أنابيب بلاستيكية

أنابيب مقذوفة تتكون من طبقة واحدة من مادة متجانسة من مادة لدائن حرارية جاهزة للاستخدام في خط الأنابيب.

تُعدّ الأنابيب والوصلات ذات الجدران المُهيكلة منتجات ذات تصميم مُحسّن فيما يتعلق باستخدام المواد، وذلك لتحقيق المتطلبات الفيزيائية والميكانيكية ومتطلبات الأداء. وتُمثّل هذه الأنابيب حلولاً مُصممة خصيصاً لأنظمة الأنابيب، لتناسب تطبيقات متنوعة، وفي أغلب الأحيان يتم تطويرها بالتعاون مع المستخدمين.

أنبوب يحتوي على طبقة معدنية مرنة في المنتصف بين ثلاث طبقات ملتصقة. يُستخدم أنبوب الحاجز، على سبيل المثال، لتوفير حماية إضافية للمحتويات التي تمر عبر الأنبوب (وخاصة مياه الشرب) من المواد الكيميائية الضارة أو الملوثات الأخرى عند وضعه في أرض ملوثة بسبب استخدام سابق.

تُصنع معظم أنظمة الأنابيب البلاستيكية من مواد لدن بالحرارة. تتضمن طريقة الإنتاج صهر المادة وتشكيلها ثم تبريدها. تُصنع الأنابيب عادةً عن طريق البثق . ^{[ 1 ]}

يُستخدم أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) لنقل مياه الشرب، والمواد اللزجة، والمواد الكيميائية. ويُستخدم بشكل شائع في تطبيقات الصرف الصحي والتهوية. يتميز بنطاق واسع لدرجات الحرارة، من -40  درجة مئوية إلى +60  درجة مئوية.

مادة ABS هي مادة لدن بالحرارة، وقد طُوّرت في الأصل في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي لاستخدامها في حقول النفط والصناعات الكيميائية. وقد جعلها تنوّع خصائصها وانخفاض تكلفتها النسبية مادةً شائعةً في الهندسة البلاستيكية . ويمكن تعديلها لتناسب مجموعة واسعة من التطبيقات عن طريق تغيير نسبة مكوناتها الكيميائية.

تُستخدم هذه المنتجات بشكل رئيسي في التطبيقات الصناعية حيث تكون قوة التحمل العالية والصلابة ضرورية.

تُستخدم هذه المادة أيضًا في أنظمة الأنابيب غير المضغوطة للتربة والنفايات . ^{[ 5 ]}

يتميز كلوريد البولي فينيل المكلور (CPVC) بمقاومته للعديد من الأحماض والقواعد والأملاح والهيدروكربونات البارافينية والهالوجينات والكحولات. إلا أنه لا يقاوم المذيبات والمركبات العطرية وبعض الهيدروكربونات المكلورة. ويمكنه نقل سوائل ذات درجات حرارة أعلى من كلوريد البولي فينيل غير المكلور (uPVC)، حيث تصل درجة حرارة التشغيل القصوى إلى 93.3 درجة مئوية (200 درجة فهرنهايت) . ونظرًا لتحمله درجات حرارة أعلى ومقاومته الكيميائية، يُعد CPVC أحد الخيارات الرئيسية الموصى بها في نقل المياه والسوائل في القطاعات السكنية والتجارية والصناعية.  

البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) - أنابيب البولي إيثيلين عالي الكثافة قوية ومرنة وخفيفة الوزن. ولا يوجد بها أي تسريب عند لحامها. ^{[ 6 ]}

يُستخدم PB-1 في أنظمة أنابيب الضغط لتوصيل المياه الساخنة والباردة الصالحة للشرب، وشبكات التدفئة المركزية المعزولة مسبقًا ، وأنظمة التدفئة والتبريد السطحية. من أهم خصائصه قابليته للحام ، ومقاومته للحرارة، ومرونته، ومقاومته العالية للضغط الهيدروستاتيكي. يتميز أحد أنواعه القياسية، PB 125، بقوة دنيا مطلوبة (MRS) تبلغ 12.5 ميجا باسكال. كما يتميز بانخفاض مستوى الضوضاء المنقولة، وانخفاض معامل التمدد الحراري الخطي ، وعدم تآكله أو تكلسه.

لم تعد أنظمة أنابيب PB-1 تُباع في أمريكا الشمالية. حصتها السوقية في أوروبا وآسيا صغيرة ولكنها تنمو باطراد. وفي بعض الأسواق، مثل الكويت والمملكة المتحدة وكوريا وإسبانيا، تتمتع PB-1 بمكانة قوية. ^{[ 7 ]}

يُستخدم البولي إيثيلين بنجاح منذ سنوات عديدة في النقل الآمن لمياه الشرب ومياه الصرف الصحي والنفايات الخطرة والغازات المضغوطة. ومن أنواعه أنابيب البولي إيثيلين عالي الكثافة ( HDPE ) ^{[ 8 ]} وأنابيب البولي إيثيلين المتشابك ( PEX ) الأكثر مقاومة للحرارة .

يُستخدم البولي إيثيلين في صناعة الأنابيب منذ أوائل خمسينيات القرن الماضي. تُصنع أنابيب البولي إيثيلين بتقنية البثق بأحجام وأبعاد متنوعة. يتميز البولي إيثيلين بخفة وزنه ومرونته وسهولة لحامه. كما يضمن سطحه الداخلي الأملس انسيابية جيدة. وقد ساهم التطوير المستمر لهذه المادة في تحسين أدائها، مما أدى إلى زيادة استخدامها بشكل سريع من قبل كبرى شركات المياه والغاز في جميع أنحاء العالم.

تُستخدم هذه الأنابيب أيضًا في تقنيات التبطين والتركيب بدون حفر، وهي ما يُعرف بتطبيقات "عدم الحفر" حيث يتم تركيب الأنابيب دون حفر أي خنادق ودون أي تعطيل للبنية التحتية. ويمكن استخدامها لتبطين شبكات الأنابيب القديمة للحد من التسرب وتحسين جودة المياه. وبالتالي، تُساعد هذه الحلول المهندسين على إعادة تأهيل شبكات الأنابيب القديمة. ويكون الحفر في حده الأدنى، وتُنفذ العملية بسرعة تحت الأرض.

كما أظهرت العديد من الدراسات، فيما يتعلق بمادة أنابيب البولي إيثيلين، سجلًا حافلًا بالنجاح مع عمر افتراضي متوقع يزيد عن 50 عامًا.

يُشار إلى البولي إيثيلين المتشابك عادةً بالاختصار XLPE أو PEX. وهو مادة لدن بالحرارة يمكن تصنيعها بثلاث طرق مختلفة، وذلك بحسب طريقة تشابك سلاسل البوليمر. طُوّر PEX في خمسينيات القرن الماضي، ويُستخدم في صناعة الأنابيب في أوروبا منذ أوائل سبعينيات القرن نفسه، وقد اكتسب شعبية متزايدة خلال العقود القليلة الماضية. يُورّد عادةً على شكل لفائف، وهو مرن، ما يسمح بتمديده حول الهياكل دون الحاجة إلى وصلات. تُعدّ قوته في درجات حرارة تتراوح من أقل من درجة التجمد إلى ما يقارب درجة الغليان مادة مثالية لأنابيب المياه الساخنة والباردة، وأنظمة التدفئة المركزية والأرضية، وأنظمة إزالة الجليد، وتطبيقات تبريد الأسقف ^{[ 9 ].}

يُوسّع البولي إيثيلين المقاوم للحرارة العالية (PE-RT) الخصائص التقليدية للبولي إيثيلين. وبذلك، تُصبح القوة المُعززة في درجات الحرارة العالية ممكنة من خلال تصميم جزيئي خاص والتحكم في عملية التصنيع.

إن مقاومتها لدرجات الحرارة المنخفضة أو المرتفعة تجعل مادة PE-RT مثالية لمجموعة واسعة من تطبيقات أنابيب المياه الساخنة والباردة.

يُعد البولي بروبيلين مناسبًا للاستخدام مع المواد الغذائية، ومياه الشرب والمياه فائقة النقاء، وكذلك في الصناعات الدوائية والكيميائية.

البولي بروبيلين (PP) هو بوليمر لدن حراري مصنوع من مادة البولي بروبيلين. تم اختراعه لأول مرة في خمسينيات القرن الماضي، ويُستخدم في صناعة الأنابيب منذ سبعينيات القرن نفسه. بفضل مقاومته العالية للصدمات، وصلابته الجيدة، ومقاومته الكيميائية العالية، يُعد هذا البولي بروبيلين مناسبًا لتطبيقات الصرف الصحي. كما أن أداءه الجيد في نطاق درجات حرارة التشغيل حتى 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت) (بشكل مستمر) يجعله مناسبًا لأنظمة تصريف مياه الصرف الصحي والنفايات المنزلية. وهناك نوع خاص من البولي بروبيلين يتميز بتحمله لدرجات حرارة عالية تصل إلى 90 درجة مئوية (194 درجة فهرنهايت) (على المدى القصير)، مما يجعله خيارًا جيدًا لأنظمة إمداد المياه الساخنة المنزلية. ^{[ 10 ]}    

بولي فينيليدين ثنائي الفلورايد (PVDF) هو بوليمر فلوري حراري غير متفاعل نسبيًا، يتميز بمقاومة كيميائية وحرارية ممتازة، ويُستخدم في صناعة أنابيب البلاستيك. يُنتج راتنج PVDF من خلال بلمرة مونومر فينيليدين فلورايد . ثم يُستخدم هذا الراتنج في صناعة أنابيب PVDF ، بالإضافة إلى العديد من المنتجات الأخرى.

تُفضّل الصناعات والتطبيقات أنابيب PVDF نظرًا لخصائصها الخاملة والمتينة. وتُستخدم أنابيب PVDF بكثرة في الصناعات الكيميائية لقدرتها على نقل المحاليل الكيميائية القوية والمسببة للتآكل. كما تُستخدم أنابيب PVDF على نطاق واسع في التطبيقات عالية النقاء، وتصنيع أشباه الموصلات، والإلكترونيات/الكهرباء، وتطوير الأدوية، ومعالجة النفايات النووية.

تُؤكد مواصفات وخصائص أداء أنابيب PVDF قدرتها على تحمل درجات حرارة تصل إلى 120 درجة مئوية (248 درجة فهرنهايت) في ظل ظروف الأنظمة المضغوطة. كما أنها لا تسمح بنمو الفطريات وفقًا لمعيار الاختبار العسكري رقم 508، 81-0B. وعلى عكس أنواع الأنابيب البلاستيكية الحرارية الشائعة الأخرى (مثل uPVC وCPVC وPE وPP)، فإن PVDF لا يتأثر بالأشعة فوق البنفسجية أو التلف التأكسدي الناتج عن الأوزون، مما يجعله مناسبًا للاستخدامات الخارجية طويلة الأمد. ^{[ 11 ]}  

مادة البولي فينيل كلوريد غير المتبلور (uPVC) أو PVC-U، هي مادة لدن بالحرارة مشتقة من ملح الطعام والوقود الأحفوري. وتُعدّ هذه المادة الأقدم استخدامًا بين جميع المواد البلاستيكية. صُنعت أولى أنابيب uPVC في ثلاثينيات القرن العشرين. وبدءًا من خمسينيات القرن نفسه، استُخدمت أنابيب uPVC لاستبدال الأنابيب المعدنية المتآكلة، وبالتالي توفير مياه شرب نقية لسكان الريف المتزايدين، ثم سكان المدن لاحقًا. أنابيب uPVC معتمدة وآمنة لمياه الشرب وفقًا لمعيار NSF 61، وتُستخدم على نطاق واسع في شبكات توزيع ونقل المياه في جميع أنحاء أمريكا الشمالية والعالم. يُسمح باستخدام uPVC في خطوط الصرف الصحي المنزلية، وهو النوع الأكثر شيوعًا في شبكات الصرف الصحي.

تلت ذلك تطبيقات أخرى تحت الضغط وبدونه في مجالات الصرف الصحي، والتربة والنفايات، والغاز (الضغط المنخفض)، وحماية الكابلات. ولذلك، كان إسهام هذه المادة في الصحة العامة والنظافة والرفاهية بالغ الأهمية.

أنابيب البولي فينيل كلوريد أو uPVC (البولي فينيل كلوريد غير الملدن) غير مناسبة لخطوط المياه الساخنة، وقد تم حظر استخدامها داخل خطوط إمداد المياه في المنازل الأمريكية منذ عام 2006. الكود IRC P2904.5 uPVC غير مدرج.

يتميز البولي فينيل كلوريد غير الملدن (uPVC) بمقاومة كيميائية عالية ضمن نطاق درجات حرارة التشغيل ، مع نطاق واسع من ضغوط التشغيل. تبلغ درجة حرارة التشغيل القصوى 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت) ، وضغط التشغيل الأقصى 3100 كيلو باسكال (450 رطل لكل بوصة مربعة ) . ونظرًا لخصائصه من حيث المتانة على المدى الطويل، وصلابته العالية، وفعاليته من حيث التكلفة، تُشكل أنظمة uPVC نسبة كبيرة من تركيبات الأنابيب البلاستيكية، وتشير بعض التقديرات إلى أن أكثر من 3.2 مليون كيلومتر (2 مليون ميل) من أنابيب uPVC قيد الاستخدام حاليًا في مختلف التطبيقات.     

استنادًا إلى مادة البولي فينيل كلوريد القياسية، هناك ثلاثة أنواع أخرى قيد الاستخدام.

يمثل أحد أنواع أنابيب البلاستيك، المعروف باسم OPVC أو PVCO، علامة فارقة في تاريخ تكنولوجيا الأنابيب البلاستيكية. يتميز هذا النوع ثنائي المحور عالي الأداء، والمُصمم بتقنية الجزيئات، بجمعه بين قوة أعلى ومقاومة إضافية للصدمات.

يُعدّ البولي فينيل كلوريد المُعدّل بالأكريليك أو البولي إيثيلين المُكلور نوعًا مرنًا من أنابيب البولي فينيل كلوريد غير المُقوّى (uPVC). تتميز هذه المادة بمرونة عالية ومقاومة فائقة للكسر، وتُستخدم في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا، حيث تُعدّ مقاومة التشقّق والتآكل الإجهادي أمرًا بالغ الأهمية. وقد خضعت أنابيب uPVC لدراسات عديدة، نظرًا لتاريخها الطويل في الاستخدام. وأكدت دراسات حديثة أُجريت في معهد KRV الألماني ومعهد TNO الهولندي أن أنابيب uPVC لضغط المياه، عند تركيبها بشكل صحيح، تتمتع بعمر افتراضي يزيد عن 100 عام. ^{[ 12 ]}

تُستخدم الأنابيب البلاستيكية في الخدمة منذ أكثر من 50 عامًا. ويتجاوز العمر الافتراضي المتوقع لأنظمة الأنابيب البلاستيكية 100 عام. وقد أكدت العديد من الدراسات الصناعية هذه التوقعات.

لطالما صُنفت مواد الأنابيب البلاستيكية بناءً على اختبارات الضغط طويلة الأمد. وقد تم توضيح أوقات الفشل المقاسة كدالة للإجهادات في جدار الأنبوب في ما يُسمى منحنيات الانحدار.

تم حساب استقراء بناءً على أوقات الفشل المقاسة ليصل إلى 50 عامًا. واعتُمد إجهاد الفشل المتوقع عند 50 عامًا كأساس للتصنيف. تُسمى هذه القيمة MRS، أي الحد الأدنى للإجهاد المطلوب عند 50 عامًا. ^{[ 13 ]}

من أسباب فشل أنظمة الأنابيب البلاستيكية ضعف تماسك المنتج/لصقه أثناء التركيب، والتلف المادي الناتج عن عوامل طبيعية، مثل تسرب المياه من جذور الأشجار. كما وُجد أن الأنابيب البلاستيكية تتعطل بشكل متكرر خلال فصول الصيف الجافة والحارة. ^{[ 14 ]}

تُصنّف الأنابيب البلاستيكية حسب صلابة حلقاتها . وتُعدّ فئات الصلابة المُفضّلة، كما هو مُوضّح في العديد من معايير المنتجات، هي: SN2، وSN4، وSN8، وSN16، حيث SN هي الصلابة الاسمية (كيلو نيوتن/متر مربع). تُعدّ صلابة الأنابيب مهمة لتحمّلها الأحمال الخارجية أثناء التركيب. وكلما ارتفع الرقم، زادت صلابة الأنبوب.

بعد التركيب الصحيح، يظل انحراف الأنبوب محدودًا، ولكنه سيستمر إلى حد ما لفترة من الزمن. يتصرف الأنبوب البلاستيكي بطريقة مرنة بالنسبة للتربة التي يُدفن فيها. وهذا يعني أن أي انحراف إضافي مع مرور الوقت يعتمد على هبوط التربة المحيطة بالأنبوب.

باختصار، يتبع الأنبوب حركة التربة أو هبوط الردم، كما يسميه الفنيون. وهذا يعني أن التركيب الجيد للأنابيب سيؤدي إلى هبوط جيد للتربة، وسيظل الانحراف الإضافي محدودًا.

في الأنابيب المرنة، يتوزع حمل التربة ويدعمه التربة المحيطة. وتحدث الإجهادات والانفعالات الناتجة عن انحراف الأنبوب داخل جدار الأنبوب. ومع ذلك، لن تتجاوز الإجهادات الناتجة القيم الحدية المسموح بها.

يتميز سلوك مادة الأنابيب الحرارية البلاستيكية بتخفيف الإجهادات المستحثة إلى مستوى منخفض، حيث تكون الانفعالات المستحثة أقل بكثير من المستويات المسموح بها.

هذا السلوك المرن يعني أن الأنبوب لن يتعطل. بل سيُظهر انحرافًا أكبر فقط مع الحفاظ على وظيفته دون أن ينكسر.

مع ذلك، فإن الأنابيب الصلبة بطبيعتها غير مرنة ولا تتأثر بحركة الأرض. فهي تتحمل جميع أحمال الأرض، مهما كان هبوط التربة. وهذا يعني أنه عندما يتعرض أنبوب صلب لحمل زائد، فإنه سيصل إلى حدود تحمله للإجهاد بسرعة أكبر وينكسر.

لذا يمكن الاستنتاج أن مرونة الأنابيب البلاستيكية توفر بُعدًا إضافيًا من الأمان. فالأنابيب المدفونة تحتاج إلى المرونة. ^{[ 15 ]}