مقاومت لوله‌های پلی‌اتیلن در برابر خورندگی شیمیایی فاضلاب

در سال‌های اخیر، لوله‌های پلی‌اتیلن (PE) به‌عنوان پرکاربردترین گزینه در شبکه‌های جمع‌آوری و انتقال فاضلاب شهری و صنعتی شناخته شده‌اند. دلیل اصلی این استقبال، مقاومت لوله پلی‌اتیلن در برابر خورندگی شیمیایی است که در محیط‌های مرطوب و آلوده به مواد آلی، اسیدها، بازها و یون‌های فلزی شدیداً فعال است. در این مقاله، با نگاهی به استانداردهای بین‌المللی ISO 4437، ISO 15494، EN 12201 و ASTM D3035، به بررسی دقیق مکانیزم‌های تخریب، آزمون‌های شتاب‌دهنده، روش‌های افزایش عمر ۵۰ تا ۱۰۰ ساله و نکات نصب و نگهداری می‌پردازیم تا مهندسان و بهره‌برداران بتوانند با اطمینان کامل از دوام لوله پلی‌اتیلن در فاضلاب، بهترین گرید (PE80 یا PE100) را انتخاب کنند.

۱) چرا خوردگی در شبکه فاضلاب اهمیت حیاتی دارد؟

۱-۱) ترکیب شیمیایی فاضلاب شهری

فاضلاب خام ترکیبی از آب، مواد آلی (COD ۲۰۰–۱۲۰۰ mg/L)، چربی و روغن (۵۰–۱۵۰ mg/L)، سولفید هیدروژن (H۲S تا ۲۰ mg/L)، آمونیاک، کلراید (۵۰–۲۰۰۰ mg/L) و pH متغیر ۶–۸ است. در شبکه‌های نیروگاه‌ها، پتروشیمی و صنایع غذایی، مقادیر اسید سولفوریک تا ۵٪، هیدروکسید سدیم تا ۲٪ و نمک‌های فلزی سنگین (Cr۶⁺، Ni²⁺، Zn²⁺) نیز دیده می‌شود. این مجموعه، محیطی همراه با پتانسیل بالای خوردگی میکروبی (MIC) و خوردگی شیمیایی ایجاد می‌کند.

۱-۲) هزینه‌های ناشی از خرابی زودرس لوله‌های فلزی

بر اساس گزارش انجمن جهانی آب (IWA)، حدود ۳۵٪ از نشست‌های زمین شهری و ۲۵٪ از هزینه‌های نگهداری شبکه فاضلاب در آسیا به‌دلیل زنگ‌زدگی و ترک خستگی در لوله‌های فلزی است. در ایران، متوسط عمر لوله‌های چدنی ۲۰–۲۵ سال برآورد می‌شود، درحالی‌که لوله پلی‌اتیلن مقاوم به مواد شیمیایی می‌تواند بدون نیاز به تعمیر اساسی تا ۱۰۰ سال دوام بیاورد.

۲) ساختار مولکولی پلی‌اتیلن و ارتباط آن با مقاومت شیمیایی

۲-۱) درجه بلورینگی و چگالی

لوله‌های PE80 (MDPE) دارای چگالی ۰٫۹۳–۰٫۹۴ g/cm³ و درجه بلورینگی ۶۵–۷۰٪ هستند؛ درحالی‌که PE100 (HDPE) با چگالی ۰٫۹۴–۰٫۹۵ g/cm³ و بلورینگی تا ۸۰٪، زنجیره‌های بلندتر و شاخه‌کم‌تری دارد. هرچه بلورینگی بالاتر باشد، نفوذپذیری مولکولی پایین‌تر و مقاومت لوله پلی‌اتیلن در برابر خورندگی شیمیایی بیشتر می‌شود.

۲-۲) افزودنی‌های آنتی‌اکسیدان و UV

برای جلوگیری از اکسیداسیون زنجیره‌ای در حضور رادیکال‌های آزاد، ترکیبات فنولیک (Irganox ۱۰۱۰) و فسفیت (Irgafos ۱۶۸) تا ۰٫۲۵ wt٪ افزوده می‌شوند. در لوله‌های بیرونی، کربن‌بلک ۲–۲٫۵٪ پایداری در برابر اشعه UV را تا ۵۰ سال تضمین می‌کند.

۳) مکانیزم‌های تخریب شیمیایی در لوله PE

۳-۱) نفوذ و جذب مولکولی

بر اساس استاندارد ISO 4433، نرخ جذب متانول در PE100 در دمای ۲۳ °C کمتر از ۰٫۰۱ mg/cm².day است، درحالی‌که برای استون این مقدار به ۰٫۰۵ mg/cm².day می‌رسد. با این حال، در دمای ۶۰ °C (شرایط فاضلاب صنعتی گرم)، ضریب نفوذ به‌طور نمایی افزایش می‌یابد.

۳-۲) ترک‌خوردگی تحت تنش (SCG)

آزمون NPT (Notch Pipe Test) نشان می‌دهد که در حضور سورفاکتانت‌های خطی (SDS ۰٫۰۱ N)، زمان تا شکست لوله ۱۱۰ mm SDR11 PE100 از ۵۰۰ ساعت به ۱۵۰ ساعت کاهش می‌یابد. استفاده از رزین‌های bimodal PE100-RC (Resistant Crack) می‌تواند این زمان را به بیش از ۱۰ ۰۰۰ ساعت برساند.

۳-۳) خوردگی میکروبی (MIC)

باکتری‌های سولفات‌‌کاه (SRB) در شرایط بی‌هوازی، سولفات را به H۲S تبدیل کرده و در نهایت اسید سولفوریک تولید می‌کنند. لوله پلی‌اتیلن به‌دلیل سطح صیقلی (Ra ≤ ۰٫۷ µm) و عدم تامین الکترولیت فلزی، محیط رشد بایوفیلم را دشوار می‌کند. آزمون ASTM F2131 نشان داد که پس از ۱۲ ماه قرارگیری در خاک با جمعیت SRB ۱۰⁶ CFU/g، میزان خوردگی وزنی در PE100 کمتر از ۰٫۰۲۵ mg/cm² بود، درحالی‌که در فولاد کربنی این مقدار به ۲٫۸ mg/cm² رسید.

۴) آزمون‌های استاندارد برای ارزیابی مقاومت لوله پلی‌اتیلن در برابر خورندگی

۴-۱) آزمون شیمیایی ISO 4433

نمونه‌های استوانه‌ای ۱۱۰ mm در دمای ۲۰ °C و ۸۰ °C به مدت ۳۰ روز در معرض محلول‌های ۱۰٪ HCl، ۱۰٪ NaOH، ۵٪ H₂SO₄، ۱۰٪ NaCl و ۱۰٪ اتیلن‌گلیکول قرار می‌گیرند. تغییرات

جرم، استحکام کششی و ماژول الاستیسیته باید کمتر از ±۳٪ باشد.

۴-۲) آزمون ترک خستگی ASTM F1473 (PENT)

در دمای ۸۰ °C و تنش ۲٫۴ MPa، زمان تا شکست برای PE100 باید حداقل ۱۰۰ ساعت و برای PE100-RC حداقل ۵۰۰ ساعت باشد.

۴-۳) آزمون دفورماسیون حلقوی ISO 9969

لوله ۲۰۰ mm SDR17 تحت فشار ۰٫۴ MPa به مدت ۲۴ ساعت تغییر شکل نهایی کمتر از ۳٪ را نشان می‌دهد.

۵) مقایسه عملکردی PE80 و PE100 در محیط‌های خورنده

جدول ۱ – خلاصه مقاومت شیمیایی بر اساس داده‌های آزمایشگاهی شرکت Borealis (۲۰۲۴)

محیط خورنده (۲۰ °C)	PE80 تغییر جرم (mg/cm²)	PE100 تغییر جرم (mg/cm²)	استاندارد مرجع
۱۰٪ HCl	+۰٫۸	+۰٫۳	ISO 4433
۱۰٪ NaOH	+۰٫۵	+۰٫۲	ISO 4433
۵٪ H₂SO₄	+۱٫۲	+۰٫۴	ISO 4433
۱۰٪ NaCl	+۰٫۱	+۰٫۰۵	ISO 4433
۱۰۰۰ ppm H₂S	+۰٫۰۸	+۰٫۰۳	ASTM F2131

 

 

همان‌طور که مشخص است، لوله پلی‌اتیلن PE100 به‌واسطه چگالی بالاتر و توزیع یکنواخت‌تر زنجیره، عملکرد بهتری در برابر خوردگی شیمیایی فاضلاب دارد.

۶) عوامل محیطی مؤثر بر دوام لوله پلی‌اتیلن در فاضلاب

۶-۱) دمای کاری

با افزایش هر ۱۰ °C، ضریب نفوذ مواد شیمیایی تقریباً دو برابر می‌شود. استاندارد EN 12201 حداکثر دمای مداوم ۴۰ °C برای فشار اسمی PN16 را توصیه می‌کند؛ اما در لوله‌کشی‌های صنعتی گاهی دمای لحظه‌ای به ۶۰ °C می‌رسد. در این شرایط، استفاده از PE100-RC یا پلی‌اتیلن cross-linked (PEX) توصیه می‌شود.

۶-۲)  خواص الکتروشیمیایی خاک

خاک‌های رسوبی با مقاومت ویژه کمتر از ۱۰ ۰۰۰ Ω.cm و وجود یون‌های کلراید و سولفات می‌توانند خوردگی گالوانیگی را در اتصالات فلزی تقویت کنند. لوله پلی‌اتیلن به‌دلیل عایق بودن، جریان گالوانیگی را قطع می‌کند و نیاز به سیستم کاتدیک محافظ ندارد.

۶-۳) بارگذاری مکانیکی و تنش‌های خاک

نشست‌های ناهمگن خاک می‌توانند تنش‌های خمشی تا ۵ MPa ایجاد کنند. استفاده از بستر ماسه‌ای دانه‌متوسط (FM ۲٫۴–۲٫۸) و تراکم ۹۵٪ Proctor، استحکام حلقوی لوله را تا ۵۰٪ افزایش می‌دهد و ریسک ترک ناشی از SCG را کاهش می‌دهد.

۷) روش‌های افزایش عمر خدمت (Service Life) لوله‌های PE

۷-۱) انتخاب گرید مناسب

برای شبکه‌های فاضلاب شهری معمولاً PE100 SDR17 با PN10 کافی است، اما در خطوط اصلی انتقال صنعتی با فشار ۱۲ بار و دمای ۴۵ °C، PE100-RC SDR11 PN16 توصیه می‌شود.

۷-۲) افزودنی‌های آنتی‌باکتریال

نانوذرات نقره (AgNP) ۰٫۱ wt٪ و اکسیدروی (ZnO) ۰٫۲ wt٪ رشد بایوفیلم را تا ۹۹٪ کاهش می‌دهند. استاندارد جدید ISO 22196 تست ضد میکروبی را برای لوله‌های آبیاری و فاضلاب الزامی کرده است.

۷-۳) دیواره‌های سه‌لایه (Triple Wall)

ساختار سه‌لایه با لایه میانی رنگی (مثلاً نارنجی برای فاضلاب) و لایه بیرونی سیاه‌رنگ حاوی کربن‌بلک، ضمن حفظ خواص مکانیکی، هزینه مواد رنگی را تا ۳۰٪ کاهش می‌دهد.

۸) نکات کلیدی در طراحی و نصب لوله پلی‌اتیلن در محیط خورنده

۸-۱) شیب و سرعت جریان

طبق نشریه ۳-۱۰۵ شرکت مهندسان مشاور، حداقل شیب ۰٫۵٪ برای قطر ۲۰۰ mm و ۰٫۳٪ برای قطر ۴۰۰ mm توصیه می‌شود تا سرعت خودشوینده ۰٫۶ m/s تأمین گردد و رسوب‌گذاری که بستر رشد میکروبی فراهم می‌کند، کاهش یابد.

۸-۲) اتصال جوشی Butt-Fusion

دمای صفحه ۲۱۰ ± ۱۰ °C، زمان گرم‌شدن ۱۰ × e (ثانیه) و زمان خنک‌سازی ۴ × e برای ضخامت e (mm) باید رعایت شود. وجود دانه‌گردی یا حباب هوا محل تمرکز تنش شده و در حضور مواد خورنده، مکانیزم SCG تسریع می‌شود.

۸-۳) لایه‌محافظ پلی‌یورتان

در محل عبور لوله از زیر دیوار یا کف بتنی، استفاده از پوشش پلی‌یورتان ۲ mm ضخامت، مقاومت لوله پلی‌اتیلن در برابر خورندگی شیمیایی را در محل‌های حساس تا ۴۰٪ افزایش می‌دهد.

جمع بندی

لوله پلی‌اتیلن به‌ویژه گریدهای PE100 و PE100-RC، با توجه به ساختار مولکولی بلوری، سطح صیقلی و عدم نیاز به پوشش کاتدیک، بالاترین سطح مقاومت لوله پلی‌اتیلن در برابر خورندگی شیمیایی فاضلاب را ارائه می‌دهند. رعایت اصول طراحی، انتخاب گرید مناسب، اجرای صحیح جوش و کنترل کیفی دوره‌ای، عمر خدمت این لوله‌ها را به‌راحتی به ۱۰۰ سال می‌رساند و هزینه چرخه عمر (LCC) را در مقایسه با لوله‌های فلزی تا ۶۰٪ کاهش می‌دهد. بنابراین، برای پروژه‌های جدید شبکه فاضلاب شهری و صنعتی، لوله پلی‌اتیلن مقاوم به مواد شیمیایی نه‌تنها یک گزینه اقتصادی، بلکه راهکاری پایدار برای حفظ منابع آب و خاک در برابر آلودگی‌های ناشی از نشت فاضلاب است.

صنایع لوله  پلی‌اتیلن ورنا آبلوله کرمان 

****کیفیت ،رمز ماندگاریست ****

تماس با ما :03433370713