1. ลักษณะของวัสดุและความทนทาน
ข้อดีของโครงสร้างโมเลกุลของ ท่อพีอี คือการรับประกันขั้นพื้นฐานถึงความทนทาน วัสดุโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) ถูกทำปฏิกิริยาโพลีเมอร์จากเอทิลีนโมโนเมอร์ โครงสร้างสายโซ่โมเลกุลเชิงเส้นเป็นปกติและความเป็นผลึกสามารถเข้าถึง 60% -80% โครงสร้างนี้ทำให้ท่อ PE มีความมั่นคงภายในที่ดีเยี่ยม เมื่อเปรียบเทียบกับท่อโลหะ ท่อ PE จะไม่เกิดการกัดกร่อนด้วยเคมีไฟฟ้า และสารเคมีในดินก็ทำลายโครงสร้างโมเลกุลได้ยาก ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับประสิทธิภาพในระยะยาว ข้อมูลการทดลองแสดงให้เห็นว่าอายุการใช้งานตามทฤษฎีของท่อที่ผลิตจากวัตถุดิบ PE คุณภาพสูงสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 50 ปีภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ ซึ่งเกินกว่าอายุการใช้งาน 20-30 ปีของท่อโลหะแบบดั้งเดิมอย่างมาก
ความต้านทานการกัดกร่อนเป็นข้อได้เปรียบหลักของท่อ PE ที่แตกต่างจากท่อโลหะ เนื่องจากเป็นวัสดุที่ไม่มีขั้ว โพลีเอทิลีนจึงแสดงความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อตัวกลางเคมีส่วนใหญ่ เช่น กรด ด่าง และเกลือ และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการลำเลียงของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น น้ำเสียและน้ำเสียอุตสาหกรรม การศึกษาพบว่าท่อ PE แทบไม่ได้รับผลกระทบใดๆ ในช่วงค่า pH ที่หลากหลายตั้งแต่ 2 ถึง 12 และความต้านทานการกัดกร่อนมากกว่าท่อเหล็กถึง 5 เท่า มีประสิทธิภาพโดดเด่นในการขนส่งตัวกลางที่มีฤทธิ์กัดกร่อนในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น สารเคมีและปิโตรเลียม คุณลักษณะนี้ช่วยให้ท่อ PE หลีกเลี่ยงปัญหาการกัดกร่อนแบบรูพรุนและรอยแยกทั่วไปของท่อโลหะในการใช้งานแบบฝัง ซึ่งช่วยขยายวงจรที่ไม่ต้องบำรุงรักษาของระบบได้อย่างมาก ความต้านทานต่อการสึกหรอทำให้ท่อ PE สามารถรักษาอายุการใช้งานที่ยาวนานภายใต้สภาวะการทำงานพิเศษ การทดสอบการขนส่งโคลนแสดงให้เห็นว่าความต้านทานการสึกหรอของท่อ PE สูงกว่าท่อเหล็กถึง 4 เท่า และทำงานได้ดีในการขนส่งของเหลวที่มีอนุภาคของแข็ง ลักษณะนี้เกิดขึ้นจากกลไกการเสียดสีแบบเลื่อนของโซ่โมเลกุลโพลีเอทิลีน - เมื่ออนุภาคสัมผัสกับผนังท่อ โซ่โมเลกุล PE จะเกิดการเคลื่อนตัวเล็กน้อยแทนที่จะแตกหัก ซึ่งก่อให้เกิดผล "การหล่อลื่นในตัวเอง" กรณีทางวิศวกรรมที่เกิดขึ้นจริงแสดงให้เห็นว่าในระบบการขนส่งสารละลาย อายุการใช้งานของท่อ PE สามารถเข้าถึงได้ถึง 3-5 เท่าของท่อเหล็กหล่อ ซึ่งช่วยลดความถี่ในการเปลี่ยนและค่าบำรุงรักษาได้อย่างมาก
โครงสร้างมีความยืดหยุ่นและทนต่อแรงกระแทกรับประกันความสมบูรณ์ของท่อ PE ในระยะยาว การยืดตัวที่จุดขาดของท่อ PE มักจะมากกว่า 500% และรัศมีการดัดงออาจมีขนาดเล็กเพียง 20-25 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ คุณลักษณะนี้ช่วยให้สามารถปรับให้เข้ากับการเสียรูปของฐานรากได้โดยไม่แตกหัก ในเวลาเดียวกัน อุณหภูมิเปราะของท่อ PE ที่อุณหภูมิต่ำจะต่ำถึง -60°C และยังคงทนต่อแรงกระแทกได้ดีในฤดูหนาวในพื้นที่เย็น หลีกเลี่ยงปัญหาการแตกร้าวเปราะที่อุณหภูมิต่ำของท่อแบบเดิม
2. ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความทนทาน
คุณภาพของวัตถุดิบเป็นปัจจัยหลักที่กำหนดความทนทานของท่อพีอี ความแตกต่างด้านประสิทธิภาพของท่อ PE ในท้องตลาดส่วนใหญ่เนื่องมาจากความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบ ประสิทธิภาพการต่อต้านริ้วรอยของท่อที่ผลิตจากวัสดุใหม่จะดีกว่าผลิตภัณฑ์ที่ใช้วัสดุรีไซเคิลอย่างมาก การทดสอบระดับมืออาชีพพบว่าเวลาเหนี่ยวนำออกซิเดชันของวัตถุดิบ PE คุณภาพสูง (ตัวบ่งชี้สำคัญสำหรับการประเมินความต้านทานการเกิดออกซิเดชันทางความร้อนของวัสดุ) สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 30 นาที ในขณะที่ท่อที่ผสมกับวัสดุรีไซเคิลมักจะน้อยกว่า 15 นาที ซึ่งจะส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการต่อต้านริ้วรอยในการใช้งานในระยะยาว นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของเรซิน PE รุ่นต่างๆ ก็แตกต่างกันไปเช่นกัน วัตถุดิบเกรด PE100 มีการปรับปรุงมากกว่า PE80 ถึง 20-30% ในแง่ของความแข็งแรงของอุทกสถิตในระยะยาวและความต้านทานต่อการเติบโตของรอยแตกร้าวที่ช้า
รังสีอัลตราไวโอเลตเป็นสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพของท่อ PE ในสภาพแวดล้อมที่เปิดโล่ง ส่วนประกอบของรังสียูวีในแสงแดดอาจทำให้โซ่โมเลกุลโพลีเอทิลีนแตกหัก ส่งผลให้เกิดรอยแตกและเปราะบนพื้นผิวของท่อ และคุณสมบัติทางกลจะค่อยๆ หายไป การทดสอบแสดงให้เห็นว่าท่อ PE ที่ไม่มีการป้องกันซึ่งถูกแสงแดดโดยตรงจะเสื่อมสภาพอย่างเห็นได้ชัดภายใน 2-3 ปี ในขณะที่ท่อที่คล้ายกันที่ถูกฝังหรือบังแดดสามารถรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่มั่นคงได้นานหลายทศวรรษ คุณลักษณะนี้กำหนดว่าต้องเติมท่อ PE ด้วยสารเพิ่มความคงตัวอัลตราไวโอเลต เช่น คาร์บอนแบล็ค (โดยปกติต้องใช้ปริมาณคาร์บอนแบล็ค ≥ 2%) ในการใช้งานแบบเปิด หรือใช้มาตรการป้องกันการเคลือบภายนอก
ความผันผวนของอุณหภูมิมีผลกระทบสะสมต่ออายุการใช้งานของท่อ PE แม้ว่าท่อ PE จะสามารถรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่มั่นคงในช่วง -60°C ถึง 60°C แต่การขยายตัวและการหดตัวจากความร้อนซ้ำๆ จะทำให้วัสดุล้า เมื่ออุณหภูมิในการทำงานเกิน 40°C อายุการใช้งานของท่อ PE จะลดลงประมาณ 15-20% ทุกๆ 10°C ที่เพิ่มขึ้น ในกรณีที่รุนแรง อุณหภูมิสูง (>70°C) จะทำให้ท่อ PE อ่อนตัวและเสียรูป ทำให้สูญเสียความสามารถในการรับแรงดันโดยสิ้นเชิง ดังนั้น ในพื้นที่ที่มีความแตกต่างของอุณหภูมิมากหรือที่อุณหภูมิของตัวกลางในการลำเลียงผันผวน ควรพิจารณาเป็นพิเศษเกี่ยวกับลักษณะความล้าจากความร้อนของท่อ PE และหากจำเป็น ควรเลือกพันธุ์ดัดแปลงที่ทนต่ออุณหภูมิ หรือควรลดความดันการออกแบบ
การพังทลายของตัวกลางสารเคมีอาจจำกัดอายุการใช้งานของท่อ PE ภายใต้สภาพการทำงานบางอย่าง แม้ว่า PE จะมีความต้านทานต่อสารเคมีส่วนใหญ่ได้ดี แต่ตัวทำละลายอินทรีย์บางชนิด (เช่น ไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกฮาโลเจน) และสารออกซิไดซ์ที่แรง (เช่น กรดไนตริกเข้มข้นและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์) อาจทำให้เกิดอาการบวมหรือการแตกหักของสายโซ่โมเลกุลได้ จากประสบการณ์จริงแสดงให้เห็นว่าในอุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไล ท่อ PE มีความทนทานต่อสารละลายด่างเจือจางได้ดีเยี่ยม แต่ควรใช้ด้วยความระมัดระวังในสภาพแวดล้อมที่มีคลอรีนชื้น
ความเครียดทางกลในระยะยาวอาจทำให้ท่อ PE ขัดข้อง แม้ว่าท่อ PE จะมีความทนทานต่อแรงกระแทกในระยะสั้นได้ดีเยี่ยม แต่แรงดันภายนอกอย่างต่อเนื่องหรือความเค้นแรงดึงอาจทำให้การแตกร้าวช้า (SCG)
3. วิธีการประเมินและทดสอบความทนทาน
การทดสอบการเร่งอายุเป็นวิธีสำคัญในการทำนายประสิทธิภาพในระยะยาวของท่อ PE ห้องปฏิบัติการมักจะใช้ห้องบ่มแสงอัลตราไวโอเลต (เช่น QUV) หรือห้องบ่มหลอดไฟซีนอนเพื่อจำลองสภาพแวดล้อมกลางแจ้ง ด้วยการปรับปรุงสภาวะต่างๆ เช่น แสง อุณหภูมิ และความชื้น ข้อมูลการเสื่อมสภาพที่เทียบเท่ากับการสัมผัสตามธรรมชาติเป็นเวลาหลายปีสามารถรับได้ภายในหลายร้อยชั่วโมง วิธีการทดสอบมาตรฐานกำหนดให้ควบคุมความเข้มของการฉายรังสีที่ 0.77 วัตต์/ตร.ม. (ที่ 340 นาโนเมตร) อุณหภูมิมาตรฐานสีดำอยู่ที่ 65°C และพ่นรอบการพ่นเป็นเวลา 18 นาทีทุกๆ 102 นาที ด้วยการเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกลของตัวอย่างก่อนและหลังการบ่ม ทำให้สามารถประเมินแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงความต้านทานต่อสภาพอากาศของท่อ PE ได้อย่างแม่นยำ
การทดสอบอุทกสถิตในระยะยาวเป็นวิธีการหลักในการประเมินอายุการใช้งานของท่อ PE แรงดันภายในคงที่จะถูกนำไปใช้กับท่อ PE ที่อุณหภูมิต่างๆ และเวลาจนกระทั่งเกิดความล้มเหลวจะถูกบันทึก จากนั้นค่าความแข็งแรงของอุทกสถิตในระยะยาว (LTHS) หลังจาก 50 ปีจะถูกคาดการณ์โดยหลักการของการทับซ้อนของอุณหภูมิเวลา ข้อมูลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าเวลาความล้มเหลวของท่อ PE คุณภาพสูงภายใต้ความเครียด 20°C 9.0MPa เกิน 10,000 ชั่วโมง และความน่าจะเป็นในการอยู่รอด 50 ปีที่คาดการณ์ไว้คือ >97% วิธีนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการจำแนกประเภทท่อ PE (เช่น PE80PE100) และยังเป็นพื้นฐานสำหรับค่าความเค้นที่อนุญาตในการออกแบบทางวิศวกรรมอีกด้วย
ชุดทดสอบคุณสมบัติทางกายภาพสามารถประเมินสถานะของท่อ PE ได้อย่างครอบคลุม การทดสอบทั่วไปได้แก่:
การทดสอบประสิทธิภาพแรงดึง: การวัดการยืดตัวที่จุดขาด (ข้อกำหนดมาตรฐาน ≥350%)
การทดสอบความต้านทานแรงกระแทก: ประเมินความสามารถในการต้านทานแรงกระแทกทันที
การทดสอบโมดูลัสแรงดัดงอ: สะท้อนถึงการเปลี่ยนแปลงของความแข็งของท่อ
การทดสอบความแข็ง: ตรวจสอบระดับความชราของพื้นผิววัสดุ
