انعطاف‌پذیری لوله‌ها در برابر حرکات زمین

دکتر دیوید والتون، مهندس و پژوهشگر لوله با بیش از ۴۰ سال تجربه در شرکت‌هایی مانندBritish Gas  و Thames Water، بیان کرده است وقتی زمین حرکت می‌کند، سیستم لوله‌ها باید با آن حرکت کند. لوله‌های سخت و صلب، به‌ویژه اگر قدیمی یا دچار خوردگی باشند، بیشترین آسیب‌پذیری را در برابر حرکات دینامیکی زمین دارند. به عبارت دیگر، لوله‌های انعطاف‌پذیر توانایی جابه‌جایی با حرکت زمین را دارند و از شکست و آسیب جلوگیری می‌کنند، در حالی که لوله‌های سخت بیشتر در معرض شکست ناشی از زمین‌لرزه یا نشست خاک هستند.

دهه ۱۹۸۰ برای شرکت‌های خدماتی در بریتانیا یک هشدار جدی بود. در این دوره، تعویض گسترده و سریع شبکه‌های چدنی گاز و آب با سیستم‌های لوله پلاستیکی انعطاف‌پذیر و بادوام حیاتی شد. برای شرکت British Gas، تبدیل به سیستم‌های پلی‌اتیلن جوش‌خورده و انعطاف‌پذیر باعث شد که نشت‌ها برطرف شود و خطر انفجارها به طور قابل توجهی کاهش یابد. این تغییر نه تنها مسائل ایمنی و مقرراتی را حل کرد، بلکه عملاً کسب‌وکار آن‌ها را نجات داد. در بریتانیا، یک تحقیق مهم نشان داد که حرکت زمین یکی از دلایل شکست کششی لوله‌های چدنی اصلی بوده است. گزارش King  درباره انفجارهای جدی گاز، این حرکت زمین را ناشی از عوامل زیر دانست:

نشست طبیعی خاک

اختلال ناشی از سایر خدمات یا کار بر روی دیگر خدمات

خشک شدن زمین در دوره خشکسالی و سپس بازآبی آن پس از پایان خشکسالی

همچنین نگرانی دیگری مربوط به بارگذاری نامتوازن زمین توسط وسایل نقلیه سنگین بود، به‌ویژه در مناطقی که انتظار چنین بارهایی هنگام نصب لوله‌ها وجود نداشت. نگرانی‌ها درباره شکست لوله‌ها با افزایش استفاده از حمل و نقل جاده‌ای سنگین تشدید شد، به‌ویژه خودروهایی که نزدیک به حد وزن ۳۲ تن و حداکثر بار محور ۱۰ تن بودند. این مشکل وقتی جدی‌تر شد که خودروها از جاده‌هایی که برای آن‌ها طراحی نشده بودند عبور می‌کردند (مثلاً به دلیل بسته شدن جاده‌ها)، یا روی حاشیه چمن یا پیاده‌روها بدون توجه به ظرفیت تحمل بار پارک می‌کردند ، که باعث شکست موضعی لوله‌های چدنی می‌شد. پیشنهاد افزایش حداکثر وزن بار وسایل نقلیه به ۴۰ تن با نگرانی‌هایی همراه بود. یکی از نتایج مهم گزارش King، جایگزینی گسترده ۶۰۰۰۰ کیلومتر لوله چدنی با لوله‌های پلی‌اتیلن در بازه سال‌های ۱۹۷۷ تا ۲۰۰۰ بود.

صرف‌نظر از اندازه یا منبع حرکت زمین، انجمن لوله‌ها و اتصالات پلاستیکی اروپا معتقد است که خواص انعطاف‌پذیری و کشسانی ماده و لوله باید بتواند فشار ناشی از بار خاک را جذب کند. آن‌ها تأکید می‌کنند: لوله باید بتواند تنش‌ها را تحمل کند، با زمین حرکت کند و در عین حال سالم بماند. برای این منظور تنها لوله‌های پلاستیکی و اتصالات آن‌ها قادر به انجام این کار هستند و یک حافظ ایمنی عملیاتی فراهم می‌کنند. آزمایش‌های مقایسه‌ای بین لوله‌های پلاستیکی و چدن انعطاف‌پذیر نشان داده است که قابلیت انحراف آن‌ها به نسبت  لوله‌های پلاستیکی انعطاف‌پذیر تحت بار می‌توانند تغییر شکل دهند و در نتیجه تنش در دیواره لوله کاهش می‌یابد. این پدیده که به آن آسودگی تنش (stress relaxation) گفته می‌شود، تمایل لوله به شکست ترد را به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. آزمایش‌های آزمایشگاهی و تجربه‌های میدانی نشان می‌دهد که لوله‌های پلاستیکی انعطاف‌پذیر در حوادث زلزله نرخ شکست بسیار پایین‌تری نسبت به لوله‌های سخت دارند. شکست در مواد سخت ناشی از گسترش غیرقابل کنترل ترک‌ها است که آن‌ها را در مواجهه با حرکات مکرر زمین شکننده می‌کند. SDR (Standard Dimension Ratio) بسیار قابل اعتماد و برتر است.

نحوه عملکرد لوله‌ها در برابر حرکت زمین به اندازه توانایی اتصالات در تحمل فشار و کشش زیرزمینی اهمیت دارد. در سال ۲۰۱۳ تأثیر حرکت زمین بر شبکه خدمات لوله کشی آب بررسی و حرکت زمین با نرخ شکست انواع لوله‌های آبPVC ، چدن و آزبست-سمنت مقایسه شد. عملکرد چکش‌خوری لوله‌های PVC و طول کافی اتصالات آن‌ها، از عوامل کلیدی در ارائه خدمات مطمئن و پایدار بودند.

یک مطالعه که در هلند انجام شد تأثیرات احتمالی تغییرات اقلیمی بر شکست لوله‌ها را مورد بررسی قرار داد. در این تحقیق، داده‌های مربوط به ۱۰۳۲۵ مورد شکست لوله و اتصال در یک دوره چهارساله تحلیل شد. این داده‌ها از چندین شرکت آب هلندی جمع‌آوری شده و موارد شکست ناشی از عوامل خارجی (third party) از آن حذف شده بودند. سپس الگوهای تاریخی آب‌وهوا و چهار سناریوی ممکن تغییرات اقلیمی در یک مدل پیش‌بینی وارد شدند.

نتایج مدل نشان داد که بیشترین افزایش در نرخ شکست لوله مربوط به لوله‌های آزبست-سیمان در تابستان‌های گرم خواهد بود. در مقابل، برای لوله‌های پلاستیکی کاهش اندکی در شکست‌ها پیش‌بینی شد و برای لوله‌های چدن خاکستری نیز کاهش قابل‌توجه‌تری انتظار می‌رفت.

شکست خطوط لوله گاز یک نگرانی جدی ایمنی است، زیرا آتش‌سوزی‌ها و انفجارها ممکن است شرایط اضطراری را وخیم‌تر کنند. همچنین شکست لوله‌های اصلی آب می‌تواند تلاش نیروهای آتش‌نشانی را برای مهار آتش‌ها دشوارتر کند. با این حال، روش دقیقی برای پیش‌بینی زمان، مکان و بزرگی زلزله‌ها هنوز وجود ندارد.

اما روش‌های فنی برای پیش‌بینی عملکرد لوله‌های انعطاف‌پذیر و صلب در هنگام زلزله وجود دارد. در یکی از این روش‌ها، چندین نوع متداول لوله با یکدیگر مقایسه می‌شوند و تعداد شکست‌های پیش‌بینی‌شده در یک خط لوله ۱۰ مایلی در برابر بزرگی زلزله (بیش از ۵ ریشتر) در یک بازه ۷۵ ساله مدل‌سازی می‌شود.

·        میزان آسیب‌پذیری لوله‌ها در برابر حرکات زمین به سفتی مصالح آن‌ها بستگی دارد.

·        لوله‌های ساخته‌شده از مواد صلب نمی‌توانند تغییر شکل دهند و در نتیجه تنش‌ها در دیواره بالا می‌ماند، که آن‌ها را مستعد شکست ترد در برابر حرکات چرخه‌ای زمین می‌کند.

در ادامه به بررسی چند نمونه واقعی از حوادث زلزله و تاثیر آن بر خطوط لوله پرداخته میشود:

زلزله والنسیا سال ۱۹۹۴

شرکت آب والنسیا در کالیفرنیا عملکرد سه نوع لوله – آزبست-سیمان، PVC و فولادی – را پس از زلزله  به بزرگی ۷/۶ ریشتر در ۱۷ ژانویه ۱۹۹۴ مقایسه کرد.

·        سه مخزن به‌طور کامل شکستند و در عرض ۳۰ دقیقه سیستم تخلیه شد.

·        شکست در خطوط اصلی و فرعی صدها مورد بود.

·        بیشترین شکست مربوط به لوله‌های آزبست-سیمان بود که معمولاً شکست‌های تیر یا یقه‌ای داشتند.

·        در بخش‌های فولادی نیز شکست‌های قابل‌توجهی دیده شد، عمدتاً در محل جوش‌ها یا زوایا بود.

·        هیچ‌یک از خطوط اصلی PVC (که حدود نیمی از شبکه ۲۷۰ مایلی شهر را تشکیل می‌دادند) دچار شکست نشدند.

زلزله بزرگ سیچوان، چین سال  ۲۰۰۸

در زلزله  سال ۲۰۰۸ به بزرگی ۸ ریشتر در سیچوان، تجربیات مهمی به‌دست آمد.

·        در داخل ساختمان‌ها، لوله‌های PVC، PP-R و آلومینیوم-پلاستیک برای آب گرم و سرد، فاضلاب و کابل استفاده شده بود. در ساختمان‌هایی که سالم ماندند، این لوله‌ها عمدتاً آسیب ندیدند.

·        در شهر  میانژو، سیستم آب‌رسانی به‌شدت آسیب دید. از مجموع ۳۷ کیلومتر خط لوله اصلی، بیشتر آن‌ها از بتن، چدن و PE ساخته شده بود. لوله‌های PE بدون شکست باقی ماندند، در حالی که بیشتر لوله‌های بتنی و چدنی تخریب شدند.

·        در شبکه گاز شهر دوژیانگان نیز شکست‌های شدیدی رخ داد. انعطاف‌پذیری لوله‌های PE باعث عملکرد بهتر آن‌ها نسبت به لوله‌های فولادی شد. در نتیجه، از PE برای تعمیر شبکه ۴۴۰ کیلومتری استفاده شد.

زلزله‌های کانتربری، نیوزیلند سال ۲۰۱۰-۲۰۱۱

زلزله‌های کانتربری در نیوزیلند به دلیل خسارت شدید بسیار قابل‌توجه‌اند. خسارات وارده ۲۷ میلیارد یورو تخمین زده شد که آن را به پنجمین رویداد بزرگ بیمه‌ای از سال ۱۹۵۳ تبدیل کرد. مخرب‌ترین رویداد، پس‌لرزه ۲۲ فوریه ۲۰۱۱ در Christchurch (بزرگی ۳/۶ ریشتر) بود. نکته مهم این است که با وجود شدت زلزله، خدمات آب و فاضلاب تقریباً به‌طور کامل با استفاده از لوله‌های PVC و PE بازسازی شدند.

این اتفاق یک تجربه شاخص محسوب می‌شود، به‌ویژه برای محققانی که فیزیک زلزله و تأثیر آن بر زیرساخت‌ها را مطالعه می‌کنند. در دانشگاه کرنل نیویورک، تأسیسات آزمایشی بزرگ‌مقیاس می‌توانند خاک را در شرایط شکست تا ۶ فوت جابه‌جایی حرکت دهند. یک تیم تحقیقاتی در این مرکز آزمایش‌های مرتبط با رفتار خطوط لوله در شرایط زلزله را انجام داد. در مؤسسه پلی‌تکنیک رنسلیر، دو تیم پژوهشی از یک سانتریفیوژ استفاده می‌کنند که هنگام چرخش، زلزله را شبیه‌سازی می‌کند. این دستگاه، سازه‌های خاکی و همچنین بخش‌هایی از سامانه‌های لوله‌کشی را تحت نیرویی معادل ۲۰۰ برابر شتاب گرانش زمین آزمایش می‌کند. در هر دو تیم، سیستم‌های لوله پلاستیکی انعطاف‌پذیر به طور گسترده مورد آزمایش قرار گرفته‌اند. آنها ارتباط معناداری را بین ویژگی‌های شکل‌پذیر این لوله‌ها در آزمایش‌ها و تجربه زلزله Christchurch مطرح کرده است. زلزله دوم موجب جابه‌جایی زمین به میزان دو تا سه متر در آن ناحیه شد، اما در حالی که خطوط لوله غیرپلاستیکی اطراف کاملاً تخریب شدند، خط لوله پلی‌اتیلن با چگالی بالا بدون آسیب باقی ماند. همچنین مقایسه‌ای میان شبکه توزیع آب و شبکه توزیع گاز در همان منطقه انجام شده است. شدت زلزله به حدی بود که منطقه دچار روانگرایی شدید خاک شد. در حالی که شبکه آب با نرخ خرابی بالایی مواجه شد و حدود ۱۷۰۰ کیلومتر از لوله‌های آبرسانی آسیب دیدند، شبکه گاز که عمدتاً از لوله‌های انعطاف‌پذیر تشکیل شده بود، یکپارچگی خود را حفظ کرد.

ژاپن

ژاپن تجربه‌های زیادی از رویدادهای زلزله‌ای بحرانی داشته است که منجر به تلفات انسانی و خسارات مادی سنگینی شده‌اند. یکی از نمونه‌های نسبتاً اخیر، زلزله و سونامی فوکوشیما در سال ۲۰۱۶ بود. پس از زلزله کوبه در سال ۱۹۹۵ با بزرگی ۹/۶  ریشتر، شرکت گاز اوساکا بازبینی جامعی بر زیرساخت خطوط لوله خود انجام داد و نتیجه گرفت که در سامانه‌های فولادی و چدنی شکست‌هایی رخ داده است، اما در بخش‌هایی که لوله‌های HDPE نصب شده بودند، هیچگونه خرابی مشاهده نشد. به همین دلیل، ژاپن به‌صورت نظام‌مند در سراسر کشور، هر جا و هر زمان که ممکن باشد، خطوط لوله را با لوله‌های HDPE جایگزین می‌کند .

لغزش زمین نمونه دیگری از حرکات دینامیکی خاک است که شرایط چالش‌برانگیزی را برای انواع خطوط لوله مدفون ایجاد می‌کند. این پدیده معمولاً در اثر رویدادهای زلزله‌ای آغاز می‌شود (همان‌طور که در زلزله Christchurch مشاهده شد) و به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته و شبیه‌سازی‌هایی برای پیش‌بینی عملکرد لوله‌های انعطاف‌پذیر در برابر جابجایی خاک و تنش‌های ناشی از آن انجام شده است.

1.      Chohan et al. A review on life cycle assessment of different pipeline materials, Journal of Results in Engineering, 2023.

2.      Laila et al. Comparative life cycle assessment of high-density polyethylene and glass reinforced epoxy pipes in Sharjah, United Arab Emirates, Journal of Frontiers in Sustainable Cities, 2025.

3.      Behavior of Plastic Pipe Systems in Response to Dynamic Ground Movements, European Association of Plastic Pipes and Fittings Association (TEPPFA).

4.      Aleem et al. Pipe Materials Selection for Water Networks, International Research Journal of Advanced Engineering and Science.