برای تعیین درجه فشار برای کاربردهایی در دمای بالاتر از ۲۷ᵒC) 80ᵒF ) نیازمند اعمال یک فاکتور طراحی دمایی هستیم. جدول A.2 را ببینید.

همچنان با شرکت توسن صنعت آپادانا تولیدکننده و ارائه کننده انواع لوله های پلی اتیلن، لوله آبیاری، نوار آبیاری و لوله دریپردار همراه باشید.

خطوط لوله توزیع و انتقال گاز در مواردی که تحت نظارت قوانین فدرال آمریکا قرار دارد، با استفاده از ماده ۴۹ کدهای مقررات فدرال با عنوان حمل و نقل، درجه بندی می شوند. در بخش ۱۹۲ این کد که مربوط به نقل و انتقال گاز طبیعی و سایر گازها می شود، الزام شده است که حداکثر درجه فشار ( PR ) یک لوله پلی اتیلن را باید بر اساس مقدار HDS آن که برابر با حاصلضرب HDB در یک فاکتور طراحی ( DF ) برابر با ۳۲ / ۰ است، تعیین نمود (برای دیدن توضیحاتی راجع به فاکتور طراحی ( DF ) به فصل ۵ مراجعه نمایید). این مطلب معادل آن است که بگوییم مقدار HDS یک لوله HDPE که الزامات استاندارد ASTM D2513 را رعایت کرده است، در دمای ۷۳ᵒF برابر با ۵۰۰ psi است و مقدار HDS برای لوله MDPE و منطبق با استاندارد D2513 در دمای ۷۳ᵒF برابر با ۴۰۰ psi می باشد.

این کد، محدودیت های دیگری را هم اعمال می کند، بعنوان مثال می توان از حداکثر فشار کاری مجاز برای لوله پلی اتیلن (که در زمان نگارش این کتاب، برای لوله های ۱۲ اینچی و کوچک تر برابر با ۱۲۵ psi و برای لوله های ۱۲ اینچی تا ۲۴ اینچی برابر با ۱۰۰ psi است) و بازه دمای کاری قابل قبول، نام برد. فاکتورهای طراحی دمایی لوله های تحت نظارت قوانین فدرال با آنچه در جدول A.2 ارائه شد، تفاوت دارند. برای کسب فاکتور طراحی مناسب برای خطوط توزیع گاز، مقررات فدرال را مطالعه کنید.

در زمان نگارش راهنمای جامع لوله های پلی ایلن، تلاش هایی برای اصلاح کدهای فدرال آمریکا در حال انجام است که منجر به تغییراتی در استانداردهای ASTM F714 و D3035 می شود. بعد از انجام این اصلاحات در کدهای فدرال، تغییرات بوجود آمده موجب ۲۵ % افزایش درجه بندی فشار ( PR ) لوله های ساخته شده از رزین های پلی اتیلنی پربازده – آن هایی که بازده عملکردی بالاتری داشتند (مطلب ” تعیین مقدار مناسب HDS ” راببینید) – نسبت به درجه فشار لوله های ساخته شده از رزین های »سنتی « می شود.

در کانادا، لوله های توزیع گاز تحت نظارت استاندارد ۰۷ – CSA Z662 می باشند. انجمن CSA اجازه استفاده از فاکتور طراحی برابر با ۴/ ۰ را برای تبدیل HDB به HDS لوله های توزیع گاز می دهد.

از لوله های پلی اتیلن که الزامات استاندارد ASTM D2513 در آن ها رعایت شده باشد می توان در توزیع و انتقال گاز مایع ( (LPG تحت مقررات استفاده کرد. در استاندارد NFPA/ANSI 28 حداکثر فشار کاری مجاز برای لوله های گاز مایع، از جمله لوله های پلی اتیلن برابر با ۳۰ psig اعلام شده است. این محدودیت طراحی با توجه به دمای بالاتر میعانات LPG در مقایسه با گاز طبیعی وضع شده اند و با تعریف حداکثر فشار ۳۰ psig ، عدم قرارگیری بیش از حد لوله ها در معرض میعانات گازی را تضمین می کنند. فاکتور کاربرد محیطی برای بخارات گاز مایع (پروپان، پروپیلن و بوتان) برابر با ۸/ ۰، حداکثر HDS مجاز برای HDPE در دمای ۷۳˚F برابر با ۸۰۰ psi و برای MDPE برابر با ۶۳۰ psi است. خواننده برای کسب اطلاعات بیشتر می تواند به گزارش TR-22 مؤسسه PPI با عنوان »سیستم های خطوط لوله پلی اتیلن برایتوزیع مشتقات گاز مایع « مراجعه نماید.

درجه بندی فشار لوله های پلی اتیلن جمع آوری گاز در آمریکا ممکن است بسته به موقعیت کلاس (چگالی جمعیتی) متفاوت با آنچه پیش از این گفته شد باشد. خطوط جمع آوری گاز موقعیت های کلاس ۲، ۳ و ۴، مانند خطوط توزیع و انتقال گاز، تحت نظارت مقررات کدهای فدرال آمریکا قرار دارند. خطوط جمع آوری گاز واقع شده در محل های کلاس ۱، تحت نظارت کدهای فدرال آمریکا نیستند و برای تعییر فشار کاری آن ها می توان از معادله ۶- ۱ استفاده کرد. این خطوط لوله جمع آوری گاز را می توان از لوله های پلی اتیلن منطبق با استانداردهای ASTM F2619 و یا API 15LE تهیه کرد و این لوله ها می توانند قطری بیش از ۲۴ اینچ داشته باشند. در خطوط لوله جمع آوری گاز که تحت نظارت کدهای فدرال آمریکا نیستند، لزومی به استفاده از لوله های پلی اتیلن منطبق با استاندارد ASTM D2513 وجود ندارد.

خطوط پلی اتیلنی جمع آوری گاز در کانادا، تحت نظارت ماده ۱۳,۳ استاندارد CSA Z662 قرار دارند و می بایست ملزومات استاندارد API 15LE را رعایت نمایند. خطوط پلی اتیلنی جمع آوری گاز می توانند در فشارهای کاری مانند آنچه از معادله ۶- ۱ بدست آمد، کار کنند.

درجه بندی فشار برای نوسانات فشاری جریان مایع

نوسانات فشاری که موجب افزایش سریع و موقت فشار به بیش از مقدار آن در شرایط ایستا می شوند، حاصل تغییرات سریع سرعت جریان سیال هستند. معمولا بستن سریع شیرها و یا خاموش شدن ناخواسته و ناگهانی پمپ ها باعث بروز تغییراتی چشم گیر و ایجاد افزایش شدید در سرعت سیال، و در نتیجه بروز نوسانات فشاری موقت می شوند. تغییرات عمدی در سرعت جریان سیال هم باعث نوسانات فشاری ضعیف تر، ولی با فراوانی بیشتر می شوند. نوسانات فشاری مکرر در بسیاری از لوله ها موجب بروز پوسیدگی تدریجی می شود، در نتیجه استفاده از لوله هایی با کلاس فشاری بالاتر از آنچه فقط با استفاده از ملزومات فشار کاری بدست آمده است، ضروری است. و برای مواد اولیه چنین لوله هایی، کلاس فشاری بالاتر برای اجتناب از شکستگی لوله تحت اثر پیک های فشاری اگرچه معدود، ولی بسیار قوی، مورد نیاز است. دو خاصیت، لوله های پلی اتیلن را از سایر انواع لوله ها مجزا می کند. اول آنکه بدلیل سفتی کمتر لوله های پلی اتیلن، حداکثر فشار در یک نوسان فشاری ناشی از تغییر ناگهانی سرعت جریان سیال در این لوله ها، بسیار کمتر از لوله هایی با سفتی بیشتر، مثل لوله های فلزی، است. و دوم اینک معمولا برای مقابله با آثار نوسانات فشاری در لوله های پلی اتیلن، نیازی به استفاده از لوله هایی با درجه فشاری ( PR ) یا کلاس فشاری ( PC ) بالاتر نیست. تحقیقات انجام شده و تجربه نشان داده اند که لوله های پلی اتیلن ۱Surge  ressure  قابلیت تحمل ایمن حداکثر فشار ناشی از نوسانات فشاری متداول تا ۲ برابر فشار کار عادی در شرایط ایستا را دارند. بعلاوه، استحکام دراز مدت لوله های پلی اتیلن تحت الشعاع اثرات منفی بارگذاری های دوره ای مکرر قرار نمی گیرند – به عبارت دیگر، لوله های پلی اتیلن در برابر خستگی مقاوم هستند.

در طراحی لوله های پلی اتیلن معمولاً نوسانات فشاری را به سه دسته نوسانات فشاری اتفاقی یا گاه و بیگاه، نوسانات فشاری مکرر و فشارهای منفی تقسیم می کنند.

• نوسانات فشاری اتفاقی ممکن است ناشی از عملیاتی اضطراری مانند اطفاء حریق باشند، یا نتیجه بروز یک نقیصه در عملکرد یکی از اجزا، مانند قطع نیرو و یا خرابی یک از قطعات سیستم شامل جام کردن پمپ، شکستگی بدنه شیر و شکستگی شیر اطمینان باشند.
• نوسانات فشاری مکرر جزء طبیعت طراحی و عملکرد یک سیستم است. نوسانات فشاری مکرر می توانند ناشی از روشن و خاموش شدن عادی پمپ، باز و بسته شدن عادی شیر، و یا افتاخیز فشار »کلی « مربوط به شرایط کار عادی لوله باشند.
• فشار منفی در اثر نوسان ایجاد شده و موجب فرورفتگی موضعی و اعوجاج ۱ لوله می شود(فشار منفی ممکن است درون خطوط لوله در حال جریان هم بدلیل طراحی هیدرولیک نامناسب، اتفاق بیفتد.)

انجمن AWWA با توجه به رفتار عملکردی لوله های پلی اتیلن، رعایت قوانین زیر را در طراحی همه لوله های پلی اتیلن با هر کلاس فشاری ( PC ) اجباری نموده است. قوانین طراحی که در ادامه می آیند، برای لوله های پلی اتیلن انتقال آب که دارای درجه بندی فشار (PR)منطبق بر استانداردهای ASTM و CSA هستند هم قابل استفاده هستند.

۱- مقاومت در برابر نوسانات فشاری اتفاقی

– کل فشار حاصله – فشار کاری به اضافه فشار ضربه یا نوسان – نباید از ۲ برابر درجه بندی فشار ( PR ) (با درنظر گرفتن ضریب جبران دما) لوله تجاوز کند. برای کسب اطلاعات درباره مقدار فشار ضربه مجاز در لوله هایی که در حال کار تحت حداکثر فشار قابل تحملشان هستند، جداول ۶- ۳- الف و ۶- ۳- ب را بینید.

– در معدود مواردی که فشار کلی به بیش از ۲ برابر درجه فشار تنظیم شده لوله در دمای کاری آن افزایش پیدا می کند، باید فشار کاری لوله را کاهش داد تا شرط بالا بر قرار شود. گاهی در اینگونه وقایع، به فشار کاری کاهش یافته لوله، »درجه فشار کاری «(WPR) گفته می شود که به معنای درجه فشار لوله در مجموعه ای از شرایط کاری بخصوص (دما، سرعت و میزان نوسانات فشاری) است. انجمن AWWA از عبارات WPR نه فقط برای درجه فشارهای کاهش یافته، بلکه برای هر درجه بندی فشاری که بر اساس شرایط بخصوص کاری صورت بگیرد، استفاده می نماید. وقتی که کل فشار وارده در طول نوسانات فشاری از مقدار استاندارد مجاز که ۲ برابر (نوسانات فشاری اتفاقی) یا ۵/ ۱ برابر (نوسانات فشاری مکرر) درجه فشار عادی است، تجاوز نکند، مقدار WPR برابر با مقدار PR (با در نظر گرفتن فاکتور جبران دما) خواهد بود.

– حداکثر فشار کاری هر گز نباید از درجه بندی فشار لوله ( PR ) با در نظر گرفتن فاکتور جبران دما تجاوز کند.

مثال:

یک لوله پلی اتیلن دارای DR = 17 می باشد و از ماده ای پلی اتیلنی با کد PE4710 ساخته شده است. بر همین اساس، درجه بندی فشار استاندارد ( PR ) آن برای آب و در دمای ۷۳ᵒF برابر با ۱۲۵ psi است (جدول A.1 را ببینید). حداکثر دمای آب زیر ۷۳ᵒF باقی می ماند. بنابراین نیازی به استفاده از ضریب جبران دما نیست و مقدار WPR اولیه لوله برابر با درجه فشار استاندارد آن یا ۱۲۵ psi است.

ابتدا اجازه دهید فرض کنیم که حداکثر مقدارنوسانات فشاری اتفاقی از ۱۲۰ psi تجاوز نکند. از آنجاییکه جمع WPR که ۱۲۵ psi است با مقدار فشار ناشی از ضربه که ۱۲۰ psi است از دو برابر ۱۲۵ psi کمتر است، مقدار WPR در همان مقدار اولیه ۱۲۵ psi باقی می ماند.

حالا حالت دومی را فرض می کنیم که در آن حداکثر مقدارنوسانات فشاری می تواند تا ۱۵۰ psi باشد. این فشار به اضافه مقدار WPR اولیه لوله که ۱۲۵ psi است، منجر به جمع فشار لحظه ای برابر با ۲۷۵ psi می شود که ۲۵ psi بیش از حد مجاز psi = 250 psi  ۲ × ۱۲۵ است. ضروری است به منظور جبران این ۲۵ psi اضافی، مقدار WPR اولیه را از ۱۲۵ به ۱۰۰ psi کاهش دهیم.

۲- مقاومت در برابر نوسانات فشاری مکرر

– کل فشار لحظه ای حاصله – فشار کاری به اضافه فشار ناشی از نوسان – نباید از ۵/ ۱ برابر درجه فشار ( PR ) لوله با در نظر گرفتن ضریب جبران دما، تجاوز نماید. برای کسب اطلاعات درباره مقدار کوبش فشار مجاز در لوله هایی که در حال کار تحت حداکثر فشار قابل تحملشان هستند، به جداول ۶- ۳- الف و ۶- ۳- ب مراجعه کنید.

– در معدود مواردی که فشار کلی به بیش از ۵/ ۱ برابر درجه فشار تنظیم شده لوله در دمای کاری آن افزایش پیدا می کند، باید فشار کاری لوله را به WPR لوله کاهش داد تا شرط بالا بر قرار شود.

– حداکثر فشار کاری هر گز نباید از درجه بندی فشار لوله ( PR ) با در نظر گرفتن فاکتور جبران دما تجاوز کند.

۳- مقاومت در برابر اعوجاج موضعی هنگام قرار گرفتن لوله تحت فشار منفی ناشی از نوسانات فشاری

مقاومت یک لوله مدفون در برابر اعوجاج موضعی ناشی از ترکیب فشار خارجی و یک خلأ کامل موقتی، باید به اندازه ای باشد که ایمنی مناسبی را مهیا سازد. طراحی لازم برای دستیابی به این هدف، در یکی از بخش های بعدی این موضوع مورد بحث قرار گرفته است.

شواهد نشان داده اند که یک لوله DR21 می تواند فشار منفی مکرر برابر با خلأ کامل را در دمای ۷۳ᵒF تحمل کند. لوله هایی با قطر بزرگ تر هم چنانچه به درستی نصب شده باشند و اطرافشان با خاك محکم شده باشد، می توانند فشار منفی تکراری برابر با خلأ کامل را تحمل نمایند. مقاومت آن ها را می توان با استفاده از معادله لاشر ۱ که در مطالب آینده ارائه شده است، محاسبه کرد.