیواره لوله شود، شکستگی موضعی اتفاق می افتد. چنانکه در مورد مواد اولیه سنتی لوله ها و همچنین در مورد مواد پلاستیکی نشان داده شده است، اثر تخریبی ناشی از تمرکز تنش هاي موضعی به شدت به قابلیت مواد براي تغییر شکل موضعی و در نتیجه پهن کردن نوك ترك ایجاد شده بستگی دارد، واکنشی که تمرکز تنش هاي موضعی را کاهش می دهد. یکی از ویژگیهاي مواد پلی اتیلنی پربازده و مدرن، داشتن این قابلیت در سطحی بسیار عالی است.

همچنان با شرکت توسن صنعت آپادانا تولیدکننده و ارائه کننده انواع لوله های پلی اتیلن، لوله آبیاری، نوار آبیاری و لوله دریپردار همراه باشید.

رعایت سه نکته براي اجتناب از بروز نقیصه در اثر مکانیزم رشد آرام ترك وجود دارد که ثابت شده است بسیار موفق عمل می کند:

• لوله پلی اتیلن یا هر نوع لوله اي باید طوري جابجا، جوشکاري و نصب شود که ایجاد تشدیدهاي موضعی تنش را به حداقل ممکن برساند. الزامات جابجایی، جوشکاري و نصب صحیح لوله هاي پلی اتیلن- که به هیچ عنوان دشوار نیستند – در استانداردها، راهنماها و دستورالعمل هاي منتشر شده توسط AWWA ،ASTM و سایر سازمان هاي ذیربط ارائه شده اند. این الزامات در همین کتاب راهنما هم تشریح شده اند.

• مواد اولیه لوله هاي پلی اتیلن باید به میزان مناسبی در برابر رشد آرام ترك ( SCG ) مقاوم باشند. همه موادي که هم اکنون در بازار تجاري یافت می شوند، داراي حداقل خصوصیات مربوط به سلول شماره ۴ الزامات مقاومت در برابر SCG ارائه شده توسط استاندارد ASTM D3350 هستند. با این حال، مواد اولیه پربازده ۲ نسل جدید، مقاومت بسیار بیشتري را در برابر رشد آرام ترك از خود نشان داده و بنابراین حائز دریافت سلول شماره ۷ مقاومت در برابر SCG ارائه شده توسط استاندارد ASTM D3350 می شوند. (جدول ۵- ۱ را ببینید).

• فاکتور طراحی ( DF ) که بر اساس آن مقدار پایه طراحی هیدرواستاتیک ( HDB ) به تنش طراحی هیدرواستاتیک ( HDS ) کاهش پیدا می کند، باید بنحوي تعیین شود که اطمینان کافی از جذب ایمن تنش هایی بیش از آنچه مقدار HDB تحت تأثیر آن تعیین شده است را ایجاد کند. اگرچه DF وظایف زیادي دارد، ولی این یکی از مهم ترین وظایف آن است.

بیش از ۴۰ سال تجربه عملی و همچنین مطالعات گوناگون راجع به رفتار مکانیکی لوله هاي پلی اتیلن نشان داده است که وقتی دو ره یافت اول به درستی لحاظ شده باشند – که این یکی از اهداف اصلی استانداردهاي لوله هاي پلی اتیلن است – تعیین مقدار HDS بوسیله کاهش مقدار HDB با فاکتور طراحی برابر با ۵/ DF = 0 منجر به عملکرد کاري بسیار با دوام و مطمئن می شود. با این همه، پیشرفت هاي اخیر در ساخت رزین هاي پلی اتیلنی منجر به تولید پلی اتیلن هاي پربازده تري شده است که مقاومت منحصر بفردي را در برابر رشد ارام ترك از خود نشان می دهند. این مواد که از الزامات سلول شماره ۷ استاندارد ASTM D3350 هم فراتر می روند، ظرفیت بسیار بیشتري براي خنثی سازي تمرکز تنش هاي موضعی دارند. بر همین اساس براي مقابله با تمرکز تنش هاي موضعی، لزومی ندارد  HDS این مواد به نصف مقدار HDB آن ها کاهش یابد. براي چنین مواد پر بازدهی می توان با اطمینان از فاکتور طراحی برابر با ۶۳ / ۰ استفاده نمود.

مواد اولیه لوله پلی اتیلن براي قرار گرفتن در دسته مواد اولیه پربازده باید بصورت آزمایشی نشان دهند که داراي سه پیش نیاز زیر هستند:

• با استفاده از آزمون تنش – شکست در دماهاي بالاتر و سپس انجام آنالیز فرآیند آهنگ روي نتایج آن باید مشخص شود که خط رگرسیون تنش در دماي ۲۳ᵒC) 73ᵒF ) تا حداقل ۵۰ سال بصورت خطی باقی می ماند. این به این معناست که نحوه شکست نمونه هاي آزمایش حداقل تا همین مدت زمان، بصورت چقرمه باقی می ماند. به این پروتکل آزمون، الزامات اثبات می گویند (براي بحث درباره فرآیند آهنگ و روش اثبات، به فصل ۳ مراجعه کنید). چنین عملکردي در مقادیر زیاد تنش در شرایط آزمایش، نشاندهنده مقاومت بسیار زیاد پلی اتیلن در برابر رشد ارام ترك در تنش هاي پایین تر می باشد.

• مقاومت آمیزه در برابر SCG باید به حدي باشد که گواهی سلول شماره ۷ مقاومت در برابر رشد آرام ترك در استاندارد ASTM D3350 را احراز نماید. به این منظور، در صورت آزمایش ماده بر اساس روش آزمایش ASTM F1473 ، زمان شکست می بایست بیش از ۵۰۰ ساعت باشد. این روش بر اساس مکانیک شکست استوار است (در فصل ۳ توضیح داده شده است) و منجر به تعیین شاخصی – که با استفاده از تجربه کاري دراز مدت واقعی، کالیبره شده است – می شود که ظرفیت پلی اتیلن را براي مقاومت در برابر تمرکز تنش هاي موضعی ناشی از عوامل خارجی (یعنی غیر از فشار) نشان می دهد.

• نسبت LCL (حد پایین اطمینان) ۱ داده هاي تنش- شکست در مواد پربازده به حداقلِ ۹۰ درصد، افزایش یافته است. این نسبت بیانگر میزان پراکندگی در داده هاست؛ یعنی حداقل مقدار پیش بینی شده LTS (استحکام دراز مدت) ۲ بر اساس تحلیل آماري داده ها، نباید از ۹۰ % میانگین مقدار پیش بینی شده آن کمتر باشد.

دومین رقم کد نامگذاري ماده اي پلی اتیلنی که در چارچوب دومین شرط از این الزامات سه گانه قرار می گیرد، برابر با ۷ خواهد بود (براي مثال PE4710 و .(PE2708

از بحث بالا پیداست که مقدار HDS مواد اولیه لوله هاي پلی اتیلن فقط وابسته به مقدار HDB آن ها که مقیاسی از ظرفیت مقاومت آن ها در برابر تنش هاي ناشی از فشارهاي هیدرواستاتیک داخلی است، نمی باشد. مقدار HDS بدست آمده می بایست انعکاسی از ظرفیت ماده براي غلبه ایمن بر تنش هاي اضافی هم باشد. بنابراین، حتی وقتی دو ماده اولیه لوله پلی اتیلن داراي مقدار HDB یکسانی هستند، مقدار HDS مجاز آن ها ممکن است متفاوت باشد. به همین دلیل در نامگذاري استاندارد لوله هاي پلی اتیلن از کد نامگذاري مواد اولیه لوله استفاده می شود که هم شامل مقاومت ماده در برابر SCG است و هم مقدار HDS توصیه شده را بیان می کند (جدول ۵- ۴ را ببینید).

درجه فشار لوله در شرایط استاندارد براي آب و در دماي ۲۳ᵒC) 73ᵒF ) نیز از روي مقدار HDS بدست می آید. جدول A.2 در زیر شامل لیستی از ضرایب مورد نیاز براي بدست آوردن درجه فشار لوله در سایر دماهاست.

همانطور که در سومین مورد پاراگراف مقدمه این بخش اشاره شد، فاکتور طراحی ( DF ) علاوه بر حصول اطمینان از جذب ایمن تنش هایی غیر از تنش هیدرواستاتیک، داراي وظایف مهم دیگري نیز هست. موارد زیر بخشی از این وظایف هستند:

– مبناي طراحی هیدرواستاتیک ( HDB ) که DF روي آن اعمال می شود، پایه اي براي طراحی است که از پیش بینی مقدار میانگین استحکام هیدرواستاتیک ماده، تحت بارگذاري پیوسته به مدت ۱۰۰،۰۰۰ ساعت ( ۴/ ۱۱ سال) بدست می آید. فاکتور طراحی بیانگر این مسئله است که حداقل استحکام یک پلی اتیلن در واقعیت قدري کمتر از مقدار متوسط پیش بینی شده است و ممکن است این مقدار HDS براي بارگذاري در بازه زمانی بسیار بیشتر از ۴/ ۱۱ سال مد نظر قرار دارد.

– مقادیر پیش بینی شده استحکام هیدرواستاتیک دراز مدت ماده ( LTHS ) با استفاده از لوله هاي آزمایشی »بی نقص « بدست آمده اند که هرگز تحت آثار جابجایی و نصب عادي قرار نگرفته اند و شامل هیچ یک از اجزاي سیستم هاي خط لوله نمی شوند.

– ممکن است حداقل مقدار استحکام دراز مدت ماده به دلیل نوسانات عادي در فرآیندهاي تولید مواد اولیه و یا تولید خود لوله، قدري نوسان داشته باشد.

– مقدار پیش بینی شده LTHS ماده در شرایط فشار و دماي ثابت بدست آمده است، در حالیکه این شرایط در زمان کار واقعی می توانند نوسان داشته باشند.

یک منبع معروف در ارائه توصیه هایی مربوط به HDS

بسیاري از استانداردهاي لوله هاي پلی اتیلن که توسط ASTM وضع شده اند، درجه بندي فشار لوله هاي پلی اتیلن را بر اساس مقدار HDS اي انجام می دهند که توسط هیات مدیره تنش هیدرواستاتیک ( ۱(HSB از مؤسسه لوله هاي پلاستیکی پیشنهاد شده است. این گروه از آغاز دهه ۱۹۶۰ اقدام به وضع HDS هاي پیشنهادي براي مواد اولیه تجاري نموده است. اعضاي انجمن HSB افرادي هستند که به جهت تخصصشان در زمینه فناوري لوله هاي گرمانرم تحت فشار، شناخته شده اند. این متخصصان شامل نمایندگانی از تولید کنندگان لوله و مواد اولیه، آزمایشگاه ها، انجمن هاي بازرگانی، آژانس تنظیم مقررات و مشاوران خصوصی می شوند. و همه مواد اولیه لوله هاي گرمانرم معتبر از جمله پلی وینیل کلراید ( PVC ،(PVC کلردار ( CPVC )، پلی اتیلن ( PE ) و پلی اتین شبکه اي ( PEX ) در این انجمن مورد بررسی قرار می گیرند.

مقادیر HDS توصیه شده توسط HSB حاصل از بررسی دقیق داده هاي تنش- پارگی دراز مدت است و باید عوامل مختلف

(همانطور که در بالا گفته شد) هنگام محاسبه HDS لحاظ شوند. مقررات HSB درباره ملزومات داده ها در گزارش TR-3 مؤسسه PPIبا عنوان »مقررات و دستورالعمل هاي تعیین مبناي طراحی هیدرواستاتیک ( HDB )، تنش طراحی هیدرواستاتیک ( HDS )، مبناي طراحی فشار ( ۲(PDB ، مبناي طراحی استحکام، و حداقل استحکام مورد نیاز ( ۳(MRS براي لوله هاي گرمانرم و یا مواد اولیه آن ها « آمده است.

لیستی از HDS هاي پیشنهادی در نشریه TR-4 با عنوان »لیست مؤسسه PPI در مورد تعیین مبناي طراحی هیدرواستاتیک ( ،(HDB تنش طراحی هیدرواستاتیک ( HDS )، مبناي طراحی استحکام ( ۴(SDB ، پایه طراحی فشار ( PDB )، و حداقل استحکام مورد نیاز MRS) ) براي مواد اولیه لوله هاي گرمانرم «، که بصورت دوره اي بروز رسانی می شود، منتشر شده است.

نسخه فعلی هر دو گزارش TR-2 و TR-4 را می توان در پایگاه اینترنتی مؤسسه PPI به آدرس www.plasticpipe.org یافت.

همچنین می توانید در این پایگاه اینترنتی به گزارشات، پیشنهادات، یادداشت ها و مشخصات مدل هاي دیگري نیز دسترسی پیدا کنید که به منظور یاري کاربران و طراحان در راه استفاده بهینه از لوله هاي پلی اتیلن تهیه شده اند. هر یک از این نشریات را می توان از این پایگاه اینترنتی دانلود نمود.