طراحی هیدرولیکی لوله پلی اتیلن

این بخش ارائه دهنده اطلاعات مورد نیاز در طراحی و نحوه تعیین قطر جریان مورد نیاز برای لوله پلی اتیلن است. همچنین این موضوعات مورد پوشش قرار می‌گیرند: جریان کلی سیال در لوله و اتصالات ؛ جریان مایع (آب و دوغاب‌های آبی) تحت فشار؛ جریان غیر فشاری (گرانشی) مایع؛ و جریان گاز تراکم پذیر تحت فشار. طراحی و آنالیز جریان شبکه‌ای توضیح داده نمی‌شود. ^{(۲ و ۱)}

دستورالعمل طراحی سیستم‌های خطوط لوله، معمولاً با فرآیند سعی و خطا همراه است. در جریان تحت فشار مایعات، انتخاب اولیه قطر لوله و در نتیجه ترکیبی از عوامل شامل فشار داخلی اعمال شده، نوسانات فشاری و اتلاف هِد فشار می‌تواند بر انتخاب لوله تأثیر گذار باشد. در طراحی خطوط لوله سیستم‌های غیر فشاری، انتخاب لوله‌ای با اندازه کافی برای ایجاد ظرفیت جریانی مناسب و همچنین با ضخامت دیواره یا طراحی پروفایل مناسب جهت مقاومت کافی در برابر بارهای زمینی دینامیک و استاتیک، ضروری است.

برای استعلام قیمت لوله پلی اتیلن آبرسانی می توانید با مشاوران ما جهت خرید و ثبت سفارش هماهنگ کنید.

سپس این لوله مورد ارزیابی قرار می‌گیرد تا مشخص شود که برای تأمین الزامات منظور شده در طراحی و کاربرد مورد نظر، مناسب است یا خیر. ممکن است در ارزیابی‌ها مشخص شود که باید از لوله‌ای با اندازه یا ظرفیت تحمل بار خارجی متفاوتی استفاده شود، در این صورت لوله دیگری انتخاب می‌شود و ارزیابی‌ها مجدداً انجام می‌شوند. ضمیمه فصل ۳ در برگیرنده داده‌های مهندسی لوله پلی‌ اتیلن ساخته شده بر اساس استانداردهای صنعتی است که در این فصل و در این کتاب راهنما مورد بحث و بررسی قرار گرفته‌اند.

قطر داخلی لوله پلی اتیلن برای محاسبات جریان

معمولاً لوله‌ پلی اتیلن بر طبق سیستمی از نسبت‌های ابعادی (DR) تولید می‌شوند. نسبت ابعادی (DR یا IDR) برابر با نسبت قطر یک لوله (قطر داخلی در مورد IDR و قطر خارجی در مورد DR) به حداقل ضخامت دیواره آن است. با تغییر قطر لوله، درجه بندی فشار در لوله‌هایی با مواد اولیه، نسبت ابعادی و کاربرد یکسان، ثابت باقی می‌ماند. تنها استثنای این موضوع، تولید لوله‌های گرمانرمی بر طبق ابعاد صنعتی SCH 40 و SCH 80 است، مانند آنچه در استاندارد ASTM 2447 آمده است.

برای خرید لوله پلی اتیلن آبیاری قطره ای و جهت مشاوره و اطلاع از جزئیات می توانید از مشاوره های خبره آبانگاه بهره ببرید.

 

قطر جریان برای لوله‌هایی با قطر خارجی کنترل شده

ابعاد لوله‌هایی با قطر خارجی کنترل شده، توسط قطر خارجی و ضخامت دیواره‌شان مشخص می‌شود. سیستم‌های اندازه بندی مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند، ازجمله آن‌ها سیستم IPS است که قطر خارجی لوله‌ها را همانند لوله‌های آهنی (IPS) درجه بندی می‌کند: سیستم DIPS که قطر خارجی لوله‌های آهنی چقرمه را مشخص می‌کند؛ و سیستم CTS که قطرهای خارجی لوله تیوب‌های مسی را مشخص می‌نماید. در محاسبات جریان، قطر داخلی با کسر دو برابر میانگین ضخامت دیواره لوله از قطر خارجی ثابت، محاسبه می‌شود.

استانداردهای مرتبط با لوله‌های با قطر خارجی کنترل شده عبارت‌اند از ASTM D2513، ASTM D2737، ASTM D2447، ASTM D3035، ASTM F714، AWWA C901، AWWA C906 و API 15LE^{(3، ۴، ۵، ۶، ۷، ۸، ۹ و ۱۰)}. ضمیمه این فصل شامل اطلاعات ابعادی خاص برای لوله‌ پلی‌ اتیلن با قطر خارجی ثابت است که منطبق بر نسبت‌های ابعادی یکی از استانداردهای ASTM، AWWA، CSA و API تولید شده‌اند.

میانگین قطر داخلی چنین لوله‌هایی با استفاده از معادله ۱-۲ محاسبه می‌شود. معمولاً حداقل ضخامت دیواره بیان می‌شود و مقدار ۱۲% حد تغییرات (tolerance) روی آن اعمال می‌گردد. در این معادله، با کسر ۲ برابر میانگین ضخامت دیواره (حداقل ضخامت دیواره به اضافه ۶% حد تغییرات) از میانگین قطر خارجی، میانگین قطر داخلی محاسبه می‌شود.

^(۱-۲)

که در آن:

D_I = میانگین قطر داخلی لوله، اینچ

D_O = میانگین قطر خارجی لوله، اینچ

DR = نسبت ابعادی

^(۲-۲)

t = حداقل ضخامت دیواره لوله، اینچ

این معادلات برای کنترل کیفیت لوله های پلی اتیلن شامل لوله و مواد اولیه به کار می رود.

قطر لوله در لوله‌های با قطر داخلی ثابت

استانداردهای موجود برای لوله‌ها با قطر داخلی ثابت، میانگین ابعاد مورد استفاده در محاسبات جریان را برای قطر داخلی لوله ارائه می‌کنند. استانداردهای لوله‌های با قطر داخلی کنترل شده، شامل ASTM D2104، ASTM D2239، ASTM F894 و AWWA C901 می‌شوند (^{۱۱، ۱۲ و ۱۳)}.

عبارت‌های «DR» و «IDR» بیان کننده نسبت‌های ابعادی قطر تقسیم بر ضخامت دیواره، به ترتیب در لوله‌های با قطر خارجی کنترل شده (DR) و قطر داخلی کنترل شده (IDR) می‌باشند. در صورت انطباق این نسبت‌ها با مقادیر ذکر شده در استانداردها، به آن‌ها «نسبت‌های ابعادی استاندارد»، یا SDR و SIDR می‌گویند.

جریان سیال در لوله‌های پلی‌اتیلن

افت هِد فشار در لوله پلی اتیلن – دارسی-ویزباخ / کولبروک/ مؤدی

وجود تنش‌های برشی لزجی در مایع در حال انتقال و اصطکاک در راستای دیواره لوله، باعث ایجاد مقاومت در برابر جریان در لوله می‌شود. این مقاومت منجر به اتلاف یا از کاهش هِد فشار[۵] در سیستم لوله‌کشی می‌شود.

فرمول‌های دارسی-ویزباخ (معادله ۳-۲) و کولبروک (معادله ۶-۲) روش‌هایی پذیرفته شده برای محاسبه اتلاف‌های ناشی از اصطکاک جریان مایع در لوله‌های پُر هستند (^{۱۵ و ۱۶)}. در این فرمول‌ها، افت فشار ناشی از اصطکاک به قطر داخلی لوله و مشخصات سطح لوله، گرانروی مایع و سرعت جریان بستگی دارد.

فرمول دارسی-ویزباخ عبارت است از:

^(۳-۲)

که در آن:

h_f = اتلاف (هِد) حاصل از اصطکاک، فوت مایع

L = طول خط لوله، فوت

d΄ = قطر داخلی لوله، فوت

V = گرانروی جریان، ft/sec

f = ضریب اصطکاک (بدون بُعد، ولی وابسته به زبری سطح لوله و عدد رینولدز)

g = ثابت شتاب گرانشی (ft/sec² 2/32)

سرعت جریان را می‌توان از معادله زیر محاسبه نمود

^(۴-۲)

که در آن:

Q = آهنگ جریان، gpm

D_I = قطر داخلی لوله، اینچ

جریان مایعات در لوله‌ها می‌تواند منطبق بر یکی از سه روندی که در ادامه می‌آید، باشد. روند جریان می‌تواند آرام، متلاطم و یا در حالتی بینابین آرام و متلاطم (حالت گذار) باشد. در جریان آرام (عدد رینولدز (Re) کمتر از ۲۰۰۰) زبری سطح لوله پلی اتیلن تأثیری ندارد و قابل چشم پوشی است. بر همین اساس، ضریب اصطکاک از معادله ۵-۲ محاسبه می‌شود.

^(۵-۲)

که در آن:

Re = عدد رینولدز، بدون بُعد، کمتر یا مساوی ۲۰۰۰ برای جریان آرام، معادله ۷-۲ را ببینید.

بیش از ۴۰۰۰ برای جریان متلاطم، معادله ۱-۲ را ببینید.

ضریب اصطکاک (f) در جریان متلاطم (عدد رینولدز (Re) بزرگ‌تر از ۴۰۰۰) به دو عامل بستگی دارد، عدد رینولدز و زبری سطح لوله. ضریب اصطکاک حاصله را می‌توان از شکل ۱-۲، با عنوان نمودار مؤدی، بدست آورد.

این ضریب برای همه انواع لوله پلی اتیلن و همه اندازه لوله‌ها قابل اعمال است (^۱۷). در نمودار مؤدی از زبری نسبی، ε/d (برای مقدار ε به جدول ۱-۲ مراجعه کنید) استفاده شده است که برابر با نسبت زبری مطلق به قطر داخلی لوله است. ضریب اصطکاک را می‌توان با استفاده از فرمول کولبروک هم بدست آورد. همچنین می‌توان ضریب اصطکاک را با دقت کافی برای محاسبات، از روی نمودار مؤدی خواند.

فرمول کولبرک به صورت زیر است:

^(۶-۲)

برای فرمولهای ۵-۲ و ۶-۲، معنای عبارت‌ها قبلاً تعریف شده‌اند، ضمن اینکه:

ε = زبری نسبی، ft (جدول ۱-۲ را ببینید)

Re = عدد رینولدز، بدون بُعد (معادله ۵-۲ را ببینید)

جریان مایعات در لوله پلی اتیلن بصورت یکی از سه روندی که در ادامه می‌آید خواهد بود. این روند می‌تواند آرام، متلاطم یا روندی بینابین آرام و متلاطم باشد. نوع جریان به قطر لوله، چگالی و گرانروی مایع در حال جریان و سرعت جریان بستگی دارد. به مقدار عددی بدون بُعد ترکیب این پارامترها، عدد رینولدز گفته می‌شود که با استفاده از مقدار نهایی آن می‌توان نوع جریان حاصله را پیش بینی نمود. یک شکل از معادله‌ای که برای محاسبه این عدد مورد استفاده قرار می‌گیرد، بصورت زیر است:

^(۷-۲)

که در آن:

Q = آهنگ جریان، گالن در دقیقه

k = ویسگوزیته سینماتیک، بر حسب سانتی استوک (برای دیدن مقادیر آن برای آب، جدول ۳-۲ را ببینید)

D_i = قطر داخلی لوله، اینچ

وقتی افت فشار ناشی از اصطکاک در لوله‌ای با یک اندازه خاص، مشخص شد، برای محاسبه افت فشار ناشی از اصطکاک در لوله‌ای با اندازه دیگر می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:

 ^(۸-۲)

اندیس‌های ۱ و ۲ به ترتیب بیانگر لوله شناخته شده (از نظر افت فشار ناشی از اصطکاک) و لوله ناشناخته است. برای استفاده از رابطه فوق هر دو لوله باید زبری سطحی یکسانی داشته باشند، و سیال‌هایی که در آن‌ها جریان دارند باید ویسکوزیته و نرخ جریان همسانی داشته باشند.

جدول ۲-۱٫ زبری سطحی لوله‌های جدید مختلف

نوع لوله	ε، زبری مطلق لوله
	مقادیر متناسب با لوله‌های جدید که توسط مرجع گزارش شده‌اند (۱۸)	مقادیر متناسب با لوله‌های جدید که توسط مرجع برای لحاظ در طراحی توصیه شده‌اند
		میانگین مقدار	مقدار توصیه شده برای طراحی
فولاد پرچ شده	۰۰۳/۰ – ۰۳/۰	–	–
سیمان	۰۰۱/۰ – ۰۱/۰	–	–
کانال چوبی[۶]	۰۰۰۶/۰ – ۰۰۰۳/۰	–	–
چدن بدون روکش	۰۰۰۸۵/۰	۰۰۰۷۴/۰	۰۰۰۸۳/۰
چدن روکش شده	–	۰۰۰۳۳/۰	۰۰۰۴۲/۰
آهن گالوانیزه	۰۰۰۵۰/۰	۰۰۰۳۳/۰	۰۰۰۴۲/۰
چدن پیچیده در آسفالت	۰۰۰۴/۰		–
فولاد تجاری یا آهن ورزیده[۷]	۰۰۰۱۵/۰	–	–
تیوب شکل‌دهی شده با فرآیند کشش سرد[۸]	مقدار ۰۰۰۰۰۵/۰ دلالت بر «لوله صاف» دارد	–	–
فولاد بی پوشش	–	۰۰۰۰۹/۰	۰۰۰۱۳/۰
فولاد روکش شده	–	۰۰۰۱۸/۰	۰۰۰۱۸/۰
آزبست – سیمان بدون پوشش	–
لوله‌های آستر شده با ملات سیمانی (فرآیند تیت[۹])	–	۰۰۱۶۷/۰	۰۰۱۶۷/۰
لوله‌های صاف (لوله پلی اتیلن و سایر مواد گرمانرم، برنج، شیشه و سرب)	–	«لوله صاف» (۰۰۰۰۵/۰ فوت) (نکته را ببینید)	«لوله صاف» (۰۰۰۰۵/۰ فوت) (نکته‌ها ببینید)

• نکته: لوله‌ پلی اتیلن که دارای مقدار زبری مطلق کمتر یا مساوی ۰۰۰۰۰۵/۰ فوت هستند، رفتاری موسوم به رفتار «لوله‌های صاف» دارند.

---