لوله پلی‌اتیلنی و انواع آن (بخش اول)

    پلی‌اتیلن‌ها خانواده‌ای از پلیمرهای گرمانرم (ترموپلاستیک‌ها) هستند که بیش‌ترین سهم از مصرف پلاستیک‌ها را در جهان به خود اختصاص داده‌اند. یکی از بزرگ‌ترین موارد مصرف آنها در تولید لوله‌هاست که به‌دلیل اهمیت بالای آنها، در این مقاله به انواع لوله‌های پلی‌اتیلنی پرداخته می‌شود. جهت آشنایی بیش‌تر با خواص و کاربردهای انواع پلی‌اتیلن‌ها، می‌توانید به مقاله انواع گریدهای پلی‌اتیلن مراجعه نمایید.

    لوله پلی‌اتیلنی دارای مزایایی هم‌چون سهولت بارگیری، حمل و نقل آسان به‌دلیل وزن نسبتاً پایین، نصب سریع و آسان، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در برابر سایش، مقاومت و واکنش عالی در برابر مواد شیمیایی، جریان‌پذیری عالی سیال در داخل لوله، اتصال‌پذیری راحت، انعطاف‌پذیری بسیار بالا و دارا بودن اتصالات متنوع است.

شکل 1. انعطاف‌پذیری و حمل نقل آسان لوله‌های پلی‌اتیلنی

    به همین دلیل استفاده از این لوله‌ها روزبه‌روز در حال افزایش است. یکی از مهم‌ترین فاکتورها در جایگزینی لوله‌های فولادی با لوله‌های پلی‌اتیلنی، ویژگی نفوذپذیری آنها در برابر مواد شیمیایی است. مطابق تحقیقات صورت‌گرفته در آزمايشگاه تحقيقات مهندسی و محيط زيست دانشگاه بركلی كاليفرنيا، لوله‌های پلی‌اتیلنی دارای 15% مقاومت نفوذپذيری بهتر در برابر مواد شیمیایی آلی و غیر آلی در مقایسه با فلزات دارند که عمل‌کرد آنها را تحت تأثیر قرار داده است.

    عوامل مختلفی بر کیفیت لوله‌های پلی‌اتیلنی اثرگذار هستند که از مهم‌ترین آنها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• عامل مواد اولیه: نوع رزین، افزودنی (میزان و یک‌نواخت اضافه شدن آن)، تقویت‌کننده (مثل پلی‌اتیلن تقویت‌شده با الیاف شیشه)
• فرآیند تولید: این بخش از تولید به ماشین آلات و مهارت پرسنل فنی نیز بستگی زیادی دارد
• عامل محیطی: کاربرد لوله پلی‌اتیلنی (لوله آب یا فاضلاب و حتی برای چه نوع مصرفی (آب صنعتی و یا …))
• پرتو فرابنفش: کاربردهای خاص (امواج رادیواکتیو، امواج مغناطیسی)، اثرات میکروبیولوژی
• عامل تنشی: دما (در استاندارد عمر لوله پلی‌اتیلنی با فرض دمای 20 درجه، 50 سال تعیین شده است. در جایی که دما 20 درجه نیست، عمر لوله پلی‌اتیلنی متفاوت خواهد بود. منظور از دما دمای سیال است نه محیط. اگر لوله پلی‌اتیلنی روی زمین باشد، دمال سیال با محیط یکی است ولی اگر زیر زمین باشد، دمای سیال کم‌تر از محیط است.)
• نوسانات دمایی: (درلوله فاضلاب نوسانات دمایی داریم، ولی در لوله‌های آب نداریم که این نوسان دمایی موجب فرسوده شدن لوله می‌شود.)
• بار استاتیک: یا بار مرده (لوله‌ای که در زیر خاک قرار دارد، به اندازه وزن خاک به آن فشار وارد می شود. اگر لوله تحت فشار سیال هم باشد، این دو فشار تا حدودی اثر هم را خنثی می‌کنند، در غیر این‌صورت لوله آسیب می‌بیند.)
• باردینامیکی: یا بار ترافیکی (اگر لوله از مسیری رد شود که ماشین تردد می کند، فشار وارده بر آن بیش‌تر خواهد بود. تحمل این فشار برای لوله‌های فاضلابی که فشار سیال ندارد، مشکل خواهد بود.)
• شکاف و خراش
• جوش‌ها: (عمده اتصال‌ها جوش لب‌به‌لب است. اگر دما از حدی بیش‌تر شود، بر روی عمر لوله تأثیر خواهد گذاشت و سیستم در محل جوش دچار مشکل خواهد شد.)

شکل 2.  نمونه‌ای از لوله پلی‌اتیلنی آسیب‌دیده در زمان تولید

انواع لوله پلی‌اتیلنی

    لوله‌های پلی‌اتیلنی را در چند دسته‌بندی کلی می‌توان طبقه‌بندی نمود:

• لوله پلی‌اتیلنی تک جداره
• لوله پلی‌اتیلنی دوجداره کاروگیت
• لوله‌های آبیاری
• PEX
• PERT

لوله پلی‌اتیلن تک‌ جداره

    لوله پلی‌اتیلنی تک‌ جداره از جمله لوله‌های پلیمری است كه می‌توان از آنها در فشارهای بين 2 تا 40 بار، با قطرهای مختلف استفاده نمود. ويژگيی‌های منحصربه‌فرد لوله‌های پلی‌اتيلنی نسبت به انواع ديگر لوله، منجر به رشد سریع استفاده از اين محصول در شبكه‌های انتقال و توزيع آب‌رسانی و گاز رسانی نسبت به ديگر موارد شده است (لوله‌های تک‌ جداره بنا به استاندارد داخلی ISIRI 14427-1,2 برای آب‌رسانی و IGS-M-PL-014-1(3) برای گازرسانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.). به‌گونه‌ای که در پنجاه سال گذشته، اين صنعت با پيش‌رفت‌هایی که در زمينه توليد انواع لوله‌های پلی‌اتیلنی و اتصالات پلی‌اتیلنی نموده است، خود را به‌عنوان جايگزين مناسبی برای لوله‌های فلزی، PVC ،GRP و چدنی مطرح نموده است و توانسته است در اکثر موارد به‌عنوان جايگزين اين قبيل لوله‌ها خود را مطرح نمايد.

    این نسل از لوله‌ها در طبقه‌بندی لوله‌های پلی‌اتیلنی در دسته PE 32 ،40 ،80 ،100 قرار دارند. عدد مشخصه ذکرشده در گرید این پلی‌اتیلن‌ها، نوع ماده MRS گفته می‌شود که عبارت است از حداقل مقاومت فشار داخلی مورد نیاز بعد از ۵۰ سال کارکرد در دمای سیال ۲۰ درجه سانتی‌گراد. بالاتر رفتن عدد نشان‌دهنده بهبود بیش‌تر کیفیت محصولات تولیدی است، به‌گونه‌ای که حداقل فشار داخلی برای PE 80 حدود 8 مگا پاسکال و برای PE 100 حدود 10 مگا پاسکال گزارش شده است. بر این اساس است که در بسیاری از کشورها تلاش‌های زیادی برای جایگزینی PE 100 به‌جای PE 80 صورت گرفته است.

شکل 3. نمونه‌ای از لوله تک لایه مورد استفاده در آب‌رسانی

شکل 4. نمونه‌ای از کاربرد لوله‌های تک لایه در نصب آب‌رسانی

در جدول زیر مقایسه خواص این دو گرید آمده است.

جدول 1. مقایسه خواص گرید PE 80 و PE 100

    مقادیر معمول بر روی ماده اندازه‌گیری شده است. این مقادیر نباید برای اهداف طراحی در لوله مورد استفاده قرار گیرد.

    پلی‌اتیلن عمدتاً برای خطوط گاز و آب دفن‌شده و در ساخت لوله ساختمانی استفاده می شود. برای این طیف وسیع از کاربردها، پلی‌اتیلن به مواد غالب در مواد مختلف کشور تبدیل شده است. از مهم‌ترین ویژگی‌های آنها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

    1- پلی‌اتیلن مقاومت بسیار بالا نسبت به ضربه حتی در دماهای پایین نشان می‌دهد. رفتار مناسب پلی‌اتیلن در مقابل ضربه، با انقباض زیاد برای شکستن، از مزایای مهم آن در بسیاری از برنامه‌های کاربردی است؛ مثلاً در مناطقی که دارای خطر بالای زلزله است.

    2- با توجه به ماهیت غیر قطبی پلی‌اتیلن به‌عنوان یک هیدروکربن با وزن مولکولی بالا، این پلیمر دارای مقاومت بالا در برابر حمله شیمیایی است. PE مقاومت مناسبی به اسیدها و قلیاها دارد. PE مقاوم در برابر اکسیدکننده اسیدها، کتون‌ها، هیدروکربن‌های معطر و هیدروکربن‌های کلردار است.

    3- اگر پلی‌اتیلن در طول مدت زمان طولانی در معرض نور مستقیم خورشید قرار گیرد، مانند بسیاری از مواد طبیعی و پلاستیکی، توسط موج UV نور خورشید آسیب خواهد دید و همراه با اکسیژن در هوا، تحت فرآیند اکسیداسیون تخریب می‌شود. از این‌رو است که اکثر لوله‌های پلی‌اتیلنی با افزودن کربن بلک، در مقابل نور UV مقاوم می‌شوند.

    4- لوله‌های پلی‌اتیلنی را می‌توان در محدوده دما از -50 تا +60 C° استفاده کرد. در دمای بالاتر، استحکام کششی و سختی مواد کاهش می‌یابد. PE دارای ضریب گسترش حرارتی خطی 0.15 تا 0.20 میلی‌متر بر متر مربع است که 1.5 برابر بیش‌تر از پی وی سی است و تا زمانی که این در هنگام برنامه‌ریزی نصب در نظر گرفته شود، هیچ مشکلی در این زمینه وجود ندارد. هدایت حرارتی این پلیمر 0.38 W/mK است. از آنجا که خواص عایق حاصل شده است، سیستم لوله‌های PE به‌طور قابل توجهی نسبت به یک سیستم ساخته‌شده از فلز مانند مس، ارزان‌تر است.

    5- پلی‌اتیلن متعلق به پلاستیک‌های قابل اشتعال است. شاخص اکسیژن آن به 17٪ می رسد (شاخص 21٪ اکسیژن در هوا سوختگی در نظر گرفته می‌شود.).

    6- با توجه به جذب کم آب پلی‌اتیلن، خواص الکتریکی آن بسختی تحت تأثیر تماس آب پیوسته قرار می‌گیرد. با این حال، این خواص می‌تواند به‌علت آلودگی، اثرات رسانه‌های اکسیداسیون و یا هوای محیط بشدت کاهش یابد. مقاومت حجمی خاص آن > 1017 Ωcm است و قدرت دی الکتریک آن 220 کیلو ولت/میلی‌متر است.

کاربردهای عمده لوله‌های پلی‌اتیلنی تک لایه

• شبکه‌های تأمین آب شهری و روستایی
• شبکه‌های فاضلاب شهری و روستایی
• شبکه‌های زهکشی
• سیستم‌های مایع و فاضلاب صنعتی
• سیستم‌های آبیاری تحت فشار (سیستم آبیاری قطره‌ای و آبیاری)
• حرکت سیستم‌های آبیاری
• کابل‌کشی کابل/پوشش فیبر نوری
• پوشش کابل برق
• پوشش لوله‌های فلزی
• کانال‌های تهویه
• گازرسانی (با نوار زرد مشخص می‌شود.)

نوار قطره‌ای و لوله قطره‌ای لوله‌های آبیاری

    این دسته از لوله‌ها را می‌توان زیرمجموعه‌ای از لوله‌های تک لایه در نظر گرفت ولی با توجه به ماهیت پر کاربرد آنها، در دسته‌بندی مجزا بررسی می‌شود. این لوله‌ها بر اساس استاندارد ISO 9261:2004 برای اهداف آبیاری است. لوله‌های پلی‌اتیلنی با ضخامت کم (کامپاندی از جنس LDPE)، لوله‌های آب را در اطراف یک سیستم آبیاری از منبع آب تا لوله‌های میکرو (یا فیدر) برای تحویل به فرستنده‌ها فراهم می‌کنند. ، لوله‌های مناسب برای نصب و راه‌اندازی زمین، معمولاً انعطاف‌پذیر نیست و بنابراین اتصالات را می‌توان برای هدایت جریان لوله در اطراف گوشه استفاده کرد. استفاده از اتصالات خاردار برای لوله‌های تهیه‌شده به‌عنوان آنها یک مهر و موم و بدون انبساط فراهم می‌کند که به‌معنی فشار آب را در معرض خطر نیست.

    سیستم آبیاری قطره‌ای آب را به هر گیاه از طریق یک نوار پلی‌اتیلنی نازک (یا لوله) با سوراخ‌های کوچک به‌طور مرتب می‌فرستد که به نام فرستنده‌ها نامیده می‌شود. انتخاب نوار قطره باید بر اساس فاصله و جریان باشد. فاصله معمولی برای سبزیجات 12 اینچ است، اما 8 اینچ یا 4 اینچ نیز قابل قبول است. در صورتی که یک فاصله بزرگ‌تر از حد مجاز (18 اینچ) در خاک‌های شنی استفاده شود، ممکن است بخش‌های خشک خاک بین فرستنده‌های متوالی قرار بگیرند. جریان به‌صورت جریان کم (<20 gal/100ft/hr)، جریان متوسط (20 تا 30 gal/100ft/hr) و جریان بالا (>30 gal/100ft/hr) طبقه‌بندی شده است. یک سیستم آبیاری قطره‌ای کامل شامل یک واحد کنترل سر، خطوط اصلی و زیرین، هیدرنت‌ها، منیفولدها و خطوط جانبی با قطره چکان است.

انواع لوله‌های پلی‌اتیلنی آبیاری

لوله پلی‌اتیلنی با دانسیته بالا HDPE Pipe

    لوله‌های اصلی و نیمه اصلی در شبکه‌های آبیاری تحت فشار از این نوع لوله‌های پلی‌اتیلنی هستند که تا سایز 110، لوله‌ها به‌صورت کلاف تولید می‌شوند و لوله‌های کلاف، هزینه جوشکاری و اتصال را به‌صورت قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهند. لوله‌های پلی‌اتيلنی آبیاری از سايز 16 الی 2000 ميلي‌متر، با فشار کاری 2 تا 40 بار با مواد HDPE-PE100 تولید می‌شوند. طول عمر این لوله‌های پلی‌اتیلنی آبیاری به‌دلیل استفاده از مواد اولیه مناسب، بسیار بالا بوده و برای مدت 100 سال کار مداوم، در خطوط اصلی و فرعی شبکه‌های آبیاری قابل استفاده هستند.

شکل 5. نمونه‌ای از کاربرد لوله‌های آبیاری با دانسیته بالا

لوله پلی‌اتیلنی با دانسیته پایین LDPE Pipe

    در قسمت‌های آبده و در سیسستم‌ آبیاری قطره‌ای، با توجه به فشار کاری کم، از لوله‌های پلی‌اتیلنی با دانسیته پایین استفاده می‌شود و این لوله‌ها از سایز 16 الی 32 میلی‌متر با فشارهای کاری 2.5، 4 و 6 بار تولید می‌شوند. طول عمر لوله پلی‌اتیلنی آبیاری با دانسیته پایین، به واسطه مواد اولیه تولیدی آنها و بنا به شرایط و محیط استفاده، از 10 الی 15 سال است.

شکل 6. نمونه‌ای از کاربرد لوله‌های آبیاری با دانسیته پایین

نوار آبیاری پلی‌اتیلنی Irrigation Tape

    نوار آبیاری پلی‌اتیلنی، لوله نواری دریپر سرخودی است که بسادگی و بسرعت نصب می‌گردد و از كارایی بالایی برخوردار است. این لوله به‌گونه‌ای طراحی شده است كه روزنه‌های ورودی آب، لوله زیگزاكی كناری و دریپر، یک واحد منسجم را تشكیل می‌دهند. آب از روزنه‌های ورودی آب به داخل لوله زیگزاكی كه برای پایین آوردن فشار خروجی آب پیش‌بینی شده است، هدایت می‌شود. نوار آبیاری جهت آبیاری قطره‌ای در زمین‌های کشاورزی و باغات و گلخانه‌ای جهت استفاده بهینه از منابع آبی به‌کار می‌رود. استفاده از نوار آبیاری یکی از متداول‌ترین روش‌ها در چند سال اخیر به‌شمار می‌رود و در کشور ما نیز به‌لحاظ واقع شدن در مناطق خشک و بیابانی، این روش با استقبال چشمگیری روبرو گردیده و کشاورزان این گزینه را مناسب‌ترین مسیر جهت زیر کشت بردن زمین‌های زراعی خود در مناطق خشک و بیابانی می‌دانند.

    در روش آبیاری قطره‌ای و با استفاده از نوارهای آبیاری دریپردار پلی‌اتیلنی، کل سطح خاک زیر کشت مرطوب نشده و از رویش علف‌های هرز در اطراف محصولات کشاورزی جلوگیری می‌کند. میزان هدر رفت آب در این روش تقریباٌ صفر است، چرا که آب کود و املاح معدنی موجود در آب مستقیماً به ریشه رسیده و باعث مرطوب ماندن محیط رشد ریشه می‌گردد. نوار آبیاری تیپ (Tape)، مناسب آبیاری قطره‌ای کشت‌های متراکم، ردیفی، آبیاری قطره‌ای روی سطحی و زیر سطحی کم عمق است ولی برای آبیاری زیر سطحی عمیق، بهتر است از لوله‌های قطره‌چکان‌دار استفاده شود.

    موارد استفاده از نوار آبیاری قطره‌ای به‌طور کلی عبارتند از:

• گیاهان صنعتی مانند: چغندر قند، پنبه، نیشکر، ذرت، آفتابگردان، سویا، کلزا و …
• صیفی‌جات و سبزیجات مانند: سیب زمینی، پیاز، هندوانه، خربزه، گوجه فرنگی، خیار، کدو، بادمجان، گل کلم، کاهو، فلفل، هویج و …
• غلات مانند: گندم، جو، برنج و …
• حبوبات مانند: عدس، نخود، انواع لوبیا، ماش، نخودفرنگی و …
• باغات: درختان سیب پایه مالینک، اسمالینک، کیوی، نهال کاری، تاکستان‌ها، چای، جنگل‌کاری و درختانی که فاصله کشت آنها کمتر از ۳ متر در ردیف است.

شکل 7. نمونه‌ای از کاربردهای نوارهای آبیاری

    دیگر انواع لوله‌های پلی اتیلنی در بخش دوم مقاله ارائه خواهد شد.

گردآوری: فاطمه نوشی