آیا ۵۰ سال پایان عمر لوله های پلی اتیلن است؟

آیا ۵۰ سال پایان عمر لوله های پلی اتیلن است؟

نتایج تحقیقات انجمن آب و گاز آلمان روی لوله های پلی اتیلن نسل اول

چکییده:

مقاله ای که می خوانید گزارشی است از چگونگی کار شبکه لوله های پلی اتیلنی و جستجو برای یافتن پاسخی برای این پرسش، عمر لوله های پلی اتیلن چقدر می تواند باشد و آیا این لوله ها سرانجام پیر و از کارافتاده می شوند؟

در سال ۲۰۱۰ انجمن آب و گاز آلمان DVGW برای یافتن پاسخ به پرسش در مورد عمر لوله های پلی اتیلنی یک پروژه تحقیقاتی را با همکاری موسسات  اروپایی KIWA ، SKZ، MPA Darmstadt‌ (موسسه آزمون مصالح در شهر دارمشتات) به اجرا گذاشت. دراین پروژه لوله هایی از نسل اول که از عمر آنها ۴۰ سال گذشته بود از زیرزمین در آورده شد و مورد آزمایش قرار گرفت . نتیجه آزمایشها نشان داد که هر دو نوع یعنی لوله های آب و گاز، هنوز به انداره کافی پایداری حرارتی Thermal Stabilization‌از خود نشان می دهند و بر این اساس پیش بینی می شود حتی پس از به پایان رسیدن ۵۰ سال این لوله ها می توانند برای مدت ۲۵ سال دیگر نیز مورد استفاده قرار گیرند و بی آنکه دچار تخریب حرارتی  thermos oxidative‌ شوند.

با این همه پیشنهاد می شود لوله های نسل اول تحت مراقبت و بازدید دائمی قرار داشته باشند تا در صورتیکه علائمی از پیری و پایان زمان مصرف آنها مشاهده گردد آزمونهای لازم انجام گیرد.

مقدمه:

در سالهای ۱۹۶۰ الی ۱۹۷۷ حدود ۱۰۰۰۰ کیلومتر لوله گاز و ۲۰۰۰۰ کیلومتر لوله آب از نسل اول پلی اتیلن در آلمان لوله گذاری شده است و در سال 2010 این سیستمهای لوله گذاری به پایان عمر پیش بینی شده آنها یعنی ۵۰ سال نزدیک شدند. از لحاظ اقتصادی و فنی خیلی مهم است که بررسی گردد که این لوله های نسل اول پس از گذشت ۵۰ سال آیا هنوز قابل استفاده می باشند یا خیر؟

در صورت جایگزینی این لوله ها با لوله های جدید احتیاج به سرمایه گذاری حدود ۴/۵ میلیارد یورو می باشد. نتیجه پژوهش شرکت  DVGW  نشان داد  در حال حاضر نیازی به هزینه ۴/۵ میلیارد یوروئی برای ترمیم سامانه لوله ها وجود ندارد و این هزینه عملاً به آینده دورتر موکول می شود.

انجمن آب و گاز آلمان  DVGW‌برای انجام پروژه فوق بمدت ۲/۵ سال همراه با موسسات تحقیقاتی KIWA واقع در هلند، SKZ واقع در شهر ورسبورگ آلمان و  MPA در شهر دارمشتات کار پیچیده ای انجام داد. تحقیقات و آزمایشات لوله های گاز را موسسه KIWA و آب را موسسه  SKZ‌بعهده داشت. موسسه MPA محاسبات مربوط به تخریب و پیری لوله و ارزیابی آنها را انجام داده است.

هماهنگی پروژه را گروهی از طرف DVGW‌ بعهده داشت در این گروه متخصصانی از موسسات آب و فاضلاب و شرکتهای گاز و همچنین تولیدکنندگان لوله حضور داشتند.

چگونگی نمونه برداری:

شرکت گاز NRM‌ واقع در شهر فرانکفورت نمونه هایی از لوله های گاز با قطر ۳۲ و ۴۰ میلیمتر با SDR11 را از محل لوله گذاری خارج و جهت آزمایش در اختیار KIWA‌ قرار داد. این لوله ها در سالهای ۱۹۷۵ الی ۱۹۷۶ کارگذاری شده بودند و در تمام مدت با فشار ۸۰ و ۸۰۰ میلی بار ‌ کار می کرده اند.

نمونه لوله های آب از شرکت Gelsenwasser‌ دریافت شد. این لوله ها با قطر خارجی۴۰ میلیمتر مربوط به سالهای ۱۹۶۷ و ۱۹۶۸ بودند که تحت فشار ۷ بار با SDR11  و فشار ۴/۵ بار با  SDR6 قرار داشتند و آزمون این لوله ها در موسسه  SKZ ‌ انجام گردید.

از نشانه گذاری روی لوله ها معلوم گردید که مواد اولیه بکار رفته برای لوله ها ی گاز از نوع هوستالن شرکت هوخست اگ و وستولن شرکت هولز می باشد. و نوع مواد اولیه لوله های آب، هوستالن شرکت هوخست اگ بود.

مقدمات:

از مقالات نشریه Kunststoffe مربوط به سالهای ۱۹۶۲ و ۱۹۸۷ جدول منحنی مربوط به تست هیدرواستاتیک مواد اولیه شرکت هوخست اگ Hostalen GM5010 که در اصل گرید نسل اول لوله پلی اتیلن می باشد ارقام مربوط به تستهای دراز مدت برداشته و بعنوان مرجع در آزمایشها مورد استفاده قرار گرفت. (شکل ۱)

 

 

 

 

 

 

روند پیری لوله های پلی اتیلن در شکل ۲ نشان داده شده است که شامل سه مرحله با شیب متفاوت می باشد .

 

 

 

 

قسمت اول با شیب کم نشان دهنده حالت  Ductile‌لوله است. مرحله بعدی ایجاد ترکهای ریز در مدت خیلی طولانی است. مرحله سوم تخریب Thermo- oxidative است که در این مرحله تقریباً کل پایدار کننده حرارتی به مصرف رسیده است. شیب خط در مرحله اول خیلی کم در مرحله دوم کمی بیشتر و در مرحله سوم تقریباً بصورت سقوط در می آید. بالا بودن دما روند پیرشدن را تشدید می نماید.

در بررسی روند پیر شدن لوله ها باید شرایط محیطی و سیال یا گاز داخل لوله را نیز در نظر گرفت. در حالیکه میزان فشار در داخل لوله های گاز مقدار خیلی کم بوده است(۰/۸ بار با تنش حلقوی ۰/۴ مگا پاسکال در مورد لوله های SDR11 ) و در مورد لوله های آب ۷ بار با تنش حلقوی ۳/۵ مگا پاسکال برای SDR11  بود.

در مورد لوله های گاز و آب کم شدن مقدار آنتی اکسیدان در سطح خارجی لوله بعلت رطوبت و مهاجرت باید بحساب آورده شود. در مورد لوله های آب این مسئله در سطح داخلی لوله ها نیز اتفاق می افتد. در نتیجه می توان پیش بینی کرد که روند پیری در دو نوع لوله، متفاوت بوده است و انتظار عمر باقی مانده نیز متفاوت خواهد بود. برای اینکه طول عمر باقی مانده از لوله ها را محاسبه کرد باید روی محور مختصات یک طرف، زمان تا تخریب مکانیکی بعلت رشد آهسته ترک و درطرف دیگر مدت زمان مصرف آنتی اکسیدان یا شروع تخریب Thermo- oxidative آورده شود.

بررسی وضعیت لوله های قدیمی

تأیید هویت مواد اوّلیه نسل اوّل لوله ها:

در ابتدا نوع مواد اولیه در هر دو مورد گاز و آب باید آزمایش می شد و مورد تأیید قرار می گرفت که مربوط به نسل اول گرید لوله می باشند.

با آزمایش DSC و FTIR- Spectroscopy  و مقایسه نتیجه حاصل با مستندات موجود در شرکتKIWA می توان به یقین اظهار داشت که لوله های آب با SDR 11 از مواد اولیه HOSTALEN GM5010 تولید شده اند. در مورد لوله های گاز دو نوع مواد اولیه تأیید گردید یک نمونه از HOSTALEN و نمونه دیگر VESTOLEN، آزمون چگالی لوله های آب از مواد هوستالن عدد ۰/۹۵۳ گرم بر سانتی متر مکعب را نشان می دهد. جداول قدیمی مربوط به سال ۱۹۶۶ شرکت هوخست آگ چگالی را ۰/۹۵۵گرم بر سانتی متر مکعب نشان می دهند.

نتیجه آزمون MFR (۱۹۰ درجه سانتی گراد بر ۵کیلوگرم)  برابر 0.23g/10min و 0.47g/10min  و در مورد وستولن MFR 0.33g/10min بدست آمد، در مدارک شرکت هوخست MFR رقم 0.3g/10min عنوان شده است.

 بر اساس پژوهش ها می توان نتیجه گرفت شاخص های بدست آمده، مواد اولیه نسل اول را تأیید می نماید.

اندازه گیری تنش:

طبق روش Janson حدتنش لوله های قدیمی گاز و آب محاسبه و با ارقام لوله های امروز از مواد اولیه PE80 وPE100  مقایسه گردید.

لوله های قدیمی با کارکرد ۴۰ سال هنوز مقاومت تنشی۴ الی ۴/۵ مگاپاسکال را نشان میدهند در مورد لوله های ۳۲ ساله گاز مقاومت تنشی ۳ الی ۴/۵  مگاپاسکال بدست آمد. لوله های جدید از  PE80 وPE100  در مقابل۵ الی ۶  مگاپاسکال را نشان می دهند. در لوله های گاز با کارکرد ۳۲ سال تنش باقیمانده بین ۳ الی ۳/۵ مگاپاسکال محاسبه گردید. در مورد لوله های جدید از PE80  و PE100 تنش موجود بین ۲/۵ الی ۳/۵ مگاپاسکال بود. این نشانگر آن است که پس از کارکرد ۳۰ الی۴۰ سال درلوله های گاز و آب در زیر خاک در دمای ۵ الی۱۰درجه سانتی گراد عملRelaxationبه کندی پیش می رود.

آزمایشStress crack :

این آزمون طبق  Cone Test‌استاندارد ISO 13480 انجام گردید. لوله های قدیمی آب و گاز مقاومت کمی از خود در مقابل رشد آهسته ترک نشان می دهند. شکافی که در ابتدا لوله ایجاد شده بود در مقابل دما و مواد صابونی بلافاصله پس از شروع با سرعت ۲۰ میلیمتر در مدت ۲۴ ساعت به پیش میرود. در حالیکه در مورد نمونه لوله های امروزی از PE100 در همان شرایط آزمون مقدار پیشرفت ترک ۱ میلیمتردر ۲۴ ساعت است و شروع رشد آهسته چندین روز پس از شروع آزمون اتفاق می افتد.

این آزمون نشانگر ضعف نسل اول گرید لوله ها در مقابل رشد آهسته ترک است.

پایدار حرارتی درازمدت:

کارکرد دراز مدت لوله های پلی اتیلن به عملکرد پایدارکننده حرارتی مربوط می گردد متاسفانه اطلاعاتی از نوع و مقدار مورد استفاده پایدارکننده حرارتی در هوستالن و وستولن بدست نیامد . بررسی نوع و مقدار پایدارکننده حرارتی بعد از ۳۰ الی ۴۰ سال به شرکت سیبا واگذار گردید و علاوه بر آن آزمونهای مربوط به OIT انجام گردید.

بررسی پایدارکننده ها توسط دستگاههای کروماتوگراف TLC , HPLC و GC انجام گردید تا درصد پایدارکننده فعال موجود اندازه گیری گردد. در انواع لوله های هوستالن برای مصرف آب با دستگاههای آزمایشی فوق پایدارکننده ای مشاهده نگردید. در هوستالن جهت مصرف گاز مقدارکمی Irganox ۱۰۷۶ و Irganox ۴۱۵ اندازه گیری شد. نتایج بدست آمده متناقض می باشد. در نمونه وستولن برای گاز رسانی مقدار ۰/۱% از Irganox ۱۰۷۶ و Irganox ۱۰۱۰ و BHT اندازه گیری شد همزمان با این آزمونها، تست OIT از نمونه های تست خارجی، میانی و داخل لوله نیز انجام پذیرفت.

 

در این آزمون مقدار اندکی از نمونه درحد چند mg تحت تأثیر گاز نیتروژن تا دمای بالاتر از درجه ذوب در سه دمای مختلف۱۹۰ ، ۲۰۰ ، ۲۱۰ درجه سانتی گراد حرارت داده شد سپس نیتروژن را قطع و تحت گاز اکسیژن آزمون ادامه یافت تا تخریب حرارتی انجام گردد. زمان شروع تأثیر اکسیژن تا شروع تخریب حرارتی واحدی است نشان دهنده پایدارکننده حرارتی.

( عکس شماره ۳)

 

 

 

 

اندازه گیری OIT هم در مورد لوله های آب و گاز اثبات نمود که پایدارکننده حرارتی در لوله ها به اندازه کافی موجود است.

 

در مورد لوله های تولید شده از مواد اولیه هوستالن OIT بدست آمده از جداره داخلی لوله کمتر از میزان گرفته شده از وسط و یا لایه خارجی لوله بود. دلیل این امر را می توان به علت شسته شدن مواد پایدارکننده توسط آب دانست. (عکس شماره ۴)

 

 

در مورد لوله های گاز ارقام بدست آمده OIT از جداره خارجی لوله کمتر از مقادیر جداره میانی و یا داخلی بود علت این امر را می توان وجود آبهای زیرزمینی و تماس آن با جداره خارجی لوله دانست.

ارقام OITبدست آمده از لوله های گاز وستولن بیشتر از ارقام هوستالن می باشد.

مشخصات مکانیکی لوله ها برای عمر طولانی تر:

جهت تعیین مشخصات مکانیکی موجود در لوله های قدیمی همانند لوله های جدید تست هیدرواستاتیک طبق DIN EN ISO 9080 انجام گردید و نتایج بدست آمده با استفاده از سیستم Standard Extrapolation Method(SEM) مورد ارزیابی قرار گرفته. بدین ترتیب امکان بررسی فرآیند پیر شدن لوله ها در طی سالیان طولانی کارکرد و مقایسه نتایج بدست آمده با لوله های تولیدی جدید بدست می آید.

عکس شماره ۵ آزمون هیدرواستاتیک لوله های ۴۰ ساله آب از مواد هوستالن در دمای ۲۰،۶۰،۸۰،۹۵ درجه سانتی گراد نشان می دهد. مقایسه نتایج بدست آمده با لوله های جدید در عکس شماره ۱ نشان می دهد که این لوله ها پس از کارکرد ۴۰ ساله در وضعیت خوبی در مقایسه با لوله های جدید می باشند. بر اساس محاسبات انجام شده بر پایه آنالیز X SEM طبق Modell 3-Parametet- ارقام بدست آمده در منحنی دمای ۲۰ درجه سانتی گراد پس از گذشت ۵۰ سال عدد LPL برای تنش حلقوی برابر ۳/۹ مگا پاسکال می باشد و رقم LTHS برابر ۵/۵ مگاپاسکال می باشد.

در مورد دمای ۸۰ درجه سانتی گراد آزمون حدود یک سال ادامه داشته است ترکهائی که مشاهده شده است نشانگر شروع رشد آهسته ترک می باشد و به هیچ وجه تخریب  Thermo_oxidative مشاهده نگردیده است. آزمون در دمای ۹۵ درجه سانتی گراد تا ۷۰۰۰ ساعت انجام گردیده است بدون آنکه در این مدت تخریب حرارتی مشاهده گردد.

بعلت کم بودن نمونه های لوله از مواد وستولن انجام آزمون کامل طبق DIN EN ISO 9080 بر اساس SEM_Analyse  امکان پذیر نبود. در مقایسه نتایج آزمون هیدرواستاتیک در دمای ۶۰ و ۸۰ درجه سانتی گراد با نمونه های هوستالن تفاوتی مشاهده نگردید پس می توان نتیجه گرفت نتایج در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد نیز  مشابه هم خواهند بود. طبق ارقام بدست آمده LPL برای ۵۰ سال در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد می توان حداکثر فشار مجاز در لوله های قدیمی از مواد اولیه هوستالن در مصارف آب و گاز جهت ادامه کار آنها را پس از پایان ۵۰ سال اولیه  محاسبه کرد .

از انجام این آزمایشها  این نتیجه بدست آمد که استفاده لوله های هوستالن گاز با فشار کاری ۰/۸ بار را بدون مشکل پس از پایان طول عمر تعیین شده یعنی ۵۰ سال برای ۵۰ سال دیگر نیز می توان بکار گرفت.

فشارکاری لوله های آب از مواد اولیه هوستالن که با ۷ بار کار می کند ادامه کار تا مدت ۲۵ الی ۳۰ سال دیگر را مجاز می سازد.

مشخصات  (Thermo_oxidative)لوله ها برای عمر طولانی تر:

آزمون OIT همراه آزمون هیدرواستاتیک در دمای بالا و مدت زمان طولانی این اطمینان را می دهد که هنوز به اندازه کافی پایدارکننده حرارتی در لوله های آب و گاز وجود دارد برای اینکه بدانیم مقدار پایدارکننده حرارتی در لوله های قدیمی چه زمانی به صفر می رسد باید لوله ها را در دمای بالا تحت آزمون هیدرواستاتیک قرارداد و یا‌ آنها را به مدت زیاد در دماهای مختلف در داخل oven قرار دهیم سپس با روش Extrapolation روی نمودار Arrhenius  مدت کارکرد لوله ها را تا رسیدن به صفر= OITدر دمای ۲۰ درجه سانتی گراد و یا دمای موجود در لوله محاسبه کرد.

براساس آ‍زمون به همین روش برای لوله های هوستالن در انتقال آب هیدرواستاتیک در دمای ۶۰،۸۰، ۹۵ درجه سانتی گراد و  Extrapolation آن روی نمودار Arrhenius به دمای ۲۰ درجه سانتی گراد، طول عمر ۹۰ ساله برای لوله های نسل اوّل بدست می آید.

پس می توان گفت ۹۰ سال طول خواهد کشید تا طبق آ‍زمون OIT در دمای ۱۹۰ درجه سانتی گراد مقدار پایدارکننده حرارتی کلاً مصرف شده و به صفر برسد.اندازه گیری OIT از نمونه های برداشته شده از قسمت میانی لوله انجام شده است زیرا در این قسمت از لوله کمترین پراکندگی پایدارکننده حرارتی اندازه گیری شده است بهمین دلیل جداره داخلی لوله که با آب تماس دارد کمترین مقدار پایدارکننده حرارتی  را دارد و بحرانی ترین قسمت لوله می باشد.

برای لوله های گاز از مواد اولیه هوستالن و وستولن فرایند پیر شدن درداخل oven و در دمای ۶۰، ۸۰ و ۱۰۰ درجه سانتی گراد انجام گردید. طبق این روش و بردن نتایج روی نمودار Arrhenius برای دمای کاری ۲۰ درجه سانتی گراد و نمونه OIT از قسمت خارجی لوله در مورد لوله های وستولن طول عمر ۱۰۰ ساله محاسبه گردید در مورد لوله های هوستالن بعلت پراکندگی نتایج طول عمر لوله ها ۱۰ الی ۲۵ سال کمتر پیش بینی می شود.

جمع بندی:

پروژه DVGW‌ "بررسی لوله های آب و گاز از نسل اول" پس از گذشت ۳۰ سال کارکرد این لوله ها بزرگترین پروژه ای است که در این مورد انجام شده است.نتایج بدست آمده این امر را به اثبات رسانیده است که براساس آزمون EN ISO 9080 لوله های تولیدی از مواد هوستالن برای مصرف گاز (قطر ۳۲ میلیمتر و SDR 11) پس از پایان ۵۰ سال اول ۵۰ سال دیگر با فشار ۰/۸ بار قابلیت کارکرد دارند. لوله های ساخته شده از مواد اولیه هوستالن برای مصرف آب (قطر ۴۰ میلیمتر و SDR 11) پس از پایان ۵۰ سال اول به مدت ۳۰-۲۵ سال دیگر قابلیت کارکرد تحت فشار ۷ بار را داراست .در مورد آزمون مقدار پایدارکننده حرارتی موجود نتایج حاصل نشان دهنده این امر است که هم در مورد لوله های گاز و آب برای مدت ۳۰ الی ۴۰ سال پس از پایان مدت ۵۰ سال اولیه مقدار کافی پایدارکننده حرارتی وجود دارد. برای شرکتهای گاز و آب که از این شبکه لوله ها استفاده می نمایند مشکلی از لحاظ ادامه کار وجود ندارد. درهر حال پیشنهاد میگردد که کنترل خط لوله در فواصل زمانی معین بدقت انجام شود تا به محض دیدن نشانه های پیری، سریعاً اقدامات لازم انجام پذیرد و از میان برداشته شود.

منابع:

اسامی مدیران پروژه که این تحقیقات را انجام داده اند.