لوله های FRP

[spow 44,195]

لوله هاي FRP با استفاده از تقويت كننده هاي الياف شيشه ، رزين هاي گرما سخت ، مواد linerviel و انواع ديگر افزودني ها ساخته مي شوند . الياف تقويت كننده معمولا ً از جنس الياف شيشه E است . مشخصات اسمي الياف شيشه E عبارتند از سفتي كششي در حدود 72400 مگا پاسكال ، استحكام كششي در حدود 3450 تا 3800 مگا پاسكال و درصد افزايش طول در حدود 4 تا 5 درصد . انواع ديگري از الياف در اين رده عمومي وجود دارند كه نيازهاي گوناگون مقاومت به خوردگي را برطرف مي كنند اما الياف شيشه E تا حدودي تمام بازار را تحت سلطه خود درآورده است . الياف تقويت كننده ديگري براي كاربردهاي ويژه و شرايط خورنده منحصربه فرد وجود دارد مانند FCR ، C ، AR و جز آن . الياف تقويت كننده بسته به فرآيند ساخت لوله و تحمل بار مورد نياز ، تغيير مي كنند . الياف تك جهته تابيده شده ، الياف كوتاه ، تقويت كننده هاي رشته اي ، نمد ، الياف بافته شده و انواع ديگر الياف درساخت لوله هاي FRP كاربرد گسترده اي دارند .

درصد وزني الياف به طراحي محصول نهايي وابسته خواهد بود . جهت الياف ، شيوه چيدمان لايه ها روي هم و تعداد لايه هاي تقويت كننده ، ويژگي هاي مكانيكي ، سفتي و استحكام واقعي لوله را تعيين مي كند . رزين مورد استفاده در ساخت لولۀ FRP ويژگي هاي خاص خود را دارد . درحالي كه ويژگي هاي استحكام و سفتي رزين چندين بار كم تر از الياف است ، رزين نقش اساسي را ايفا مي كند . رزين هاي گرما سخت گروه عمده اي هستند كه در ساخت لوله FRP به كار مي روند . رزين به عنوان چسب عمل كرده و الياف را در ساختار لايه اي محصول پخت شده به هم متصل مي كند . رزين در برابر خوردگي ناشي از عبور گازها و سيالات از درون لوله مقاومت مي كند . مشخصات فيزيكي و شيميايي رزين ، مقاومت حرارتي كه به شكل يك مشخصه كه دماي انتقال شيشه اي ، Tg ، ناميده مي شود و ويژگي هاي روش ساخت نقشي كليدي در طراحي لوله ايفا مي كنند . درحالي كه رزين هاي پلي استر ، وينيل استر و اپوكسي قصد تسلط بر بازار لوله هاي FRP را دارند ، رزين هاي ديگري نيز وجود دارند كه مقاومت به خوردگي منحصر به فردي ايجاد مي كنند . پلي استرها اغلب براي توليد لوله هايي با قطر زياد استفاده مي شوند . وينيل استرها مقاومت به خوردگي بيشتري معمولا ً در برابر مايعات خورنده قوي مانند اسيدها و سفيدكننده ها دارند . رزين اپوكسي معمولا ً براي لوله هايي با قطر كم تراز 750 ميلي متر و فشارهايي در حدود 8/20 مگا پاسكال تا 6/34 مگا پاسكال استفاده مي شوند .

 

طراحي و توليد لوله هاي FRP اغلب به اجزاي افزودني نيز نياز دارد . بيشترين افزودني ها به شكل دهي رزين هاي گرما سخت كمك مي كنند و همچنين ممكن است براي تكميل واكنش هاي شيميايي و پخت چند لايي مورد نياز باشند . كاتاليزورها و سخت كننده ها در اين دسته قرار مي گيرند . پركننده ها ممكن است به علت مسايل اقتصادي و يا افزايش كارايي استفاده شوند . بعضي از لوله ها به ويژه لوله هاي گرانشي به شدت به سفتي خمشي بالايي نياز دارند . در مورد لوله هاي زير خاك ، سفتي خمشي با عامل EI اندازه گيري مي شود كه حاصل ضرب سفتي چندلايي كامپوزيتي E و ممان اينرسي سطح مقطع لوله I است . سفتي چندلايي E را مي توان با تغيير جهت الياف و افزايش حجم الياف و موارد ديگر افزايش داد . از آنجايي كه ممان اينرسي I با توان سوم ضخامت ديوار نسبت دارد ؛ هرگونه كوششي براي افزايش ضخامت ديواره ، ممان اينرسي را به طور چشمگيري افزايش مي دهد . در نتيجه بعضي از لوله هاي گرانشي با افزودن شن در مرحله توليد ساخته مي شوند . افزايش شن مايۀ افزايش ضخامت ديواره و در نتيجه افزايش ممان اينرسي و افزايش عامل EI مي شود . اين كار افزايش سفتي با استفاده از ماده نسبتا ً ارزان مانند شن ناميده مي شود . بنابراين شن مي تواند يك افزودني مهم در ساخت لولۀ FRP باشد .

[spow 44,195]

چندين روش برجسته در صنعت

 

لوله هاي FRP به دو روش اصلي ساخته مي شوند : ريخته گري گريز از مركز و پيچش الياف . با اين وجود روش هاي بسيار متغير و بهبود يافته اي در اين سالها ايجاد شده است . در روش ريخته گري گريز از مركز ، الياف درون يك لولۀ فولادي قالب قرار داده مي شوند . مواد تقويت كننده خشك هستند و در اين مرحله به رزين آغشته نمي شوند . لايه چيني ويژه مواد در لوله فولادي به وسيله مهندس طراح و با توجه به كارآيي نهايي مورد نياز ، مشخص مي شود . هنگامي كه الياف در سر جاي خود قرار گرفتند ، لوله فولادي با سرعت بالايي آغاز به چرخيدن مي كند . رزين مايع در مركز لوله پاشيده مي شود و با توجه به نيروي گريز از مركز ، تقويت كننده خشك را آغشته مي كند . پوسته كامپوزيتي در حال چرخش با استفاده از گرما به لوله اي با سطح داخلي و خارجي صاف تبديل مي شود . سطح داخلي ، اغلب يك سطح هموار و غني از رزين است .

روش شرح داده شده ، روش ريخته گري گريز از مركز معمولي و متداول است . الياف بافته شده ، پارچه و نمدهاي سوزني از مواد ساختاري اين روش هستند . درصد وزني الياف دراين روش ساخت ، معمولا ً بين 20 تا 35 درصد است . مي توان با استفاده از بافت هاي متراكم تر با افزايش سرعت چرخش براي دست يابي به فشردگي بيشتر به درصد وزني الياف بالاتري دست يافت .

براي ساخت لوله هاي گرانشي با قطرهاي زياد كه سفتي لوله يك عامل بحراني است و به سختي حاصل مي شود ، اغلب اوقات از روش بهينه شده اي به نام ريخته گري گريز از مركز Hobas استفاده مي شود . روش Hobas شبيه به ريخته گري گريز از مركز معمولي است ، افزون براين كه براي افزايش عامل EI ، شن نيز به مواد اوليه افزوده مي شود . اين روش اغلب در قطرهاي بزرگ تر از 500 ميلي متر استفاده مي شود و شن بخش عمده اي از سازه خواهد شد . درصد وزني الياف حدود 20 درصد است . درصد وزني رزين 35 درصد و مقدار شن 45 درصد وزني است . بنابراين درصد بالاي شن باعث افزايش سفتي مقطع I مي شود ولي سفتي الاستيك E را افزايش نمي دهد . به خاطر اينكه شن يك ماده ساختاري نيست ، از لولۀ Hobas به عنوان لوله گرانشي استفاده مي شود نه لوله فشاري . در فرآيند پيچش الياف ، پوسته اي پيرامون يك سنبه چرخان با قطري برابر با قطر داخلي لوله به طور پيوسته پيچيده مي شود و به طور كلي در اين روش ، تغييراتي ايجاد شده است . در فرآيند پيچش الياف دو جهته يا مارپيچي ، الياف تحت زاويه و به صورت مارپيچي روي سنبه پيچيده مي شود ، تا هنگامي كه تمام سطح پر شود و تعداد لايه هاي درست روي هم چيده شود . زاويه پيچش معمولا ً در محدوه زاويه بهينه تئوري و بين 55 تا 75 درجه است . طراحي ، زاويه پيچش مناسب را مشخص مي كند . اين روش بيشترين سفتي E و استحكام را ايجاد مي كند ؛ چون الياف پيوسته هستند نه بريده شده و مي توان به درصد وزني الياف 60 تا 80 درصد رسيد .

[spow 44,195]

يك نسخه بهينه شده اين روش ، روش پيچش الياف پيوسته Drostholm است كه براي ساخت لوله هاي پيوسته نوآوري شده است . در اين روش يك سنبه انعطاف پذير به كار مي رود كه پس از پخت لوله و حركت لوله به جلو به جاي اول خود برمي گردد . به خاطر اينكه در اين روش لايه چيني به صورت كاملا ً مارپيچي امكان ندارد ، پيچش الياف به صورت حلقه اي 90 درجه انجام مي شود و بين لايه هاي محيطي الياف كوتاه پاشيده مي شود ، ممكن است پركننده هاي شني و الياف نمدي نيز به كار روند . درهر حال الياف محيطي بريده شده ساختار اوليه هستند . درصد وزني الياف در اين روش بين 45 تا 70 درصد است . در حالت ثابت بودن طول لوله كه از پيچش الياف به صورت محيطي به همراه الياف كوتاه استفاده مي شود ، اين فرآيند پيچش حلقوي كوتاه Chop-Hoop Winding ناميده مي شود . ممكن است از شن نيز در اين روش استفاده شود . با اين كار درصد وزني الياف نيز به 45 تا 65 درصد كاهش مي يابد .

ممكن است بر سر اين كه كدام يك از اين روش ها بهينه است ، بحث باشد . با اين وجود بحث هاي فني كليدي معمولا ً پيرامون اثر افزايش شن بر روي ويژگي هاي مكانيكي چند لايي كامپوزيت FRP است . اثرات دراز مدت تحمل بار و رفتار خزشي در حضور پركننده شني در سالهاي اخير مورد توجه بوده است .

ملاحظات طراحي و محيطي

 

طراحي لوله هاي FRP با توجه به موضوعات هيدروليكي و شارجريان انجام مي شود ؛ چون اين مسايل از ملاحظات اساسي در طراحي مؤثر جريان گاز و سيال در سيستم هاي لوله كشي هستند . لوله هاي FRP برتري هاي قابل توجهي نسبت به مواد مرسوم مانند لوله هاي فلزي و بتني دارند . به عنوان مثال ، هموار بودن سطح داخلي لوله FRP باعث كاهش مقاومت سيال و انرژي لازم براي جريان يافتن سيال در داخل لوله مي شود . به دليل مقاومت لوله FRP در برابر خوردگي ، با گذشت زمان و استفاده از لوله ، سطح داخلي هموار باقي مانده و مقاومت در برابر خوردگي نيز نقش اساسي در لوله هاي FRP بازي مي كند .

گستره دمايي در طراحي لوله هاي FRP به نوع كاربرد و نوع ماده اي كه در درون لوله جريان خواهد داشت بستگي دارد . لوله هاي زيرزميني براي دماي ثابتي كه ميانگين دماي محيط پيرامون آن ها با توجه به شرايط محلي است ، طراحي مي شوند . لوله هاي سطح زمين چون تحت شرايط باد ، باران ، برف و پرتوهاي فرابنفش قرار مي گيرند گستره دمايي وسيع تري دارند . در هر دو حالت گستره دمايي براساس آب و هوا و شرايط منطقه اي كه لوله در آن نصب مي شود تثبيت مي شود . اين شرايط معمولا ً از محدوده 20 تا 65 درجه سانتي گراد خارج نمي شود . در حقيقت به جز در موارد اندك ، محدوده دماي كاري معمولا ً بين 20 تا 55 درجه سانتي گراد قرار دارد .

با اين وجود توجه به دماي سطح داخلي لوله مهم است چون معمولا ً سيال يا گاز در دماهاي بالايي بين 52 تا 150 درجه سانتي گراد در داخل لوله جريان مي يابد . رزين و لايه آستر دروني اغلب اوقات بر اساس نوع ماده خورنده عبوري از درون لوله و دماي فرآوري آن برگزيده مي شود . لوله هاي FRP را مي توان براي بسياري از كاربردها ساخت .

طراحي لوله FRP هم چنين به شدت ، تحت تأثير محدوده فشار كاري است ؛ در حالي كه بيشتر لوله ها طي عمر كاري خود در معرض فشار داخلي مثبت قرار دارند . بار خلأ نيز مي تواند به عنوان يكي از فاكتورهاي طراحي لوله ، به ويژه در مورد لوله هاي زيرزميني مورد توجه قرار بگيرد . در مورد لوله هاي گرانشي زيرزميني ، لوله هاي FRP اساسا ً بر مبناي سفتي مورد نياز و با توجه به شرايط خاك ، عمق دفن و فشار خارجي طراحي مي شوند .

با اين وجود ، اگرچه لوله هاي گرانشي در رده هاي متفاوت سفتي طراحي مي شوند ولي اين طراحي به گونه اي است كه لوله بتواند در محدوده فشار روزانه كه به وسيله كاربر نهايي مشخص مي شود ، به طور موفقيت آميزي كار كند . دور از انتظار نيست كه حتي يك لوله گرانشي FRP هنگام كار تحت فشارهاي حدود 8 مگا پاسكال قرار بگيرد . در حقيقت لوله هاي گرانشي نيز براي تحمل خوب بارهاي طولاني مدت طراحي مي شوند . لوله هاي فشاري درواقع بنابر شرايط تحمل بارهاي فشاري بلند مدت براي كار پيوسته در خط طراحي مي شوند . در نتيجه ، لوله هاي فشاري FRP اساسا ً براي تأمين استحكام طراحي مي شوند تا سفتي ؛ چون در شرايط بارگذاري كوتاه مدت و بلند مدت بارهاي فشاري ، بسيار مورد توجه هستند .

بارهاي خارجي مي توانند به صورت بارهاي ناشي از دفن لوله لوله هاي زيرزميني ، بارهاي خمشي و يا تماسي ، لوله هاي سطح زمين و يا بارهاي حاصل از ترافيك لوله هاي زيرزميني باشند . بسياري از اين بارها ممكن است در كارآيي بلند مدت لوله FRP بحراني باشند و محاسبه جابه جايي ها و تنش هاي چندلايي تحت بار براي تضمين يك پارچگي سازه در طول عمر مفيد مورد انتظار مهم است . بسياري از راهنماهاي طراحي و استانداردها ، طراحي لوله هاي FRP را از طريق اين گونه محاسبات و تأييديه ها كنترل مي كنند .

 

در برخي از كاربردها كه قابليت اشتعال ، دود ، مقاومت در برابر آتش و سمي بودن مهم هستند ، مقاومت در برابر شعله مي تواند از اصول طراحي باشد . از جاهايي كه اين مسايل مورد توجه هستند ، سكوهاي نفتي دور از ساحل است . توليد كننده ها مي توانند از رزين هاي گوناگون مقاوم در برابر شعله و يا لايه هاي خارجي مقاوم ، براي اين منظور استفاده كنند