چرا فشارهای سیکلی در فاضلاب تحت فشار اهمیت دارند؟
بررسیهای انجامشده نشان میدهد لوله PVC میتواند بیش از 10 میلیون فشار دورهای را بدون شکست تحمل کند. همچنین سابقه حدود 50 ساله استفاده از لولههای PVC در آمریکا و کانادا، قابلیت استفاده از این لولهها در سیستمهای فاضلاب تحت فشار را تأیید کرده است. نکته مهم این است که در شبکههای فاضلاب تحت فشار، پمپها میتوانند در فرکانسهای بالا باعث ایجاد فشارهای سیکلی شوند؛ بهویژه در تخلیه چاههای مرطوب با ظرفیت کم. به همین دلیل، صرف بررسی فشار کاری ثابت برای طراحی کافی نیست و اثر فشارهای نوسانی نیز باید بررسی شود. پژوهشهای دانشگاه ایالتی یوتا نیز مبنای توسعه روشهای جدید برای تعیین عمر سیکلی لوله PVC بوده است.
طراحی هیدرولیکی سیستم فاضلاب تحت فشار PVC
اولین مرحله در طراحی، تعیین افت فشار با استفاده از یکی از دو رابطه Darcy–Weisbach یا Hazen–Williams است.
در معادله Darcy–Weisbach، پارامتر مورد استفاده «زبری مطلق لوله» است و برای لوله PVC، مقدار ذکرشده در متن مرجع، ×7 فوت است.
در معادله Hazen–Williams، تحقیقات ضریب جریان C بین 155 تا 165 را برای لوله PVC نشان دادهاند؛ با این حال، برای اطمینان بیشتر در طراحی لوله PVC، مقدار 150 برای ضریب C در نظر گرفته میشود.
پس از تعیین پارامترهای هیدرولیکی، منحنیهای پمپ و سیستم برای تعیین فشار و جریان در شرایط عملیاتی مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. سپس بر اساس نتایج بهدستآمده، کلاس فشار (PC) یا رتبه فشار (PR) لوله PVC متناسب با الزامات پروژه انتخاب میشود. راهنمای طراحی Force Main نیز طراحی هیدرولیکی، بررسی فشار داخلی، بررسی فشار سیکلی و تعیین فشارهای موجی را بهعنوان مراحل اصلی طراحی معرفی میکند.
سه بررسی اصلی فشار داخلی لوله PVC
برای اطمینان از توانایی لوله در تحمل فشارهای مختلف، سه مرحله بررسی فشار داخلی انجام میشود. این بررسیها بهترتیب حداکثر فشار کاری، فشارهای نوسانی ناشی از عملکرد عادی پمپ و بدترین حالت فشار گذرا را پوشش میدهند:
مرحله اول:
WPmax ≤ PC × FT
مرحله دوم:
Prs(max) = WPnormal + Prs ≤ PC × FT
مرحله سوم:
Pos(max) = WPmax + Pos ≤ 1.6 × PC × FT
در این روابط:
- WPmax: حداکثر فشار کاری در حین عملیات پمپ، psi
- WPnormal: فشار کاری معمولی در طول عملیات پمپ، psi
- Prs: فشارهای نوسانی ناشی از روشن/خاموش کردن عادی پمپها، psi
- Prs(max): حداکثر فشار در شرایط نوسانی روی لوله، psi
- Pos: فشار نوسانی در بدترین حالت گذرا، مانند قطع برق، psi
- Pos(max): حداکثر فشار لوله در شرایط نوسانی، psi
- PC: طبقهبندی فشار مطابق جدول B.1
- FT: ضریب کاهش حرارتی بدون بعد؛ در صورتی که دمای عملیاتی پایدار بالاتر از 73 درجه فارنهایت باشد، باید از ضریب کاهش حرارتی مطابق جدول B.2 استفاده شود.
در ایستگاههای بالابر که تنها با یک پمپ کار میکنند، رابطه مربوط به فشار کاری به شکل WPmax = WPnormal اصلاح میشود. این موضوع با رویکردهای طراحی فشار داخلی برای خطوط تحت فشار PVC نیز همخوانی دارد.
بررسی عمر سیکلی لوله PVC
فشارهای سیکلی در سیستم فاضلاب تحت فشار را نمیتوان صرفاً بهعنوان یک فشار لحظهای در نظر گرفت؛ تعداد دفعات تکرار این فشار نیز اهمیت دارد. به همین دلیل، علاوه بر سه بررسی فشار داخلی، یک بررسی طراحی چرخهای نیز مورد نیاز است.
پژوهشهای دانشگاه ایالتی یوتا با آزمایش نمونههای متعدد لوله PVC تا مرحله شکست، رابطهای با عنوان معادله فولکمن (Folkman Equation) را برای تحلیل عمر سیکلی توسعه دادهاند. بر اساس این روش، در صورتی که تعداد سیکلهای تجربهشده توسط لوله مشخص باشد، میتوان عمر سیکلی آن را در برابر فشارهای نوسانی تعیین کرد.
معیار اصلی بررسی بهصورت زیر است:
Cyclic Life ≥ Design Life
عمر سیکلی به تعداد سالهایی گفته میشود که لوله PVC میتواند فشارهای سیکلی را تحمل کند و با طول عمر کلی لوله یکسان نیست.
فشار موجی و معادله جوکوفسکی
یکی از عوامل مهم در طراحی فاضلاب تحت فشار، تعیین فشار موجی ناشی از تغییر ناگهانی سرعت جریان است. این فشار معمولاً با استفاده از معادله جوکوفسکی (Joukowsky) تعیین میشود.
مقدار فشار موج به سرعت فشار موج در لوله و تغییر لحظهای سرعت جریان وابسته است. برای نمونه، در لولهای با DR 21 و سرعت لحظهای 5 ft/s، با استفاده از مقدار 16/0 psi/(ft/s):
16/0 psi/(ft/s) × 5 ft/s = 80 psi
روش دیگر، استفاده از نرمافزارهای تحلیل گذراست. این روش بهخصوص برای سیستمها و لولهگذاریهای پیچیده، امکان بررسی دقیقتر فشار داخلی را فراهم میکند و میتواند شرایطی مانند روشن/خاموش شدن عادی پمپ و بدترین شرایط گذرا، از جمله قطع برق، را در محاسبات لحاظ کند. در صورت استفاده از تجهیزاتی مانند دریچههای هوا یا دستگاههای کنترل ولتاژ نیز استفاده از نرمافزار توصیه میشود.
مراحل طراحی خط فاضلاب تحت فشار PVC
برای یک پروژه نمونه با دمای کارکرد 70 درجه فارنهایت، عمر طراحی 100 سال، زمان پر شدن چاه مرطوب 12 دقیقه و زمان تخلیه 3 دقیقه در حالت عادی یک پمپ، فرآیند طراحی به این ترتیب انجام میشود:
- انتخاب DR/PC اولیه
- ایجاد منحنیهای پمپ و سیستم برای تعیین فشار و سرعت کارکردی
- تعیین فشارهای موجی مقطعی و نوسانی
- انجام سه بررسی اولیه فشار داخلی
- استفاده از معادله فولکمن برای تعیین تعداد چرخههای شکست
- محاسبه عمر چرخهای با استفاده از چرخه پمپ یا وقوع موج در سال
- انجام بررسی طراحی چرخهای
در این مثال، DR یا PC انتخابشده باید هر چهار مرحله بررسی طراحی را با موفقیت پشت سر بگذارد تا عمر طراحی 100 ساله موردنظر تأمین شود.
در نهایت، انتخاب لوله و اتصالات مناسب باید بر اساس الزامات واقعی پروژه و محاسبات مهندسی انجام شود. برای آشنایی بیشتر با محصولات و راهکارهای مرتبط با لوله و اتصالات، میتوانید به صفحه محصولات یزدپولیکا مراجعه کنید.
