انتخاب لوله مناسب در شبکه‌های آبرسانی و فاضلابی

در حال حاضر، مواد مختلفی در کاربردهای گوناگون شبکه‌های آب شهری از جمله چدن داکتیل (DI) ، فولاد (ST)، بتن پیش‌تنیده (PSC) پلیمر تقویت‌شده با الیاف شیشه (GRP) ، پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و پلی‌وینیل کلراید سخت (uPVC) مورد استفاده قرار می‌گیرند. هدف این مقاله، توسعه یک الگوریتم برای انتخاب مناسب‌ترین نوع لوله در کاربردهای مختلف شبکه‌های آبرسانی است؛ به‌گونه‌ای که پارامترهای طراحی، تجربه‌های محلی، شرایط محیطی، ساخت، بهره‌برداری، نگهداری و ارزیابی مالی را مد نظر قرار دهد.

ارزیابی فنی شامل بررسی ویژگی‌های سازه‌ای، شرایط محیطی، ساخت، بهره‌برداری و نگهداری است. تأثیر هر یک از این پارامترها از یک پروژه تا پروژه دیگر متفاوت است و به «ضریب شدت پروژه» بستگی دارد. ارزیابی مالی نیز هزینه‌های تأمین و نصب تمامی انواع لوله‌های انتخابی را در نظر می‌گیرد. روش انتخاب مناسب‌ترین نوع لوله برای کاربردهای مشخص در شبکه‌های آبرسانی در چهار مرحله انجام می‌شود که در شکل ۱ نمایش داده شده است:

شکل ۱ مراحل انتخاب لوله مناسب

مرحله اول: حذف موارد نامناسب

در این مرحله، نمودار حذف طراحی می‌شود تا انواع لوله‌های قابل قبول برای یک کاربرد مشخص انتخاب شوند. همچنین پارامترهای طراحی و تجربیات محلی در استفاده از مواد مختلف لوله بایستی در نظر گرفته شود.

مرحله دوم: ارزیابی فنی

در این مرحله، از میان مواد لوله انتخاب‌شده در مرحله قبل ارزیابی فنی انجام می‌گیرد. این ارزیابی شامل ویژگی‌های سازه‌ای (طول عمر مفید، مقاومت در برابر فشارهای داخلی، مقاومت در برابر فشارهای خارجی، مقاومت در برابر بارهای ضربه‌ای) ، شرایط محیطی (مقاومت در برابر خوردگی خاک، مقاومت در برابر خوردگی ناشی از آب‌های زیرزمینی، مقاومت در برابر خوردگی داخلی، مقاومت در برابر خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان) و ساخت، بهره‌برداری و نگهداری (عرض مسیر نصب، نیاز به بسترگذاری ویژه، نیاز به بلوک‌های مهاری، سهولت اتصال لوله‌ها، سهولت تشخیص نشتی، سهولت تعمیر، وزن لوله) می‌شود.

برای هر نوع لوله، بر اساس معیارهای فنی، امتیازی از 1 تا 5 در نظر گرفته می‌شود (مطابق جدول ۱).

جدول ۱ سیستم امتیازدهی ارزیابی فنی

مطابق جدول ۲ و ارزیابی فنی مشخص شده است که از نظر کلی پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE)  بهترین نوع لوله است، پس از آن به ترتیب چدن داکتیل، بتن پیش‌تنیده، پلی‌وینیل کلراید سخت، فولاد و در نهایت پلیمر تقویت‌شده با الیاف شیشه قرار دارند.

جدول ۲ پارامترهای کلی ارزیابی فنی مواد لوله

شکل ۲ مقایسه فنی و مالی میان مواد انتخابی برای لوله

بررسی جامع ارزیابی چرخه عمر انواع مواد مورد استفاده در خطوط لوله

در حال حاضر جهان با چالش‌های زیست‌محیطی بزرگی مانند گرمایش جهانی، آلودگی محیط‌زیست، تخریب لایه اوزون و انباشت زباله روبه‌رو است. تحقیقات چند دهه اخیر نشان می‌دهد تغییرات اقلیمی با سرعت در حال وقوع است و در آینده نیز ادامه خواهد داشت؛ بنابراین، اقدام فوری برای کاهش اثرات منفی سبک زندگی مدرن ضروری است. صنعت ساخت‌وساز با وجود نقش مهم در توسعه مسکن و زیرساخت‌ها، سهم بالایی در آلودگی محیط‌زیست دارد و حدود ۴۰ درصد از کل انرژی جهان را مصرف می‌کند؛ پیش‌بینی می‌شود این رقم تا سال ۲۰۳۰ حدود ۵۰ درصد افزایش یابد. وابستگی به سوخت‌های فسیلی منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای و تشدید گرمایش جهانی شده است. در نتیجه، انتخاب مواد با انرژی نهفته کمتر و منابع انرژی پایدار برای کاهش اثرات زیست‌محیطی اهمیت دارد.

لوله‌ها نقشی کلیدی در صنعت ساخت‌وساز (شبکه‌های آب‌رسانی و فاضلاب شهری) و همچنین در صنایع فرآیندی و نفت و گاز برای انتقال سیالات دارند. پیش‌تر، از لوله‌های فلزی استفاده می‌شد، اما پدیده خوردگی موجب آسیب و هزینه‌های اقتصادی و زیست‌محیطی قابل‌توجهی می‌شد؛ به‌طوری‌که خوردگی دومین عامل اصلی خرابی لوله‌های فلزی گزارش شده است (شکل ۱). به همین دلیل، استفاده از مواد غیر فلزی مانند لوله‌های پلی اتیلن و بتنی افزایش یافته است.

شکل ۱ عوامل تخریب و آسیب خط لوله

توسعه پایدار زیست‌محیطی مستلزم استفاده از روش‌هایی مانند ارزیابی چرخه عمر (life cycle assessment) برای سنجش و مقایسه اثرات زیست‌محیطی محصولات و خدمات است. شبکه‌های لوله‌کشی به‌دلیل مصرف منابع، انتشار آلاینده‌ها، تغییر کاربری زمین و سایر مداخلات، اثرات قابل‌توجهی بر محیط‌زیست دارند. بررسی مطالعات ارزیابی چرخه عمر انجام‌شده بر روی لوله‌های با جنس‌های مختلف نشان می‌دهد که مرحله بهره‌برداری بیشترین سهم را در مصرف انرژی و پتانسیل گرمایش جهانی دارد، که این موضوع اهمیت ویژه‌ای در طراحی و مدیریت زیرساخت‌های لوله‌کشی دارد. بنابراین، برای دستیابی به آینده‌ای پایدار، شناسایی مراحل بحرانی چرخه عمر و بررسی گزینه‌های جایگزین برای کاهش اثرات زیست‌محیطی شبکه‌های لوله ضروری است.

اثرات زیست‌محیطی مرحله تولید مواد و ساخت لوله

چرخه کامل عمر یک شبکه لوله‌کشی شامل مراحل مختلفی است که در شکل ۲ نمایش داده شده است.

شکل ۲ چرخه عمر شبکه‌های لوله‌کشی: از تولد تا پایان عمر

اثرات زیست‌محیطی مرحله تولید مواد اولیه و ساخت لوله در شکل ۳ نشان داده شده است. همان‌طور که دیده می‌شود، لوله‌های فولادی کربنی در این مرحله اثرات زیست‌محیطی بسیار بیشتری نسبت به لوله‌های پلی اتیلنی و بتنی دارند. دلیل اصلی این موضوع، مصرف بیشتر مواد اولیه در فرآیند ساخت لوله‌های فولادی کربنی است.

بر اساس گزارش های علمی، تولید یک کیلومتر لوله فولادی کربنی با قطر 200 میلی‌متر، معادل ۱۰۵تن کربن دی اکسید (CO₂) پتانسیل گرمایش جهانی (global warming potential(GWP)) داشته و به ۳۶۰۰۰ کیلوگرم مواد اولیه نیاز دارد، در حالی‌که لوله پلی اتیلنی با همان قطر و طول تنها ۵/۲۵ تن GWP و ۸۵۰۰کیلوگرم مواد مصرف می‌کند. همچنین، مصرف انرژی در این مرحله نقش مهمی در میزان GWP دارد؛ ساخت یک لوله فولادی 3 متری با قطر 125 میلی‌متر۳۹۵ کیلووات ساعت انرژی نیاز دارد، در حالی‌که برای لوله پلی اتیلنی با همان ابعاد فقط ۵/۸۱ کیلووات ساعت انرژی مصرف می‌شود.

شکل ۳ اثرات زیست‌محیطی در مرحله تولید مواد اولیه و ساخت لوله‌ها برای انواع مختلف مواد لوله‌کشی

همچنین مشاهده شده است که قطر لوله تأثیر چشمگیری بر پتانسیل گرمایش جهانی در مرحله مواد و ساخت دارد؛ زیرا هرچه قطر لوله بیشتر باشد، مواد و انرژی بیشتری مورد نیاز است. جالب اینکه در برخی موارد، لوله فولادی با قطر 304 میلی‌متر GWP بیشتری نسبت به لوله 508 میلی‌متری داشته است، زیرا ضخامت دیواره و وزن لوله مورد استفاده بیشتر بوده است. در مورد لوله‌های بتنی نیز نتایج نشان می‌دهد که لوله‌های بتنی با قطر بزرگ‌تر GWP بالاتری نسبت به قطرهای کوچک‌تر دارند، زیرا ساخت آن‌ها به مواد و انرژی بیشتری نیاز دارد.

اثرات زیست‌محیطی مرحله حمل‌ونقل لوله‌ها

در این مرحله، مقدار کل سوخت مصرفی و اثرات زیست‌محیطی ناشی از انتقال لوله‌ها از محل تولید تا محل نصب بر اساس مسافت طی‌شده محاسبه می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که لوله‌های بتنی بیشترین سهم را در پتانسیل گرمایش جهانی طی حمل‌ونقل دارند، در حالی‌که لوله‌های فولادی کربنی و به‌ویژه پلی اتیلنی سهم بسیار کمتری دارند (شکل ۴). دلیل اصلی این موضوع وزن زیاد لوله‌های بتنی است؛ کامیون‌ها برای حمل این لوله‌ها به توان و سوخت بیشتری نیاز دارند و در نتیجه انتشار گازهای گلخانه‌ای افزایش می‌یابد.

شکل ۴ اثرات زیست‌محیطی در مرحله حمل‌ونقل لوله‌ها

وزن یک لوله بتنی با قطر 400 میلی‌متر حدود ۱۳۴۱۰۰ کیلوگرم است و به‌طور متوسط ۵۹/۲ تن CO₂ در هر کیلومتر به GWP اضافه می‌کند. در مقابل، یک لوله پلی اتیلنی با قطر 125 میلی‌متر تنها حدود ۳۸۰۰ کیلوگرم وزن دارد و سهم آن از GWP حدود ۰۶۶/۰  تن CO₂ در هر کیلومتر است، که تقریباً ۳۰۰۰ برابر کمتر از لوله بتنی است.

به‌طور کلی، لوله‌های ساخته‌شده از مواد جایگزین مانند پلیمرها گزینه‌ای دوستدار محیط‌زیست‌تر محسوب می‌شوند. لوله‌های پلی اتیلنی به دلیل مصرف انرژی و انتشار گاز گلخانه‌ای کمتر در مرحله تولید و همچنین وزن بسیار پایین‌تر، در مرحله حمل‌ونقل انتشار بسیار کمتری نسبت به لوله‌های فولادی و بتنی دارند. این ویژگی باعث می‌شود پلی اتیلنی در مقایسه با سایر مواد، پروفایل زیست‌محیطی بهتری در مرحله حمل‌ونقل داشته باشد.

اثرات زیست‌محیطی مرحله نصب لوله‌ها

مرحله نصب لوله‌ها شامل روش‌های مختلفی است که هر یک اثرات زیست‌محیطی متفاوتی دارند. دو روش اصلی برای نصب خطوط لوله زیرزمینی عبارتند از: روش حفاری باز و روش‌های بدون ترانشه. در روش حفاری باز، با استفاده از بیل مکانیکی و تجهیزات دیگر، ترانشه‌هایی مطابق با استانداردها حفر می‌شود. در مقابل، روش‌های بدون ترانشه شامل حفاری افقی جهت‌دار، جک زنی لوله، میکروتونلینگ و حفاری مارپیچی هستند که برای نصب زیرزمینی لوله‌ها به کار می‌روند. به‌طور کلی، استفاده از تکنولوژی‌های بدون ترانشه در مرحله نصب می‌تواند به‌طور چشمگیری اثرات زیست‌محیطی را کاهش دهد و گزینه‌ای پایدارتر نسبت به روش‌های متداول حفاری باز محسوب می‌شود.

اثرات زیست‌محیطی مرحله بهره‌برداری خطوط لوله

مرحله بهره‌برداری از شبکه لوله‌کشی را می‌توان از منظر زیست‌محیطی به سه بخش اصلی تقسیم کرد:

۱-پمپاژ سیال با فشار و سرعت مشخص از طریق پمپ‌ها (عمدتاً گریز از مرکز) که نیازمند مصرف انرژی و همراه با انتشار گازهای گلخانه‌ای است.

۲-فرآیندهای بازرسی و تعمیرات که شامل فعالیت‌های دوره‌ای نگهداری بوده و مصرف انرژی و انتشار آلاینده را به دنبال دارند.

۳-انتشار ناشی از عملیات تعمیر و بازسازی لوله‌ها در صورت بروز خرابی.

در بسیاری از مطالعات پیشین، به دلیل نبود داده‌های دقیق عملیاتی، مرحله بهره‌برداری نسبت به سایر مراحل کمتر مورد توجه قرار گرفته است. بیشتر پژوهش‌ها تنها انرژی موردنیاز برای پمپاژ سیالات را در محاسبات انتشار CO₂ لحاظ کرده‌اند و اثرات زیست‌محیطی تعمیر، بازرسی و بازسازی را نادیده گرفته‌اند. علاوه بر این، در لوله‌های فولادی کربنی، به‌دلیل واکنش‌های الکتروشیمیایی (خوردگی)، طی دوره بهره‌برداری فلز به‌صورت زنگ‌زدگی وارد محیط

می‌شود، اما تأثیر این فلزات بر خاک، آب شیرین و آب‌های دریایی تاکنون در ارزیابی چرخه عمر به‌طور جامع بررسی نشده است. اثر زیست‌محیطی مرحله بهره‌برداری به شدت به طول عمر پروژه وابسته است. بسیاری از مطالعات طول عمر خطوط لوله را حدود 50 سال در نظر گرفته‌اند. بر اساس یافته های علمی میزان انتشار CO₂ مرتبط با پمپاژ سیال در طول 50 سال برای لوله‌های پلی اتیلنی حدود 1491 تن بوده است، که کمتر از لوله‌های فولادی و بتنی است. دلیل اصلی این تفاوت، ضریب اصطکاک پایین لوله‌های پلی اتیلنی است که منجر به کاهش اتلاف انرژی در پمپاژ می‌شود. در مقابل، در لوله‌های فولادی، مقدارضریب زبری هیدرولیکی با افزایش سن به دلیل خوردگی داخلی کاهش می‌یابد. این کاهش باعث افزایش افت اصطکاکی و در نتیجه افزایش مصرف انرژی پمپ‌ها در طول زمان می‌شود. به همین دلیل، مرحله بهره‌برداری، به‌ویژه انرژی پمپاژ، معمولاً بزرگ‌ترین سهم را در کل انتشار گازهای گلخانه‌ای چرخه عمر شبکه‌های لوله‌کشی دارد و نباید نادیده گرفته شود.