چکیده
قبل از بررسی کاربرد پلی اتیلن، باید اطلاعات دیگری را داشته باشیم. برای توصیف خصوصیات ویسکوالاستیک، مانند مدول خزش و نسبت پواسون وابسته به زمان از مواد پلی اتیلن با چگالی بالا و متوسط (PE-MD & PE-HD) و در کل 5 نوع پلی اتیلن (PE) (درجه های لوله ای و درجه های غیر لوله ای) با چگالی از 0.928 تا 0.951 گرم در سانتی متر مکعب بررسی شد.
توسعه و اجرای یک روش آزمون مناسب شامل تجزیه و تحلیل مکانیکی پویا و آزمایشات خزش کوتاه مدت همراه با مفاهیم فیزیک و مکانیک مناسب پلیمر برای توصیف رفتار ویسکوالاستیک این مواد PE در یک مقیاس طولانی مدت از 10-2 ثانیه تا 50 سال طول می‌کشد. در طی فرایندی خوب با نتایج آزمایشات انجام شده بر روی نمونه های لوله، مشخص شد که مقادیر مدول خزش در مقیاس زمانی مشخص شده تا 1.5 مرتبه از اندازه کاهش می یابد.
همانطور که انتظار می رفت، داده های مدول خزش به شدت تحت تأثیر چگالی مواد قرار گرفت. علاوه بر این، مشخص شد که مقادیر نسبت پواسون با گذشت زمان با مقادیر کوتاه مدت در حدود 0.4 و ارزش های برون یابی نزدیک به 0.5 در 50 سال افزایش می یابد.
معرفی
استفاده از لوله هایی با جنس پلی اتیلن با گذشت زمان رشد زیادی داشته و این رشد چشمگیر به خاطر استفاده از تکنولوژی‌های جدید در ساخت مواد اولیه ی این ماده، یعنی پلی اتیلن است که با کیفیت بهتر، سبب شده تا نسل جدیدی از لوله پلی اتیلن های گرید (high grade) بر سر زبان ها بیفتند. پلی اتیلن (PE)، که مخصوصا در درجه های متوسط و چگالی بالا (PE-MD و PE-HD) موجود است، به طور مداوم به عنوان مواد اولیه ی لوله در سیستم های تامین آب و گاز مورد استفاده قرار میگیرد.
تغییر رفتار شکل لوله های مدفون و اجزای لوله تحت شرایط واقعی به وضعیت بارگیری پیچیده ترافیک سیستم، جاده، خاک و لوله بستگی دارد، همانطور که در شکل 1 به صورت شماتیک نشان داده شده است. علاوه بر فشار داخلی، تأثیر عمده ای در تغییر شکل لوله های ترموپلاستیک مدفون به دلیل خاک استاتیک فشرده شده و بارهای ترافیکی پویا با دمای متوسط خاک که حدود 5 درجه سانتیگراد است را مشاهده می کنیم. بنابراین زمان بارگیری از حدود 10-2 ثانیه (بارهای متناوب ترافیکی) تا عمر مفید مورد نیاز برای لوله های گاز و آب مدفون بیش از 109 ثانیه (50 سال) است.
شکل 1: این شکل شرایط بارگیری عمومی را نشان می دهد، تغییر شکل و خرابی لوله های PE دفن شده، به صورت شماتیک نشان داده شده است(pi = فشار داخلی).
با توجه به این شرایط بارگذاری عمومی، حداقل دو مورد از رفتار لوله باید برای توصیف رفتار سرویس لوله های مدفون متمایز شود. از یک طرف، خواص ویسکوالاستیک وابسته به دما، تغییر شکل و رفتار لوله را کنترل می کند. از طرف دیگر، عمر مفید به عملکرد خرابی لوله به دلیل نقص دیواره لوله همراه با مقاومت مواد لوله در برابر رشد ترک بستگی دارد که می تواند با مفاهیم مکانیکی شکستگی به درستی توصیف شود.
با توجه به جنبه هایی از تغییر شکل لوله، یک روش محاسبه مناسب برای لوله های ترموپلاستیک مدفون، با در نظر گرفتن کل ترافیک سیستم / جاده / خاک / لوله ایجاد شده است. با این حال، استفاده از این روش در شرایط واقعی نیاز به اطلاعات زیادی در مورد زمان، دما و فشار دارد.
برای تعیین ویژگی ها و خواص ماده ویسکوالاستیک مشخصه هایی مانند مدول الاستیک E(T,t, σ) و نسبت چرخش v(t,T σ) به عنوان توابع زما t ، دما T و تنش بارگذاری σ، آزمایش مناسب و روش‌های برون یابی لازم است.
اهداف اصلی کار ارائه شده در این مقاله، ابتدا ایجاد یک روش آزمون مناسب برای توصیف رفتار ویسکوالاستیک PE برای شرایط خدمات زیر است:
- میانگین دمای خاک: 5 درجه سانتیگراد،
- مقیاس زمانی از 10-2 ثانیه ( بارهای ترافیکی) تا 109 ثانیه(50 سال، بارهای استاتیک طولانی مدت)،
- شرایط بارگذاری ویسکوالاستیک خطی و غیرخطی( سطح تنش).
دوم، بر اساس روش آزمون توسعه یافته، انواع مختلف PE در دامنه چگالی از 0.93 تا 0.95 گرم بر سانتی متر مکعب بررسی شد. برای لوله های گاز PE-HDبا چگالی بیش از 0.93 گرم بر سانتی متر مکعب به طور کلی مشخص شد. سوم، توابع مدول خزش به دست آمده از آزمایش با نمونه های استاندارد از پلاک های مسطح قالب گیری فشرده سازی باید با رفتار خزش نمونه های لوله اکسترود شده مقایسه شود.
روش تحقیق و طریقه آزمایش
روش آزمایش
برای تعیین رفتار ویسکوالاستیک مواد PE بیش از دامنه چگالی مورد نظر 0.93 تا 0.95 گرم در سانتی متر مکعب، از نمونه های کششی مسطح قالب گیری فشاری استفاده شد. برای پوشش طیف وسیعی از زمان، یک روش آزمون و برون یابی شامل 3 عنصر اصلی زیر اجرا و اعمال شد:
- تجزیه و تحلیل مکانیکی پویا و آزمایشات خزش کوتاه مدت در دماهای مختلف
- اصل برهم نهی زمان / فرکانس- دما برای تولید منحنی های اصلی
- برون یابی منحنی های اصلی برای زمان بارگیری به مدت 50 سال (در صورت لزوم).
برای توصیف رفتار مواد ویسکوالاستیک برای دامنه های کوتاه مدت، آزمایش های مکانیکی پویا تحت بارگذاری کششی حلقوی با سطح تنش از 0.5 تا 4 مگاپاسکال و یک دامنه فرکانس از 10-2 تا 102 هرتز انجام شد. بنابراین عملکرد مواد ویسکوالاستیک مانند مدول پویا |E*(t, T, σ)| و نسبت پواسون پویا ||ν*(t, T, σ) را می توان برای محدوده بارگذاری ویسکوالاستیک خطی و غیر خطی به دست آورد.
به طور مشابه، سطح تنش از 0.2 تا 4 مگاپاسکال برای انجام آزمایش خزش کوتاه مدت تحت بارگذاری کششی ثابت برای پوشش دامنه بلند مدت رفتار مواد انتخاب شد. توابع ماده حاصل، به عنوان مثال، مدول خزش E(t, T, σ) و نسبت پواسون ν(t, T, σ) ، در مقیاس زمانی از 102 ثانیه تا 105 ثانیه تعیین شدند.
هر دو نوع آزمایش در دمای 10- ، 5 ، 23 و 40 درجه سانتی گراد انجام شدند. اساس این درجه حرارت های مختلف آزمون برای توابع مدول خزش خاص آزمایش، توابع اصلی زمان / فرکانس دما برای تولید منحنی های اصلی برای دمای مرجع (به عنوان مثال، 5 درجه سانتیگراد، مربوط به دمای زمین) با تغییر افقی تجربی منحنی مدول تجربی تغییر می کند.
برای مواردی که منحنی های اصلی به زمان مطلوب 50 ساله نرسیده اند، یک برون یابی ساده برای منحنی اصلی انجام شده است. در حالی که این روش، که به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است، برای پلیمرهای آمورف کاملاً ثابت است، اما اطلاعات کمی برای پلیمرهای نیمه بلورین مانند PE در منابع موجود است. با این حال اعتقاد بر این است که هنوز هم ممکن است مبنایی مناسب برای پیش بینی طولانی مدت و برون یابی داده های خزش، حداقل از نظر مهندسی فراهم کند.
علاوه بر آزمایش روی نمونه ها از پلاک های فشرده سازی، روش آزمون مشابهی برای انجام آزمایش های مسطح خزش روی نمونه های لوله اکسترود شده استفاده شد. این روش ها مربوط به پارامترهای آزمون آزمایشات خزش کششی، نمونه های لوله با قطر خارجی D و طول L 110 میلی متر بودند که در جهت شعاعی بارگیری شدند.
شکل 2: روش پیش بینی رفتار خزشی در محدوده زمانی مورد نظر
صفحات موازی توسط نیروهای فشاری F منجر به حداکثر تنش های محلی به میزان 4 MPa در سطح لوله می شوند. در اینجا نیز دمای آزمون 10- ، 5 ، 23 و 40 درجه سانتی گراد بود و زمان آزمایش از 102 تا 105 ثانیه به طول انجامید. مدول خزش ظاهری وابسته به زمان Eb (t)، که می تواند به عنوان یک مدول متوسط برای تنش های کششی و فشاری محلی تفسیر شود، بر اساس کاهش میانگین قطر عمودی لوله ΔDm (t) با استفاده از معادله زیر محاسبه شد:
که در اینجا میانگین شعاع لوله Rm، ضخامت دیواره لوله s، طول نمونه لوله L و نسبت Poisson به ν وابسته به زمان ν (t) می‌باشد. مقادیر اخیر از آزمایشات خزش کششی بر روی میله های کششیِ مسطح قالب گیری شده به دست آمده است.
مواد
در مجموع، 5 نوع PE در محدوده چگالی 0.939 تا 0.952 گرم در سانتی متر مکعب بررسی شده است. این مواد همراه با اطلاعات مربوط به تعیین چگالی آن ها برای شرایط پردازش مربوط به تولید نمونه در جدول 1 ذکر شده اند. در حالی که 3 ماده(PE-2 ، PE-3 و PE-4) دارای موادی هستند که لوله گاز آن ها مجاز هست، دو نوع دیگری از مواد که با درجه مواد غیر لوله ای مطابقت دارند (PE-1 و PE-5) برای پوشش دامنه چگالی گسترده تر گنجانده شده اند.
جدول 1: گریدهای پلی اتیلن تحت پوشش دامنه چگالی برای مواد لوله گازی که چگالی آن ها بیش از 93 0.93 گرم بر سانتی متر مکعب است.
آزمایشات خزش کششی روی نمونه های پلاک های فشرده شده با هر 5 نوع PE انجام شد. برای آزمایش های پهنای خزش روی نمونه های لوله، از ماده درجه لوله ای در لوله گاز PE-3 استفاده شد. با این حال، باید توجه داشت که فرآیند اکستروژن لوله در مقایسه با فرایند قالب گیری فشرده سازی، مقادیر چگالی کمتری را به همراه دارد (جدول 1).
نتیجه گیری و بحث
در شکل 3، بر اساس اصل برهم زدن دما و زمان برای ماده PE-3، در محدوده ویسکوالاستیک خطی رفتار خزشی از خود نشان داده است. به دلیل شکل تقریباً خطی منحنی های مدول خزش برای دماهای مختلف از 10- تا 40 درجه سانتی گراد در این نمودار دو لگاریتمی، یک تغییر افقی ساده در مقیاس زمان برای تولید منحنی اصلی مورد نیاز برای دمای مرجع 5 درجه سانتیگراد رخ می دهد( که این امر تجربی است).
برای برآورد رفتار خزش تا زمان بارگیری به مدت 50 سال، منحنی اصلی مدول خزش هم با یک روش توسط رفتار منحنی خطی و غیر خطی برون یابی شد. تفاوت بین مقادیر مدول خزش برون یابی شده برای 50 سال حدود 60 مگاپاسکال، با سطح پایین تر 190 مگاپاسکال و سطح بالای 250 مگاپاسکال رخ داد که این اعداد در مقایسه با کاهش شدید منحنی مدول خزش در کل بازه زمانی، که شروع آن با مقادیر کوتاه مدت حدود 2000 مگاپاسکال برای مدت زمان بارگیری 10-2 ثانیه است، برون یابی شد.
شکل 3: رفتار خزش PE-3 برای دماهای مختلف در محدوده بارگذاری ویسکوالاستیک خطی.
برای ساخت منحنی های اصلی مدول برای محدوده ویسکوالاستیک غیر خطی از همین روش تغییر جهت و برون یابی استفاده شده است. منحنی های اصلی ویسکوالاستیک خطی دامنه، برای سطح تنش 2 و 4 مگاپاسکال باعث رفتار ویسکوالاستیک غیر خطی میشوند که این قضیه در شکل 4 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود، رفتار خزش به شدت تحت تأثیر فشار تنش اعمال شده است، که با یک تنش محدود برای ویسکوالاستیک خطی حدود 1 مگاپاسکال است.
از طرف دیگر، میزان خزش در سطوح فشاری بالاتر کمی افزایش می یابد. در حالی که تأثیر بار فشاری در هنگام بارگذاری 4 مگاپاسکال منجر به کاهش مقادیر مدول حدود 20٪ برای دامنه کوتاه مدت می شود، مشخص شد که مقادیر مربوطه برای دامنه بلند مدت با ضریب 2 درصد کاهش می یابند. با این وجود، در مورد شرایط آزمایش نشان داده شده در شکل 4، رفتار خزش بیشتر از زمان تنش تحت فشار زمان بارگیری است.
این اثرات هنگام بارگیری بر روی منحنی های مدول خزش برای سایر مواد PE نیز پیدا شد. منحنی های اصلی مدول خزش از هر 5 نوع PE در شکل 5 مقایسه شده است. این شکل، وابستگی شدید عملکردهای مدول خزش به چگالی PE را با افزایش مقادیر مدول و کاهش سرعت خزش با افزایش چگالی مواد نشان می دهد.
برای آزمایش های مکانیکی پویا تحت بارگذاری کششی، یک روش مشابه برای ایجاد منحنی های اصلی با تغییر تجربی منحنی های مدول وابسته به فرکانس به صورت افقی در امتداد مقیاس فرکانس لگاریتمی، استفاده شد. با استفاده از رابطه t = 1 / 2πf (t - زمان ، f - فرکانس)، مدول حاصل در برابر منحنی های اصلی فرکانس به منحنی های اصلی مدول وابسته به زمان تبدیل شدند.
شکل 4: رفتار خزش PE-3 برای دمای مرجع 5 درجه سانتیگراد در محدوده بارگذاری ویسکوالاستیک خطی و غیر خطی.
شکل 5: رفتار خزشی از درجه های مختلف PE-HD برای دمای مرجع 5 درجه سانتیگراد در محدوده بارگذاری ویسکوالاستیک غیر خطی.
شکل 6: ارائه باند پراکندگی مقادیر مدول وابسته به زمان برای مواد PE-HD در محدوده چگالی تعریف شده.
از این رو، داده های منحنی اصلی کلیه آزمایشات (از جمله خزش کششی و آزمایش های مکانیکی پویا در محدوده ویسکوالاستیک خطی و غیر خطی تا 4 مگاپاسکال) در شکل 6 نشان داده شده است. در این شکل نتایج برای گروه های مختلف مواد( به عنوان مثال، مواد درجه لوله گاز، مواد درجه غیر لوله با چگالی پایین و بالا) توسط پاکت های سایه دار محصور می شوند.
نوارهای پراکندگی حاصل، بنابر تأثیرات سطح تنش و چگالی مواد را منعکس می کنند. در حالی که PE-1 با چگالی 0.928 گرم بر سانتی متر مکعب بالاترین مقادیر مدول خزش را از 300 تا 2400 MPa برای مقیاس زمانی مورد نظر نشان می دهد، منحنی های مدول خزش برای PE-5 در سطح قابل توجهی پایین تر با مربوط به مقادیر مختلف از 60 تا 1200 مگاپاسکال متغیر هستند. در مورد اثر زمان بارگیری، مجدداً در مقادیر مدول خزش تقریباً 1.5 مرتبه از مقدار کاهش در بازه زمانی از -102 ثانیه تا 50 سال مشاهده می شود
.مقادیر نسبت پواسون با اندازه گیری همزمان تغییر شکل نمونه های آزمون کششی در هر دو جهت محوری و عرضی تعیین میشوند. در مقایسه با تعیین مدول وابسته به زمان، اندازه گیری نسبت پواسون دشوارتر و دقیق تر است. با توجه به پراکندگی داده های حاصل، استفاده از اصل برهم زدن دما و زمان در منحنی های وابسته به زمان برای نسبت پواسون مناسب به نظر نمی رسد.
از این رو، ارائه باند پراکندگی نسبت پواسون برای مواد PE بررسی شده، که در شکل 7 نشان داده شده است، محدود به محدوده زمانیِ تحت پوشش آزمایش برای بارگذاری پویا و استاتیک است. باند پراکندگی حاصل برای دمای مرجع 5 درجه سانتیگراد و تنشهای بارگیری از 0.2 تا 4 مگاپاسکال مقادیر نسبت Poisson را در حدود 0.40 تا 0.44 برای زمان بارگیری 10-2 ثانیه نشان می دهد.
تعیین یک منحنی متوسط برای تمام نسبتهای پواسون اندازه گیری شده در دمای مرجع امکان تخمین دامنه بلند مدت را با استفاده از یک روش برون یابی غیر خطی ساده فراهم می کند. از این رو مقادیر نسبت پواسون در مدت زمان 50 سال به 0.5 رسید.
شکل 7: ارائه باند پراکندگی نسبت به پواسون به مواد PE-HD در محدوده چگالی تعریف شده بستگی دارد.
سرانجام، در شکل 8 نتایج مدول خزش به دست آمده از نمونه های کششی قالب فشرده سازی با نمونه های لوله اکسترود شده مقایسه شده است. این شکل همچنین آزمایش مسطح شدن خزش روی لوله های انجام شده با PE-3 را به صورت شماتیک نشان می دهد. در مورد نتایج کشش، تمام داده ها برای مواد درجه لوله PE-2 تا PE-4 گنجانده شده است. مقادیر وابسته به زمان برای مدول خزش ظاهری Eb (t) نمونه های لوله اکسترود شده مشابه مرز پایین باند پراکندگی آزمون های کششی پیدا شد.
مدول خزش کمی پایین تر Eb (t) در مقایسه با مقادیر مربوطه برای میله های کششی قالب گیری فشرده سازی PE-3 به دلیل چگالی پایین لوله های اکسترود شده (جدول 1) و احتمالاً به دلیل توزیع تنش غیر همگن در تست پهن شدن لوله به این شکل هستند. با این وجود، با توجه به این اثرات، توافق خوبی بین رفتار خزش نمونه های کششی قالب گیری فشرده سازی و لوله های اکسترود شده آزمایش شده در حالت پهن شدن لوله پیدا شد.
نتیجه گیری
توابع ماده ویسکوالاستیک مانند مدول خزش و نسبت پواسون 5 ماده PE با چگالی بین 0.928 تا 9.951 گرم در سانتی متر مکعب با استفاده از آنالیز مکانیکی پویا و آزمایشات خزش کوتاه مدت بررسی شد. استفاده از مفاهیم فیزیک و مکانیک مناسب پلیمر، توصیف رفتار مواد ویسکوالاستیک را در بازه زمانی طولانی از 10-2 ثانیه تا 50 سال امکان پذیر می سازد. در این زمان بارگیری محدوده مقدار مدول خزش تا 1.5 درصد سفارش از مقدار اصلی کاهش یافته است. علاوه بر این، تأثیر زیادی از نوع PE بر رفتار خزش، آشکار کردن افزایش مقادیر مدول و کاهش میزان خزش با افزایش چگالی مواد تأیید شد.
رفتار خزش نیز به شدت تحت تأثیر سطح تنش اعمال شده است، با یک تنش محدود برای رفتار ویسکوالاستیک خطی حدود 1 مگاپاسکال پیش بینی می شود. مقادیر نسبت پواسون در حدود 0.40 تا 0.44 برای زمان بارگیری 0.001 ثانیه با مقادیر برون یابی نزدیک به 0.5 در 50 سال پیدا شد. با توجه به تغییر چگالی برای لوله های اکسترود شده، رفتار خزش پلاک های فشرده سازی و لوله های اکسترود شده مطابقت خوبی پیدا کردند.
شکل 8: مقایسه رفتار خزش برای درجه های لوله PE-HD که با آزمایش بر روی پلاک های قالب گیری فشرده سازی و لوله های اکسترود شده تعیین می شود.