آثار انبساط و انقباض حرارتی

اتصالات جوشی لوله های پلی اتیلن، کاملا عایق (بدون نشتی) هستند. لوله و اتصالات جوشی تنش های ناشی از تغییرات دما را سریعاً جذب می کنند. بطور کلی در سیستم های خطوط لوله پلی اتیلن جوشکاری شده، نیازی به مهارهای ضربه گیر و مفاصل مکانیکی انبساطی (Mechanical expansion joint) نیست. با این حال، در مواقعی که لوله پلی اتیلن با استفاده از اتصالات نری و مادگی به لوله دیگری متصل شده است، وجود مهار ضربه گیر ضروری است. اصول طراحی در چنین شرایطی در قسمت های بعد این مقاله و همچنین در یادداشت فنی TN-36 مؤسسه PPI تشریح شده 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.

از آنجاییکه ضریب انبساط حرارتی پلی اتیلن بسیار بیشتر از مواد غیر پلاستیکی است، باید ملاحظاتی در مورد آثار احتمالی انبساط /انقباض حرارتی مد نظر قرار بگیرند:

– در لوله کشی هایی که در زمان نصب گرم بوده اند، ممکن است پس از نصب و سرد شدن، نیروهای کششی قابل ملاحظه ای بوجود بیاید. بنابراین اتصال نهایی باید هنگامی انجام شود که دمای لوله به دمای کاری خود رسیده باشد.

– لوله های مهار نشده ممکن است آنقدر منقبض شون د که از اتصالات مکانیکی که مقاومت کافی ندارند، کنده شوند. در روش هایی که برای اتصال لوله های پلی اتیلن مورد استفاده قرار می گیرند باید با طراحی اتصالات و یا با استفاده از مهارهای مکانیکی اضافی، تمهیداتی در برابر کنده شدن اندیشیده شود.  (توجه – ممکن است در مواقعی که اتصالات مکانیکی با لوله های پلی اتیلن در یک راستا قرار دارند، نیازمند استفاده از بلوك های ضربه گیر با طراحی ویژه باشیم).

– لوله های مهار نشده ای که در معرض نوسانات شدید دمایی قرار می گیرند، ممکن است در برخی موارد انبساط و انقباض خمش جانبی پیدا کنند یا به مهارها و نگهدارنده ها تنش فشاری یا کششی وارد کنند.

مدول الاستیک نسبتا پایین پلی اتیلن باعث کاهش چشم گیر فشار ناشی از انبساط/ انقباض در لوله مهارشده می شود. این فشار مشکلی برای اتصالات جوش گرمایی ایجاد نمی کند.

آثار حرارتی در لوله های مهار نشده

از نظر تئوری، تغییر طول لوله مهار نشده که روی سطحی بدون اصطکاك قرار گرفته است را می توان از معادله 6- 85 بدست آورد.

که در آن:

DL = تغییر طول خط لوله، فوت

L = طول خط لوله

α = ضریب انبساط حرارتی، in/in ᵒF

DT = تغییر دما، ᵒF

ضریب انبساط حرارتی مواد اولیه لوله های پلی اتیلن تقریبا برابر با 1 × 10 -4in/in/ᵒF است. به عنوان یک قانون سر انگشتی می توان گفت تغییر دما برای لوله پلی اتیلن مهار نشده در حدود «1/10/100» است، یعنی 1 اینچ برای هر 10 ᵒF تغییر دما در 100 فوت از لوله.

افزایش دما باعث افزایش طول و کاهش دما باعث کاهش طول می شود.

آثارحرارتی در لوله با مهارانتهایی

طولی از لوله ای که در هر دو انتها بسته یا مهار شده و روی سطحی بدون اصطکاك قرار گرفته است، رفتاری کاملا متفاوت با آنچه در بالا در مورد لوله های مهار نشده گفته شد، در برابر تغییرات دمایی از خود نشان می دهد. وقتی لوله در یک خط مستقیم بین دو نقطه مهار شده و دما کاهش پیدا می کند، لوله سعی می کند طول خود را کاهش دهد. از آنجاییکه که دو انتهای لوله بسته یا مهار شده است، تغییر طول نمی تواند رخ دهد، بنابراین تنش های کششی طولی در درازای لوله شکل می گیرد. بزرگی این تنش را می توان از معادله 6- 86

بدست آورد.

که برخی عبارات آن قبلاً تعریف شده اند و داریم:

s = تنش طولی در لوله، psi

E = مدول الاستیک ظاهری ماده سازنده لوله، psi

مقدار مدول الاستیک ظاهری مواد سازنده لوله اثر بزرگی روی تنش محاسبه شده دارد. مدول و سفتی مواد پلی اتیلنی مانند همه مواد گرمانرم به دما و بازه زمانی بارگذاری وابسته است. بنابراین مقدار درست مدول الاستیک باید بر اساس این دو متغیر تعیین شود. در هنگام تعیین بازه زمانی مناسب باید به این نکته توجه داشت که انتقال حرارت از دیواره لوله های پلی اتیلن با آهنگ نسبتا آرامی انجام می شود؛

بنابراین تغییرات دمایی به سرعت اتفاق نمی افتند. از آنجاییکه تغییرات دمایی به سرعت اتفاق نمی افتند، از میانگین دما برای انتخاب مدول استفاده می شود.

که برخی عبارات آن قبلاً تعریف شده اند و داریم:

F = فشار انتهایی، lb

از معادلات 6- 86 و 6- 87 می توان به ترتیب برای محاسبه تنش فشاری و نیروی فشاری در اثر افزایش دما استفاده کرد.

اگرچه تغییرات طول لوله های پلی اتیلن در اثر تغییرات دما، بیش از بسیاری از مواد دیگر است، اما به دلیل پایین بودن مدول الاستیک، مقدار نیروی لازم برای مهار آن ها در برابر حرکت کمتر است.

با کاهش دمای خط لوله به دمایی کمتر از هوای اطراف یا دمای کاری، یک تنش کششی طولی در درازای لوله شکل می گیرد که می توان آن را با استفاده از معادله 6- 86 بدست آورد. تنش کششی مجاز  لوله ای که تحت درجه فشاری خود در حال کار است، برابر با مقدار HDS در آن دما است. مقدار HDS برابر با مقدار HDS مواد اولیه لوله در دمای پایه 23ᵒC) 73ᵒF ) ضرب در فاکتور تنظیم دما می باشد که در ضمیمه فصل 3 فهرست شده است.

که در آن:

HDS = تنش طراحی هیدرواستاتیک، psi (جدول 6- 1)

FT = فاکتور دما

از معادله 6- 87 برای محاسبه نیروی فشاری وارد بر بسته ای ساختاری استفاده می شود.

ضمن افزایش دما، خط لوله تلاش می کند طول خود را افزایش دهد، اما بوسیله قطعات مکانیکی مهار شده است، این قطعات باعث هدایت فشارهای طولی به سمت بست های ساختاری که مانع از افزایش طول می شوند، می گردند. متعاقبا یک تنش فشاری در لوله و یک نیروی فشاری بر بست های ساختاری اعمال می شود. مقدار تنش فشاری که در لوله بوجود می آید و بست های ساختاری در برابر آن مقاومت می کنند را می توان از معادله 6- 86 بدست آورد. تنش فشاری نباید از تنش فشاری مجاز ، تجاوز کند.