اختصاصی بسپار/ مروری بر روش‌‌های پیش‌‌بینی‌‌ طول‌‌عمر لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن: محدودیت‌‌ها و روندها

بسپار/ایران پلیمر کلمات کلیدی
لوله پلی‌‌اتیلن، پیش‌‌بینی طول عمر، رشد آهسته ترک، اکسایش با نفوذ محدود، به صورت شیمیایی مکانیکی جفت‌‌شده، نظریه لایه‌ی شکست

چکیده
پیش‌بینی قابل‌اطمینان طول‌‌عمر لوله‌های پلی‌اتیلن(PE) دفن‌شده باید بر اساس درک عمیق‌تر سازوکارهای ‌‌شکست و روش برون‌یابی با قابلیت اطمینان بیش‌تر داده‌های آزمون به نسبت کوتاه‌‌مدت در محیط خدمت‌‌رسانی طولانی‌مدت باشد. با این حال، هنوز محدودیت‌‌های زیادی در روش‌های پیش‌‌بینی طول‌‌عمر فعلی لوله‌های پلی‌اتیلن، مانند انحراف آزمون‌‌های شتاب‌یافته از شرایط عملیاتی و تجربه‌گرایی (empiricism) در مدل‌های پیش‌بینی وجود دارد. این مقاله سازوکارهای خرابی لوله‌های پلی‌اتیلن را به‌‌طور خلاصه بیان می‌کند و پژوهش‌ها روی روش پیش‌بینی طول‌‌عمر را از دو جنبه‌ی طول‌‌عمر مکانیکی و شیمیایی بررسی می‌کند. ارائه‌ی کاملی از محدودیت‌ها در روش‌های پیش‌بینی طول عمر فعلی از جمله عدم درنظرگرفتن پیرشدگی (aging) مواد و کاستی‌‌ها یا ضعف‌‌ها، زمان آغاز ترک، انعطاف‌‌پذیری و پیرشدگی نقطه‌ی آغاز ترک، اکسایش با نفوذمحدود و رفتار غیرخطی آرنیوس (Arrhenius) فراهم شده است. روندهای بالقوه‌ی پیش‌‌بینی طول‌‌عمر لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن بیش‌تر مورد بحث قرار می‌‌گیرد. مدل جفت‌شده به‌صورت شیمیایی مکانیکی و مدل لایه‌ی ترک ‌‌(CL) برای پیش‌بینی طول عمر و برای کاهش تجربه‌گرایی به دلیل اکسایش با نفوذ محدود (DLO) یا گذار از رشد آهسته‌ی ترک (SCG) پیوسته به ناپیوسته پیشنهاد شده‌ است.

مقدمه
لوله‌ی پلاستیکی به عنوان یک ساختار مهم حاوی فشار در مهندسی خطوط حیاتی، از زمان کاربرد تدریجی آن در دهه‌های 1930 و 1940 میلادی، بازار گسترده‌ای را از آن خود کرده است. لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن یکی از مهم‌ترین لوله‌‌های پلاستیکی به دلیل ویژگی‌‌های خاص شناخته‌‌شده‌ی آن، مانند مقاومت عالی در برابر خوردگی، انعطاف‌‌پذیری زیاد، تعمیر و نگهداری آسان و سایر موارد برای جایگزینی لوله‌‌های فلزی در مهندسی خطوط حیاتی مورد استفاده قرار گرفته‌‌اند. انتظار می‌‌رود بازار لوله‌ی پلی‌‌اتیلن پرچگالی (HDPE) با نرخ 5 درصد در سال رشد کند و تا سال 2025 به 26518 میلیون دلار برسد. علاوه بر این، لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن بیش از 90 درصد از شبکه‌ی لوله‌ی گاز در اروپا و 95 درصد از لوله‌‌های پلاستیکی در ایالات‌‌متحده هستند. در عین حال، لوله‌‌های گاز شهری تماما از مناطق پرجمعیت عبور می‌‌کنند. بنابراین، هنگامی که شکست لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن منجر به نشتی یا انفجار شود، عواقب جدی در پی خواهد داشت و مطالعات مربوط به خرابی و طول‌‌عمر لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن باید یک نگرانی کلیدی برای تولیدکنندگان مواد و کاربران لوله باشد.
رفتار واهلش تنش (stress relaxation) و خزش پلی‌‌اتیلن؛ مرتبط با زمان و دما، به دلیل اهمیت بسیار مورد توجه پژوهشگران است. منحنی گسیختگی (rupture) خزش طولانی‌‌مدت لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن را می‌‌توان به سه مرحله تقسیم کرد؛ مرحله‌ی I: شکست نرم، مرحله‌ی II: شکست شبه‌‌ترد و مرحله‌ی III: شکست ترد، همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است.

منحنی گسیختگی خزش طولانی‌‌مدت لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن.

طول‌‌عمر لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن به سازوکار شکست وابسته است. به طورکلی، وقوع شکست نرم لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن، طول‌‌عمر کوتاه را نشان می‌‌دهد، اما شکست ترد، نشان‌‌دهنده‌ی طول عمر به نسبت طولانی است. آستانه‌ی حداقل طول‌‌عمر لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن 50 سال است. انتقال از شکست نرم به شکست ترد همیشه زمان زیادی می‌‌برد و تعریف زانوی مکانیکی (mechanical knee) دشوار است. در مرحله‌ی شبه‌‌ترد، شکست لوله‌های پلی‌اتیلن بیش‌تر توسط رشد آهسته‌ی ترک (SCG) تعیین می‌شود؛ درحالی که مرحله‌ی شکست ترد با پیرشدگی مواد مستقل از تنش غالب است. علاوه بر این، SCG علت اصلی شکست نهایی کاربردی پلی‌‌اتیلن و شکست ناگهانی بسپارها و درحدود 15 درصد از شکست‌‌های تمام مواد ساخته‌‌شده از بسپارهاست. در واقع، SCG مواد پلی‌‌اتیلن کم و بیش معرف ویژگی ذاتی لوله است. این ویژگی توسط نسبت مخلوط مواد اولیه و فرایند قالب‌‌گیری تزریقی تعیین می‌‌شود؛ در‌‌حالی که تحت تاثیر متغیرهای خارجی، تنش، دما و مواد سطح فعال (surfactant) و یکپارچگی ساختاری مواد قرار می‌‌گیرد. هنگامی که مواد پلی‌‌اتیلن به طور هم‌زمان تحت فشار مکانیکی و در معرض محیط‌‌های فعال قرار می‌‌گیرند، روند شتاب پدیده‌‌هایی که در طول SCG رخ می‌‌دهند به‌‌طور چشمگیری قابل مشاهده است. سازوکاری که به‌‌طورکلی در اساس این فرایند شتاب‌‌یافته به نام شکست پذیرفته شده است، در اثر ترک‌‌زایی تنشی عوامل محیطی Environmental Stress Cracking (ESC) است.
اعتقاد بر این است که منشا مولکولی و ریخت‌‌شناسی مقاومت مواد بسپاری در برابر SCG و ESC اساسا یکسان است و این سازوکارها وابستگی مشابهی از زمان آسیب به بارها و دماها و هم‌چنین سطح آسیب ترد مشابه دارند. بنابراین پژوهش‌های مرتبط معمولا با استفاده از آزمون‌های مبتنی بر ESC برای کاهش مدت زمان آزمایش مورد بررسی قرار می‌گیرد. روش ارزیابی طول‌‌عمر لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن به این طریق، شامل پیرشدگی مواد در سطح مولکولی نمی‌‌شود، بنابراین می‌‌توان آن را به عنوان یک روش پیش‌‌بینی طول‌‌عمر مکانیکی در نظر گرفت. علاوه بر این، پیش‌بینی طول‌‌عمر لوله‌های پلی‌اتیلن اغلب پیرشدگی مواد را در نظر می‌‌گیرد. روابط بین کارکرد شیمیایی و زمان را می‌‌توان با توجه به معادله‌ی آرنیوس تعیین کرد؛ سپس یک مدل خطی با توجه به عوامل جنبشی به کار برده می‌‌شود. ناحیه‌ی شکست مرحله III منحنی گسیختگی خزش طولانی‌‌مدت نتیجه‌ی پیرشدگی گرمااکسایشی و تخریب بسپار است، که در آن طول‌‌عمر در این مرحله را می‌‌توان طول ‌‌عمر شیمیایی نامید.
روش‌های پیش‌بینی طول‌‌ عمر کنونی، شکست خزش یا پیرشدگی مواد را به‌ صورت مجزا در نظر می‌گیرند. در واقع، برای لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن، پیش‌‌بینی عمر تنها با در نظرگرفتن پیرشدگی و تخریب مواد پلی‌‌اتیلن محافظه‌‌کارانه خواهد بود. زیرا این روش‌‌ها عدم یکنواختی ساختار لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن، رشد ترک ناشی از نقص‌‌های داخلی و تسریع در پیرشدگی مواد توسط اثرات بارگذاری خارجی را نادیده می‌‌گیرند. هم‌چنین، این موضوع که پیرشدگی مواد به تنهایی می‌‌تواند تحت تاثیر اکسایش با نفوذ محدود و هم‌چنین رفتار غیرخطی آرنیوس قرار گیرد، نادیده گرفته شده است. هم‌چنین تاثیر پیرشدگی مواد بر نقطه‌ی آغاز یا رشد ترک نیز در نظر گرفته نشده است و پیرشدگی منجر به تغییر در غلظت زنجیره‌های شاخه‌دار داخلی می‌شود که به نوبه‌ی خود بر خصوصیات ضد ترک تاثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، زمان SCG، که به طور مرسوم توسط رابطه‌ی Paris-Erdogan (رابطه‌ی Paris-Erdogan از ملاحظات تجربی گرفته شده است و مبنای نظری واقعی ندارد. این معادله رابطه‌ی بین سرعت نفوذ ترک و یک کمیت مفهومی به نام دامنه‌ی شدت تنش را مدل می‌کند که بزرگی تنش را در نقطه‌ی آغاز ترک توصیف می‌کند، مترجم) محاسبه می‌شود و نه تنها زمان آغاز ترک را در نظر نمی‌گیرد، بلکه تاثیر پیرشدگی مواد بر روند رشد ترک در لوله‌های پلی‌اتیلن را نیز در نظر نمی‌گیرد. علاوه بر این، روش‌های فعلی، مانند روش‌های با پایه ESC یا آزمون‌‌‌های آب‌‌ایستا (hydrostatic)، فقط می‌توانند مقاومت لوله‌ی جدید را در برابر SCG ارزیابی کنند، اما استحکام باقی‌مانده یا حتی طول عمر لوله‌های پلی‌اتیلن در حال کار را نمی‌توانند ارزیابی کنند. هم‌چنین، برای آزمون آب‌‌ایستا، اینکه آیا عملیات کوتاه‌‌کردن زمان رشد ترک با افزایش فشار بسیار فراتر از شرایط عملیاتی واقعی است یا خیر، باید آزمایش شود. اثر شتاب‌دهنده‌ی پیرشدگی گرمااکسایشی بر فرایند ترک باید در لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن در طول خدمت‌‌رسانی طولانی‌‌مدت در نظر گرفته شود. پس از آن، یک سوال جدید وجود دارد، چگونه می‌‌توان مطالعه‌ی رشد ترک و پیرشدگی مواد را برای تحلیل تلفیقی ترکیب کرد؟

در این مقاله، سازوکارهای شکست لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن و مرور پژوهش‌های انجام‌‌شده در مورد روش‌‌های پیش‌‌بینی طول‌‌عمر لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن از دو جنبه‌ی طول عمر مکانیکی و شیمیایی خلاصه شده است. سپس برخی از مشکلات روش‌‌های پیش‌‌بینی طول‌‌عمر فعلی لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن خلاصه شده است و محدودیت‌‌های آن‌ها برجسته شده است. پس از آن بحث بیش‌تر در مورد روندهای پیش‌‌بینی طول عمر لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن و چشم‌‌اندازی از توسعه‌ی آینده در روش‌‌های پیش‌‌بینی لوله‌‌های پلی‌‌اتیلن از نظر همبستگی چند عامل، پیش‌بینی چرخه‌ی ‌‌عمر و بهبود دقت پیش‌بینی ارائه شده است. در نهایت، پیشنهاد شده است که از مدل‌های وابسته شیمیایی-مکانیکی و مدل‌های لایه‌ی ترک (CL) برای پیش‌بینی طول‌‌عمر استفاده شود تا تجربه‌گرایی ناشی از اکسایش با نفوذ محدود (DLO) یا گذار از یک SCG پیوسته به ناپیوسته را بکاهد.

ساز و کار شکست

برگردان: مهندس پدرام ملائکه
pedrammalaekeh@yahoo.com

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 275 ماهنامه بسپار که در نیمه شهریور ماه 1404 منتشر شده است، می خوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه  و  فیدیبو  قابل دسترسی است.