لوله های تحت فشار

کامپاندهای لوله تحت فشار PVC؛ مشکل خزش (Creep) که کنترل کیفیت کوتاه‌مدت قادر به تشخیص آن نیست

ساعت ۳ بامداد، یک خط لوله اصلی PVC با قطر ۲۰۰ میلی‌متر ترکید؛ لوله‌ای که ۸ سال در سرویس بود.

نتایج آزمایشگاه نشان می‌داد محصول مطابق ASTM D1785 بوده و در آزمون ترکیدگی (Burst Pressure)، فشاری معادل ۲ برابر فشار نامی را تحمل کرده است.

اما گزارش بررسی خرابی می‌گفت: «نقص در ماده» (Material Defect).

نکته جالب اینجاست که هر دو گزارش می‌توانستند درست باشند؛ چون هرکدام چیز متفاوتی را اندازه‌گیری کرده بودند.

لوله‌های تحت فشار PVC بخش مهمی از زیرساخت بسیاری از شهرها هستند؛ از خطوط اصلی انتقال آب شهری و رایزرهای ساختمان گرفته تا شبکه‌های آبیاری و سیستم‌های حفاظت در برابر آتش.

اما یک نوع خرابی وجود دارد که کنترل کیفیت کوتاه‌مدت قادر به دیدن آن نیست:

پارگی ناشی از خزش (Creep Rupture)

لوله‌ای که به‌صورت مداوم تحت فشار قرار دارد، در طول سال‌ها به‌آرامی تغییر شکل می‌دهد. اگر در جایی تمرکز تنش (Stress Concentration) وجود داشته باشد ــ مثلاً در ناحیه سوکت، تغییر ضخامت دیواره یا یک حفره ناشی از فرایند تولید ــ ممکن است ترک از همان نقطه آغاز شود.

ترک ابتدا به‌آرامی رشد می‌کند، اما ممکن است در نهایت به شکست ناگهانی لوله منجر شود.

آزمون کوتاه‌مدت ترکیدگی می‌تواند نشان دهد که لوله برای مدت کوتاهی فشار بالایی را تحمل می‌کند؛ اما این الزاماً پاسخ این سؤال نیست:

«آیا همین لوله می‌تواند مثلاً فشار ۱۰ بار را برای چند دهه تحمل کند؟»

برای ارزیابی رفتار بلندمدت، ASTM D2837 به آزمون‌های هیدرواستاتیک طولانی‌مدت و تحلیل آماری داده‌ها متکی است و از آنها برای تعیین Hydrostatic Design Basis (HDB) و Hydrostatic Design Stress (HDS) استفاده می‌شود.

این نوع ارزیابی زمان‌بر است، اما اطلاعاتی درباره رفتار بلندمدت ماده می‌دهد که یک آزمون سریع QC نمی‌تواند ارائه کند.

چند متغیر در فرمولاسیون کامپاند می‌توانند روی رفتار بلندمدت لوله تأثیر زیادی داشته باشند:

* K-Value رزین PVC

طبق متن، K57 نسبت به K65/K67/K68 مستعد خزش سریع‌تری است.

* اصلاح‌کننده ضربه (Impact Modifier)

CPE و AIM می‌توانند رفتار و مکانیزم شکست متفاوتی ایجاد کنند؛ تفاوتی که الزاماً با آزمون‌های کوتاه‌مدت Charpy یا Izod مشخص نمی‌شود.

* میزان CaCO3

افزایش بیش از حد کربنات کلسیم می‌تواند زمینه ایجاد نقاط تمرکز تنش را فراهم کند.

* سیستم استابلایزر حرارتی

در کاربردهای آب آشامیدنی، جایگزینی سیستم‌های سربی با سیستم‌های Ca-Zn باید به‌گونه‌ای انجام شود که مقاومت کامپاند در برابر پیرشدگی بلندمدت کاهش پیدا نکند.

اثرات این عوامل ممکن است در یک QC کوتاه‌مدت دیده نشوند، اما در رفتار هیدرواستاتیک بلندمدت خود را نشان می‌دهند.

دو عامل مهم دیگر در خرابی واقعی خطوط لوله:

1- دما

رده‌بندی فشار PVC معمولاً در دمای مرجع ۲۳°C تعیین می‌شود.

طبق متن، در ۳۸°C ظرفیت تحمل فشار می‌تواند به حدود ۷۰٪ مقدار نامی و در ۶۰°C به حدود ۵۰٪ کاهش پیدا کند.

بنابراین عملکرد واقعی یک لوله در محیط گرم می‌تواند با عدد PN درج‌شده روی آن در شرایط مرجع تفاوت قابل‌توجهی داشته باشد.

2- اتصالات (Joints)

بخش مهمی از خرابی‌های سیستم می‌تواند از محل اتصالات آغاز شود.

در اتصالات چسبی (Solvent Cement)، باید بین Set Time و Cure Time تفاوت قائل شد. ممکن است اتصال ظرف ۱ تا ۲ دقیقه ظاهراً گیرش پیدا کند، اما رسیدن به پخت و استحکام کامل می‌تواند بیش از ۲۴ ساعت زمان ببرد.

بنابراین تحت فشار قرار دادن زودهنگام خط می‌تواند استحکام و دوام اتصال را تحت تأثیر قرار دهد.

در اتصالات نر و مادگی واشردار (Bell-and-Spigot Gasket Joints) نیز رفتار بلندمدت واشر و پدیده Compression Set اهمیت دارد و می‌تواند در طول زمان زمینه نشتی را فراهم کند.

جوش حرارتی (Heat Fusion) که یکی از روش‌های مهم اتصال لوله‌های PE است، برای PVC-U به شکل متداول PE وجود ندارد.

استانداردهایی که در متن به آنها اشاره شده عبارت‌اند از:

ASTM D1785

ASTM D2837

AWWA C900/C905

EN 1452

GB/T 13664

GB/T 13663.2

NSF/ANSI 61

نکته مهم این است که NSF/ANSI 61 اساساً به الزامات بهداشتی مواد و محصولات در تماس با آب آشامیدنی مربوط است و نباید آن را با استاندارد تعیین رده فشاری لوله یکی دانست.

در نهایت، سؤال مهم برای مهندس کامپاند فقط این نیست که:

«آیا لوله آزمون کوتاه‌مدت ترکیدگی را پاس کرد؟»

سؤال مهم‌تر این است:

اگر این لوله قرار است سال‌ها تحت فشار کار کند، آیا فرمولاسیون کامپاند، مورفولوژی ماده و کیفیت فرایند تولید آن نیز برای تحمل تنش‌های بلندمدت طراحی و ارزیابی شده‌اند؟