اکستروژن لوله پلی اتیلن

اکستروژن لوله
بخشی از فصل ۴ کتاب راهنمای جامع لوله های پلی اتیلن

قسمت‌های اصلی تجهیزات ساخت لوله‌های پلی‌اتیلن تک جداره در شکل ۴-۱ نشان داده شده است. در این بخش به تشریح نحوه تولید لوله تک جداره، شامل مراحل آماده سازی مواد اولیه، اکستروژن، اندازه بندی، خنک کردن، چاپ، برش و رسیدن به محصول نهایی پرداخته می‌شود. جزئیات مربوط به لوله‌های با دیواره پروفیلی نیز در بخش‌های مربوطه مورد بحث واقع شده‌اند.

توصیف مواد اولیه
کیفیت رزین اولیه به دقت در سایت تولید رزین کنترل می‌شود. همانطور که در فصل «روش‌ها و کدهای آزمونِ» این کتاب راهنما گفته شد، دسته‌ای از آزمایش‌ها برای حصول اطمینان از کیفیت عالی رزین مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک برگه گواهینامه که شامل خواص فیزیکی مهم لوله است به سازنده لوله و اتصالات ارسال می‌گردد. این خواص شامل شاخص ذوب، چگالی، ESCR (مقاومت در برابر ترک در اثر تنش محیطی) و SCG (رشد آرام ترک)، آزمون‌های تعیین کننده پایداری و غیره می‌باشند. تأمین کننده رزین و تولید کننده لوله ممکن است در مورد انجام آزمون‌های دیگری نیز توافق کنند.

خط اکستروژن
مواد خام پلی‌اتیلنی، عموماً بصورت پالت‌های بدون رنگدانه برای تولید کننده لوله ارسال می‌شود. پالت‌های پلی‌اتیلن برای حفاظت در برابر گرما و اشعه ماوراء بنفش، پایدارسازی می‌شوند. معمولاً رنگدانه ها در تأسیسات تولید کننده، به لوله افزوده می‌شوند. متداول‌ترین رنگ‌ها در آمریکای شمالی، سیاه و زرد هستند. انتخاب رنگ وابسته به نوع کاربرد لوله‌ها و تقاضای خریدار لوله خواهد بود. رنگ سیاه کربن (ذغالی) متداول‌ترین رنگدانه برای لوله‌های مورد استفاده در بخش آب، صنعت، فاضلاب و سایر لوله گذاری‌های سطحی (روی زمین) است. رنگ زرد مختص گاز طبیعی است، اگرچه استفاده از رنگ مشکی با نوارهای زرد نیز برای این کاربرد مجاز است. سایر رنگ‌ها برای ارتباطات مخابراتی و سایر بازارهای تخصصی مورد استفاده قرا می‌گیرند.

همه استاندردهای ASTM و بسیاری از استانداردهای صنعتی دیگر، مشخص کرده‌اند که برای تولید لوله‌ها و اتصالات فشار قوی، باید از ترکیباتی که در استاندارد مؤسسه PPI وجود دارد، استفاده کرد. منظور از «ترکیب» در اینجا مخلوطی از رزین طبیعی، عصاره رنگ و اجزایی است که هر یک از این دو ماده را آماده سازی می‌کند. تولید کننده لوله نباید هیچ یک از اجزای موجود در دستورالعمل را تغییر دهد. مثلاً جایگزینی عصاره رنگ می‌تواند استحکام بلند مدت لوله را تحت تأثیر قرار دهد. اعمال هر گونه تغییری در فرمول ارائه شده، می‌بایست قبلاً مورد تأیید قرار بگیرد. این شرایط سخت گیرانه باعث می‌شود اطمینان حاصل گردد که تنها ترکیباتی که قبلاً آزمایش و تأیید شده‌اند، مورد استفاده واقع می‌شوند.

اگر رزین بصورت پالت‌های طبیعی تأمین شود، تولید کننده قبل از اکسترود لوله، اقدام به مخلوط کردن یک عصاره رنگ با رزین می‌کند. هر تولید کننده‌ای که لوله را به این روش تولید می‌کند، برای بدست آوردن امتیاز ثبت در لیست PPI می‌بایست داده‌های کار خود را منطبق با استاندارد ASTM 2837 ثبت کند. سپس ترکیب ارائه شده توسط کارخانه برای فهرستی خاص، واجد شرایط استفاده اعلام می‌شود و با همین عنوان در گزارش PPI بنام TR-4(6) لحاظ می‌شود. تولید کنندگان لوله‌های آب قابل حمل معمولاً می‌بایست تأییدیه بین المللی NSF یا یک آزمایشگاه هم تراز آن را داشته باشند.

آماده سازی مواد خام
بعد از اینکه مواد اولیه از آزمون‌های کنترل کیفیت سازنده رزین گذشتند، با وزن ۱۸۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰ پوند در واگن‌های ریلی، ۴۰۰۰۰ پوند در کامیون و یا ۱۰۰ تا ۱۴۰۰ پوند در جعبه به تأسیسات سازنده لوله ارسال می‌شوند.

هر کارخانه تولید لوله، یک سری دستورالعمل‌های کنترل کیفی را برای آزمایش رزین ورودی از نظر مشخصات مورد تقاضا، به مرحله اجرا می‌گذارد. پارامترهایی که معمولاً مورد آزمایش قرار می‌گیرند عبارت‌اند از: نرخ جریان مذاب[۱]، چگالی، محتوای رطوبت و بررسی آلودگی‌های احتمالی. بسیاری از تولید کنندگان رزین برای اطمینان از استحکام محصول، از فرآیند کنترل آماری[۲] (SPC) روی برخی از خصوصیات فیزیکی مهم استفاده می‌کنند.

رزین با استفاده از سیستم پنوماتیک[۳] از انتقال دهنده‌های عمده (واگن ریلی، کامیون، …) به سیلوهایی در محل کارخانه انتقال پیدا می‌کند. پس از آن، رزین توسط سیستم خلاء از سیلوها به اکسترودر منتقل می‌شود. مواد اولیه از پیش رنگ شده می‌توانند مستقیماً به ورودی خوراک (هاپر[۴]) در بالای اکسترودر منتقل شوند. اگر مواد رنگ شده نیستند ابتدا باید بطور همگن با عصاره رنگ مخلوط شوند. امتزاج عصاره رنگ با رزین، هم می‌تواند در یک مخلوط کننده مرکزی جدا از اکسترودر صورت بگیرد و هم اینکه در یک مخلوط کننده که در بالای هاپر نصب شده است، انجام شود. برای حصول اطمینان از اینکه مقدار صحیحی از عصاره رنگ با مواد اولیه مخلوط می‌شود، بازده مخلوط کننده بطور مرتب بررسی می‌گردد.

اصول اکستروژن
کار اکسترودر عبارت است از حرارت دادن، ذوب کردن، مخلوط کردن و انتقال مواد به قالب (دای). در دای مواد به شکل لوله در می‌آیند (۸). طراحی پیچ اکسترودر در بازده اکسترودر و کیفیت لوله تولیدی نقش حیاتی دارد. در مواقعی که اکسترودر کار مخلوط کردن را هم انجام می‌دهد، بخش‌های مخلوط کننده پیچ، برای تولید یک مخلوط همگن حائز اهمیت هستند. یک اکسترودر رایج در شکل ۴-۲ نشان داده شده است.

انواع بسیار مختلفی از طراحی پیچ وجود دارد (۱۰)، ولی همه آن‌ها دارای ویژگی‌های مشترکی هستند که در شکل ۴-۳ نشان داده شده است. هر پیچ بطور ویژه برای نوعی از مواد خام، طراحی شده است.

پیچ اکسترودر بر اساس قانون چسبیدن/لغزش[۵] عمل می‌کند. پلیمر تمایل دارد به محفظه استوانه‌ای (بَرِل) بچسبد، اما چرخش پیچ، مواد را به سمت جلو می‌راند. در همین حال پلیمر در معرض حرارت، فشار و تنش برشی (تنش برشی حرارت ایجاد می‌کند) قرار می‌گیرد. این سه فاکتور تا حدی تابع سرعت پیچ، تنظیمات حرارتی محفظه استوانه‌ای و طراحی پیچ هستند. طراحی پیچ برای تولید لوله‌های با کیفیت، حائز اهمیت است.

در مواقعی که رزین طبیعی با یک مخلوط[۶] دیگر ترکیب می‌شود، پیچ باید در امتزاج رنگدانه های مخلوط با رزین طبیعی مشارکت داشته باشد. همانطور که در شکل ۴-۴ نشان داده شده است، ابزارهای مخلوط کننده متفاوتی برای این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ابزارها شامل حلقه‌ها و خارهای مخلوط کن، مخلوط کن‌های شیاردار[۷] یا حفره دار[۸]، حلقه‌های جوش دار (برجستگی) و مخلوط کننده‌های مارپیچی می‌شود که به پیچ افزوده می‌شوند.

خط اکسترود لوله عموماً از اکسترودر، قالب (دای)، سیستم‌های خنک کننده، کِشنده[۹]، چاپگر، تیغه[۱۰] و تجهیزات جمع آوری تولیدات[۱۱] تشکیل شده است. در بخش‌های بعدی هر یک از این موارد تشریح خواهند شد.

اکسترودرها
یک اکسترودر معمولاً با اندازه حفره و طول محفظه استوانه‌ای (بَرِل اکسترودر)[۱۳] توصیف می‌شود. اکسترودرهای لوله عموماً قطر داخلی ۲ تا ۶ اینچ و طول محفظه استوانه‌ای ۲۰ تا ۳۲ برابر قطر حفره‌شان دارند. نسبت طولِ برل اکسترودر به قطر داخلی با نام نسبت L/D شناخته می‌شود. اکسترودر با نسبت L/D برابر با ۲۴:۱ یا بیشتر، مقاومت کافی برای تولید مخلوطی همگن را ایجاد می‌کند.

اکسترودر برای حرارت دهی و نرم کردن مواد اولیه و سپس راندن پلیمر مذاب حاصله به دایِ تولید لوله به کار می‌رود. بَرل اکسترودر دارای مجموعه‌ای از ۴ تا ۶ ناحیه گرمایشی است. دمای هر ناحیه بطور مجزا توسط ترموکوپل مکانیزه‌ای کنترل می‌شود. در طی فرآیند تولید، بخش اعظم حرارت داده شده به پلیمر، ناشی از برشی است که توسط پیچ و موتور محرکه سیستم ایجاد می‌گردد. این حرارت را می‌توان با خنک کردن یا حرارت دادن بیشتر به نواحی مختلف برل اکسترودر، توسط سیستم‌های خنک کننده بادی یا آبی، کنترل کرد. این مسئله به این دلیل اهمیت دارد که مقدار حرارتی که داده شده به پلیمر باید بطور دقیق کنترل شود. دمای پلیمر ذوب شده در اکسترودر معمولاً بین ۳۶۰ تا ۴۵۰ درجه فارنهایت است و بعلاوه پلیمر مذاب تحت فشار بالایی است (۲۰۰۰ تا psi 4000).

صفحه بریکر[۱۴]/ فیلتر مشبک[۱۵]
پلیمر مذاب بصورت دو نوار از اکسترودر خارج می‌شود. سپس از میان فیلتر مشبک عبور می‌کند که شامل یک یا بیش از یک فیلتر با توری سیمی می‌باشد که در برابر صفحه بریکر قرار گرفته‌اند. صفحه بریکر یک صفحه فولادی سخت و مشبک است که جهت نگه داری فیلتر به کار می‌رود. فیلتر مشبک از ورود آلودگی‌های خارجی به ساختار لوله جلوگیری می‌کنند و به توسعه یک توزیع فشار در طول پیچ کمک می‌کنند. این مطلب به همگن سازی پلیمر کمک می‌کند. بسیاری از اکسترودرها برای تعویض فیلتر کثیف، مجهز به ابزار تعویض اتوماتیک فیلتر می‌باشند. این ابزار، بدون برداشتن سر قالب از روی اکسترودر، فیلتر مشبک قبلی را برداشته و مجموعه جدید را جایگزین آن می‌کند.

طراحی دای
دای تولید لوله، پلیمر مذاب را پیرامون ماندرل[۱۶] جامد سختی توزیع می‌کند که آن را به فرم لوله‌ای شکل برای لوله تک جداره در می‌آورد (۹). تولید لوله با دیواره پروفیلی شامل اکسترود کردن پلیمر مذاب از میان قالبی است که نمایه شکلی بخصوصی دارد.

سر دای مستقیماً پس از تعویض کننده فیلتر قرار گرفته است، مگر آنکه اکسترودر دو بخش شود و دو قالب را تغذیه کند.

دو نوع طراحی متداول برای دای لوله‌های تک جداره وجود دارد؛ دای عنکبوتی[۱۷] و دای سبدی[۱۸] که در شکل ۴-۵ نشان داده شده‌اند. این دای ها با توجه به روش تقسیم جریان مذاب و توزیع آن به شکل لوله، و همچنین با توجه به وسیله‌ای که ماندرل را در جای خود نگه می‌دارد، شناخته می‌شوند.

در قالب عنکبوتی (شکل ۴-۵ الف) جریان مذاب توسط یک قیف که بوسیله حلقه‌ای از پره‌ها نگهداشته می‌شود، پیرامون ماندرل[۱۹] پخش می‌شود. از آنجا که ماده مذاب توسط پایه‌های عنکبوتی چند تکه می‌شود، جریان باید بار دیگر یک دست شود. به عبارتی باید از ایجاد خطوط جریان حاصل از نگهدارنده محور، اجتناب شود. این مطلب با استفاده از کاهش سطح حلقوی کانال جریان، درست بعد از پایه‌های عنکبوتی انجام می‌شود که به نوبه خود باعث افزایش فشار قالب شده و باعث همگرایی جریان مذاب می‌گردد و خطوط جوش یا خطوط عنکبوتی را به کمترین حد می‌رساند. وقتی جریان مذاب دوباره یک دست شد، ماده مذاب به داخل آخرین بخش قالب به نام لَند[۲۰] منتقل می‌شود.

لَند، بخشی از قالب است که مساحت سطح مقطع ثابتی دارد، بار دیگر جریان یکنواختی را برقرار می‌سازد و شکل‌دهی نهایی ماده مذاب را ممکن می‌سازد. همچنین لَند مقدار زمان مشخصی را برای استراحت[۲۱] به رزین می‌دهد. اگر طول لَند بیش از اندازه کوتاه باشد، ممکن است روی سطح لوله تولیدی تأثیر منفی داشته باشد. طول متداول لَند بین ۱۵ تا ۲۰ برابر فضای حلقوی است.

طراحی سبدی (شکل ۴-۵ ب) نسبت به طراحی عنکبوتی دارای مزیتی در زمینه همگرایی مواد مذاب است. پلیمر مذاب از میان صفحه یا درپوشی مشبک که دارای صدها سوراخ ریز است، گذرانده می‌شود. سپس پلیمر تحت فشار به شکل گرد، یک دست می‌شود. درپوش مشبک که به نام سبد فیلتر نیز نامیده می‌شود، خطوط پایه عنکبوتی را حذف می‌نماید.

اندازه‌بندی لوله
ابعاد و حدود تغییرات ابعاد لوله در عملیات اندازه بندی و خنک کردن، مشخص و تنظیم می‌شود. اندازه لوله را طی خنک سازی مواد مذاب در ابعاد مورد نظر، ثابت می‌کند. این فرآیند برای لوله‌های تک جداره، با کشیدن مواد داغ داخل دای از میان یک سَریِ اندازه بندی، به درون محفظه خنک سازی صورت می‌پذیرد. اندازه بندی ممکن است با استفاده از تکنیک‌های خلاء یا فشار انجام شود. عموماً اندازه بندی با استفاده از خلاء متداول است.

در سیستم اندازه بندی خلاء، مواد مذاب اکسترود شده از درون حلقه‌ها و یا یک تیوب اندازه بندی در حالی کشیده می‌شوند که سطح آن‌ها به قدر کافی سرد شده تا ابعاد مورد نظر و فرم گِرد خود را حفظ کند. سطح خارجی لوله با استفاده از خلاء در برابر تغییر اندازه حفظ می‌شود. بعد از اینکه لوله از محفظه اندازه بندی خارج می‌شود، به درون محفظه خلاء ثانویه و یا مجموعه‌ای از محفظه‌های خنک کننده غوطه وری و یا پاشنده منتقل می‌گردد.

در سیستم اندازه بندی فشاری، با استفاده از یک درپوش (پلاگ) که توسط کابل به سری دای متصل شده، و یا در لوله‌های با حفره بسیار کوچک، با بستن انتهای لوله، یک فشار مثبت روی سطح داخلی لوله اعمال می‌شود. فشار سطح خارجی لوله در حد محیط نگهداشته می‌شود و ماده مذاب به سمت پوسته کالیبره رانده می‌شود و نتیجه‌ای مشابه با سیستم خلاء حاصل می‌گردد.

تولید لوله‌های پروفیلی با قطر بسیار زیاد، تا قطر ۱۰ فوت، با استفاده از اندازه‌بندی ماندرل[۲۲] انجام می‌شود. در یک نوع از این فرایند، پروفیل اکسترود شده به دور ماندرل پیچیده می‌شود. با چرخش ماندرل، پروفیل اکسترود شده طوری پیچیده می‌شود که هر دور با دور قبلی هم‌پوشانی کند. در بعضی تکنیک‌ها، دورها هم‌پوشانی نمی‌کنند. یک لوله پلی‌اتیلن با جدار پروفیلی، در شکل ۴-۷ نشان داده‌ شده‌ است.

خنک سازی
در مورد هر یک از تکنیک‌های اندازه بندی خلاء یا فشار، لوله باید به اندازه کافی خنک باشد تا گردی خود را پیش از خروج از محفظه خنک سازی حفظ کند. روش‌های مختلف خنک سازی برای زدودن گرمای باقی مانده از لوله‌های پلی‌اتیلن به کار گرفته شده‌اند. با توجه به اندازه لوله، می‌توان از روش غوطه وری کامل یا پاشش (اسپری) استفاده کرد. تکنیک پاشش معمولاً برای لوله‌های با قطر بالا استفاده می‌شود که در مورد آن‌ها غوطه وری کامل مناسب نیست. لوله‌های با قطر کمتر معمولاً در حمامی از آب غوطه ور می‌شوند. دمای آب خنک کننده عمدتاً در بازه بهینه ۴۰ تا ۵۰ درجه فارنهایت (۴ تا ۱۰ درجه سلسیوس) می‌باشد. طول کلی حمام آب باید بقدر کافی بلند باشد تا دمای لوله تا کمتر از ۱۶۰ درجه فارنهایت (۷۱ درجه سلسیوس) کاهش یابدو لوله قادر به تحمل عملیات بعدی که روی آن صورت می‌گیرد، باشد.

تنش‌های باقی مانده در دیواره لوله که توسط فرآیند خنک سازی بوجود آمده‌اند، تحت فرایند عملیات حرارتی[۲۳] به حداقل می‌رسند. (۴) این نواحی، فضاهایی مابین حمام‌های خنک کننده هستند که به حرارت موجود در دیواره داخلی لوله اجازه خروج می‌دهند و کل دیواره لوله را عملیات حرارتی می‌نمایند. وجود فضاهای مناسب در بین حمام‌های خنک کننده در کنترل تنش‌های دیواره لوله حائز اهمیت است. با کمینه شدن تنش‌های دیواره داخلی لوله، عملکرد دراز مدت لوله بهبود می‌یابد.

کشنده‌ها
کشنده باید نیروی کافی را جهت کشیدن لوله در طول کل عملیات خنک سازی تأمین کند. این سیستم همچنین ضخامت مناسب دیواره را با اعمال آهنگ کشش ثابت، کنترل می‌نماید. آهنگی که لوله با آن کشیده می‌شود در ترکیب با سرعت پیچ اکسترودر، ضخامت دیواره لوله نهایی را مشخص می‌کنند. در سرعت ثابت پیچ، افزایش سرعت کشنده باعث کاهش ضخامت دیواره می‌شود، در حالیکه کاهش سرعت کشنده در همان سرعت پیچ با افزایش ضخامت دیواره همراه خواهد بود.

استانداردهای بین المللی ASTM و سایر دستورالعمل‌ها مقرر کرده‌اند که لوله باید در بازه‌های مشخصی مرتباٌ علامت گذاری شود. علامت گذاری‌ها شامل اندازه اسمی لوله، نوع پلاستیک، SDR و یا آهنگ فشار، و نام تولید کننده یا علامت تجاری و کد تولید می‌شود. علامت‌ها معمولاً از جنس جوهر بوده و با استفاده از چاپ آفست روی سطح لوله درج می‌شوند. سایر روش‌های ساخت شامل مهر داغ، چاپ جوهر افشان و حکاکی می‌شوند. اگر از حکاکی استفاده شود، علامت گذاری نباید ضخامت دیواره را به کمتر از حداقل مقدار آن برای لوله یا تیوب کاهش دهد و استحکام بلند مدت لوله یا تیوب نباید تحت تأثیر قرار بگیرد. همچنین در مواقعی که گَسکِت یا اتصالات فشاری در اتصال با لوله یا تیوب مورد استفاده قرار می‌گیرند، علامت گذاری نباید باعث ایجاد مسیر نشتی شود.

تجهیزات جمع‌آوری تولیدات
بیشتر لوله‌های ۴ اینچی و پایین تر می‌توانند برای سادگی نقل و انتقال و کار با آن‌ها، کلاف شوند (مثل سیم پیچ به دور قرقره). برخی تولید کنندگان، لوله‌های کلافی به بزرگی ۶ اینچ دارند. تجهیزات موجود به لوله اجازه می‌دهند تا در طول‌های مختلفی پیچیده شود. بسته به قطر لوله، کلاف کردن طول‌هایی تا ۱۰۰۰۰ فوت هم امکان پذیر هستند. این مسئله در مواقعی که لوله‌های غیر منقطع در طول‌های بلند مورد نیاز باشند، بعنوان نمونه در زمان نصب لوله‌های گاز و آب، مفید است.

تجهیزات برش و بسته بندی
لوله‌های با قطر ۴ اینچ و بالاتر معمولاً برای انبار کردن و نقل و انتقال، در طول‌های مشخصی بریده می‌شوند. طول‌های متداول بین ۴۰ تا ۵۰ فوت می‌باشند که به سادگی توسط خطوط ریلی یا کامیون قابل نقل و انتقال هستند. لوله معمولاً پیش از قرار گرفتن در واگن ریلی یا کامیون، بسته بندی می‌شود. بسته بندی باعث سادگی کار و ایمنی در زمان بارگیری و تخلیه بار می‌شود.

[۱] Melt flow index

[۲] Statistical process control

[۳] Pneumatically

[۴] Hopper

[۵] Stick/Slip principle

[۶] Blend

[۷] Fluted mixer

[۸] Cavity transfer mixer

[۹] Puller

[۱۰] Saw

[۱۱] Take-off equipment

[۱۲] Helical mixer

[۱۳] Barrel length

[۱۴] Breaker plate

[۱۵] Screen Pack

[۱۶] Mandrel

[۱۷] Spider die design

[۱۸] Basket die design

[۱۹] Mandrel

[۲۰] Land

[۲۱] Relaxation

[۲۲] Mandrel sizing

[۲۳] Annealing: ماده را در دمایی حدود دمای بحرانی آن قرار داده و به آن زمان می هند تا تنش‌های باقی مانده ناشی از سرد کردن سریع لوله، رها شود. این فرآیند استحکام و چقرمگی ماده را افزایش می‌دهد.