محاسبات فنی

پارامترهايي كه فرآیند طراحي لوله PE را در شبکه توزيع و انتقال آب كنترل مي کنند عبارتند از:

• فشار داخلي پايدار و دایمی

  • نسبت قطر خارجی به ضخامت دیواره لوله (نسبت ابعاد استاندارد - SDR).
  • تنش طراحی مجاز مواد اولیه لوله ) PE 63 ، PE 80،  (PE 100
• وقفه هاي متناوب يا گذرای جریان که موجب ضربه قوچ می شوند.
• دماي عملیاتی سیستم
• مقاومت لوله به مواد شیمیایی

 

رتبه فشار کاری (Working Pressure Rating) دربرگیرنده تاثیرهمه فاکتور های فوق می باشد، لذا دستورالعمل تعیین WPR برای لوله پلی اتیلن در شبکه های توزیع و خط انتقال آب اولین گام در طراحی سامانه می باشد.

تعاریف رده فشاری،  فشار کاری، رتبه فشار کاری ، ضربه قوچ مکرر و گاه به گاه،  برای لوله پلی اتیلن انتقال آب، به عنوان مقدمه ای برای این بخش ارائه می شود.

رده فشاری = ظرفیت طراحی است که لوله در برابر فشار کاری تا حداکثر دمای23 درجه مقاومت نموده و حداکثر فشارمجاز مثبت ضربه قوچ رانیز تحمل نماید.

فشار کاری( WP ) = حداکثر فشار عملیاتی پیش بینی شده است که بدون فشارهای  گذرا بر سامانه وارد میشود.

رتبه فشار کاری (WPR): ظرفیت طراحی برای مقاومت در برابر فشار کاری در دمای عملیاتی پیش بینی شده می باشد با ظرفیت کافی در مقابل فشار واقعی ضربه قوچ مثبت بالاتر از فشار کاری.

رتبه فشار کاری لوله ممکن است برابر یا کمتر از رده فشاری یا فشار اسمی لوله باشد.

ضربه قوچ: حداکثر افزایش آنی/گذرای فشار هیدرولیکی به بیش از فشار عملیاتی است که در نتیجه تغییرات ناگهانی سرعت آب درون لوله بوجود می آید.

به منظور انتخاب لوله مناسب و طراحی، بایستی به انواع مختلف  فشار سرج توجه شود:

 

1.    ضربه قوچ مکرر: فشارهای فزاینده تکراری ناشی از عملکرد نرمال سیستم، طراحی، و بهره برداری آن بوده ودر هنگام راه اندازی یا خاموش کردن پمپ ها و باز و بسته شدن شیر ها ایجاد می شود.
2. ضربه قوچ ناگهانی:این فشار ناشی از عملیات اضطراری و سوء عملکرد یکی از اجزاء سامانه لوله می باشد. از قبیل قطع برق و یا نقص اجزای سامانه مانند سیستم پمپاژ، سوپاپ هاو یا خرابی شیرهای فشارشکن .

 

3. ضربه قوچ منفی :یکی از پیامدهای تغییر فشار ناشی از ضربه قوچ ایجاد فشار منفی است که ممکن است باعث فروپاشی موضعی یا کمانش دیواره لوله(buckling) بشود. (فشار منفی به دلیل طراحی نامناسب هیدرولیکی خط لوله هم رخ می دهد)

برای اطلاعات بیشتر در مورد لوله تحت فشار مقاله " لوله پلی اتیلن تحت فشار " را مطالعه کنید.

برای بسیاری از انواع لوله نوسانات مکرر و آنی فشار (ضربه قوچ) می تواند آسیب خستگی تدریجی و تجمعی ایجاد کند که نیاز به انتخاب کلاس فشاری بالاتر را سبب می شود.اما در مورد لوله پلی اتیلن انتقال آب معمولا انتخاب کلاس فشار (PC) بالاتر برای مقابله با تأثیرات فشارهای سرج لازم نیست. در این خصوص دو ویژگی لوله پلی اتیلن را از انواع دیگر لوله ها متمایز می کند:

 اول این است که به دلیل سفتی ((stiffness پایین آنها، مقدار حداکثر فشار سرج که از تغییر ناگهانی در سرعت سیال بوجود میاید به طور قابل توجهی کمتر ازلوله های سخت تر مانند لوله های فلزی می باشد. و دوم این است به دلیل خاصیت ویسکوالاستیک مواد PE  و,بر اساس تحقیقات و تجارب عملی مشاهده شده به  طور کلی لازم نیست  که برای مقابله با اثرات فشار موج، رده فشاری بالاتر را استفاده نمود. لوله های PE می توانند به راحتی حداکثر فشار کلی تا دو برابر فشارکاری (رده فشاری تعدیل شده برای شرایط عملیاتی و دمایی) را برای ضربه قوچ ناگهانی و تا 5/1 برابر فشار کاری را در حالت ضربه قوچ مکرر تحمل کنند. علاوه بر این مقاومت طولانی مدت لوله پلی اتیلن انتقال آب تحت تاثیر بارگذاری دوره ای و مکرر تغییر نمی کند ودر برابر خستگی مقاوم هستند.

در رابطه با ضربه قوچ منفی، طراحی و انتخاب لوله بر حسب شرایط اجرایی بگونه ای خواهد بود که لوله تحت اثر ترکیبی فشار خارجی و یک خلاء بسیار موقت کامل در حاشیه ایمنی قرار بگیرد.  به عنوان نمونه  لوله پلی اتیلن با SDR ≤ 21  که بطور صحیح در ترانشه جایگذاری شده باشند می تواند ضربه قوچ منفی با خلاء کامل و مکرر را بدون آنکه دچار باکلینگ شوند تحمل نمایند. در صورت نیاز به محاسبات دقیق  و در رابطه با SDR ˃  21  لطفا با واحد مهندسی و طراحی پی.ای.اس تماس بگیرید.

محاسبه رده فشاری:

فشار داخلی پایدار، بدون فشار گذرا که می تواند به یک سیستم لوله اعمال شود، رده فشاری است، که تابعی از تنش مجازحلقوی hoop stress)) و ضخامت لوله پلی اتیلن می باشد. تنش مجازحلقوی با آزمایش لوله مطابق بااستاندارد ASTM D2837 تعیین می شودو سپس مبنای طراحی هیدرواستاتیکی (HDB) بدست آید که به نوع ماده اولیه پلی اتیلن که لوله با آن ساخته شده است بستگی دارد.

با اعمال فاکتور طراحی (DF)به مقدار HDB ، تنش طراحی هیدرواستاتیک (HDS)بدست می آید تا تاثیر سایر تنش هاو بخصوص تنش های موضعی مانند خراشیدگی هاو تاثیرات هندسی در اتصالات و جوش ها در طراحی فشاری لوله در نظر گرفته بشود.

برای محاسبه فشار کاری لوله های ترموپلاستیک  از رابطه ایزو استفاده می شود:

PR= 2HDS. F _T. A _F /SDR-1

SDR= D_o/ t

D_o= pipe outside diameter

t = pipe wall thickness

PR=Pressure Rating

HDS= Hydrostatic Design Stress of PE material (table 1)

A _F = Environmental Application Factor (Table 2)

F _T = Service Temperature Design Factor (See ………..)

کد ماده اولیه  ( American standard )	کد ماده اولیه ( European standard)	HDS at 23 oC
PE4708	PE80	800 psi
PE4710	PE100	1000 psi

بااعمال ضریب محیطی تاثیر محیط های شیمیایی پیرامون لوله و یا سیال شیمیایی داخل لوله در محاسبه فشار کاری لوله پلی اتیلن در نظر گرفته می شود. 

نوع سیال داخل لوله یا محیط مجاور آن	ضریب  محیطی در   oC 23 A F
آب ،محلول های آب نمک، اسید و باز؛ فاضلاب شهری؛ فاضلاب؛ الکل ها؛ گلیکول (محلول ضد انجماد)	1
نیتروژن؛ دی اکسید کربن؛ متان؛ سولفید هیدروژن؛ گاز طبیعی خشک یا دیگر گازهای غیر واکنشی	1
مایعاتی مانند حلال های شیمیایی ونفوذپذیر در داخل لوله یا در خاک (معمولا هیدروکربن ها) در غلظت 2 درصد یا بیشتر، مایعات سوخت گازی، نفت خام، بنزین، دیزل، نفت سفید، سوخت های هیدروکربنی، گاز مرطوب ، مایعات نفتی چند فاز، هیدروکربن های مایع LVP، آب های نفتی حاوی 2٪ هیدروکربن ها	5/.