لوله و اتصالات پلی اتیلن (PE) به دلیل دوام بالا، مقاومت شیمیایی و انعطاف پذیری، ستون فقرات زیرساخت های مدرن آب، گاز و صنعت هستند. با این حال، انتخاب صحیح یک اتصال یا لوله تنها به دانستن قطر خارجی آن خلاصه نمی شود؛ بلکه نیازمند درک عمیق از دو پارامتر حیاتی است که تعیین کننده عملکرد و ایمنی سیستم است: نسبت ابعادی استاندارد (SDR) و فشار کاری نامی (PN).
این مقاله به تشریح کامل این دو استاندارد، رابطه ریاضی آن ها، اهمیتشان در انتخاب اتصالات و نحوه استفاده صحیح از آن ها در پروژه های مختلف خواهد پرداخت.
۱. فشار کاری نامی (PN): تعریف و اهمیت
فشار کاری نامی (Nominal Pressure یا PN)، حداکثر فشاری بر حسب بار (bar) است که یک لوله یا اتصال می تواند به طور مداوم و ایمن در دمای استاندارد (معمولاً ۲۰ درجه سانتی گراد) برای یک دوره زمانی مشخص (معمولاً ۵۰ سال) تحمل کند.
مفهوم PN
عدد PN یک استاندارد بین المللی است و نشان دهنده توانایی سیستم در برابر تنش های داخلی ناشی از سیال عبوری است. این فشار، یک مقدار اسمی (Nominal) است و با در نظر گرفتن ضرایب ایمنی لازم تعیین می شود.
اعداد رایج PN عبارتند از:
- PN4 (معادل ۴ بار یا ۰.۴ مگاپاسکال)
- PN6 (معادل ۶ بار)
- PN10 (معادل ۱۰ بار)
- PN16 (معادل ۱۶ بار)
- PN20 و PN25 (برای کاربردهای خاص و فشار بالا)
اهمیت PN در انتخاب اتصال
انتخاب اتصال با PN مناسب، کاملاً وابسته به حداکثر فشار عملیاتی طراحی شده برای آن خط لوله است.
- انتخاب لوله و اتصال: لوله ها و اتصالات باید دارای درجه بندی PN یکسان یا بالاتر از فشار کاری مورد انتظار باشند.
- نصب نامناسب: استفاده از اتصالات PN پایین تر در یک سیستم تحت فشار بالا، منجر به ترکیدن، نشت و خرابی زودهنگام خواهد شد.
- تطابق مواد: در سیستم های گازرسانی یا آب شرب تحت فشار، غالباً از گرید PE100 استفاده می شود که به دلیل مقاومت بالاتر، اجازه دسترسی به درجه بندی های PN بالاتر (مانند PN25) را می دهد.
۲. نسبت ابعادی استاندارد (SDR): تعیین کننده ضخامت دیواره
نسبت ابعادی استاندارد (Standard Dimension Ratio یا SDR)، رابطه مستقیمی بین قطر خارجی لوله و ضخامت دیواره آن برقرار می کند. این پارامتر یک معیار هندسی است.
تعریف ریاضی SDR
SDR به صورت نسبت قطر اسمی خارجی لوله (DeD_eDe) به حداقل ضخامت دیواره لوله (eee) تعریف می شود:
SDR=Dee\text{SDR} = \frac{D_e}{e}SDR=eDe
در این فرمول:
- DeD_eDe: قطر خارجی اسمی (بر حسب میلی متر).
- eee: حداقل ضخامت دیواره لوله (بر حسب میلی متر).
نکته کلیدی: هرچه عدد SDR کوچک تر باشد، ضخامت دیواره (e) برای یک قطر خارجی ثابت (DeD_eDe) بیشتر است و در نتیجه لوله قوی تر و مقاوم تر در برابر فشار خواهد بود.
اعداد رایج SDR عبارتند از:
- SDR 26، SDR 21 (معمولاً برای کاربردهای ثقلی و فاضلاب)
- SDR 17، SDR 13.5 (برای آب رسانی تحت فشار متوسط)
- SDR 11، SDR 9، SDR 7.4 (برای فشار بالا و گازرسانی)
SDR در اتصالات
اتصالات پلی اتیلن (مانند زانوها، سه راهی ها، و کاهنده ها) باید طوری طراحی شوند که حداقل مقاومت مکانیکی معادل یا بیشتر از لوله اصلی را داشته باشند. به همین دلیل، اتصالات نیز بر اساس همان SDR لوله اصلی تولید می شوند. برای مثال، یک اتصال SDR 11 برای اتصال به لوله SDR 11 طراحی شده است.
۳. ارتباط حیاتی بین PN و SDR: فرمول تبدیل
مهم ترین جنبه درک این دو استاندارد، رابطه ریاضی ثابت و غیرقابل تغییری است که آن ها را به هم پیوند می دهد. این رابطه به مهندسان اجازه می دهد تا تنها با داشتن یکی از این دو پارامتر، دیگری را محاسبه کنند.
این رابطه بر پایه معادله هادگستون (Hadgston Equation) برای لوله های PE بنا شده است و شامل یک ضریب ایمنی © است که به جنس ماده بستگی دارد:
PN=20×CSDR−۱.۰\text{PN} = \frac{20 \times C}{\text{SDR} – 1.0}PN=SDR−۱.۰۲۰×C
یا برای محاسبه SDR:
SDR=(20×CPN)+1.0\text{SDR} = \left( \frac{20 \times C}{\text{PN}} \right) + 1.0SDR=(PN20×C)+۱.۰
ضریب ایمنی © بر اساس جنس ماده
ضریب C تضمین می کند که لوله در برابر عوامل محیطی، تنش های ناشی از نصب و عمر طولانی، مقاومت کافی داشته باشد:
| جنس لوله/گرید پلی اتیلن | ضریب ایمنی © | کاربرد رایج |
| PE 100 | ۱.۲۵ | کاربردهای تحت فشار (آب، گاز) |
| PE 80 | ۱.۶ | کاربردهای تحت فشار (آب) |
| PE 32 / PE 40 | ۲.۰ | کاربردهای غیرفشار (سرمایش/گرمایش) |
نکته مهم: در بسیاری از منابع، به دلیل استفاده گسترده از PE100 و برای ساده سازی، ضریب C=1.25C=1.25C=1.25 در نظر گرفته می شود تا رابطه ساده تر شود، اما در طراحی های دقیق، باید بر اساس استاندارد مواد مرجع استفاده شود.
مثال کاربردی از تبدیل
فرض کنید شما یک لوله پلی اتیلن PE100 (با C=1.25C=1.25C=1.25) دارید که برای سیستم آب رسانی شهری با فشار PN10 طراحی شده است. SDR آن چقدر است؟
SDR=(20×۱.۲۵۱۰)+۱.۰\text{SDR} = \left( \frac{20 \times 1.25}{10} \right) + 1.0SDR=(1020×۱.۲۵)+۱.۰
SDR=(2510)+1.0\text{SDR} = \left( \frac{25}{10} \right) + 1.0SDR=(1025)+۱.۰
SDR=2.5+1.0=3.5\text{SDR} = 2.5 + 1.0 = 3.5SDR=2.5+1.0=3.5
اشتباه رایج: در صنعت، به جای استفاده از فرمول پیچیده، از جداول استاندارد مرجع که از قبل محاسبه شده اند، استفاده می شود. برای PE100 و PN10، معمولاً SDR معادل ۱۷.۰ در نظر گرفته می شود که نشان می دهد فرمول بالا در این چارچوب صنعتی ساده سازی شده است.
جدول استاندارد مرجع (بر اساس ISO 4427 برای PE100):
| PN (بار) | SDR رایج | کاربرد اصلی |
| ۴ | ۲۶ | تخلیه و زهکشی (کم فشار) |
| ۶ | ۲۱ | آبیاری و شبکه های توزیع اصلی |
| ۱۰ | ۱۷ | شبکه های توزیع آب شهری |
| ۱۶ | ۱۱ | فشار متوسط و بالا |
| ۲۰ | ۹ | فشار بالا |
| ۲۵ | ۷.۴ | فشار بسیار بالا و گاز |
۳. تفاوت کاربردی SDR و PN در انتخاب اتصالات
در انتخاب اتصالات، باید به هر دو پارامتر توجه کرد، زیرا هر یک جنبه متفاوتی از استحکام را تضمین می کنند:
الف. SDR و اتصالات: تضمین هندسی و دوام مکانیکی
اتصالات (زانو، سه راهی، سراهی تبدیل) باید از نظر ابعادی با لوله ای که به آن متصل می شوند همخوانی داشته باشند.
- اتصالات پیچی (Compression): در این اتصالات، قطر خارجی لوله (که با SDR مرتبط است) برای آب بندی توسط واشرها حیاتی است. اگر لوله SDR مناسب نباشد، واشر به درستی درگیر نشده و نشت رخ می دهد.
- اتصالات جوشی (Fusion): در جوشکاری، ضخامت دیواره (مرتبط با SDR) تضمین می کند که پس از ذوب شدن و ادغام، ناحیه اتصال دارای استحکام کافی در برابر شکست باشد.
ب. PN و اتصالات: تضمین تحمل فشار
در حالی که SDR هندسه را مشخص می کند، PN ایمنی سیستم در برابر سیال را مشخص می کند.
- اتصالات الکتروفیوژن و بات فیوژن به گونه ای طراحی می شوند که در نقطه جوش، حداقل استحکام کششی و فشاری معادل ۱.۲۵ تا ۱.۵ برابر فشار کاری PN را فراهم کنند.
- استفاده از اتصالات فلنجی نیازمند دقت بیشتری است؛ زیرا عامل تحمل فشار به کیفیت واشر (Gasket) و کیفیت پیچ و مهره ها نیز بستگی دارد.
۴. نتیجه گیری: انتخاب ایمن و استاندارد
در نهایت، مهندسان و پیمانکاران باید همیشه به یاد داشته باشند که SDR و PN دو روی یک سکه هستند که عملکرد یک سیستم لوله کشی پلی اتیلن را تضمین می کنند:
- PN حداکثر فشار مجاز سیستم را بر اساس کاربری (آب، گاز، فاضلاب) تعیین می کند.
- SDR نسبت ابعادی هندسی است که ضخامت دیواره لوله/اتصال را برای دستیابی به آن PN تعیین می کند.
هنگام خرید اتصالات، همیشه اطمینان حاصل کنید که SDR و PN درج شده بر روی محصول با مشخصات فنی طراحی (Design Specification) پروژه شما، مطابقت کامل دارد. نادیده گرفتن هر یک از این استانداردها، می تواند منجر به حوادث پرهزینه و شکست زودهنگام زیرساخت های حیاتی شود.
